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(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流?；h(huán)是一種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流大大增加，轉(zhuǎn)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(dāng)中個別滑環(huán)過熱，每個滑環(huán)必須分擔(dān)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(zhuǎn)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(shù)進(jìn)步及新材料、電子技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)，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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子是同軸的。由永磁發(fā)電機（因為它的主轉(zhuǎn)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(diào)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(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主轉(zhuǎn)子鐵心形成磁場，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心磁場切割主發(fā)電機定子線圈，并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實時調(diào)節(jié)勵磁下，主發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

      永磁發(fā)電機的優(yōu)點：

1、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，整機結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減少，實用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比例）達(dá)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機則可高達(dá)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(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)及特點

圖2  永磁機結(jié)構(gòu)圖

 

二、輔助繞組勵磁系統(tǒng)

 

      輔助繞組無刷發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上只有勵磁發(fā)電機和主發(fā)電機，兩者轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)后，主轉(zhuǎn)子的剩磁切割輔助繞組線圈，輔助繞組產(chǎn)生感應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主轉(zhuǎn)子鐵心形成磁場，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心磁場切割主發(fā)電機定子線圈，并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實時調(diào)節(jié)勵磁下，主發(fā)電機定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最終達(dá)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(jié)構(gòu)

 

 

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(chǔ)上，少了一個專門為自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供獨立的、不受負(fù)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(zhuǎn)后，主轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢發(fā)出一定的電壓，經(jīng)過自動電壓調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發(fā)電機的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心形成更強的磁場，加強了的主發(fā)電機轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢上升，如此循環(huán)正反饋并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實時調(diào)節(jié)勵磁下最終達(dá)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(fù)載沖擊干擾或者負(fù)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(fù)載以及諧波干擾大的非線性負(fù)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A(yù)VR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

四、旋轉(zhuǎn)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(dá)到控制主發(fā)電機轉(zhuǎn)子主磁場來調(diào)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(fù)載影響甚微，但對于要求高質(zhì)量供電的用電設(shè)備來說，就成為一個嚴(yán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)二極管改為可控的旋轉(zhuǎn)晶閘管，起到了可控整流的作用；二是AVR控制調(diào)節(jié)信號通過發(fā)光二極管-光傳遞至轉(zhuǎn)子上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)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(zhì)量得到進(jìn)一步提升。

      目前旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)是較為先進(jìn)的勵磁系統(tǒng)，由于可控整流的SCR為大功率器件、光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)示意圖

圖8  旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器位置圖

 

四、相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)

 

     當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)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(jìn)行勵磁，使電壓逐步提高，當(dāng)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(biāo)定值。

      當(dāng)發(fā)電機帶有負(fù)載時，負(fù)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(fù)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(fù)載時可標(biāo)記為U_fr，若為電感性負(fù)載則U_f＞U_fr，若為電容性負(fù)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(fù)載的性質(zhì)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(diào)節(jié)（上述各種AVR為串聯(lián)調(diào)節(jié)），一旦損壞，在電抗器L和補償器T設(shè)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(nèi)，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(fù)雜程度、元器件及重量不及前述各種勵磁方式。

 

總結(jié)：

      無刷勵磁系統(tǒng)徹底革除了滑環(huán)、電刷等轉(zhuǎn)動接觸元件，提高了運行可靠性和減少了機組維護(hù)工作量。但旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)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(jìn)行滅磁，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)；電容勵磁方式，其原理是在定子中設(shè)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(dá)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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