新聞主題	圖解無刷發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.在靜止勵磁系統中要經過滑環才能向旋轉的發電機轉子提供勵磁電流。滑環是一種轉動接觸元件.隨著發電機容量的快速增大，巨型機組的出現，轉子電流大大增加，轉子滑環中通過如此大的電流，滑環的數量就要增加很多。為了防止發電機組運行當中個別滑環過熱，每個滑環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這一薄弱環節，使整個勵磁系統都無轉動接觸的元件，就產生了無刷勵磁系統。無刷發電機的勵磁系統隨發電機的技術進步及新材料、電子技術的發展而不斷改進，類型較多，各具特色，下面簡要介紹各勵磁系統的組成、勵磁原理及特點。

 

一、PMG永磁機勵磁系統

 

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

      永磁發電機的優點：

1、結構簡單、可靠性高

      永磁式發電機省去了勵磁式發電機的勵磁繞組、碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁式發電機勵磁式發電機勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環易磨損等故障，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、低速發電性能好

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

5、效率高

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

6、 采用自啟動式穩壓器

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

7、 特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環境下工作

8、抗無線電干擾

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

 

圖1  永磁發電機勵磁控制系統結構及特點

圖2  永磁機結構圖

 

二、輔助繞組勵磁系統

 

      輔助繞組無刷發電機在結構上只有勵磁發電機和主發電機，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。發電機旋轉后，主轉子的剩磁切割輔助繞組線圈，輔助繞組產生感應電動勢，經過AVR整流后形成勵磁直流電壓。該電壓接到勵磁發電機的定子，在定子鐵心形成磁場，勵磁發電機的轉子線圈切割定子鐵心磁力線產生電壓，再經過在主軸上的旋轉二極管整流成勵磁直流電壓，接到主發電機的主轉子線圈上，在主轉子鐵心形成磁場，主發電機轉子鐵心磁場切割主發電機定子線圈，并且在勵磁調節器的實時調節勵磁下，主發電機定子線圈產生的感應電動勢最終達到額定電壓并穩定輸出。

 

圖3  無刷發電機輔助繞組勵磁AVR控制系統原理框圖

圖4  無刷發電機輔助繞組勵磁AVR控制系統結構

 

 

三、自勵式勵磁系統

 

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

      自勵無刷發電機由于為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永磁勵磁發電機和輔助繞組勵磁發電機要差一些。

 

圖5  無刷發電機自勵勵磁AVR控制系統原理框圖

圖6  無刷發電機自勵AVR控制系統結構

 

四、旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統

 

      無刷發電機最多是3臺發電機的組合，即付勵磁發電機、勵磁發電機、主發電機，一般控制勵磁發電機的勵磁電流，間接達到控制主發電機轉子主磁場來調整發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，而是經過2～3級控制，帶來了發電機輸出電壓動態穩定性較差的問題，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電機的動態穩定性，因而產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控制調節信號通過發光二極管-光傳遞至轉子上，經光電轉換后控制SCR的工作。由于直接控制主勵磁繞組的勵磁電流，消除了發電機輸出電壓的振蕩，提高了發電機的動態穩定性能，使發電機的供電質量得到進一步提升。

      目前旋轉晶閘管（SCR）勵磁系統是較為先進的勵磁系統，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電機中采用。

 

圖7  無刷發電機旋轉晶閘管（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

 

     當發電機轉速接近額定值時，發電機的剩磁電壓經線性電抗器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，使發電機電壓穩定在電壓標定值。

      當發電機帶有負載時，負載電流通過電流互感器T（勵磁系統中稱補償器）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，發電機電壓上升，最終保持發電機端電壓恒定。

      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，勵磁性能優越；

（2）AVR為并聯調節（上述各種AVR為串聯調節），一旦損壞，在電抗器L和補償器T設置合適的情況下，仍可使發電機端電壓維持在一定的正常范圍內，不影響正常發供電，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：

      無刷勵磁系統徹底革除了滑環、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。無刷發電機勵磁系統除以上幾種類型外，還有付繞組諧波勵磁方式，其AVR為并聯分流調節；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以下的汽油發電機中。

 

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