永磁发电机的电压参数和运行特点

摘要：高速永磁同步发电机与电励磁同步发电机的主要差别在于高速永磁同步发电机磁路中有永磁体存在，导致磁路构造有所不一样。磁同步发电机在性能、数据、特点、电压调整及电磁布置步骤等方面产生了与电励磁同步发电机不一样的特征。下面将解析其中两个重要的性能指标-固有电压调节率和输出电压波形正弦性畸变率。为此，需要先讨论励磁磁动势和交、直轴电枢反应电抗的计算。

      单定子永磁发电机构成如图1所示，双定子永磁发电机构成如图2所示。永磁体在高速永磁同步发电机中具体有以下两个用途：

      用永磁体励磁，使它对外磁路提供的磁势F和磁通中M可随外磁路的磁导和电枢反应磁通在小范围内变化，并可以由此致使漏磁通的变化，从而影响电枢反应磁势在小范围内变化，并可以由此导致漏磁通的变化，从而影响电枢绕组的感应电势。

      由于永磁体的磁导率与空气磁导率接近，在电机磁路中对直轴电枢反应磁势来说是一个很大的磁阻。因此，电枢反应磁场被削弱，并且除通过永磁体外，还有相当一部分沿漏磁路径闭合，这就决定了高速永磁同步发电机直轴电枢反应电抗比电励磁式同步发电机的直轴电枢反应电抗小。在切向磁化构成中，还可以使直轴电枢反应电抗小于交轴电枢反应电抗。

      永磁同步发电机在空载运转时，空载气隙基波磁通在电枢绕组中产生励磁电动势E0（V）；在负荷运转时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中发生气隙合成电动势Eδ（V），计算公式如下：

      电抗参数对同步发电机的性能和特性危害很大。电抗之间有如下关系：

      直轴电枢反应电抗是指直轴磁路中单位直轴电流发生的交变磁链在电枢绕组中所感应电势的大小。其他电抗的物理意义与其类似。从电抗的物理意义出发，根据永磁同步发电机的磁路特点，其电抗数据与电励磁式同步发电机有两点重要差别。

（1）由于永磁体的磁导率低，且它又是磁路的一部分，故而永磁同步发电机的电枢反应电抗Xad、Xaq比电励磁同步发电机的小。

（2）对电励磁凸极同步发电机，一般有Xad＞Xaq，这是由于直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导。从对永磁同步发电机的分析可知，如对于径向磁化构成的发电机，直轴磁路和交轴磁路磁导近似相等，故其电抗也近似相等，即Xad≈Xaq。根据电抗数据可以画出永磁同步发电机不饱和矢量图，如图4所示。它的基础规律与电励磁同步发电机相同，但由于X接近等于Xad，所以，IdXad/IqXad（Id为直轴电流，Iq为交轴电流）将小于电励磁式同步发电机。

       同步发电机在负载变化时，因为漏阻抗压降和电枢反应的作用，使端电压产生变化。对高速永磁同步发电机，漏阻抗压降的功能与电励磁同步发电机是相同的发电机故障码，区别较大的是电枢反应的危害。同步发电机通常带感性负载，其电枢反应是去磁的，端电压将随负载增加而下降；漏阻抗压降随负载的增加而增加，它的功用也使端电压下降，因此外特征是下降的如图5所示。传统的电励磁发电机可以通过调整转子上的励磁控制输出电压，使其稳定。但是永磁同步发电制度成后柴油发电机维修安装，气隙磁场调节困难。因此，为使其能得到大量推广，需要对永磁同步发电机的固有电压调节率进行探讨，还要深入讨论降低固有电压调节率的措施。

0－U)/Un×100%      式中柴油发电机十大厂家，U——输出电压。

U；而要增大输出电压U，则既要设法降低电枢反应致使的去磁磁通量，又要减轻电枢绕组电阻R1和漏抗X1的压降。（1）为了减少电枢反应引起的去磁磁通量，首先要增大永磁体的抗去磁能力，即增大永磁体的抗去磁磁动势，为此应选用矫顽力Hc

Rr小的永磁材料；同时，增大永磁体磁化方向长度，使作业点提高，削弱电枢反应的影响。其次，需要减小电枢绕组每相串联元件数，增加转子漏磁通以削弱电枢反应对永磁体的去磁功能。为此，应选购剩磁密度Br大的永磁材料；并且应增加永磁体供应每极磁通的截面积，这时磁通明显增加，可以高效减轻每相串联元件数。（2）为了减轻定子漏抗X1

      虽然上述各种举措在一定程度上可以减小固有电压调整率，但将耗用更多的永磁体材料，增大了发电机的体积和毛重，且为满足规定的性能指标，对电机数据的要求也非常高，增加了设计工艺的复杂性。更为重要的是，这些措施都不能改变永磁同步发电机“励磁不可调导致输出电压不可调”这一根本的问题。因此，单靠发电机体设计上的改善，这一问题没有得到真正的解决。

       工业上对同步发电机电动势波形的正弦性有严格的要求，实际电动势（通常指空载线电压）波形与正弦波形之间的偏差程度用电压波形正弦性畸变率来表示。电压波形正弦性畸变率是指该电压波形不包含基波在内的所有各次谐波有效值二次方和的二次方根值与该波形基波高效值的百分比。

      为减少调整永磁同步发电机输出电压波形的正弦性畸变率，在布置发电机时，除了要采用分布绕组、短距绕组、正弦绕组和斜槽等举措外，还应改良气隙磁场波形，它不但和气隙形状有关，还与稳磁解决举措有关。在对电压波形要求严格的场合，需对发电机的极靴形状进行加工，使气隙磁场分布尽可能地接近正弦。

       效率高是高速永磁同步发电机的一大优点，这是指在同等要素下与电励磁同步发电机比较而言的，其原因如下。