邓隐北，楚金甫，隋霄

    (河南森源电气股份有限公司，河南郑州450016)

    摘要：微型风电系统中，发电机的功率来自天然多变的风能，要求发电机具有广阔的功率输出特性。但是，常规发电机输出功率跨越从低到高的转速范围受到限制，难于满足这一发电特性的要求。为开发具有宽功率带的发电机，以适应于微型风力发电，文章阐述了项有关发电机线圈连接的切换技术。以16个线圈的发电机为例，线圈可接成四种模式：16线圈串联、8串2并联、4串4并联和2串8并联。然后，从理论和实验研究验证了该技术的可行性和有效性。

    关键词：线圈连接模式；模式变换；发电机；宽功率带；风力发电；风轮

  0引言

    基于地球环保要求，减少全球升温气体的排放已成为社会关注的重要课题之。解决该问题的方针是充分利用可再生能源，在电力系统内增加利用可再生能源的发电机。迄今已相继开发了太阳光伏发电、风力发电、地热发电等。其中，有关风电的利削，设置上比较容易，进入系统的数量也多。因此，必须考虑有效的措施，为提高发电效率而从事多方面的研究。风力发电的发电机，因为是利用瞬变风能的发电方式，故要求具有广阔功率带的发电特性。通常，对大型风力发电机，采用了感应式(异步)发电机与同步发电机_二种型式。实施的运转方式有：固定式运转、可变速运转、二发电机方式、极数切换方式等。对小型与微型风力发电机，通常采用的是永磁同步发电机，并要求这种风力发电机具有宽范围的功率带。而原来的发电机，其空载电压只与转速成正比，从发电机功率特性上，由低速到高速广范围的转速区间内难于达到高效率的输出。特别是小型或微型风轮，风轮的尺寸反比于发电机的转速，使发电机往往趋向于高速工况。

    因此，对微型风电适用的宽功率带发电机进行了开发，本文介绍了发电机线圈连接组态的切换方法，采用了16极轴向式小型发电机，对所提方案的有效性从理论和实验进行了研讨和论证。

  1定子线圈连接模式的切换。

  1 1改变线圈的连接实现宽功率带运行

    水磁式交流发电机，就是由多个磁铁和线圈，分别设置于转子侧和定子侧。这些多个线圈电气上仍为一般连接方式。本节所述是，改变原来固定的线圈串并联模式，导致发电机输出特性的改变。为说明这种发电机的效果，采用一16线圈的发电机作为例子进行讨论，这些线圈考虑了16线圈串联、8串2并联、4串4并联和2串8并联四种连接模式(如图1所示)，借助于连接模式的切换，以实现发电机的宽功率带运行。

  1 2数值分析

为了比较线圈连接改变后的发电机输出特性，采用了以下的计算和分析。对发电机的选型，

设定为无铁心的轴向式发电机。因为不存在铁心，电气损耗只有铜损gmf设定发电机的线圈数为16，线圈连接的变换模式如图1所示。设定的系数结构是：发电机通过蓄电池连接至负载，此时发电机转速、空载电压以及输出 电流的关系如下式：

V_op=V_c×N

I=( V_op – V_batt)/R

式中：V_op——空载电压；V_c——电动势；V_batt——蓄电池电压；N——转速；I——输出电流；R——线圈的导线电阻。

发电机功率与电气损耗表示如下：

P= V_batt×I

P_loss=R×I²

式中，P——发电机功率；V_batt——电气损耗（铜耗）。

考虑上述四种变换模式，将上面的式子改写如下：

令V_c为每一线圈的电动势 ，16线圈串联场合即为16V_c，8串2并联为8V_c，4串4并联4V_c，2串8并联为2V_c 。

16线圈串联时，空载电压

V_op=16V_c×N                 (5)

输出电流

I=(16V_c×N-V_batt)/16R

电气损耗

P_loss =16R×I²

8串2并联时，空载电压

V_op=8V_c×N

输出电流

I=(8V_c×N-V_batt)/4R

电气损耗

P_loss=4R×I²

4串4并联时，空载电压

V_OP=4 V_c×N

输出电流

I=（4V_c×N- V_batt）/R

电气损耗

P_loss=R×I²

2串8并联时，空载电压

V_OP=2 V_c×N

输出电流

I=(2V_c×N-V_batt)/0.25R

电气损耗

P_loss=0.25R×I²

按上列各式可以计算各种模式下的发电机空载电压，而发电机每一转的电动势V_c为：

V_c=V·B·(L×2)×t×k

式中，V——速度；B——磁通密度；L——与磁极交链的导体长度；t——线圈的匝数；K——线圈的串联数。

由磁铁的厚度与气隙长度求出导磁系数(磁导率)，再按所用钕(N_d)磁的去磁特性曲线算出磁通密度B，利用式(1)～(17)给出实际发电机的各项具体数值。

以转速作为参数计算出各个数值并进行比较。使用的参数有：每一线圈的电阻1．53 Ω，每一线圈的电动势常数为O. 018 V／rpm，蓄电池电压为12. 5 v。数值分析结果示于图2～图5。

 

 

图2所示为转速一空载电压特性。图3为转速～输出电流特性。两图中均分别给出了16串、8串、4串、2串的特性。由图2中的空载电压，无论哪个串数下均与转速成正比，且线圈的串联数越多，空载电压越高。因此，线圈的串联数多的情况下，达到蓄电池电压(12．5 v)的转速则低，能降低开始充电时的转速这是有利的。

从另一方面，图3所示的输出电流，对串联数多的16串和8串均在低转速下开始输出，但转速高时串联数少的输出电流则大。由于输出电流反比于线圈的电阻，故高转速时线圈的合成电阻小，具有这一特点的线圈连接模式效果好。

因此，将对应于与发电机转速的线圈连接模式进行合理的变换，比线圈连接固定时，可能存在更有利的输出特性。而且，通过连接模式的切换，发电机的特性可向低转速或高转速方向变化，因而无论对转速较低的立轴风轮，或转速较高的水平轴螺旋桨风轮，均有可能与微型发电机理想配套。

 本文采用了无铁心的发电机，发电过程中的电气损耗仅为铜损。发电机的损耗如图4所示。铜损口可表示为RI²户。假定发电量相等，发电机内阻小的，可望减小损耗。而且，高转速时减少串联、增加并联支路数，发电机的内阻减少，损耗也小，且能予以控制。

图5是图4中的电气损耗以发电机的效率来表示的。由于电气损耗仅为铜损，低于没有铜损的转速以下，发电机效率近似为********。随着电流的增大，与电流值平方成比例的锏损幅值更大，故发电机的效率降低。因此，串联数多，线圈的总电阻大，发电机的效率就会降低。

1 3理论值的研究结果

按上述结果，串联数多时在低转速下开始发电，输出电流小；相反，串联数少的场合在高转速时能获得大的输出电流。然后，将电流大小对应的某一转速作为分界点，以此转速点来界定在哪种串并数下运转，处于有利范围，通过发电机串并数的改变，能得到兼具两方面有利特性的发电机是最有效的。

2改变线圈连接模式的宽功率带发电机

2 1发电机的组成

提出的新型发电机方案，是通过线圈连接模式的切换，使一台发电机具有多重特性，并在发电机运转过程中能有效地利用其全部特性。为此，线圈连接点的切换必须要瞬时、简单地完成。新型发电机是由发电机和线圈连接模式变换装置构成的。利用该变换装置在图1所示四种模式下，实现线圈连接状态的自由切换。现将试制的轴向式发电机及其变换装置介绍如下。

2 2轴向式发电机的试制

轴向式发电机为采用永磁体与空心线圈的发电机。结构上是把线圈夹入上下永磁体之间，再在磁体后面设置背部磁轭(back yoke)，以使相邻磁体之间形成磁同路，加强上下气隙间的磁场，提高气隙磁密。而且，近年来由于性能优良的永磁材料问世，在轴向式结构中即使不用铁心也能获得较强的磁场。其特点是具有结构简单、因无铁芯电气损耗仅为铜损、不会产生因齿槽效应导致的脉动转矩等一系列优点。

本文所述的新型发电机，设计成无铁心式，配有16个线圈。试制的样机为16极的轴向式发电机，如图6所示。永磁体16极，线圈16个。每个线圈的接线端子为两个一组，各自独立。通过线圈连接模式变换装置的自动切换，能改变适用的输出功率范围。试制轴向式发电机的结构如图7所示。用于发电机的每一个线圈是用0 .49nlm漆包线绕80匝的精密线圈。每线圈的电阻约l 53Ω，采用了宁波科田磁业公司的38H钕铁硼永磁。钕磁体在背部磁轭环上N极、s极均匀地交错配置。永磁体侧即为转子侧。

 

 

2 3变换装置的试制

    发电机线圈连接的切换由我们独立设计的变换装置执行。图l所示四种模式的切换均能瞬时完成。该装置中连接切换的开关部分采用了8个继电器，通过各个继电器的通／断控制，以其不同组合的四种模式来进行串并联接的切换。图8为变换装置的外观图。

 

 

3发电机的实验研究

3 1空载电压的测定

利用试制的发电机，测定其转速与空载电压的关系曲线。测定结果如图9所示。图9所示特性与图2中的理论值基本相同。

3 2测定Savonius型风轮的功率特性

采用Savonius型风轮测定其输出特性。这里所用的风轮尺寸为：直径600mm，高900ram。将此风轮直接与新型发电机联结，测量的实验器具与电路结构如图10所示。

 

 

借助接于鼓风机的变频器及风速仪调节风速，并采用了电子负荷装置作为负载。本文为了掌握新型发电机的基本特性，采用了作为单纯电阻的电子负荷；电压、电流的测定利用各自的电压表和电流表。测量数据是在风速为12m／s、16m／s、20m／s三种情况下建立的。各个风速在一定的时限内，通过电子负荷改变其负载值。然后测定了输出电压、输出电流及转速各值。

首先，在风速16m/s，s恒定，改变负载电阻的情况下，16串、8串、4串、2串各自的输出特型如图1 ]。众所周知，发电机功率受阻抗的影响大，而且，各种模式下，均存在输出功率****的****阻抗值。通过16串、8串、4串、2串的自动切换，用同一台发电机可求得多个****阻抗值。因为这些****值均处于发电区间内，借助连接模式的改变可覆盖那些发电区间,因而能在大范围的阻抗值下维持发电。这样，对于发电机与负荷的不匹配(失调)也能相应得到解决。为得到高效率的输出，发电机与负载的匹配很霞要。通常，借助负荷跟踪控制(****功率点跟踪，MPPT)及功率调节器实现与负载的匹配。而在线圈连接模式变换的情况下，也能达到同样的效果。列于其它的风速下，除功率大小以外，其它特性大致相同。图12是以16极为例不同风速下功率特性的比较。由于风速的变化，****阻抗值也在改变。由风轮捕获能量的变化导致其功率特性的变化，如图所示。

 

 

图13为风速16m／s时，各种模式下的发电机转速在全阻抗下串联数少的转速高，从外部输入风能一定的情况下，借减少串联数可降低发电机的(起动)转矩。发电机由于连接的阻抗值小到接近短路状态，也即连接成比****阻抗值显著小的阻抗值时，是难于发电的。图11中，串联数减少情况下，即使阻抗值小也能维持发电。故在减少串联数场合，转矩可以低，因而得到较高的转速。

图14为各个串联数下的电压电流特性。输出功率的电压与电流的关系中，具有串联数多时电压高，串联数少时电流大的特点。因此，实施****的模式切换，向蓄电池装置的充电也更有效。

 

 

3．3实验研究结果

对采用Savonius J~轮的新型发电机进行了实验研究。由外部提供一定风能的情况下，对各种模式的特性进行比较。从不同的功率特性对比中，因改变线圈连接可适应于广泛的负载，故能保持发电量。通过模式的切换也能达到与负荷跟踪控制相似的效果，而且，由此可改善发电机与负载的匹配。

在这些电压一电流特性中，可以确认输出功率的电压与电流关系是：当增加串联数时电压升高，减少串联数时输出电流增大。此时，向蓄电池等储能装置充电时，电压不那么高，有某种程度的电流流过也是安全的。

在转速特性中，利用改变线圈连接模式减少串联数时，发电机的转矩能降低。因此，对发电机的串联数进行****的定时、****的变换控制，就能有利于高效率的发电和高效率的充电。

3 4线圈模式变换装置在风速改变下的实验

本文论证了新型发电机的有效性。在变动的风速条件下，对作为独立系统的线圈连接模式变换装置进行了实验。图10所示实验电路中，采用双电层电容器(Un=54v，容量30 wh，64F)作为负荷，向变换装置的变换器的输入，为蓄电装置的端子电压。本实验中，旨在进行以变动风速条件下的基础试验，而未考虑蓄电装置作为负载所消耗的功率。

变动的风速如图15所示，图中风速从9～16 m／s呈规律的脉动，从实验开始直到2000s。图16所示为20000s期间的重复脉动，图16是在圈15所示的变动风速下向蓄电装置充电的电压特性。图中显示了实施切换时的特性与仪为8串2并联的特性对比。从2串8并联到4串4并联，切换的电压值为16v；从4串4并联到8串2并联的切换电压值为35V。假定在使用时已考虑到充电电压的饱和特性。此外，向16串切换时，因蓄电装置与发电机端子电压不一致而未实施。

 

 

实验是在开始时未对蓄电装置充电的情况下进行的。本文所提出的新型发电机，与仪8串2并联时的特性对比，充电电压的提升早，这样，向蓄电装置的充电比未改变时的效率高。新型发电机具有多重的发电特性，比未变换线圈连接模式的发电机功率输出性能更优越。

4结语

本文论述了具有大范围功率带的发电机的研制开发。采用16极的轴向式小型发电机，进行了理论和实验验证。特别在实验研究中，通过微型风轮的实验方法，证实了线圈连接模式切换的有效性。

作为今后的课题，需要研究模式切换的****定时。因实际输入风力的自然风能变动激烈、频繁，故必须考虑这些因素的****切换控制方法，以便充分有效地利用风能这一町再生能源。