新聞主題	圖解無刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

 

摘要：在他勵(lì)和自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(lì)磁.在靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中要經(jīng)過滑環(huán)才能向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流?；h(huán)是一種轉(zhuǎn)動(dòng)接觸元件.隨著發(fā)電機(jī)容量的快速增大，巨型機(jī)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(jī)組運(yùn)行當(dāng)中個(gè)別滑環(huán)過熱，每個(gè)滑環(huán)必須分擔(dān)同樣大小的電流。為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)都無轉(zhuǎn)動(dòng)接觸的元件，就產(chǎn)生了無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。無刷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)隨發(fā)電機(jī)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(jiǎn)要介紹各勵(lì)磁系統(tǒng)的組成、勵(lì)磁原理及特點(diǎn)。

 

一、PMG永磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

 

      PMG永磁無刷發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有永磁發(fā)電機(jī)（如圖2所示）、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)三部分組成。永磁發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是同軸的。由永磁發(fā)電機(jī)（因?yàn)樗闹鬓D(zhuǎn)子是永磁體的，不需要?jiǎng)?lì)磁）直接發(fā)出電壓，經(jīng)過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）整流后形成穩(wěn)定的直流電壓，接到勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子，為其提供不受負(fù)載干擾的勵(lì)磁能量。該電壓接到勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子，在定子鐵心形成磁場(chǎng)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(lì)磁直流電壓，接到主發(fā)電機(jī)的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主轉(zhuǎn)子鐵心形成磁場(chǎng)，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機(jī)定子線圈，并且在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁下，主發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

      永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高

      永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了勵(lì)磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)勵(lì)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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比例）達(dá)到一個(gè)很高的值。

3、中、低速發(fā)電性能好

      功率等級(jí)相同的情況下，怠速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發(fā)電機(jī)的實(shí)際等功率等級(jí)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。

5、效率高

      永磁式發(fā)電機(jī)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(chǎng)所需的勵(lì)磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)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(jī)則可高達(dá)75%至80%。

6、 采用自啟動(dòng)式穩(wěn)壓器

      無需外加勵(lì)磁電源。發(fā)電機(jī)只要一旋轉(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p壞時(shí)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)火運(yùn)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(jī)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(xiǎn)程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機(jī)對(duì)環(huán)境溫度的要求。

 

圖1  永磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圖2  永磁機(jī)結(jié)構(gòu)圖

 

二、輔助繞組勵(lì)磁系統(tǒng)

 

      輔助繞組無刷發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上只有勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)，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(jī)，在結(jié)構(gòu)上是嵌入定子繞組槽并且與主定子線圈獨(dú)立嵌放，電路上也與主定子線圈獨(dú)立。發(fā)電機(jī)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(dòng)勢(shì)，經(jīng)過AVR整流后形成勵(lì)磁直流電壓。該電壓接到勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子，在定子鐵心形成磁場(chǎng)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(lì)磁直流電壓，接到主發(fā)電機(jī)的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主轉(zhuǎn)子鐵心形成磁場(chǎng)，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機(jī)定子線圈，并且在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁下，主發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

 

圖3  無刷發(fā)電機(jī)輔助繞組勵(lì)磁AVR控制系統(tǒng)原理框圖

圖4  無刷發(fā)電機(jī)輔助繞組勵(lì)磁AVR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

 

三、自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)

 

      自勵(lì)式無刷發(fā)電機(jī)如圖5和圖6所示，在他勵(lì)無刷發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，少了一個(gè)專門為自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）提供獨(dú)立的、不受負(fù)載干擾的勵(lì)磁能量的永磁發(fā)電機(jī)或者輔助繞組部分。發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，主轉(zhuǎn)子的剩磁切割主發(fā)電機(jī)定子繞組線圈，定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)出一定的電壓，經(jīng)過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）整流后形成勵(lì)磁直流電壓。該電壓接到勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子，在定子鐵心形成磁場(chǎng)，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(lì)磁直流電壓，接到主發(fā)電機(jī)的主轉(zhuǎn)子線圈上，在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心形成更強(qiáng)的磁場(chǎng)，加強(qiáng)了的主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場(chǎng)切割主發(fā)電機(jī)定子線圈，主發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上升，如此循環(huán)正反饋并且在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁下最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。

      自勵(lì)無刷發(fā)電機(jī)由于為AVR提供勵(lì)磁能量的電源不是獨(dú)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(dòng)機(jī)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(lì)磁發(fā)電機(jī)和輔助繞組勵(lì)磁發(fā)電機(jī)要差一些。

 

圖5  無刷發(fā)電機(jī)自勵(lì)勵(lì)磁AVR控制系統(tǒng)原理框圖

圖6  無刷發(fā)電機(jī)自勵(lì)A(yù)VR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

四、旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵(lì)磁系統(tǒng)

 

      無刷發(fā)電機(jī)最多是3臺(tái)發(fā)電機(jī)的組合，即付勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、主發(fā)電機(jī)，一般控制勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，間接達(dá)到控制主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)來調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的，由于不是直接控制主磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，而是經(jīng)過2～3級(jí)控制，帶來了發(fā)電機(jī)輸出電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差的問題，這對(duì)一般性的負(fù)載影響甚微，但對(duì)于要求高質(zhì)量供電的用電設(shè)備來說，就成為一個(gè)嚴(yán)重的問題，為了解決常用無刷發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，因而產(chǎn)生了一種新型的勵(lì)磁方式-旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵(lì)磁系統(tǒng)。

      SCR勵(lì)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(gè)特點(diǎn)：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(hào)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(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，消除了發(fā)電機(jī)輸出電壓的振蕩，提高了發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能，使發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。

      目前旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵(lì)磁系統(tǒng)是較為先進(jìn)的勵(lì)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(jī)中采用。

 

圖7  無刷發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)晶閘管（SCR）勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

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

 

四、相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

 

     當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)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(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組F進(jìn)行勵(lì)磁，使電壓逐步提高，當(dāng)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(jī)電壓穩(wěn)定在電壓標(biāo)定值。

      當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流通過電流互感器T（勵(lì)磁系統(tǒng)中稱補(bǔ)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(lì)磁電壓，電阻性負(fù)載時(shí)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(shí)帶載時(shí)發(fā)電機(jī)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(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)增強(qiáng)，發(fā)電機(jī)電壓上升，最終保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定。

      這種勵(lì)磁方式的特點(diǎn)是：

（1）勵(lì)磁功率源隨負(fù)載的性質(zhì)和大小而變化，因而起到了強(qiáng)勵(lì)的作用，勵(lì)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(bǔ)償器T設(shè)置合適的情況下，仍可使發(fā)電機(jī)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(bǔ)償器T及外置的CR、SCR，使勵(lì)磁系統(tǒng)復(fù)雜程度、元器件及重量不及前述各種勵(lì)磁方式。

 

總結(jié)：

      無刷勵(lì)磁系統(tǒng)徹底革除了滑環(huán)、電刷等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸元件，提高了運(yùn)行可靠性和減少了機(jī)組維護(hù)工作量。但旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體無刷勵(lì)磁方式對(duì)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(cè)量等。無刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)除以上幾種類型外，還有付繞組諧波勵(lì)磁方式，其AVR為并聯(lián)分流調(diào)節(jié)；電容勵(lì)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(lì)磁機(jī)定子繞組中相互激勵(lì)，逐步建立電壓，直至磁場(chǎng)飽和后達(dá)到額定電壓。這種勵(lì)磁方式主要用于單相3kW以下的汽油發(fā)電機(jī)中。

 

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