新聞主題	圖解無(wú)刷發(fā)電機勵磁系統工作原理

 

摘要：在他勵和自勵交流勵磁機系統中，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(chēng)為靜止勵磁.在靜止勵磁系統中要經(jīng)過(guò)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(dòng)接觸元件.隨著(zhù)發(fā)電機容量的快速增大，巨型機組的出現，轉子電流大大增加，轉子滑環(huán)中通過(guò)如此大的電流，滑環(huán)的數量就要增加很多。為了防止發(fā)電機組運行當中個(gè)別滑環(huán)過(guò)熱，每個(gè)滑環(huán)必須分擔同樣大小的電流。為了提高勵磁系統的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節，使整個(gè)勵磁系統都無(wú)轉動(dòng)接觸的元件，就產(chǎn)生了無(wú)刷勵磁系統。無(wú)刷發(fā)電機的勵磁系統隨發(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(lèi)型較多，各具特色，下面簡(jiǎn)要介紹各勵磁系統的組成、勵磁原理及特點(diǎn)。

 

一、PMG永磁機勵磁系統

 

      PMG永磁無(wú)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(guò)自動(dòng)電壓調節器（AVR）整流后形成穩定的直流電壓，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(chǎng)，勵磁發(fā)電機的轉子線(xiàn)圈切割定子鐵心磁力線(xiàn)產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過(guò)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(xiàn)圈上，在主轉子鐵心形成磁場(chǎng)，主發(fā)電機轉子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機定子線(xiàn)圈，并且在勵磁調節器的實(shí)時(shí)調節勵磁下，主發(fā)電機定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢最終達到額定電壓并穩定輸出。

      永磁發(fā)電機的優(yōu)點(diǎn)：

1、結構簡(jiǎn)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(jiǎn)單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線(xiàn)，碳刷、滑環(huán)結構，整機結構簡(jiǎn)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(xiàn)，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(jiǎn)化，還使得轉子轉動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉速增加，比功率（即功率、體積之比例）達到一個(gè)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(shí)，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(shuō)，永磁式發(fā)電機的實(shí)際等功率等級的勵磁式發(fā)電機。

5、效率高

      永磁式發(fā)電機是一種節能產(chǎn)品。永磁轉子結構免去了產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)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(dòng)式穩壓器

      無(wú)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(shí)，只要發(fā)動(dòng)機處于運行狀態(tài)，汽車(chē)充電系統仍可工常工作。如汽車(chē)沒(méi)有蓄電池，只要搖轉手把或溜車(chē)，也可實(shí)現點(diǎn)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(wú)線(xiàn)電干擾

      永磁發(fā)電機無(wú)碳刷、無(wú)滑環(huán)的結構，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無(wú)線(xiàn)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)電機勵磁控制系統結構及特點(diǎn)

圖2  永磁機結構圖

 

二、輔助繞組勵磁系統

 

      輔助繞組無(wú)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(xiàn)圈獨立嵌放，電路上也與主定子線(xiàn)圈獨立。發(fā)電機旋轉后，主轉子的剩磁切割輔助繞組線(xiàn)圈，輔助繞組產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，經(jīng)過(guò)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(chǎng)，勵磁發(fā)電機的轉子線(xiàn)圈切割定子鐵心磁力線(xiàn)產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過(guò)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(xiàn)圈上，在主轉子鐵心形成磁場(chǎng)，主發(fā)電機轉子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機定子線(xiàn)圈，并且在勵磁調節器的實(shí)時(shí)調節勵磁下，主發(fā)電機定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢最終達到額定電壓并穩定輸出。

 

圖3  無(wú)刷發(fā)電機輔助繞組勵磁AVR控制系統原理框圖

圖4  無(wú)刷發(fā)電機輔助繞組勵磁AVR控制系統結構

 

 

三、自勵式勵磁系統

 

      自勵式無(wú)刷發(fā)電機如圖5和圖6所示，在他勵無(wú)刷發(fā)電機的基礎上，少了一個(gè)專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)電壓調節器（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(xiàn)圈，定子繞組產(chǎn)生感應電動(dòng)勢發(fā)出一定的電壓，經(jīng)過(guò)自動(dòng)電壓調節器（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(chǎng)，勵磁發(fā)電機的轉子線(xiàn)圈切割定子鐵心磁力線(xiàn)產(chǎn)生電壓，再經(jīng)過(guò)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(xiàn)圈上，在主發(fā)電機轉子鐵心形成更強的磁場(chǎng)，加強了的主發(fā)電機轉子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機定子線(xiàn)圈，主發(fā)電機定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢上升，如此循環(huán)正反饋并且在勵磁調節器的實(shí)時(shí)調節勵磁下最終達到額定電壓并穩定輸出。

      自勵無(wú)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(dòng)機等沖擊性負載以及諧波干擾大的非線(xiàn)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(wú)刷發(fā)電機自勵勵磁AVR控制系統原理框圖

圖6  無(wú)刷發(fā)電機自勵AVR控制系統結構

 

四、旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統

 

      無(wú)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(chǎng)來(lái)調整發(fā)電機輸出電壓的目的，由于不是直接控制主磁場(chǎng)的勵磁電流，而是經(jīng)過(guò)2～3級控制，帶來(lái)了發(fā)電機輸出電壓動(dòng)態(tài)穩定性較差的問(wèn)題，這對一般性的負載影響甚微，但對于要求高質(zhì)量供電的用電設備來(lái)說(shuō)，就成為一個(gè)嚴重的問(wèn)題，為了解決常用無(wú)刷發(fā)電機的動(dòng)態(tài)穩定性，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。

      SCR勵磁系統如圖7所示，所在電路位置如圖8所示。該系統有兩個(gè)特點(diǎn)：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控制調節信號通過(guò)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(dòng)態(tài)穩定性能，使發(fā)電機的供電質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。

      目前旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統是較為先進(jìn)的勵磁系統，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(wú)刷發(fā)電機旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統示意圖

圖8  旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統調節器位置圖

 

四、相復勵勵磁系統

 

     當發(fā)電機轉速接近額定值時(shí)，發(fā)電機的剩磁電壓經(jīng)線(xiàn)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，當電壓超出整定的額定電壓時(shí)，AVR控制SCR旁路部分電流，使發(fā)電機電壓穩定在電壓標定值。

      當發(fā)電機帶有負載時(shí)，負載電流通過(guò)電流互感器T（勵磁系統中稱(chēng)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(shí)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(shí)帶載時(shí)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(chǎng)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(diǎn)是：

（1）勵磁功率源隨負載的性質(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)調節（上述各種AVR為串聯(lián)調節），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，使勵磁系統復雜程度、元器件及重量不及前述各種勵磁方式。

 

總結：

      無(wú)刷勵磁系統徹底革除了滑環(huán)、電刷等轉動(dòng)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(wú)刷勵磁方式對硅元件的可靠性要求高，不能采用傳統的滅磁裝置進(jìn)行滅磁，轉子電流、電壓及溫度不便直接測量等。無(wú)刷發(fā)電機勵磁系統除以上幾種類(lèi)型外，還有付繞組諧波勵磁方式，其AVR為并聯(lián)分流調節；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(chǎng)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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