新聞主題	圖解無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)工作原理

 

摘要：在他勵和自勵交流勵磁機系統(tǒng)中，發(fā)電機的勵磁電流全部由可控硅〔或二極管〕供給，而可控硅〔或二極管〕是靜止的故稱為靜止勵磁.在靜止勵磁系統(tǒng)中要經(jīng)過滑環(huán)才能向旋轉的發(fā)電機轉子提供勵磁電流?；h(huán)是一種轉動接觸元件.隨著發(fā)電機容量的快速增大，巨型機組的出現(xiàn)，轉子電流大大增加，轉子滑環(huán)中通過如此大的電流，滑環(huán)的數(shù)量就要增加很多。為了防止發(fā)電機組運行當中個別滑環(huán)過熱，每個滑環(huán)必須分擔同樣大小的電流。為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個勵磁系統(tǒng)都無轉動接觸的元件，就產(chǎn)生了無刷勵磁系統(tǒng)。無刷發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)隨發(fā)電機的技術進步及新材料、電子技術的發(fā)展而不斷改進，類型較多，各具特色，下面簡要介紹各勵磁系統(tǒng)的組成、勵磁原理及特點。

 

一、PMG永磁機勵磁系統(tǒng)

 

      PMG永磁無刷發(fā)電機的結構如圖1所示，主要有永磁發(fā)電機（如圖2所示）、勵磁發(fā)電機和主發(fā)電機三部分組成。永磁發(fā)電機、勵磁發(fā)電機和主發(fā)電機的轉子是同軸的。由永磁發(fā)電機（因為它的主轉子是永磁體的，不需要勵磁）直接發(fā)出電壓，經(jīng)過自動電壓調節(jié)器（AVR）整流后形成穩(wěn)定的直流電壓，接到勵磁發(fā)電機的定子，為其提供不受負載干擾的勵磁能量。該電壓接到勵磁發(fā)電機的定子，在定子鐵心形成磁場，勵磁發(fā)電機的轉子線圈切割定子鐵心磁力線產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過在主軸上的旋轉二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉子線圈上，在主轉子鐵心形成磁場，主發(fā)電機轉子鐵心磁場切割主發(fā)電機定子線圈，并且在勵磁調節(jié)器的實時調節(jié)勵磁下，主發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的感應電動勢最終達到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

      永磁發(fā)電機的優(yōu)點：

1、結構簡單、可靠性高

      永磁式發(fā)電機省去了勵磁式發(fā)電機的勵磁繞組、碳刷、滑環(huán)結構，整機結構簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結構，整機結構簡單，避免了勵磁式發(fā)電機勵磁式發(fā)電機勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。

2、體積小、重量輕、比功率大

      永磁轉子結構的采用，使得發(fā)電機內部結構設計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉子結構的簡化，還使得轉子轉動慣量減少，實用轉速增加，比功率（即功率、體積之比例）達到一個很高的值。

3、中、低速發(fā)電性能好

      功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發(fā)電機要比勵磁式發(fā)電機的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發(fā)電機的實際等功率等級的勵磁式發(fā)電機。

5、效率高

      永磁式發(fā)電機是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉子結構免去了產(chǎn)生轉子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機械損耗，使得永磁式發(fā)電機效率大為提高。普通勵磁式發(fā)電機在1500轉/分至6000轉/分之間的轉速范圍內平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機則可高達75%至80%。

6、 采用自啟動式穩(wěn)壓器

      無需外加勵磁電源。發(fā)電機只要一旋轉就能發(fā)電。當蓄電池損壞時，只要發(fā)動機處于運行狀態(tài)，汽車充電系統(tǒng)仍可工常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉手把或溜車，也可實現(xiàn)點火運行。

7、 特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作

8、抗無線電干擾

      永磁發(fā)電機無碳刷、無滑環(huán)的結構，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無線電干擾；消除了電火花，特別適合于爆炸性危險程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機對環(huán)境溫度的要求。

 

圖1  永磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)結構及特點

圖2  永磁機結構圖

 

二、輔助繞組勵磁系統(tǒng)

 

      輔助繞組無刷發(fā)電機在結構上只有勵磁發(fā)電機和主發(fā)電機，兩者轉子是同軸的。兩部分組成，如圖3和圖4所示。輔助繞組在原理上代替永磁發(fā)電機，在結構上是嵌入定子繞組槽并且與主定子線圈獨立嵌放，電路上也與主定子線圈獨立。發(fā)電機旋轉后，主轉子的剩磁切割輔助繞組線圈，輔助繞組產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)過AVR整流后形成勵磁直流電壓。該電壓接到勵磁發(fā)電機的定子，在定子鐵心形成磁場，勵磁發(fā)電機的轉子線圈切割定子鐵心磁力線產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過在主軸上的旋轉二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉子線圈上，在主轉子鐵心形成磁場，主發(fā)電機轉子鐵心磁場切割主發(fā)電機定子線圈，并且在勵磁調節(jié)器的實時調節(jié)勵磁下，主發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的感應電動勢最終達到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

 

圖3  無刷發(fā)電機輔助繞組勵磁AVR控制系統(tǒng)原理框圖

圖4  無刷發(fā)電機輔助繞組勵磁AVR控制系統(tǒng)結構

 

 

三、自勵式勵磁系統(tǒng)

 

      自勵式無刷發(fā)電機如圖5和圖6所示，在他勵無刷發(fā)電機的基礎上，少了一個專門為自動電壓調節(jié)器（AVR）提供獨立的、不受負載干擾的勵磁能量的永磁發(fā)電機或者輔助繞組部分。發(fā)電機旋轉后，主轉子的剩磁切割主發(fā)電機定子繞組線圈，定子繞組產(chǎn)生感應電動勢發(fā)出一定的電壓，經(jīng)過自動電壓調節(jié)器（AVR）整流后形成勵磁直流電壓。該電壓接到勵磁發(fā)電機的定子，在定子鐵心形成磁場，勵磁發(fā)電機的轉子線圈切割定子鐵心磁力線產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過在主軸上的旋轉二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉子線圈上，在主發(fā)電機轉子鐵心形成更強的磁場，加強了的主發(fā)電機轉子鐵心磁場切割主發(fā)電機定子線圈，主發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的感應電動勢上升，如此循環(huán)正反饋并且在勵磁調節(jié)器的實時調節(jié)勵磁下最終達到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

      自勵無刷發(fā)電機由于為AVR提供勵磁能量的電源不是獨立的，易受負載沖擊干擾或者負載波形畸變產(chǎn)生的諧波干擾，因此在帶電動機等沖擊性負載以及諧波干擾大的非線性負載能力方面比PMG永磁勵磁發(fā)電機和輔助繞組勵磁發(fā)電機要差一些。

 

圖5  無刷發(fā)電機自勵勵磁AVR控制系統(tǒng)原理框圖

圖6  無刷發(fā)電機自勵AVR控制系統(tǒng)結構

 

四、旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)

 

      無刷發(fā)電機最多是3臺發(fā)電機的組合，即付勵磁發(fā)電機、勵磁發(fā)電機、主發(fā)電機，一般控制勵磁發(fā)電機的勵磁電流，間接達到控制主發(fā)電機轉子主磁場來調整發(fā)電機輸出電壓的目的，由于不是直接控制主磁場的勵磁電流，而是經(jīng)過2～3級控制，帶來了發(fā)電機輸出電壓動態(tài)穩(wěn)定性較差的問題，這對一般性的負載影響甚微，但對于要求高質量供電的用電設備來說，就成為一個嚴重的問題，為了解決常用無刷發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性，因而產(chǎn)生了一種新型的勵磁方式-旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)。

      SCR勵磁系統(tǒng)如圖7所示，所在電路位置如圖8所示。該系統(tǒng)有兩個特點：一是將旋轉二極管改為可控的旋轉晶閘管，起到了可控整流的作用；二是AVR控制調節(jié)信號通過發(fā)光二極管-光傳遞至轉子上，經(jīng)光電轉換后控制SCR的工作。由于直接控制主勵磁繞組的勵磁電流，消除了發(fā)電機輸出電壓的振蕩，提高了發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性能，使發(fā)電機的供電質量得到進一步提升。

      目前旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)是較為先進的勵磁系統(tǒng)，由于可控整流的SCR為大功率器件、光電轉換模塊等使成本較高，目前只在特殊要求的發(fā)電機中采用。

 

圖7  無刷發(fā)電機旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)示意圖

圖8  旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)調節(jié)器位置圖

 

四、相復勵勵磁系統(tǒng)

 

     當發(fā)電機轉速接近額定值時，發(fā)電機的剩磁電壓經(jīng)線性電抗器L接至三相整流橋V的交流輸入端，整流后給勵磁機勵磁繞組F進行勵磁，使電壓逐步提高，當電壓超出整定的額定電壓時，AVR控制SCR旁路部分電流，使發(fā)電機電壓穩(wěn)定在電壓標定值。

      當發(fā)電機帶有負載時，負載電流通過電流互感器T（勵磁系統(tǒng)中稱補償器）的一次繞組，其二次繞組輸出電流與負載電流的相位相同，大小成比例，它與L提供的滯后于端電壓90°的電流相量疊加如圖3-26所示（圖中U_f為勵磁電壓，電阻性負載時可標記為U_fr，若為電感性負載則U_f＞U_fr，若為電容性負載則U_f＜U_fr）提供于三相整流橋V，同時帶載時發(fā)電機端電壓下降，AVR控制SCR減少分流，兩部分共同作用，使U_f升高，勵磁機磁場增強，發(fā)電機電壓上升，最終保持發(fā)電機端電壓恒定。

      這種勵磁方式的特點是：

（1）勵磁功率源隨負載的性質和大小而變化，因而起到了強勵的作用，勵磁性能優(yōu)越；

（2）AVR為并聯(lián)調節(jié)（上述各種AVR為串聯(lián)調節(jié)），一旦損壞，在電抗器L和補償器T設置合適的情況下，仍可使發(fā)電機端電壓維持在一定的正常范圍內，不影響正常發(fā)供電，因而具有較高的可靠性。由于增加了電抗器L和補償器T及外置的CR、SCR，使勵磁系統(tǒng)復雜程度、元器件及重量不及前述各種勵磁方式。

 

總結：

      無刷勵磁系統(tǒng)徹底革除了滑環(huán)、電刷等轉動接觸元件，提高了運行可靠性和減少了機組維護工作量。但旋轉半導體無刷勵磁方式對硅元件的可靠性要求高，不能采用傳統(tǒng)的滅磁裝置進行滅磁，轉子電流、電壓及溫度不便直接測量等。無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)除以上幾種類型外，還有付繞組諧波勵磁方式，其AVR為并聯(lián)分流調節(jié)；電容勵磁方式，其原理是在定子中設置一電容繞組并接入電容，這一容性電流在勵磁機定子繞組中相互激勵，逐步建立電壓，直至磁場飽和后達到額定電壓。這種勵磁方式主要用于單相3kW以下的汽油發(fā)電機中。

 

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