單相永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理和運行特性分析

王愛元

(上海電機學院 電氣學院， 上海 201306)

在邊遠山區(qū)、海島、草原牧場等三相電網(wǎng)無法達到的地區(qū)采用單相交流發(fā)電機有一定技術(shù)優(yōu)勢，由于大部分民用電器使用單相交流電，采用單相交流發(fā)電機可以免去三相交流供電的不平衡，以及三相交流電經(jīng)整流逆變成單相交流電時的裝置和損耗。野外作業(yè)、應(yīng)急救援、海洋工程等對單相交流發(fā)電機也有一定的需求。

與三相交流電動機相比較，單相交流電動機效率低，功率因數(shù)、起動性能差，因此，目前的工程應(yīng)用局限于民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的小功率的單相異步電動機。

單相交流電動機的設(shè)計是電機領(lǐng)域的一項熱門研究課題，尤其是小容量的單相交流發(fā)電機，在獨立運行的可再生能源發(fā)電領(lǐng)域獲得了廣泛研究。由于單相自激式異步發(fā)電機造價低、堅固耐用的優(yōu)點，已有一定的應(yīng)用。文獻[1-8]提出了單相自激式異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，并從設(shè)計、運行分析、電負載控制、高效率運行等多個角度進行了大量研究。文獻[9]采用光伏電池給發(fā)電機提供可變的勵磁，使離網(wǎng)運行的單相異步發(fā)電機能夠?qū)捤龠\行。文獻[10]研究了三相異步電動機應(yīng)用于單相異步發(fā)電機的動態(tài)模型。文獻[11]研究了應(yīng)用于混合微電網(wǎng)的單相自激式異步發(fā)電機的調(diào)壓調(diào)頻自適應(yīng)控制。文獻[12]對提高單相異步發(fā)電機的供電質(zhì)量進行了研究。Abu-Elhaija等[13]提出了一種單相自激式磁阻發(fā)電機，以及轉(zhuǎn)速波動和負載變化時最小輔助電容的確定方法。近十幾年來隨著永磁材料的開發(fā)應(yīng)用也有單相永磁同步發(fā)電機的研究[14-18]，單相永磁同步發(fā)電機具有效率高、功率因數(shù)高、電壓調(diào)整率低等優(yōu)勢，有廣闊的應(yīng)用前景。

本文闡述了單相永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理和輸出特性，通過分析電機的相量圖對移相電容進行選擇，合理分配兩相繞組的功率。最后通過場路耦合有限元方法計算了輸出電流、輸出功率、效率等運行特性，分并網(wǎng)和接入不同功率因數(shù)負載的獨立運行兩種方式分析了移相電容、效率、固有電壓調(diào)整率等性能指標，與三相同步發(fā)電機的相關(guān)性能做了比較，說明其優(yōu)勢和適用范圍。

1 單相永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理

單相電機通常指單相異步電動機，定子上有起動繞組和運行繞組，起動繞組主要應(yīng)用于電機的起動階段，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，兩相繞組空間相差90°電角度，但結(jié)構(gòu)上不對稱，運行繞組占有2/3的槽數(shù)，起動繞組與電容串聯(lián)后再與運行繞組并聯(lián)。

工作原理同一般的三相永磁同步發(fā)電機，單相永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子裝設(shè)永磁體產(chǎn)生電機內(nèi)的主磁場，在原動機的作用下，定子繞組切割轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生電動勢，并向外輸出電功率。

單相永磁同步發(fā)電機不存在起動問題，轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如果只采用一相繞組輸出電功率，電樞繞組產(chǎn)生脈振磁場，振動加劇，電機的轉(zhuǎn)矩/功率密度下降，因此，發(fā)電機通常采用兩相對稱的正交繞組，減少振動，提高了轉(zhuǎn)矩/功率密度，也利于散熱。單相永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與三相永磁同步發(fā)電機相同。圖1為表貼式的單相永磁同步發(fā)電機定子繞組軸向排列圖，電機為8極48槽。

圖1 單相永磁同步發(fā)電機定子繞組軸向排列

理論上三相交流電動機的輸入輸出不含3次和3的倍數(shù)次諧波，最低次數(shù)諧波為5次。不同于三相交流電動機，單相永磁同步發(fā)電機含有3次和3的倍數(shù)次諧波，對電機的輸出波形影響大，因此，通過短距繞組或分布繞組設(shè)計消除3次和5次諧波。

圖2 忽略了繞組電阻壓降的相量圖

考慮到繞組的散熱和發(fā)電機的運行平衡，移相電容的選擇應(yīng)確保兩相繞組負載時的電流相等，即IA=IB，因此，移相電容為

(1)

根據(jù)式(1)B相繞組中的電流隨發(fā)電機負載的變化而變化，為減小發(fā)電機的振動和高效率運行，接入移相電容的容量隨發(fā)電機負載變化，才能保證IA=IB。工程中可配置一組不同容量的電容并聯(lián)在一起，并聯(lián)電容的總?cè)萘繛榘l(fā)電機額定負載時對應(yīng)的電容容量，根據(jù)發(fā)電機負載的變化接入不同容量的電容。當發(fā)電機接近空載運行時，接入最小電容，其他電容切除。

2 發(fā)電機運行特性的仿真分析

發(fā)電機的運行分為并網(wǎng)運行和獨立運行兩種情況。兩種運行方式下根據(jù)負載電流的變化，通過實時調(diào)節(jié)B相繞組串入電容的大小，使兩相繞組電流大小相等，發(fā)電機內(nèi)部的電樞反應(yīng)磁場近似工作在對稱狀態(tài)，有利于電機的散熱、減少振動噪聲并提高效率。本文通過有限元仿真計算了額定功率為10 kW、額定電壓為220 V、頻率為50 Hz的發(fā)電機在兩種運行狀態(tài)下的特性，發(fā)電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機的主要設(shè)計參數(shù)

2.1 并網(wǎng)運行時的特性

當接入單相電網(wǎng)時，電網(wǎng)的容量相對于單臺發(fā)電機的容量足夠大，電網(wǎng)為220 V、50 Hz交流電，功率因數(shù)由電網(wǎng)的負載決定。隨著輸入機械功率的增大，發(fā)電機內(nèi)部功率角增大，輸出的電功率隨之發(fā)生相應(yīng)變化。圖3為發(fā)電機輸出功率發(fā)生變化時，輸出電流、移相電容、效率和功率因數(shù)的變化曲線。

圖3 并網(wǎng)時發(fā)電機的運行特性

圖3(a)表明，輸出電流和移相電容隨輸出功率的增大而線性增大，根據(jù)這一特性，發(fā)電機實際運行時可根據(jù)輸出電流的大小自動切換調(diào)節(jié)接入到繞組B中的電容，保持發(fā)電機的高效率、低噪聲振動運行。

圖3(b)表明，發(fā)電機的功率因數(shù)隨輸出功率的增大而增大，與三相同步發(fā)電機基本相同；發(fā)電機效率隨輸出功率的增大先上升后減小，這是由于發(fā)電機接近空載時空載機械損耗占比較大、效率低，發(fā)電機輕載時輸出功率為0.1～0.3PN，有一定的輸出功率，效率高達93.5%，隨著輸出功率的進一步增大，電流增大，由于兩相繞組中電流相位不等于90°，電樞反應(yīng)磁場為不對稱的，發(fā)電機的損耗增大、效率下降，不同于三相同步發(fā)電機，在額定輸出功率時效率為89.5%，不是最高的。

2.2 獨立運行時的特性

獨立運行時發(fā)電機給負載直接供電，通過一定的裝置控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恒定，輸出交流電的頻率保持為50 Hz，發(fā)電機的輸出功率和輸出電壓隨負載的變化而變化，負載的功率因數(shù)基本不變。獨立運行時一般要求發(fā)電機的輸出功率大、電壓調(diào)整率低、效率高。

由于發(fā)電機的B相繞組串聯(lián)電容，當接入容性功率因數(shù)的負載時，兩相繞組中電流相位差大于90°，繞組之間的環(huán)流增大，輸出電流下降，發(fā)電機效率下降，因此，發(fā)電機不適合容性功率因數(shù)的負載供電。如果需要容性功率因數(shù)的負載供電可采用單繞組供電的方式，但發(fā)電機的容量下降、振動加劇。

表2為發(fā)電機接入功率因數(shù)為0.8的容性負載單相繞組輸出時運行特性，表明隨著負載阻抗的

表2 容性負載功率因數(shù)為0.8時獨立運行發(fā)電機的特性

降低，輸出電流增大、輸出功率增大、效率下降，同并網(wǎng)運行時發(fā)電機的運行特性；而輸出電壓增大，同同步發(fā)電機的輸出電壓特性，固有電壓調(diào)整率為4.39%。

表3～5分別為負載的功率因數(shù)為1、0.97(感性)和0.8(感性)時獨立運行發(fā)電機的特性，表明隨著負載阻抗的降低，輸出功率、串聯(lián)電容和輸出電流增大，效率下降。同并網(wǎng)運行時發(fā)電機的特性，電容隨輸出電流線性增大，因此實際運行時可以根據(jù)輸出電流實時調(diào)節(jié)移相電容的容量。負載功率因數(shù)為1時輸出電壓增大，負載功率因數(shù)為0.8時輸出電壓下降，而負載功率因數(shù)為0.97時輸出電壓基本不變。

表3 負載功率因數(shù)為1時獨立運行發(fā)電機的特性

表4 感性負載功率因數(shù)為0.97時獨立運行發(fā)電機的特性

圖4為3種不同感性負載功率因數(shù)運行時，效率和輸出電壓隨輸出功率變化的比較。當負載功率因數(shù)為0.97時，發(fā)電機滿載運行的效率高，輸出功率較大，并且輸出電壓基本不變,固有電壓調(diào)整

表5 感性負載功率因數(shù)為0.8時獨立運行發(fā)電機的特性

率為3%；當負載功率因數(shù)為1和0.8時，發(fā)電機滿載運行的效率低，輸出電壓變化較大，固有電壓調(diào)整率分別為-10.6%和20.9%。因此，發(fā)電機比較適合功率因數(shù)為0.97的感性負載。

圖4 獨立運行的發(fā)電機的輸出特性

3 結(jié) 論

本文對單相永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理進行了研究，分析了發(fā)電機并網(wǎng)運行和獨立運行時的運行特性，得出以下結(jié)論：

(1) 兩相繞組電機的3次和5次諧波比較嚴重，通過合理設(shè)計繞組消除低次諧波；

(2) 根據(jù)輸出功率調(diào)整移相電容的容量，確保兩相繞組電流相等，發(fā)電機近似運行在對稱狀態(tài)；

(3) 不同于三相同步發(fā)電機，由于不對稱的電樞反應(yīng)磁場，隨著負載的增大，效率下降；

(4) 對于容性功率因數(shù)的負載，發(fā)電機采用單相繞組供電。

單相永磁同步發(fā)電機更適合接入阻性或感性功率因數(shù)的負載，具有效率高、固有電壓調(diào)整率低的優(yōu)越性能，未來的工作是推進單相永磁同步發(fā)電機的工程化和產(chǎn)品化。