純永磁型高速交流發電機及其變流穩壓技術的研究

《純永磁型高速交流發電機及其變流穩壓技術的研究》是依託浙江大學，由沈建新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：純永磁型高速交流發電機及其變流穩壓技術的研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：沈建新
• 項目類別：面上項目

項目摘要

純永磁型高速交流發電機具有諸多優點。通常利用二極體整流再作其他變流。由於繞組感抗大，發電機輸出電壓隨負載顯著變化，限制了輸出電功率。本項目擬採取PWM整流進行矢量控制，通過d軸電流實現電機內磁場調節（弱磁或增磁）進而穩壓。磁場調節能力取決於電機參數，且電機效率、功率密度等亦受影響。所以將研究發電機應具備的磁場調節能力以及各參數的相互匹配規律，研究d軸電流極性與大小的確定方法，在滿足變負載穩壓的前提下最佳化系統綜合性能。其次，常規功率器件的開關頻率與高速發電機基波頻率接近，在一個電周期內斬波次數太少，電流波形和磁鏈圓畸變，整流性能差。對此，將協同研究發電機和PWM整流器的特殊拓撲結構，通過二者合理匹配實現更高的等效開關頻率。再次，針對所得出的特殊拓撲結構，研究系統數學模型和矢量控制實現方法。本項目將解決高速永磁發電機感抗大、PWM整流器開關頻率不夠高等技術難點，為該類發電機系統的套用打下基礎。

結題摘要

純永磁型高速交流發電機具有高效、高功率密度等優點，配合可控整流系統可以實現穩壓輸出，具有廣闊的套用前景。現有純永磁型高速交流發電機系統的常見結構是發電機的交流輸出經二極體整流和DC/DC 變換，為直流負載供電或者再逆變為交流電源。 但這種方式存在的問題是：由於基波頻率高、發電機繞組感抗大，因此，採用二極體整流時，繞組感抗上的壓降隨負載而顯著變化，由此造成很大的發電機電壓調整率，限制了發電機的輸出功率。本項目利用PWM 整流技術，採取矢量控制方式調節感應電勢來補償繞組感抗壓降隨負載的變化。主要技術障礙是：高速發電機的基波頻率很高，而常規的PWM 整流器的開關頻率有限、與基波頻率接近，因此在一個電周期內的斬波次數不足，無法調製出期望的繞組電流，故矢量控制性能差，整流後的直流電壓紋波明顯。本項目針對其技術障礙，從控制方法、電機本體、功率電子電路等方面進行了協調最佳化研究，探索並闡明了在高速工況下通過矢量控制實現永磁交流發電機穩壓時發電機本體參數與性能需要具備哪些特質，由此為發電機本體設計提供理論基礎，針對高速工況下變負載穩壓的要求，研究矢量控制中軸電流的極性、大小的確定原則，在達到穩壓目的的同時最佳化電機效率等綜合性能。提出特殊的PWM 整流器與發電機的拓撲結構，除了PWM整流器具備矢量控制功能、發電機具備前述研究所得的特質外，還要通過二者的匹配來克服功率管開關頻率接近發電機基波頻率的問題，研究了改進型兩電平、模組化多電平變流器和雙三相永磁同步電機的拓撲結構。通過控制方法、電機本體與功率變換器的協同設計和最佳化，實現純永磁型高速交流發電機及變流系統的變負載穩壓運行，解決了現有實際系統所存在的問題，為其實用化創造了條件。