无刷直流发电机的工作原理及优势

在过去15～20年的发展过程中，无刷直流发电机取得了很大的进步，使得它们在多种应用中都非常流行。此外，快速半导体开关、具备成本效益的DSP以及微控制器的研发均有益于电动机/发电机驱动的改进。

无刷直流发电机由于控制简便、体积小、重量轻、易于散热、噪声低、维护要求低而被广泛应用于小型风力机（最高达15kW）。由于无刷直流发电机内部存在磁源，所以它们效率最高。最新问世的高能量密度磁铁（稀土磁铁）可以在这些机器内获得非常高的磁通密度，从而使得这些机器的结构非常紧凑。由于无刷直流发电机的转子中没有电流流通以形成磁场，因此其转子不会升温。没有电刷、机械换向器和集电环减少了定期维修的需要，同时也降低了与这些元素相关的故障风险。此外，还不会产生与机械触点有关的噪声。驱动变换器的开关频率很高，高到足以无法听到谐波^[14，15]。

由于其机械特性，无刷直流发电机驱动系统可以使用先进的控制技术，进一步提高功率密度。

由于无刷直流发电机内有永磁体（PM），所以它可以被列为永磁电机。由于PM的存在，不再需要在常规直流电机里提供磁通量的电刷与换向器。因为定子使用了复合钢板，所以也减少了涡流损耗^[16-19]。三相四极无刷直流发电机的横截面视图如图2.12所示。在转子旋转时，定子绕组可以感应出梯形波电动势（EMF）。

图2.12 无刷直流发电机横截面视图（内转子式）

定子绕组的感应电动势波形如图2.13所示。发电机的同心绕组和磁通在气隙中的矩形分布产生了这种非正弦电磁场^[17，20]。由于存在这种波形，无刷直流发电机要比PMSG的功率密度高出15%左右，后者具有一个正弦绕组配置和正弦气隙磁通分布^[21]。这是因为与发电机输出功率成正比的梯形波形的有效时间积分，要高于相同幅值的正弦波时间积分。

图2.13 三相无刷直流发电机的感应电动势

无刷直流发电机可以使用各种策略和技术来控制。使用微分方程描述三相电压、转矩和位置的无刷直流发电机模型^[21]如下：

这些微分方程表示的是无刷直流发电机的模型。每一相的电磁力e（t）是通过式（2.16）～式（2.18）来定义的，其中i（t）表示相电流，L表示相电感，v表示相电压。式（2.19）给出了电磁转矩，其中J为转动惯量，b代表摩擦损耗。

图2.14所示为连接到二极管整流器的无刷直流发电机的等效电路。这是无刷直流发电机用于风力机应用的最简单的方式，因为它不需要使用开关来控制相电流。全桥电路将对风速变化引起的变频感应电压进行整流。基本上，无论输入波形如何，感应电动势的波形都会通过二极管整流器转换成直流电压。这类风力机通常都是与电池相连接，因此整流电源可以用于对电池充电。

电感L_s（L_s=L_a=L_b=L_c）是无刷直流发电机的同步电抗。

直流链（DC-link）^[4]电压为

式中 V——发电机中的感应线电压，公式的第二部分反映了由同步电抗引起的直流链电压降；

I_d——相电流。

直流链电压和发电机电流成反比，因此直流链电压可用于控制发电机的电流和功率^[12]。

二极管整流器的反电动势输入波形如图2.15所示。相电流应与反电动势波形方向相反，以获得最大的发电功率^[20，21]。以相量形式看，无刷直流发电机的功率为

式中 P——无刷直流发电机的功率；

E——感应反电动势的均值；

I——电流；

α——电磁场和电流矢量之间的夹角，为了获得最大功率，α可以为0°或

180°，而且cos（α）=1，不过，当α等于0°时，发电机运行于拖动模

式，因此α应为180°。

图2.14 整流二极管连接到无刷直流发电机

图2.15 无刷直流发电机的反电动势、实际电流与参考电流波形

由于无刷直流发电机的感应电动势实时波形不是正弦波，所以它包含有谐波成分。梯形波形是根据发电机设计而产生的。所有的谐波都必须包括在内，而且在单相无刷直流发电机里面，平均功率可以表示为^[17-20]

相电压和相电流可以表示为(www.xing528.com)

式中 φ_n——电压和电流谐波相位差。

为了能够调节相电流和功率因数（cosφ），必须使用带有源开关的可控整流器来取代全桥二极管整流器，如图2.16所示。φ随速度（ω）增大，同时电抗也随着速度而增大：

图2.16 反电动势和电压相量图

因此，相角φ_n可以通过调节相电流保持为零。与零相位角对应的平均功率可以表示为

通过这种方式，输出功率可以实现最大化。图2.17a所示为用于无刷直流发电机相电流调节的可控整流器原理图。相电流波形如图2.17b所示。该电流通常使用滞环调节器来调节。

风电行业中一个著名的无刷直流发电机就是3.7kW Skystream风力机^[22]。Skystream 3.7kW风力发电机的技术规格见表2.4。

图2.17 与有源整流器相连接的无刷直流发电机和电压—电流波形

a）与有源整流器相连接的无刷直流发电机 b）电压—电流波形

表2.4 Skystream技术规格

图2.18所示为一个带有无刷直流发电机的Skystream小型风力机性能图。小型风力机的设计师和用户应当考虑功率与风速的这种关系。

图2.18 带有无刷直流发电机的Skystream小型风力机性能图

图2.19所示为一个小型风力机可以在家庭中使用的基本方案。在该方案中，电池单元被用作备份系统，而且还需要一个将直流电流转换成交流120V AC/60Hz的逆变器单元。

图2.19 家用小型风力机基本原理图 （改自W.D.Jones，IEEE Spectrum，43（10），2006年）

为了研究带有无刷直流发电机的风力机特性，本节分析了一个小型模型，如图2.20所示。风力机产生驱动无刷直流发电机的机械转矩。在本例中，桨距角为0，因此不需要桨距角控制器，风速则恒定为9m/s。无刷直流发电机的电气参数为：定子电阻R_s=0.2Ω，定子电感L_s=8.5mH，磁铁感应的磁通量φ=0.175Wb，反电动势的平面面积（Flat area）为120，平面面积代表图2.21中波的恒幅持续时间。发电机的机械参数为：惯量J=0.05kg·m²，摩擦系数F=0.005N·ms，极数p=4。

图2.20 带有无刷直流发电机的风力机功能图

无刷直流发电机感应的A、B和C相梯形反电动势如图2.21所示。该图显示，每相电压有120°的平面面积，每相电压之间为120°。

风力机产生10N·m的机械转矩来驱动发电机。这种机械转矩产生电磁感应的转矩，如图2.22所示。发电机轴的转速如图2.23所示（单位为rad/s）。该无刷直流发电机的主要缺点是包括谐波成分的非正弦感应反电动势和非正弦电流。因此，由于电流波形失真，感应电磁转矩会存在一些脉动。

图2.21 无刷直流发电机各相感应反电动势

图2.22 无刷直流发电机的感应电磁转矩

图2.23 无刷直流发电机的转速

发电机转速与其感应转矩成正比，因为发电机初始速度为零，其速度随感应转矩的增大而逐渐增大。