無刷交流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)分析

王杰, 孫中華, 王瑞成

(1.海軍士官學校 機電系, 安徽 蚌埠 233012；2.海軍航空大學 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

勵磁系統(tǒng)是無刷交流同步發(fā)電機最核心部分之一，為保證發(fā)電機穩(wěn)定可靠的運行,對勵磁系統(tǒng)的要求如下: ①保證發(fā)電機可靠起勵，建立額定空載電壓；②負載變化時，有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性；③系統(tǒng)發(fā)生短路時，有一定的強行勵磁能力；④發(fā)電機并聯(lián)運行時，保證無功功率按發(fā)電機容量成比例分配；⑤當機組轉速低于額定轉速80%時，具有過壓、過流和低速保護作用。

圖1 無刷交流同步發(fā)電機結構圖

為滿足上述要求，勵磁系統(tǒng)主要由勵磁功率單元與勵磁調節(jié)器(AVR)兩個重要部分組成(如圖1所示)。勵磁功率單元主要是向勵磁機提供勵磁電流,勵磁調節(jié)器(AVR)主要是根據(jù)輸入電壓信號和給定的調節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出，從而實現(xiàn)對發(fā)電機輸出電壓的控制。當前基于該結構的勵磁方式主要有可控相復勵勵磁、三次諧波勵磁和永磁副勵磁機勵磁。文獻[1-2]主要運用數(shù)學模型仿真方法對可控相復勵勵磁系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性進行了研究。文獻[375-76-4]主要對可控相復勵勵磁系統(tǒng)相關部件參數(shù)對輸出電壓的影響進行了分析。文獻[5-6]主要對諧波繞組的放置位置及其相關參數(shù)如何設計計算進行了分析；文獻[720-24-8]針對永磁勵磁發(fā)電機存在電壓不易調節(jié)的問題，提出了混合勵磁的方案。但以上文獻都未對三種勵磁系統(tǒng)的工作原理進行定性分析，也未對其性能特點進行對比分析。

本文借助發(fā)電機結構圖和系統(tǒng)原理圖對三種主要勵磁方式的結構組成與工作原理進行了詳細說明和定性分析，并在此基礎上經(jīng)過對比分析，歸納梳理了三種勵磁方式性能上的優(yōu)、缺點，最終得出三種勵磁方式各自適于應用的發(fā)電領域。

圖2 可控相復勵系統(tǒng)原理圖

1 可控相復勵勵磁

1.1 基本組成與工作原理

可控相復勵系統(tǒng)的原理線路如圖2所示，它由電流互感器TA、電抗器L、諧振電容C、相復勵變壓器T、整流器UR、分流晶閘管VT、調壓器AVR及勵磁機勵磁繞組OL組成。

電流互感器TA輸出與發(fā)電機負載電流If大小成比例，相位相同的復勵電流分量ILI；移相電抗器L與發(fā)電機輸出繞組直接相連，產(chǎn)生對發(fā)電機輸出電壓移相90°的復勵電壓分量電流ILU； 相復勵變壓器T通過電磁疊加，將復勵電壓分量ILU和復勵電流分量ILI進行矢量相加IL=ILI+ILU，得出總的復勵勵磁電流IL；同時將勵磁回路和發(fā)電機主回路電氣隔離。總復勵電流IL經(jīng)三相整流器UR整流成為直流IOL，供勵磁機勵磁繞組OL勵磁。電壓調節(jié)器AVR根據(jù)電壓偏差ΔU，產(chǎn)生控制分流晶閘管VT的脈沖信號，對IL進行分流，進而實現(xiàn)對發(fā)電機輸出電壓Uf的調節(jié)，大幅提高調壓精度。由于勵磁回路中整流器UR和晶閘管VT等半導體器件的存在，會使得發(fā)電機靠剩磁輸出電壓較低時無法自勵建壓，因此，加入電容C，使其與移相電抗器L構成諧振電路，即XC=XL，為了不影響正常運行，使其在額定轉速處于失諧狀態(tài)，而在發(fā)電機轉速較低時處于諧振狀態(tài)，電容將產(chǎn)生很高的電壓，實現(xiàn)發(fā)電機起勵建壓。

1.2 性能分析

發(fā)電機的勵磁電流IL是從兩方面得到的：一是發(fā)電機的輸出端電壓經(jīng)電抗器L移相對相復勵變壓器T的電壓繞組W1供電的電流ILU，產(chǎn)生交變磁通，使輸出繞組W2感生電勢，再經(jīng)三相橋式整流器UR整流后供給的；另一是發(fā)電機的負載電流經(jīng)電流互感器TA變換為同相位電流ILI后，輸入給相復勵變壓器產(chǎn)生交變磁通，也使W2感生電勢，經(jīng)UR整流后供給的。復勵電壓分量ILU和復勵電流分量ILI均為向量，故既能反映負載的大小又能反映功率因數(shù)的變化，能很好地補償因負載電流及功率因數(shù)等擾動引起的電壓波動，動態(tài)性能很好。但是，因為它只是根據(jù)負載電流和功率因數(shù)這兩個擾動量的變化來進行調壓，而沒有考慮其他因素引起的電壓變化，例如頻率變化、溫度變化等造成的電壓偏差，因此其靜態(tài)調壓率較差。為了解決這個問題，勵磁系統(tǒng)中引入電壓調節(jié)器AVR，它是根據(jù)電壓偏差ΔU進行調節(jié)的負反饋型調壓器，從而形成擾動+偏差調節(jié)的綜合型勵磁調壓系統(tǒng)——可控相復勵，它兼有兩種調節(jié)的優(yōu)點，其動態(tài)性能和靜態(tài)性能都較好。同時，這些裝置的引入致使該勵磁系統(tǒng)結構和原理復雜，后期參數(shù)調試和維修難度大。系統(tǒng)中移相電抗器L和相復勵變壓器T體積較大，材料消耗多、功率損耗大，系統(tǒng)整體效率不高[3]74。綜上分析，可控相復勵適用于對電能質量要求高且所帶負載變動較大的發(fā)電機，如負載功率波動較為嚴重的船舶、艦艇電站用發(fā)電機。

2 三次諧波勵磁系統(tǒng)

2.1 基本組成與工作原理

圖3 三次諧波勵磁發(fā)電機結構圖

圖4 三次諧波勵磁系統(tǒng)原理圖

三次諧波勵磁發(fā)電機結構圖、系統(tǒng)原理如圖3、圖4所示，它由諧波繞組S1S2、勵磁機勵磁繞組E1E2、發(fā)電機勵磁繞組F1F2、整流板LBB及調壓器AVR組成，其中，中間虛線所框部分為轉子部分。

三次諧波繞組S1S2與主繞組一起嵌套在定子鐵芯槽內(如圖3所示)，當磁極被原動機帶動旋轉時，這套繞組把氣隙磁場中的三次諧波能量引出，作為勵磁電源。根據(jù)相數(shù)諧波繞組又分為三相和單相，大功率發(fā)電機需要勵磁功率大，可采用三相繞組，小功率發(fā)電機需要勵磁功率小，可以采用單相繞組(如圖4所示)，本文即以單相繞組為例進行說明。諧波繞組S1S2、勵磁機勵磁繞組E1E2、整流板LBB與電壓調節(jié)器AVR相串聯(lián)構成一個勵磁電流可調節(jié)的勵磁機閉合勵磁回路。勵磁機電樞繞組、旋轉整流器與發(fā)電機勵磁繞組F1F2構成主發(fā)電機勵磁回路，通過電壓調節(jié)器AVR對勵磁機勵磁電流的調節(jié)，進而影響發(fā)電機勵磁繞組F1F2的勵磁電流，最終實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)。這種勵磁系統(tǒng)的不足之處就是勵磁傳輸路徑較長，致使勵磁調節(jié)反應慢。為了加快勵磁系統(tǒng)的反應速度以及縮小勵磁機的尺寸，勵磁機勵磁繞組通常設計成12、14或16極，使勵磁機電樞輸出100～200 Hz的中頻交流電。

2.2 性能分析

同步發(fā)電機的負載一般為電感性(即0°<θ<90°)，負載電流電樞反應基波分量對主磁場起去磁作用，三次諧波分量對主磁場起助磁作用。對于常規(guī)勵磁發(fā)電機，感性負載下的電樞反應磁場有去磁作用，若勵磁電流不變，輸出電壓U將隨負載電流I的增大或cosθ的減小而下降。對于諧波勵磁發(fā)電機，情況則有所改善，三次諧波繞組能夠將電樞反應中的三次諧波能量轉化為主磁極的勵磁電流，增強主磁場強度，使端電壓升高，由此可知，三次諧波勵磁系統(tǒng)與可控相復勵恒壓勵磁系統(tǒng)具有同樣的功能，即都能按負載電流I和功率因數(shù)cosθ進行相復勵調壓，具有一定的恒壓能力。與可控相復勵相比，諧波繞組獨立，當發(fā)電機發(fā)生短路時，諧波電壓迅速上升，可以進行強勵。諧波勵磁的主要缺點：一是諧波繞組功率有限，帶載能力小；二是在多機并列運行過程中，因中線電流去磁，負荷分配不均導致?lián)尠l(fā)無功，造成無功振蕩等問題[9]78。綜上分析，諧波勵磁更適合應用于單機運行的中小功率發(fā)電機，如作為應急電源用的內燃機驅動的小型發(fā)電機。

3 永磁副勵磁機勵磁

3.1 基本組成與工作原理

上述可控相復勵勵磁和三次諧波勵磁都是勵磁電源取自發(fā)電機的主繞組或副繞組，屬于自勵式。由于現(xiàn)代的負載增加很多非線性負載，如變頻器、整流器負載等，非線性負載會嚴重地影響發(fā)電機的電壓、電流波形的正弦性，產(chǎn)生的高次諧波使發(fā)電機的性能變差，甚至嚴重地干擾了AVR的運行，使發(fā)電機不能正常工作。另外，大功率交流發(fā)電機所需的勵磁功率很大，自勵式無法滿足要求。因此，對于某些重要發(fā)電機設備，如海上石油平臺的發(fā)電機組及帶非線性負載的發(fā)電機組，常采用他勵式無刷發(fā)電機，且為二級勵磁，即主、副勵磁機，而作為勵磁電源的副勵磁機常采用永磁勵磁。

圖5 永磁副勵磁機勵磁發(fā)電機結構圖

圖6 永磁副勵磁機勵磁系統(tǒng)原理圖

從整體結構圖5來看，該型發(fā)電機主要有永磁副勵磁機、主勵磁機和主發(fā)電機三大部分組成。勵磁系統(tǒng)原理圖如圖6所示，主要有永磁磁極、副勵磁機電樞繞組W1、調壓器AVR、主勵磁機勵磁繞組E1E2、主勵磁機電樞繞組W2、旋轉整流橋、主發(fā)電機勵磁繞組F1F2等組成，其中虛線所框部分為發(fā)電機轉子部分。

永磁副勵磁機——發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的電源。隨著發(fā)電機的運轉，在永磁磁極的勵磁下，副勵磁機電樞繞組W1輸出交流電流，經(jīng)AVR的整流和調節(jié)后輸送給主勵磁機勵磁繞組E1E2。

主勵磁機——勵磁功率放大環(huán)節(jié)，AVR調節(jié)后的電流經(jīng)過主勵磁機勵磁繞組E1E2建立磁場，主勵磁機電樞繞組W2感應的交流電經(jīng)旋轉整流橋整流后輸入主發(fā)電機勵磁繞組F1F2，為主發(fā)電機建立磁場。

該種勵磁方式為二級勵磁，存在勵磁電流傳輸環(huán)節(jié)較多，易造成系統(tǒng)動態(tài)特性差、勵磁電流波形差(紋波多)和整流效率低三個主要問題。為了改善上述問題，永磁副勵磁機的發(fā)電頻率通常為400～500 Hz，交流主勵磁機發(fā)電頻率通常為100～200 Hz。這樣在轉速為3 000 r/min的機組上，副勵磁機將有8對永磁磁極。

3.2 性能分析

與電勵磁機相比，同等功率下的稀土永磁勵磁機具有體積小、質量輕和效率高等優(yōu)點，很適合做他勵式發(fā)電機的勵磁機。同時，由于勵磁功率單元獨立，帶載能力強，且勵磁電流不受系統(tǒng)輸出電壓的影響，使得該型發(fā)電機不僅在系統(tǒng)電壓降低時能迅速提供強勵電壓，保證系統(tǒng)電壓迅速恢復，而且具有抗電磁干擾、帶非線性負載能力強的特點[7]19。但是,永磁體磁場性能會受到溫度變化的影響,這一固有特性會使永磁勵磁機在溫度過高(銣鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時可能產(chǎn)生不可逆退磁，使勵磁機性能下降，甚至無法使用[10]。另一方面是稀土永磁材料目前的價格比較高，該型發(fā)電機的成本一般比純電勵磁式發(fā)電機高。綜上分析，永磁副勵磁機勵磁系統(tǒng)適用于運行環(huán)境比較穩(wěn)定的非線性負載較多的大功率發(fā)電機，如兆瓦級的大型汽輪發(fā)電機。

4 結束語

可控相復勵因其突出的靜、動態(tài)調節(jié)特性，使其適用于所帶負載功率波動較大的發(fā)電機，但其缺點是系統(tǒng)復雜、體積大和勵磁功率損耗大。三次諧波勵磁雖具有結構簡單、動態(tài)調節(jié)特性好和強勵能力好的優(yōu)點，但受其相電壓波形畸變和并列不穩(wěn)定問題的制約，使其更適用于單機運行、應急用中小功率的發(fā)電機。永磁副勵磁機因其功率單元獨立，勵磁電流不受系統(tǒng)輸出電壓影響的特點，使其更適用于因所帶非線性負載較多而引起電磁干擾的大功率發(fā)電機。但永磁材料性能易受溫度影響的固有特性，使其存在因沖擊電樞反應或劇烈振動而失磁的風險。綜上分析,三種勵磁方式的發(fā)電機性能各有其優(yōu)缺點,可根據(jù)發(fā)電機的應用領域而相應選擇勵磁方式。