同步发电机带全负荷转换器、绕组励磁、永磁励磁及无集电环激励

5.3.4.1 概论

当变速风力机使用同步发电机作为发电机时，用来隔离发电机和电网的逆变器必须变换发电机的全部输出功率，这是和双馈异步发电机最大的不同点。

大功率的风力发电机用同步发电机，都使用专门的励磁绕组励磁，由外界电源提供无功功率；永磁体同步发电机主要用于小功率的风力发电机当中，但是近年来也有兆瓦级风力发电机尝试使用永磁体同步发电机。

如果需要在发电机中使用大量磁极，那么同步发电机比异步发电机更加适用，因此同步发电机是作为无需增速齿轮箱的直驱型风力机发电机的更好选择。在目前的风力机市场中，可以见到许多兆瓦级大直径、多磁极数的同步发电机用在直驱型风力机中。

图5-15给出了一个使用同步发电机的全馈风力发电系统电路图，图中的同步发电机（SM）由风轮直接驱动，发出的电能送入整流器（RI）；RI将电能转换为直流波动电压，然后送入中间电路DC1；直流—直流升压逆变器（SI）将DC1的电能变换为恒定电压直流电，再送入中间电路DC2，最后由电网端自控变换器（GSI）调节输出电能的功率因数。电路中的滤波器（F）会滤除电能中不满足入网要求的杂波，因此必不可少。

常用的同步发电机就是传统的内转子径向磁场型，现在越来越多的人们对永磁体同步发电机感兴趣。

近年来一些公司提出了新的连接风轮轮毂和发电机转子的方案，以求避免使用双馈异步型风力机中变速比为100左右的齿轮箱，同时又能避免使用直驱型风力机中大直径、70个以上磁极的发电机，下列3个机型就是这个思路的概念机型：

1）VENSYS概念机（Vensys公司生产）：使用永磁体外转子同步发电机，直驱型。

2）MULTIBRID概念机（Multibrid公司生产）：仅仅使用单级齿轮变速器，变速比为10左右。

3）LIBERTY概念机（Clipper风能公司生产）：风轮同时驱动4个同步发电机。

轴向磁场发电机虽然作为风力发电机的新概念提出，但是实际上仅在千瓦级的小型风力发电机中有少量应用，在更高功率的风力发电机中，轴向磁场发电机仍然停留在样机阶段。

图5-15 带全负荷转换器的同步发电机

5.3.4.2 绕组励磁同步发电机

同步发电机中的磁通是通过绕组感应产生的。一般来说，转子内部装备有励磁绕组，励磁绕组的电流由外界电源通过电刷和集电环送入。外界励磁电源可以是一个简单的小型直流发电机，也可以是一个从发电机端子取电的静止励磁器。这种静止励磁器出现在了图5-15当中，与定子连接并且标有字母E的就是。孤立电网小功率风力发电机使用的自控发电机经常依靠发电机端子的电压和电流做复合励磁，电流和电压的矢量其实也表征了电路中负载造成的相位位移。自励磁发电机的起动是靠铁心和绕组中的剩磁完成的。

此外，还有无刷发电机励磁的发电机，图5-16是它励磁电路的示意图，主发电机G1的励磁绕组由专门的励磁交流发电机G2供电。发电机G2转子有的三相电枢绕组，而励磁绕组则安置在定子上。G2发出的电流由二极管桥电路V1简单整流后送入G1的励磁绕组，作为主发电机的励磁电流，电路图中的电阻R11用来做过载保护。

对无刷励磁式发电机的电路简单扩展，很容易得到自控复合励磁发电机。图5-16中的G3绕组提供一个与无刷励磁发电机的电压信号同步的磁场，G3的磁场会与G2提供的磁场相叠加来改善主发电机的励磁电流。如果对励磁电流有更高的要求，那就只有使用电子系统控制励磁电流了。

图5-16 无集电环激励的同步发电机(https://www.xing528.com)

5.3.4.3 永磁励磁同步发电机

永磁励磁同步发电机由于没有励磁绕组的损耗，总体效率更高，重量更轻，而且不会有电刷和集电环的磨损。千瓦级及以下等级的发电机，永磁体激励是主流。用来制作磁极的永磁材料必须要有极高的磁场能密度，铷铁硼（NdFeB）材料是最佳选择。虽然永磁体的造价在缓慢下降，但是永磁励磁发电机的成本中很大一部分还是由磁极材料占据的。另外，将磁极安放到发电机的转子中时，临近磁体的异极靠近，磁场越强，安装难度越大；轴向磁场发电机，磁极安装比普通发电机还要困难。磁极间距离越小，磁场力越大，以至于在制造时不得不使用额外支撑零件来保证磁极处于正确位置。

磁性材料的性能通过下列参数来衡量：以剩磁磁通密度B_r表示的退磁曲线；矫顽磁力H_C；最大剩磁能量密度（BH）_max；磁极化强度J（H）和磁化强度M（H）。上述这些参数之间可以与磁通密度B（H）通过下式联系起来：

B=μ₀H+J=μ₀（H+M）（5-8）

矫顽磁场强度定义为_BH_C（当B=0时）或者_JH_C（当J=0时），这里_BH_C等于前面提到的H_C。

图5-17所示为常用永磁材料的磁通密度曲线^[VAC]。铁氧体磁性材料磁场能密度低，但是很便宜，因此在小型直流电动机和车用发电机等大量生产的零部件中还在广泛应用；镍钴永磁合金剩磁性能优越但是矫顽磁力很低，现在仅用于微型电动机场合；在过去的几十年中，稀土元素磁体性能得到了可观的提高，现在已经广泛地应用于永磁体发电机当中。稀土元素磁体常见的有用于伺服电机的钐钴磁铁，发电机中常见的铷铁硼磁铁等。

图5-18给出了适用于励磁的铷铁硼材料VACODYM655 AP的性能曲线（节选自其生产厂家的产品名录），其产品的典型性能为B_r=1.2T、H_C=915kA/m和（BH）_max=275kJ/m³。图5-18中也显示出了广为人知的磁性转变效应：随着温度的升高，B（H）和J（H）曲线会突然下降，显然材料的矫顽磁场强度也突降了。在设计使用永磁体设备时，一定要保证在正常工作和短路情况下，材料不要发生

图5-17 不同磁性材料的退磁曲线

图5-18 一种铷铁硼（NdFeB）磁铁的退磁曲线〔VAC〕

磁性转变效应，否则电枢绕组中的电流会产生反向磁场，使磁性材料严重退磁。磁体一旦退磁，发电机的发电能力将大打折扣。

图5-18中的磁性材料，生产商标注了许用工作温度为160℃。对于现代发电机（温度等级F）来说，160℃不足使用，VACODYM 655 AP可能仅用于小型发电机上。兆瓦级的风力发电机要求更高的温度稳定性，在同一个产品名录中查询，VACODYM 677 AP^[VAC]可以满足要求（B_r=1.13T，H_C=860kA/m，（BH）_max=240kJ/m³，其最高许用工作温度为200℃）。

图5-19给出了一个永磁体同步发电机的一些特性。图5-19a描述了磁通密度B（H）与矫顽磁力H的函数关系，图中的20℃和120℃退磁曲线在第二象限内全部简化为直线处理，发电机无负载时和电枢转子短接时的磁回路特性在图5-19a中也表示为直线。图5-19b给出了磁体内的磁力线仿真结果，该发电机有4对磁极，图5-19b中截取部分的左右边界都恰好砍开了半个磁极^[Stie00]。

图5-19 永磁体同步发电机（PMSM）特性

a）磁化 b）磁场线圈

由于永磁体磁通量稳定不变，因此永磁体同步发电机被当作恒定激励发电机对待。