在他勵和自勵交流勵磁機(jī)系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)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(tǒng)中要經(jīng)過滑環(huán)才能向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。滑環(huán)是一種轉(zhuǎn)動接觸元件.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)中個別滑環(huán)過熱,每個滑環(huán)必須分擔(dān)同樣大小的電流。為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié),使整個勵磁系統(tǒng)都無轉(zhuǎn)動接觸的元件,就產(chǎn)生了無刷勵磁系統(tǒng)。無刷發(fā)電機(jī)的勵磁系統(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,下面簡要介紹各勵磁系統(tǒng)的組成、勵磁原理及特點(diǎn)。
一、pmg永磁機(jī)勵磁系統(tǒng)
pmg永磁機(jī)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)、勵磁發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)3部分組成。永磁發(fā)電機(jī)、勵磁發(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,不需要勵磁)直接發(fā)出電壓,經(jīng)過自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)整流后形成穩(wěn)定的直流電壓,接到勵磁發(fā)電機(jī)的定子,為其提供不受負(fù)載干擾的勵磁能量。該電壓接到勵磁發(fā)電機(jī)的定子,在定子鐵心形成磁場,勵磁發(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,主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場切割主發(fā)電機(jī)定子線圈,并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時調(diào)節(jié)勵磁下,主發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。
圖1 永磁發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
二、輔助繞組勵磁系統(tǒng)
輔助繞組無刷發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上只有勵磁發(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2和圖3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)電動勢,經(jīng)過avr整流后形成勵磁直流電壓。該電壓接到勵磁發(fā)電機(jī)的定子,在定子鐵心形成磁場,勵磁發(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,主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場切割主發(fā)電機(jī)定子線圈,并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時調(diào)節(jié)勵磁下,主發(fā)電機(jī)定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。
圖2 無刷發(fā)電機(jī)輔助繞組勵磁avr控制系統(tǒng)原理框圖
圖3 無刷發(fā)電機(jī)輔助繞組勵磁avr控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
三、自勵式勵磁系統(tǒng)
自勵式無刷發(fā)電機(jī)如圖4和圖5所示,在他勵無刷發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上,少了一個專門為自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)提供獨(dú)立的、不受負(fù)載干擾的勵磁能量的永磁發(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)電動勢發(fā)出一定的電壓,經(jīng)過自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)整流后形成勵磁直流電壓。該電壓接到勵磁發(fā)電機(jī)的定子,在定子鐵心形成磁場,勵磁發(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,加強(qiáng)了的主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁場切割主發(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)電動勢上升,如此循環(huán)正反饋并且在勵磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時調(diào)節(jié)勵磁下最終達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定輸出。
自勵無刷發(fā)電機(jī)由于為avr提供勵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永磁勵磁發(fā)電機(jī)和輔助繞組勵磁發(fā)電機(jī)要差一些。
圖4 無刷發(fā)電機(jī)自勵勵磁avr控制系統(tǒng)原理框圖
圖5 無刷發(fā)電機(jī)自勵avr控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
四、旋轉(zhuǎn)晶閘管(scr)勵磁系統(tǒng)
無刷發(fā)電機(jī)最多是3臺發(fā)電機(jī)的組合,即付勵磁發(fā)電機(jī)、勵磁發(fā)電機(jī)、主發(fā)電機(jī),一般控制勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁電流,間接達(dá)到控制主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主磁場來調(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的勵磁電流,而是經(jīng)過2~3級控制,帶來了發(fā)電機(jī)輸出電壓動態(tài)穩(wěn)定性較差的問題,這對一般性的負(fù)載影響甚微,但對于要求高質(zhì)量供電的用電設(shè)備來說,就成為一個嚴(yán)重的問題,為了解決常用無刷發(fā)電機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定性,因而產(chǎn)生了一種新型的勵磁方式-旋轉(zhuǎn)晶閘管(scr)勵磁系統(tǒng)。
scr勵磁系統(tǒng)如圖3-24所示。該系統(tǒng)有兩個特點(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。由于直接控制主勵磁繞組的勵磁電流,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)勵磁系統(tǒng)是較為先進(jìn)的勵磁系統(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6 無刷發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)晶閘管(scr)勵磁系統(tǒng)示意圖
四、相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)
相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)如圖3-25所示,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定值時,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,整流后給勵磁機(jī)勵磁繞組f進(jìn)行勵磁,使電壓逐步提高,當(dāng)電壓超出整定的額定電壓時,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,負(fù)載電流通過電流互感器t(勵磁系統(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uf為勵磁電壓,電阻性負(fù)載時可標(biāo)記為ufr,若為電感性負(fù)載則uf>ufr,若為電容性負(fù)載則uf<ufr)提供于三相整流橋v,同時帶載時發(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uf升高,勵磁機(jī)磁場增強(qiáng),發(fā)電機(jī)電壓上升,最終保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定。
這種勵磁方式的特點(diǎn)是:1)勵磁功率源隨負(fù)載的性質(zhì)和大小而變化,因而起到了強(qiáng)勵的作用,勵磁性能優(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,使勵磁系統(tǒng)復(fù)雜程度、元器件及重量不及前述各種勵磁方式。
無刷發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)除以上幾種類型外,還有付繞組諧波勵磁方式,其avr為并聯(lián)分流調(diào)節(jié);電容勵磁方式,其原理是在定子中設(shè)置一電容繞組并接入電容,這一容性電流在勵磁機(jī)定子繞組中相互激勵,逐步建立電壓,直至磁場飽和后達(dá)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(jī)中(異步發(fā)電機(jī)見前節(jié))。
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