混合励磁同步电机的控制技术分析

混合励磁同步电机的控制技术分析

王乃福

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116052

摘要：混合励磁同步发电设备，代表了电力领域的创新突破。它巧妙融合了永磁元件与励磁电流的双重优势，展现出卓越的能效、优异的功率因数调节能力以及宽广的速度调节区间。这项前沿的发电技术对于提升能源使用效率、应对多样化的电力需求以及确保电力系统的稳定运行具有不可估量的意义。随着技术的不断成熟和应用的拓展，混合励磁同步发电设备预计将在未来扮演更加关键的角色。

关键词：混合励磁同步电机的控制技术分析

1混合励磁同步发电机的优点

1.1高效能表现

混合励磁式同步发电机的永磁特性，有效降低了激磁电流的必要量。与常规同步发电机相比，这种构造减少了内部能量损耗，从而提升了发电效率。在能源紧张及环保标准不断提升的当今，高效能对于提升能源使用效率及社会效益扮演着关键角色。

1.2优越的功率因素

混合励磁式同步发电机在满载运行时，仍能维持较高的功率因素，确保了发电机在多种负载状态下都能维持优秀的性能表现，具备较强的适应性，能够应对多样化的应用场合需求。

1.3宽广的调速区间

通过调整激磁电流，混合励磁式同步发电机能够调整输出，实现宽广的调速区间，确保发电机在不同的运行条件下都能提供稳定的功率输出，对于需要频繁调整转速的应用场合，这一特性显得尤为重要。

2混合励磁同步电机种类

2.1永磁定子混合激励同步电动机

此类电动机的核心部件为定子，其结构以双凸极为主要特征，转子和定子的设计简洁，无需永磁材料亦无励磁线圈，因而转动惯量小，动作敏捷。此类电动机可细分为双凸极永磁电动机、磁通切换电动机以及磁通反转电动机。定子采用磁性材料，通过改变电动机的结构，结合混合激励的思路，从而拓宽了电力的应用范围，具有显著的作用。

2.2永磁转子混合激励同步电动机

这类电动机包含了多种类型，如同步磁阻电动机、永磁同步电动机等。永磁转子电动机又可细分为无刷直流电动机、同步磁阻电动机和永磁同步电动机。通过改变相应的拓扑结构，引入直流励磁线圈实现混合激励，使得电动机在宽速范围内驱动更为灵活，减少了限制，有望进一步拓展永磁电动机的应用领域。

2.3磁势串联混合磁力同步电动机

磁势串联混合激励同步电动机，即永磁磁势与电力磁势以串联方式结合的HESM。由于电力磁阻的存在，磁通需要通过永磁体，导致磁导率与空气接触的部分磁阻增大。为确保混合激励的正常工作，励磁线圈需要承受较大的电流，从而产生较大的额外铜耗。此外，大电流还可能导致永磁体永久性退磁。目前，针对这一领域的研究还相对较少。

2.4磁势并联混合励磁同步电动机

此类电动机指的是永磁磁势与电励磁磁势在磁路上呈现并联关系的HESM。励磁线圈的磁通不能直接穿过永磁体，因此不会出现退磁现象。相应的磁路连接能够确保电动机的增磁和弱磁功能正常运作，其弱磁能力超过SHESM。PHESM中的永磁体也可以变换为不同的形态。各种PHESM拓扑结构各具特色。目前，对PHESM的研究较为广泛。

3混合励磁同步发电机的控制技术

3.1励磁电流控制

对于励磁电流的调节手段，大致可归纳为两个主要类别：一类是开环调控，另一类是闭环调控。所谓的开环调控，即依据事先设定的励磁电流参数来对发电机的输出功率进行管理的一种策略。而闭环调控则依赖于反馈机制，它通过对照实际输出与预定输出之间的差异来对励磁电流进行调节。在众多闭环调控方法中，PI控制是最为常见的一种，它通过改变励磁电流的设定参数来减小误差。除此之外，还有一种广泛应用的调控手段是模糊控制，这种控制器采用模糊逻辑来应对系统的不确定性和非线性特征。在励磁电流的调节过程中，模糊控制器能够依据系统的实时状态和输入信号来调整励磁电流的设定值。励磁电流的调节在电力系统中扮演着关键角色，通过精心设计及合理的调控策略，可以有效保障发电机的稳定运作，同时增强电力系统的可靠性与稳定性。

3.2功率因数控制

在电力供应网络中，功率因数的数值对电能的有效利用及系统的可靠运行起着决定性作用。关于功率因数的调整手段，常见的方法有滞环调整和PID调节两种。滞环调整法是通过对比发电机实际功率因数与预定值之间的偏差，来操纵发电机的励磁电流，以此调整功率因数的大小。具体来说，若实际功率因数未达到预定值，则提升励磁电流以增加功率因数；反之，则降低励磁电流以减少功率因数。此法操作简便，但存在调节过程中的震荡和超调问题，可能会引起系统的不稳定。PID调节法则是一种结合比例、积分和微分原理的先进控制方式，它将发电机功率因数的实际值与目标值之间的误差，通过比例、积分和微分系数进行运算，生成控制信号来调整励磁电流。PID调节能够根据系统实时状态进行参数的自适应调整，保证了系统的稳定性和响应速度。然而，PID调节的计算较为复杂，通常适用于大型的发电机组。

3.3转速控制

在电力供应网络中，发电机的旋转速度是决定输出交流电频率的关键因素，而交流电频率的稳定性对于系统的流畅运作起着至关重要的作用，因此，对发电机转速的精准调控是确保电力系统平稳运作的核心步骤。脉宽调制技术，作为电力电子行业广泛采用的一种调控手段，能够通过调整脉冲宽度来操纵发电机输出的电压及频率。利用PWM技术，能够对发电机的转速进行迅速、精确且稳定的调整，并且能够有效降低谐波干扰和能量损耗。而直接力矩控制作为一种创新的调控方法，它通过直接作用于发电机的电磁力矩来调节转速。这种控制方式以其快速响应和高度控制精度而受到青睐，不过它对计算资源和硬件设施的要求相对较高。

3.4并网控制

同步发电并网的核心在于调整发电机并网环节，保障其与电网协调一致的动作，这涉及到对电网的频率、相位以及电压大小的实时监控与调整。在发电机并入电网的过程中，控制系统必须保证发电机的频率、相位和电压与电网相一致。通过对发电机并网步骤的精准控制，能够实现与电网的可靠对接。普遍应用的调控手段涵盖了锁相环技术、比例积分控制、以及神经网络控制等。锁相环技术作为并网调控的常用手段，通过接收电网的频率和相位信息进行反馈，从而实现发电机与电网的同步。PLL技术以其迅速响应和强大的鲁棒性在电力行业中被广泛采用。比例积分控制作为一种基础的反馈调控方式，在并网调控中主要用于调整发电机的电压大小，以匹配电网电压。PI控制的优势在于其简洁性、易于实施，以及优秀的稳态性能。模糊逻辑控制在并网调控中能够应对非线性、时变性以及不确定性系统，通过将电网的频率、相位和电压等参数模糊化处理，达到快速且精确的调控效果。神经网络控制则是一种模拟自然神经网络工作机制的智能控制策略，在并网调控中，它能够学习并适应电网的动态特征，以实现精确的控制目标。

结论

复合励磁式同步电机是一款性能卓越的创新型发电设备，它巧妙融合了永磁同步电机与励磁同步电机的优势，从而展现出高效能、高功率因数、宽广的调速区间以及卓越的可靠性。借助尖端的控制技术，我们能够对复合励磁式同步电机实施高效管理，进而提升其性能与效能。伴随着电力电子技术及控制技术的进步，复合励磁式同步电机在未来的电力领域内将展现出巨大的应用潜力。

参考文献：

[1]张卓然，王东，花为.混合励磁电机结构原理、设计与运行控制技术综述及展望[J].中国电机工程学报，2023，40(24):7834-7850+8221.

[2]李生民，梁吉宁，孟琳.混合励磁同步电机调速系统控制技术研究[J].大电机技术，2022(06):1-9.

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