基于开放绕组的无刷谐波励磁同步发电机及功率变换与谐波控制技术研究

This research proposes one brushless synchronous generator structure utilizing harmonic currents for field excitation on the basis of open winding connections, and the power conversion and harmonic excitation current control schemes based on dual parallel three-phase bridge converters. Unlike the existing harmonic excitation technologies, the proposed synchronous generator is to use harmonic currents including the third harmonic one to generate one magnetic field in the airgap, to excite the harmonic coils buried in the rotor. The induced voltage in the harmonic coils will be sent to the main field windings. Thus brushless excitation can be realized without adding additional excitation generators...The meaning of this research lies on the proposed new excitation method to implement one type brushless synchronous generator, as well as the exploration on the question how to realize simple brushless synchronous machine other than common permanent-magnet and reluctance ones. Therefore, the research is of very important theoretical significance and academic value. Besides, as the excitation fields in this brushless electrical excitation generator can be easily regulated, there will be no serious loss problems at high speed operation, as well as no need for complex control systems, as existed inherently in permanent magnet machines. Also, the brushless electrical excitation generators do not need to rely on high-performance rare earth permanent magnet materials. Therefore the application prospects of this type generator will be very broad.

本项目提出了一种在开放绕组基础上利用谐波磁场实现无刷励磁的同步发电机结构，以及基于并联三相桥式变换器电路的谐波励磁电流控制与功率变换方案。与现有谐波励磁技术不同，所提出的同步发电机是利用开放电枢绕组中的谐波电流等成分所产生的磁场，在转子谐波绕组中直接产生励磁电流，从而在不采用独立励磁机的前提下实现无刷化电励磁。.本项目的研究意义在于提出了一种新励磁原理的无刷同步发电机实现方法，是对如何实现永磁、磁阻电机之外的无刷同步电机的探索，具有重要的理论意义和学术价值。同时，由于电励磁无刷电机可以更方便地进行励磁调节，克服了永磁电机因励磁不可调所带来的高损耗及控制复杂等诸多问题，又无需依赖高性能稀土永磁材料，应用前景十分广阔。

此项目研究了一种利用电流谐波磁场实现无刷励磁的同步发电机技术方案。具体实现方法是，电机定子铁心中放置三相开放绕组或双三相绕组，并使定子电流波形包含三次谐波电流等单相性质或直流电流成分，从而产生定子脉振磁场并在转子感应绕组中产生感应电动势，经整流后为转子励磁绕组提供励磁电流，从而在不采用独立励磁机的前提下实现无刷化的电励磁同步电机。. 在项目进行中，对该无刷谐波励磁电机原理进行了理论分析、电磁场有限元计算、以及电路仿真计算，并在此基础上研制了数台不同齿槽配合结构、不同绕组型式的电机样机，以及适用于开放绕组的双三相半桥功率变换器。通过实验验证了该原理的可行性以及得到了电机各种性能指标。进一步的研究方向在于，找到具体的合适应用领域，针对应用特点研制相应功率范围样机。其中包括混合动力汽车发电机应用以及离网型中小功率风力发电机等可能应用。. 此项目的研究意义在于，研究了一种无刷谐波励磁原理的同步发电机,既具有电励磁电机的易于调节励磁等优点，而且可以不采用稀土永磁材料实现电机无刷化。在稀土永磁材料价格日益昂贵以及我国存在稀土资源长期稳定供应问题的背景下，不采用或者少量采用永磁材料实现高性能电机应该是非常有意义的技术问题，本项目也是此技术方向的一个探索，并达到了预期研究目标。