现代变速恒频发电机现状与关键技术

潮流360

现代变速恒频发电机现状与关键技术
张文昌1、刘海鹏2、于功山1、王怀杰1
（1.济南吉美乐电源技术有限公司，2.总参信息化部驻济南地区军事代表室）
摘  要：现代变速恒频发电机不再是零件级的一次电源，而是具有特定功能的完整的机电一体化技术与电力电子技术相结合的综合发电系统。介绍现代变速恒频发电机的现状，以安装在汽车上的变速恒频发电系统为例介绍了关键技术的解决情况。
关键词：现代变速恒频发系统、发展、关键技术
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1.引言
　　现代变速恒频发电已经上升到了系统级的层面。这不仅对变速恒频发电机的设计、生产提出了更高的要求，同时也提供了更广阔的产品应用空间、经济利润空间和行业发展空间。
　　本文介绍现代变速恒频发电的几种发展方向和需要进一步发展的关键技术。
2.变速恒频发电模式现状
　　变速恒频发电机种类很多，应用背景与要求各不相同，这就决定了现代变速恒频发电模式的的多样性。主要可以概括为以下四种模式：
　　（1）硅发模式
　　（2）异步发电模式
　　（3）永磁发电模式
　　（4）混合励磁发电模式
3.汽车变速恒频发电系统的工作状态及关键技术解决方案
3.1汽车变速恒频发电系统的工作状态
　　汽车变速恒频发电系统（以下简称系统）配装在轮式越野车辆上，越野车辆在实际工况下，必须面对各种路况和自然条件的交替变化，在某些情况下不可避免会出现发动机转速急剧下降的瞬态突变状态。在这个过程中，维持发电机恒定输出的系统控制调节技术是研制过程要解决的关键技术。
　　发动机转速瞬间变化示意见图1
图1转速变化示意简图
　　在这种情况下，由于底盘发动机提供给系统的总能量瞬间不足，自励发电系统的母线电压下降，常引起后级DC/AC转换保护，导致不间断电源系统的不停切换，以至车辆不间断供电系统供电模式转换，变速恒频系统供电中断，由通信蓄电池供电。
3.2汽车变速恒频发电系统的关键技术解决方案
3.2.1目前存在的几种变速恒频发电模式的关键技术解决情况是
1）硅发模式
　　　　　　　　　
图2硅整流发电机输出特性曲线
　　硅发模式的变速恒频发电系统，采用普通的硅整流发电机或以普通硅发电机的部件，局部调整励磁参数。上图2为某型号（28V/150A）硅发的输出特性曲线，由图可知，当发电机转速为2000r/min时，能建立电压，当发电机转速为6000r/min时，输出额定电流，所以只有当发电机额定转速不低于6000r/min时，才能输出标称功率，其它转速下，功率输出要查曲线进行核对。因而该模式的变速恒频发电系统在越野状态下，不能解决此问题，车辆不间断供电系统经常会转换为电池供电，长时间（≥15min）会影响通信供电。
2）异步发电模式
　　异步发电模式的变速恒频发电系统，采用异步发电机进行一次能源转换，同时为保证最大效能，配以全程调速机构，基本配置组成如图3所示。
　　由于调速机构的存在，调速装置会对车辆的转速进行干预，使车辆不会出现转速的瞬态突变，但是会影响车辆的驾驶性能，给车辆的使用带来更大的不便。
　　　　　　　　　
图3异步发电模式的变速恒频发电系统基本配置组成
3）永磁发电模式
　　采用低转速作为额定工作点，能够使用永磁发电机的低转速处提供较大的功率，但在转速的交替变化时，永磁电机的应用会受到极大的限制，甚至在行进间不能有效的输出额定功率，基本无法动中使用。
　　上述三种变速恒频发电系统模式都直接采用现成的发电机结构模式，以较小的改动来适应变速恒频发电模式，由于发电机额定工作点的改变、励磁容量有限、系统控制简单，在变速恒频下使用时，不能很好满足在瞬态多变下的稳定输出。
4）并列式混合励磁双凸极发电模式[1]
　　并列式混合励磁电机是将永磁励磁与电励磁两种励磁方式进行合理的有机结合，最大限度地综合两者优势又能克服各自缺陷的一种新型电机。“混合励磁”思想最早与1985年由美国人提出，也可称为组合励磁或双励磁，是指电机内同时存在永磁励磁和电励磁磁势源，由它们相互作用共同实现电磁能量转换，是对单一励磁方式的有效拓宽与延伸。混合励磁电机有不同的分类方式，根据电机原型和机理不同，可以分为混合励磁同步电机和混合励磁双凸极电机两大类，前者是在同步电机原理基础上产生的；后者是以磁阻式双凸极电机为基础；本文选用后者。该中电机特点如下：
结构简单；
　　并列式混合励磁发电机转子是由硅钢片叠加成的直槽凸极铁心，无绕组和整流电子元器件，定子也是由硅钢片叠加的直槽铁心，其上只缠有励磁绕组和电枢绕组。这种简单的结构，带来的主要优点有：
　　①转子发热小，发电机工作时转子不需进行散热处理，整个电机的发热源集中在定子上，便于散热处理。
　　②直槽结构便于转子和定子铁心叠片、压装、焊接及定子下线，零件的生产制造工艺简单，同时简单的定转子结构，使得整机装配工艺简单，产品质量容易保证，避免了永磁发电机因定子或转子的强磁作用，电机拆装困难，且装配中容易损坏电机部件(磁块碎裂，绕线损伤等)和伤人。
　　③转子上无绕组和整流器件，不存在绕组断路和匝间短路、整流器件失效等传统电机存在的故障，电机可靠性大大提高。
　　④转子是无绕组的铁心，不用考虑离心力对转子的影响(因其上无绕组、旋转硅或易脆裂的永磁材料等)，电机适用的转速范围广，可以在较高转速环境中应用。
　　⑤转子为纯铁心结构，无须保养和维修。
(2)并列式混合励磁发电机功率密度大，效率可达90%以上，同时无励磁机，因而发电机的体积小，重量轻，便于小型化设计；
(3)可以通过对励磁电流的调节控制，实现对输出电压的自动稳压，输出电压变化范围小，受转速的影响小，对下一级的设备冲击小。
　　本文提出的并列式混合励磁发电机适合变速恒频发电系统模式的总体改动很小，励磁容量大，系统控制简单，在变速恒频下使用时，能解决能量的瞬态缺口问题。
3.2.2从控制技术上解决这一关键技术的常见方案
　　(1)利用汽车蓄电池放电，来补偿供电设备的用电需求。但是在车辆越野状况下长时间大电流放电，导致汽车蓄电池不易及时充足电，使电池亏电，影响车辆的使用。
　　(2)利用外置蓄电池组放电，来补偿供电设备的需求，这需要较大的安装空间和蓄电池的日常管理。
　　(3)利用汽车蓄电池的瞬时放电，作为外在稳定的能量，支持励磁，进而使系统获得持续功率。蓄电池由于换挡瞬时放电，放电电流和放电时间都较小，有利于汽车蓄电池的及时补充。
　　(4)采用适合变速恒频发电模式的并列式混合励磁发电机，同时强化励磁设计，瞬态转换时，系统控制器调整整流模式，随负载增加串激效应明显，拓宽了发电机的转速适应范围，使一次能源通过发电机得到最大的转化利用，消除变速恒频发电系统受瞬态突变的影响。
　　　　　
图4系统控制简图
　　通过实际对比四种方案，采用方案（4），并经台架试验样机连续变速运行验证，而后采用该技术的样机装车，在长距离的行车试验中，变速恒频发电系统既保证持续稳定的供电，又使汽车蓄电池处于良好状态，使用该方案能有效解决此类问题。
4试验验证
　　　试验样机是一套由并列式混合励磁发电模式设计的5kW变速恒频发电系统。图5为实物图。[1][2]
        
           发电机转子                发电机定子                控制器
图5
测试项目如下：
（a）变速状态下（3000～15000rpm）抛负载和突加额定负载时的电压波形；见图6
　　　　　　　　　　　　　
图6
（b）变速状态下（3000～15000rpm）连续突加突减负载时的电压波形;见图7
　　　　　　　　　　　　　
图7
　　由波形可见，三种状态下系统输出电压比较稳定，达到了预期的目标，说明方案4是可取的。
5结语
　　本文通过对比分析了四种变速恒频发电系统模式应对系统母线电压下降出现的缺口，常导致后级功率变换单元出现欠压保护，以至车辆不间断供电系统出现供电模式转换，变速恒频系统供电中断，进而由通信蓄电池供电。硅发模式、异步发电模式、永磁发电模式基本不能解决这一关键技术问题；通过台架试验及实际装车试验并列式混合励磁发电模式能够解决变速恒发电系统中这一关键技术问题。
参考文献：
[1]张文昌、于功山、王怀杰.混合励磁电机的常见结构及原理[J].移动电源与车辆，2011（3）：44-50.
[2]张文昌、于功山、王怀杰.变速恒频发电中混合励磁发电机模拟双向电压调节器的设计[J].移动电源与车辆，2012（1）：6-10.
Modern VSCF generator status and key technologies
Hai-Peng Liu 1, Yu Gong Shan 2, Zhang WenChang 2, Wang Huaijie 2
1 The General Staff Headquarters Ministry of InformationintheJinanareamilitaryRepresentative Office,
2 Jinan JIMEILE Power Station Equipment Technology Co., Ltd.
Abstract: The modern VSCF generator is no longer a part class power, but with a specific function of a complete mechanical and electrical integration technology and power electronics technology combining power generation system. The introduction of modern variable-speed horizontal frequency of the status of the generator, installed in the car variable speed horizontal frequency of the power generation system as an example of a key technology to solve.
Keywords: Modern VSCF generating system, status ,  key technologies