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新闻主题	图解无刷发电机励磁系统工作原理

 

摘要：在他励和自励交流励磁机系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅〔或二极管〕供给，而可控硅〔或二极管〕是静止的故称为静止励磁.在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件.随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加，转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止发电机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统。无刷发电机的励磁系统随发电机的技术进步及新材料、电子技术的发展而不断改进，类型较多，各具特色，下面简要介绍各励磁系统的组成、励磁原理及特点。

 

一、PMG永磁机励磁系统

 

      PMG永磁无刷发电机的结构如图1所示，主要有永磁发电机（如图2所示）、励磁发电机和主发电机三部分组成。永磁发电机、励磁发电机和主发电机的转子是同轴的。由永磁发电机（因为它的主转子是永磁体的，不需要励磁）直接发出电压，经过自动电压调节器（AVR）整流后形成稳定的直流电压，接到励磁发电机的定子，为其提供不受负载干扰的励磁能量。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主转子铁心形成磁场，主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，并且在励磁调节器的实时调节励磁下，主发电机定子线圈产生的感应电动势最终达到额定电压并稳定输出。

      永磁发电机的优点：

1、结构简单、可靠性高

      永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提高。

2、体积小、重量轻、比功率大

      永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。

3、中、低速发电性能好

      功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也就是说，永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。

5、效率高

      永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至80%。

6、 采用自启动式稳压器

      无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时，只要发动机处于运行状态，汽车充电系统仍可工常工作。如汽车没有蓄电池，只要摇转手把或溜车，也可实现点火运行。

7、 特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作

8、抗无线电干扰

      永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰；消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作，也降低了发电机对环境温度的要求。

 

图1  永磁发电机励磁控制系统结构及特点

图2  永磁机结构图

 

二、辅助绕组励磁系统

 

      辅助绕组无刷发电机在结构上只有励磁发电机和主发电机，两者转子是同轴的。两部分组成，如图3和图4所示。辅助绕组在原理上代替永磁发电机，在结构上是嵌入定子绕组槽并且与主定子线圈独立嵌放，电路上也与主定子线圈独立。发电机旋转后，主转子的剩磁切割辅助绕组线圈，辅助绕组产生感应电动势，经过AVR整流后形成励磁直流电压。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主转子铁心形成磁场，主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，并且在励磁调节器的实时调节励磁下，主发电机定子线圈产生的感应电动势最终达到额定电压并稳定输出。

 

图3  无刷发电机辅助绕组励磁AVR控制系统原理框图

图4  无刷发电机辅助绕组励磁AVR控制系统结构

 

 

三、自励式励磁系统

 

      自励式无刷发电机如图5和图6所示，在他励无刷发电机的基础上，少了一个专门为自动电压调节器（AVR）提供独立的、不受负载干扰的励磁能量的永磁发电机或者辅助绕组部分。发电机旋转后，主转子的剩磁切割主发电机定子绕组线圈，定子绕组产生感应电动势发出一定的电压，经过自动电压调节器（AVR）整流后形成励磁直流电压。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主发电机转子铁心形成更强的磁场，加强了的主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，主发电机定子线圈产生的感应电动势上升，如此循环正反馈并且在励磁调节器的实时调节励磁下最终达到额定电压并稳定输出。

      自励无刷发电机由于为AVR提供励磁能量的电源不是独立的，易受负载冲击干扰或者负载波形畸变产生的谐波干扰，因此在带电动机等冲击性负载以及谐波干扰大的非线性负载能力方面比PMG永磁励磁发电机和辅助绕组励磁发电机要差一些。

 

图5  无刷发电机自励励磁AVR控制系统原理框图

图6  无刷发电机自励AVR控制系统结构

 

四、旋转晶闸管（SCR）励磁系统

 

      无刷发电机最多是3台发电机的组合，即付励磁发电机、励磁发电机、主发电机，一般控制励磁发电机的励磁电流，间接达到控制主发电机转子主磁场来调整发电机输出电压的目的，由于不是直接控制主磁场的励磁电流，而是经过2～3级控制，带来了发电机输出电压动态稳定性较差的问题，这对一般性的负载影响甚微，但对于要求高质量供电的用电设备来说，就成为一个严重的问题，为了解决常用无刷发电机的动态稳定性，因而产生了一种新型的励磁方式-旋转晶闸管（SCR）励磁系统。

      SCR励磁系统如图7所示，所在电路位置如图8所示。该系统有两个特点：一是将旋转二极管改为可控的旋转晶闸管，起到了可控整流的作用；二是AVR控制调节信号通过发光二极管-光传递至转子上，经光电转换后控制SCR的工作。由于直接控制主励磁绕组的励磁电流，消除了发电机输出电压的振荡，提高了发电机的动态稳定性能，使发电机的供电质量得到进一步提升。

      目前旋转晶闸管（SCR）励磁系统是较为先进的励磁系统，由于可控整流的SCR为大功率器件、光电转换模块等使成本较高，目前只在特殊要求的发电机中采用。

 

图7  无刷发电机旋转晶闸管（SCR）励磁系统示意图

图8  旋转晶闸管（SCR）励磁系统调节器位置图

 

四、相复励励磁系统

 

     当发电机转速接近额定值时，发电机的剩磁电压经线性电抗器L接至三相整流桥V的交流输入端，整流后给励磁机励磁绕组F进行励磁，使电压逐步提高，当电压超出整定的额定电压时，AVR控制SCR旁路部分电流，使发电机电压稳定在电压标定值。

      当发电机带有负载时，负载电流通过电流互感器T（励磁系统中称补偿器）的一次绕组，其二次绕组输出电流与负载电流的相位相同，大小成比例，它与L提供的滞后于端电压90°的电流相量叠加如图3-26所示（图中U_f为励磁电压，电阻性负载时可标记为U_fr，若为电感性负载则U_f＞U_fr，若为电容性负载则U_f＜U_fr）提供于三相整流桥V，同时带载时发电机端电压下降，AVR控制SCR减少分流，两部分共同作用，使U_f升高，励磁机磁场增强，发电机电压上升，最终保持发电机端电压恒定。

      这种励磁方式的特点是：

（1）励磁功率源随负载的性质和大小而变化，因而起到了强励的作用，励磁性能优越；

（2）AVR为并联调节（上述各种AVR为串联调节），一旦损坏，在电抗器L和补偿器T设置合适的情况下，仍可使发电机端电压维持在一定的正常范围内，不影响正常发供电，因而具有较高的可靠性。由于增加了电抗器L和补偿器T及外置的CR、SCR，使励磁系统复杂程度、元器件及重量不及前述各种励磁方式。

 

总结：

      无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。无刷发电机励磁系统除以上几种类型外，还有付绕组谐波励磁方式，其AVR为并联分流调节；电容励磁方式，其原理是在定子中设置一电容绕组并接入电容，这一容性电流在励磁机定子绕组中相互激励，逐步建立电压，直至磁场饱和后达到额定电压。这种励磁方式主要用于单相3kW以下的汽油发电机中。

 

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