發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的工作原理
自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)是靠剩磁建立電壓，而且電壓受電樞反應(yīng)影響很大，從空載到滿(mǎn)載其電壓變化率高達(dá)20％-40％，不能保證負(fù)載的正常工作。因此同步發(fā)電機(jī)都必須設(shè)有自動(dòng)電壓調(diào)整裝置。自動(dòng)電壓調(diào)整裝置的作用是使發(fā)電機(jī)起動(dòng)后能建立起額定空載電壓，并且使電壓不受負(fù)載大小和負(fù)載性質(zhì)變化的影響，能保持電壓基本恒定。
一、自動(dòng)電壓調(diào)整裝置分類(lèi)
按照自動(dòng)調(diào)節(jié)原理分主要有三種類(lèi)型：
（1）按電壓偏差調(diào)節(jié)型
它是一種閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓并與給定電壓相比較得出電壓的偏差，系統(tǒng)按照電壓偏差的大小和正負(fù)相應(yīng)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以消除電壓偏差。只要有偏差系統(tǒng)就進(jìn)行調(diào)整，故穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整精度比較高。但其動(dòng)態(tài)性能差，因?yàn)樗窍扔衅詈笳{(diào)整。
（2）按負(fù)載擾動(dòng)調(diào)節(jié)型
因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電壓的變化主要是由于負(fù)載變化而引起的，所以這類(lèi)調(diào)壓裝置是根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流的大小和負(fù)載性質(zhì)的變化來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持電壓恒定。只要負(fù)載有變化它就進(jìn)行調(diào)節(jié)，故動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好。由于它是一種不檢測(cè)發(fā)電機(jī)電壓和電壓偏差的開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度差。但這種恒壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，被廣泛采用。
（3）復(fù)合調(diào)節(jié)型
它是以上兩種類(lèi)型的復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即按負(fù)載擾動(dòng)和電壓偏差綜合調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)恒壓。所以它具有穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度高和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好的雙重優(yōu)點(diǎn)。僅根據(jù)負(fù)載電流的大小進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的作用為復(fù)勵(lì)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)的變化進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的作用稱(chēng)為相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)。既根據(jù)負(fù)載電流又根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)的變化進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的稱(chēng)為相復(fù)勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。相復(fù)勵(lì)恒壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律與同步發(fā)電機(jī)的“調(diào)節(jié)特性”基本相符。僅按負(fù)載擾動(dòng)調(diào)節(jié)的相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)稱(chēng)為不可控相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)，復(fù)合調(diào)節(jié)的相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)稱(chēng)為可控相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。
相復(fù)勵(lì)恒壓裝置又分為：電流疊加型、電磁疊加型和電勢(shì)疊加型三種類(lèi)型，其作用和原理是一致的。
二、相復(fù)勵(lì)自勵(lì)恒壓裝置
1、系統(tǒng)組成原理
圖1為不可控電流疊加型相復(fù)勵(lì)恒壓裝置原理圖。該類(lèi)裝置是由具有氣隙的三相鐵心電抗器x、電流互感器ct、二極管三相橋式整流器和三相起勵(lì)諧振電容器組成。
由于這些部件是三相對(duì)稱(chēng)的，故可用圖2的單線(xiàn)原理圖表示。由于電抗x遠(yuǎn)大于勵(lì)磁回路的電阻，電抗器電壓降幾乎等于發(fā)電機(jī)的電壓，故通過(guò)電抗器x的電流iv與發(fā)電機(jī)電壓u近似成正比，而相位比電壓落后90°。由此可知，只要電壓u保持恒定，則v也基本保持恒定，即具有恒流特性。由于電抗器x將發(fā)電機(jī)的電壓u轉(zhuǎn)換成了落后于電壓90°的恒定電流iv，所以電抗器又稱(chēng)為移相電抗器。移相電抗器是實(shí)現(xiàn)相復(fù)勵(lì)的關(guān)鍵部件。
圖1 發(fā)電機(jī)電流疊加相復(fù)勵(lì)恒壓裝置
圖2 發(fā)電機(jī)電流疊加相復(fù)勵(lì)單線(xiàn)原理圖
電流互感器的副邊電流i與原邊發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流i成正比、同相位，l稱(chēng)為勵(lì)磁電流的復(fù)勵(lì)分量。發(fā)電機(jī)空載時(shí)i和l均為零，只有電壓電流iv，故稱(chēng)iv為勵(lì)磁電流的空載分量。根據(jù)圖中節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系，空載分量、復(fù)勵(lì)分量與勵(lì)磁電流i的相量關(guān)系為：
if＝iv＋ii
相量合成的交流勵(lì)磁電流l，經(jīng)整流后即為發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁電流。該勵(lì)磁電流具有復(fù)勵(lì)補(bǔ)償和相位補(bǔ)償作用，從而能夠補(bǔ)償電樞反應(yīng)等對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的影響。
2、相復(fù)勵(lì)恒壓原理
下面用相量圖證明其復(fù)勵(lì)和相位補(bǔ)償作用。設(shè)任取空載分量iv為參考正弦量，則發(fā)電機(jī)電壓u比iv超前90°，電感性負(fù)載電流i及其復(fù)勵(lì)電流分量i比電壓落后φ角（負(fù)載功率因數(shù)角）。根據(jù)這些相位關(guān)系可作相量圖。
圖3是表明復(fù)勵(lì)補(bǔ)償作用的相量圖，即當(dāng)負(fù)載電流為ii時(shí)，根據(jù)上式作相量加法，得合成勵(lì)磁電流 if。當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)不變，而負(fù)載電流由ii增加到i′i時(shí)，ii與iv相量相加所得合成勵(lì)磁電流ii＞ if。這表明雖然負(fù)載電流的增加會(huì)引起電壓的下降，但同時(shí)負(fù)載電流又使勵(lì)磁恒壓裝置增加勵(lì)磁電流，使電壓上升，所以可使發(fā)電機(jī)電壓基本保持不變。
用同樣方法可證明相位補(bǔ)償作用，如圖4所示。即負(fù)載電流ii的幅度大小不變，而功率因數(shù)變低（ψ′＞ψ），由圖可見(jiàn)，功率因數(shù)低的合成勵(lì)磁電流i′f大于功率因數(shù)高的合成勵(lì)磁電流if。功率因數(shù)低，電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)引起電壓降低，但同時(shí)它又使勵(lì)磁恒壓裝置增加勵(lì)磁電流以抵償去磁效應(yīng)，所以可使電壓保持不變。
圖3 發(fā)電機(jī)復(fù)勵(lì)作用相量圖.
圖4 發(fā)電機(jī)相位補(bǔ)償作用相量圖
3、發(fā)電機(jī)的調(diào)壓特性
如果相復(fù)勵(lì)的補(bǔ)償作用恰好抵消負(fù)載引起的電壓下降，在任何負(fù)載下都能保持發(fā)電機(jī)的電壓絕對(duì)不變，則其調(diào)壓特性為無(wú)差特性。如果相復(fù)勵(lì)的作用不能完全補(bǔ)償（即欠補(bǔ)償）負(fù)載引起的電壓下降，則其調(diào)壓特性為下降的有差特性。如果補(bǔ)償有余（即過(guò)補(bǔ)償），則其調(diào)壓特性為上升的有差特性。對(duì)于單機(jī)運(yùn)行，只要滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度的要求，這三種調(diào)壓特性都是可以的。但是對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，其調(diào)壓特性必須是下降的有差特性，而且應(yīng)該是在低功率因數(shù)負(fù)載下（即有最大補(bǔ)償作用時(shí)）具有下降的有差特性，以保證無(wú)功功率分配的穩(wěn)定性，也即保證并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
4、自勵(lì)起壓
由于整流二極管的非線(xiàn)性特性，開(kāi)始導(dǎo)通前后的初始電阻較大，剩磁電壓ur往往不能使二極管導(dǎo)通，因此需要有可靠的自勵(lì)起壓的措施。
自勵(lì)起壓可有多種方法，其中最簡(jiǎn)便最常用的方法是采用諧振電容。通常是當(dāng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)后頻率達(dá)到額定頻率的95％左右，使移相電抗器x與電容c發(fā)生諧振（即此時(shí)x＝xc）。利用高的電容諧振電壓使二極管導(dǎo)通。可以證明，電容的諧振電壓與此時(shí)直流勵(lì)磁回路的等效電阻（包括二極管導(dǎo)通前后的電阻）ro成正比（uc＝rour/x），而勵(lì)磁電流等于電容諧振電壓除以ro，即if＝ur/x，故勵(lì)磁電流的大小只決定于剩磁電壓ur和線(xiàn)性電抗器的電抗x，而與包括二極管的非線(xiàn)性電阻的勵(lì)磁電阻r。的大小無(wú)關(guān)，所以無(wú)論ro多大都能順利地起壓。

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