高速发电机系统理论与技术
本帖最后由 lanjeo 于 2015-4-29 10:15 编辑高速发电机系统理论与技术
（济南吉美乐电源技术有限公司，山东 济南）
摘要：本文阐述高速发电机理论；介绍了高速发电机系统应用的电力电子器件的结构与工作原理；分析了高速发电机系统中采用的变流、控制技术；制作了样机，测试了其性能。
关键词：高速发电机系统、理论、技术
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
1引言
随着内燃机电站在现代武器装备上的广泛应用，用电设备对电源系统的性能、重量、体积提出了新的、更高的要求。传统电机理论无法满足新的要求。随着高性能稀土永磁材料研究的不断完善，电力电子技术的不断发展，控制技术的日趋完善，为新型发电机发展注入了崭新的活力，使新一代移动电源为满足这些要求提供了可能。在这样的大背景下，高速发电机系统应运而生。
高速发电机系统是通过原动机、发电机、电力电子、数字控制等相关技术，实现整体设计，达到减小体积、重量，提高发电机质量的目的。它将发电机技术扩展为发电机电源技术，实现了发电电源的高性能化，解决了传统电站体积大、重量重、电压频率波动大的难题。
2高速发电机理论
高速发电机是高速发电机组产生电能的部分，它将发动机产生的机械能转变为电能。移动式发电机目前有电励磁式同步发电机、永磁式同步发电机、异步发电机三种。综合分析以上三种电机的结构及可靠性后，异步电机和永磁式同步电机作为高速发电机是最合理的选择。本文以高速永磁式发电机为例，从电机的特点、结构和设计要点方面进行论述。
2.1高速永磁式同步发电机的特点
2.1.1结构简单
永磁式同步发电机省去了励磁绕组和容易出问题的集电环和电刷，结构简单，加工和装配费用减少。
2.1.2体积小
采用稀土永磁后可以增大气隙磁密，并把发电机转速提高到最佳值，从而显著缩小电机体积，提高功率质量比。
2.1.3效率高
由于省去了励磁，没有励磁损耗和电刷滑环间的摩擦、接触损耗。另外，在设置紧圈的情况下，表面光滑，风阻小。与凸极式交流电励磁式同步电机相比，同等功率的永磁式同步发电机的总损耗大约要小10%-15%。
2.1.4电压调整率小
处于直轴磁路中的永磁体的导磁率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁式同步电机小的多，因而固有电压调整率也比电励磁式同步发电机小。
2.1.5高可靠性
永磁式同步发电机转子上没有励磁绕组，转子轴上也不需要安装滑环，因而没有绕线转子发电机上存在的励磁短路、断路、绝缘损坏、电刷滑环接触不良等一系列故障因素；另外，由于采用永磁体励磁，永磁式同步发电机的零部件也少于一般绕线转子发电机，结构简单，运行可靠。
2.2高速永磁式同步发电机的结构
同传统电励磁同步发电机一样，永磁式同步发电机本体由定子和转子两大部分组成。定子部分，主要有硅钢片、三相Y形连接的对称分布在定子槽中彼此相差120°电角度的电枢绕组、绝缘体等部分组成，这同传统同步发电机定子结构相同。转子是指发电机运行时的旋转部分，通常由转子铁心、永磁体磁钢、套环和转子转轴组成。其结构见图2
定子结构 转子结构
图2 高速永磁式同步发电机
2.3高速永磁式同步发电机设计要点
2.3.1高速永磁式同步发电机设计考虑的主要问题
a)为提高发电机的功率/重量比（减轻同容量条件下的发电机重量），在外形尺寸相同时，如何尽可能增大永磁式同步发电机的电负荷AS和磁负荷Bδ。
b)选择高性能的永磁体，既满足增加气隙负荷需求，又达到了减轻磁体的重量目的。
c)采用耐高温H绝缘等级的漆包铜圆线确保高AS条件下的工作可靠性，同时，采用同齿槽集中绕组嵌线结构形式，降低了电枢嵌线工艺导致的绕组绝缘失效，提高多套绕组发电的电气可靠性。
2.3.2高速永磁式同步发电机设计结论
a)外转子特征.①有效增大气隙直径和电枢直径，在相同外形情况下，可以获得更高的功率/重量比。②可简化永磁体的旋转防护措施，提高供电的可靠性。
b)转子多极化特征。为了提高发电机组的功率/重量比，外转子发电机的磁极对数为10对。
c)集成多套发电绕组特征。为满足微型发动机的点火、发电机组电源系统的自检、控制、供电指标等要求，高速发电机组外转子发电机应同时集成三套发电绕组。
3高速发电机系统中采用的变流、控制技术
高速发电机的实现要通过变流技术，首先要将发电机的三相交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术再将直流变成交流，通过这种方式，就达到了缩小发电机组体积、减轻机组重量和提高供电质量的目的。要实现上述过程，在功率电力电子器件的基础上，还需要相应的控制技术，主要是整流技术和逆变技术。为了实现变流，还需要驱动、缓冲和保护辅助电路。
3.1高速发电机系统中采用的变流技术
3.1.1整流技术
3.1.1.1三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路如图7所示。如果两组电路负载对称，控制角度相同，则它们输出电流平均值Id1与Id2相等，零线中流过的电流Id=Id1-Id2=0,去掉零线，不影响电路工作。在三相桥式全控整流电路中的变压器绕组中，一个周期里既流过正向电流，又流过反向电流，提高了变压器的利用率，且直流磁势相互抵消，避免了直流磁化。
图7 三相桥式全控整流电路的组成
由于三相桥式全控整流电路是两组三相半波整流电路的串联，因此，输出电压是三相半波的两倍。当输出电流连续时，
Ud=2×1.17U2cosα=1.35U21cosα
式中，U2和U21为电源变压器次级相电压和线电压有效值。
3.1.1.2三相全桥PWM整流电路
PWM整流电路也分为电压型和电流型两大类，目前，电压型整流电路应用较多。
图8（a）和图8（b）分别为单相半桥和单相全桥PWM整流电路。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。全桥电路直流侧电容只要一个就可以。交流电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。
图8 单相PWM整流电路
单相全桥PWM整流电路的工作原理如下：采用正弦信号波和三角波相比较较的方法对V1-V4进行SPWM控制，就可在交流输入端AB产生SPWM波uAB。uAB中含有与信号波同频率且幅值成比例的基波，以及与载波有关的高频谐波，不含低次谐波。由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。当信号波频率和电源频率相同时，、is也是与电源频率相同的正弦波。Us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或is与us相位相差为所需角度。
3.1.2逆变技术
3.1.2.1无源逆变器的工作原理
最基本的无源逆变器是单相桥式逆变器，它可以很好地说明逆变器的工作原理，其电路如图9（a）所示。输入直流电压E，逆变器负载是电阻R。当以频率f交替切换开关K1、K4和K2、K3时，在电阻上就得到图9（b）所示的电压波形。T=1/f，所以，负载电压就是频率为f的交变电压，它含有各次谐波，如欲得到正弦电压或电流，可以通过滤波器滤波。
图9 单相桥式逆变器工作原理
3.1.2.2单相全桥电压型逆变电路
图10是电压型逆变电路的一个例子，它是电路的具体实现。
电压型逆变电路主要有以下特点：①直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。②由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形或接近三角波，或接近正弦波。③当交流侧为电感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的能量提供通道，各臂都并联了反馈二极管。④逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传送功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。⑤当用于交-直-交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就需要向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交-直变换的整流桥再反并联一套逆变桥，如图11所示。
图10一种电压型逆变电路
图11 可工作于再生状态的逆变电路
3.2高速发电系统中采用的逆变电路控制技术
3.2.1PWM控制的基本原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
分别将图12所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图13（a）所示，其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图13（b）所示。从波形可以看出，在i(t)的上升阶段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后可以看出，各i(t)在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。
图12 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图13 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这样得到的波形即为SPWM波形，如图14所示。
图14 用PWM波代替正弦半波
因此，SPWM波形实际上就是脉冲宽度按照正弦规律变化且与正弦波等效的PWM波形.
要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。SPWM波形可以等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也是基于等效面积原理。
3.2.2PWM逆变电路及其控制方法
中小功率的逆变电路几乎都采用PWM控制技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路分电压型与电流型两种，目前实际应用最多的为电压型。
3.2.2.1计算法和调制法
a)计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断就可得到所需PWM波形。其缺点为：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。
b)调制法
输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波。通常，采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件的通断就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。
调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。
4.2.2.2异步调制和同步调制
根据载波和信号波是否同步及载波比N的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制
a)异步调制
异步调制是指载波信号和调制信号不同步的调制方式。当采用异步调制方法时，通常保持fc固定不变，而fr变化，从而使载波比N变化。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就较大。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。
b)同步调制
同步调制是指N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。同步调制分基本调制和分段调制。
采用基本同步调制方式，fr变化，N不变，信号波一个周期内输出脉冲数固定。当对三相逆变电路控制时，共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。
fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制方法。把fr范围划分为若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。
3.2.2.3规则采样法
按SPWM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。实际应用中，通常采用的是规则采样法。与自然采样法相比，规则采样法效果接近，但计算量却小得多。
如图15，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一个周期中点（即负峰值点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。三角波负峰时刻tD对信号波采样得D点，过D作水平线和三角波交与A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制器件的通断，脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。
图15 规则采样法
3.2.2.4PWM逆变电路的谐波分析
使用载波对正弦信号波调制，产生了与载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。由于同步调制可看成异步调制的特殊情况，这里只分析异步调制方式。
不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，本文采取的分析方法是：以载波周期为基础，再利用贝赛尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。分析过程比较复杂，结论却很简单、直观。
图16和图17分别是单相桥式电压型PWM逆变电路输出电压频谱图和三相桥式电压型PWM逆变电路输出线电压频谱图。
图16 单相桥式电压型PWM逆变电路输出电压频谱图
图17三相桥式电压型PWM逆变电路输出线电压频谱图
可以看出两者的共同点是PWM波中不存在低次谐波；不同点是，单相桥式电压型PWM逆变电路只含有角频率为ωc、2ωc、3ωc等及其附近的谐波，在上述谐波中，幅值最高、影响最大的是角频率为ωc的谐波分量。三相桥式电压型PWM逆变电路谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr,而载波角频率的ωc整数倍的谐波被消除了。
SPWM波中的谐波主要是角频率为ωc、2ωc及其附近的谐波，很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波有两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。
3.2.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数
直流电压利用率是指逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗；正弦波调制的三相电压型PWM逆变电路，调制度α为1时，输出电压的基波幅值为Ud/2,输出线电压的基波幅值为0.866Ud，，即直流电压利用率为0.866，这个值比较低，其原因是正弦调制信号的幅值不能超过三角波幅值。实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措施，调制度不可能达到1，所以，采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比0.866还低。因此，要提高直流电压利用率，必须采用其他调制方法。
梯形波调制方法
采用梯形波作为调制信号可以有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。
线电压控制方式（叠加3次及3倍次谐波和直流分量）
对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能，其目标是：使输出线电压不含低次谐波的同时，尽可能提高直流电压利用率、尽量减少器件开关次数。该方式采用的直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压。而相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。
3.2.2.6PWM逆变电路的多重化
与一般逆变电路一样，大容量PWM逆变电路也可采用多重化技术。采用SPWM技术，理论上可以不产生低次谐波。因此，构成PWM多重化逆变电路时，一般不再以减少低次谐波为目的，而是为了提高等效开关频率，减少开关损耗，减少和载波有关的谐波分量。
4试验验证
高速发电机系统的设计是根据输出特性的要求完成给定的直流侧参数设定，然后根据母线电压和传输功率进行高速发电机、逆变器、滤波器和控制电路的设计。试验样机见图18
图18 高速发电机系统试验样机
测试参数及波形图（图19-图23）如下：
试验样机是一台采用高速发电机理论技术的6kW机组，关于高速发电机的具体数据参见下表。
型号 额定电压（V） 极对数 转速范围（rpm） 功率(kW) 重量(kg) 外形尺（mm）
JML8000 400 10 2500～3600 8.5 16 φ340×120
图19 高速发电机的空载线电压波形
图20 满载线电压波形
图21 母线电压波形
图22 输出工频电压波形
图23 满载时电压波形谐波分析
主要电气参数表
性能指标 传统同步发电机 高速发电机系统
额定功率 6 6
频率稳态调整率(%) ±3 0.00
频率波动率(%) 0.5 0.06
频率稳定时间(s) 2 0.09
频率瞬态调整率(%) ±7 0.31
电压稳态调整率(%) ±0.8 ±0.47
电压波动率(%) ±0.1 ±0.09
电压稳定时间(s) 1 0.02
电压瞬态调整率(% ±15 ±2.4
重量 200 110
体积 800×560×660 640×460×560
5结束语
采用采用高速发电机理论与技术的某型号电站经过实验证明各项技术指标都达到了设计的要求，已顺利通过军方的基地试验。经过在雷达系统中的长期稳定可靠的运行，能满足恶劣电磁环境下运行的要求，验证了高速发电机理论与技术的上述分析的正确性，能够用于指导实际工程设计。
高速发电机系统的运行方式近年来得到越来越广泛的应用，对于这类系统的本质认识尚浅，有许多问题尚待进一步的探讨和验证，文中难免存在不妥之处，恳请同行、专家质疑指正，共同探讨、提高。
参考文献
刘凤君.2005.逆变器用整流电源.北京：机械工业出版社.
马长山，周波，张乐.2007.永磁式双凸电机新型调速系统.中国电机工程学报（3）：71-76.
唐任远.1996.现代永磁电机理论和设计.北京：机械工业出版社.
邢岩，蔡宣三.2005.高频功率开关变换技术.北京：机械工业出版社.
王兆安，黄俊.2002.电力电子技术(第四版).北京：机械工业出版社.
许道延，丁贤华等。2004.高速柴油机概念设计与实践.北京：机械工业出版社.
居然没有人顶一个吗。 科普文章，没有太大价值 很好顶！！！！！！！！！！！！！！！1 文章写得一般般，没有什么新意，逻辑问题比较大。什么叫“传统电机理论无法满足新的要求”？难道文章中提出了一个新理论吗？经认真查找一点也没有！！！都是教科书上的“传统电机理论”！！！；后面的整流逆变部分基本与电机的转速无关！低速电机也是这么整流逆变的！！！类似逻辑问题很多就不一一列举了。
因此文章基本没有什么学术价值，倒是一篇还算可以的科普文章。另外看这篇文章所做的项目估计还是个比较保密的项目，文章可是泄了不少密啊{:soso_e144:} 标准答案 发表于 2013-11-16 15:20
文章写得一般般，没有什么新意，逻辑问题比较大。什么叫“传统电机理论无法满足新的要求”？难道文章中提出 ...
不过看完了以后才发现，实在是没有密可泄 本文用了五分之一的篇幅讲电机，而且也没说出跟普通不高速的有啥差别
另外用了五分之四的篇幅讲整流，看完后发现低速电机好像也是这么整流的 标准答案 发表于 2013-11-16 15:20
文章写得一般般，没有什么新意，逻辑问题比较大。什么叫“传统电机理论无法满足新的要求”？难道文章中提出 ...
同意你的看法，泄密很严重！如果是比较新的技术，一般看参数就知道怎么回事了。
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