小型无刷同步发电机新型励磁系统—电容补偿励磁应用

林浩

摘  要：在国内通机行业，单相同步发电机（0.5～10 kVA）与内燃机（主要是汽油机）配套，组成了小容量发电机组，主要用于城乡家庭、工地、林区、部队野战医院和小型船舶等区域的照明、通讯、电动工具、医疗器械和电影机械的电源。其中，出口份额最大的是一款GG950小型单相同步发电机组（0.65～0.9 kVA/50～60 Hz），它采用的是凸极式逆序磁场励磁无刷单相同步发电机的励磁方式。结合相关工作经验，详细分析了定转子绕组的结构、工作原理、电容补偿思路及其方案，并将其与传统无刷电容励磁电机作比较，以供同行参考。

关键词：无刷同步发电机;电容补偿励磁;定转子绕组;工作原理

中图分类号：TM31            文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.074

1  定转子绕组及其结构

这类发电机的定子铁芯槽内嵌有3套绕组，一套为定子主绕组MC（占有2/3定子槽数），另一套为定子副绕组SC（占有剩余的1/3定子槽数），还有一套为提供12 V直流电源的绕组。发电机的转子为整体凸极式结构，为2个磁极，并且每个磁极上都装有1个磁极绕组。将罗宾系列发电机转子的2个磁极绕组串接后，与旋转硅整流管和过电压保护电阻并联，而久保田系列发电机转子的2个磁极绕组则是单独与旋转硅整流管和过电压保护电阻并联。图1所示即为凸极式逆序磁场励磁无刷单相同步发电机接线原理图。

（a）久保田系列                 （b）罗宾系列

图1  无刷单相同步发电机接线原理图

2  工作原理简介

无刷电机的基本原理可以分为起励建压和正常工作这2种状态。

2.1  起励建压过程

起励建压的过程为：①转子由原动机拖动放置至额定转速（3 000～3 780 rpm/min）。②N极和S极磁钢旋转形成磁场切割副绕组，副绕组感应产生电压。③根据电容的充放电特性可知，副绕组通有电容性电流形成单相脉动磁场1。该脉动磁场可以分解为逆序和顺序2个磁场。顺序磁场与转子磁场同步，并且方向相同，加强了转子的励磁，这是电容绕组助磁的工作原理;逆序磁场则以2倍的工频（同步转速）作用于转子励磁绕组，并在转子励磁绕组中感应出2倍工频的电势。该电势经整流二极管的整流变成了直流励磁能量，加强了转子的励磁，这就是逆序磁场励磁的工作原理。④在2方面的正反馈作用下，主绕组逐步建立空载电压并实现了自励。

2.2  加载自励恒压过程

加载自励恒压过程为：①增加负载，主绕组端电压将会随即降低。②随着负载电流的增加，定子主绕组中的单相脉动磁场2在增大，而由脉动磁场分解成的正、逆序磁场也同样在增大。顺序磁场的增大导致电枢反应加强;逆序磁场的增大则是

借助于转子励磁绕组及其整流二极管的作用，加强了转子的励磁。③这2方面的加强使端电压得以回升，实现了发电机的自动恒压。

综上所述，从理论上来讲，空载时的电压主要受电容绕组及其电容大小的影响，而负载后则由主绕组的逆序磁场补偿其正序磁场电枢反应的去磁作用。但是，随着机组的长时间运行，绕组损耗与附加损耗造成了电机温升的上升，而脉动磁场的增大使得定子齿磁通密度趋于饱和。此时，就会出现下列情况，

2.3  实例介绍

FDW-650 W 2极无刷单相同步发电机有关数据记录显示，额定电压为230 V/50 Hz，定子铁芯外径D=150 mm，铁芯长L=57 mm，主绕组匝数Wa=518匝，电容绕组匝数Wc=191匝，励磁绕组匝数Wd=580匝（每极），电容值11 uF。在实际出厂型式实验测试中，有这样一组数据，如表1所示。

表1  传统无刷单相发电机组型式实验数据

稳态电压调整率：Δn=（Umax-Umin）/2Un×100%=2.8%，符合《JB/T 10304—2001 工频汽油发电机组技术条件》第4.8.2条G1标准：≤±5%

热态电压变化率：Δn=（Umin-Un）/Un×100%=-7.4%，超过了《JB/T 10304—2001 工频汽油发电机组技术条件》第4.8.3条的要求：≤±7%额定电压

备注：发电机在热态额定负载的状况下，继续增加负载，频率不发生变化，电压继续下跌，排除了动力因素的影响。

2.4  讨论

如表2所示，负载后脉动磁场不足以补偿，还有没有其他补偿渠道。结合实例进行讨论电容绕组中电容的大小在负载变化过程中所起的作用。

表2  电容大小对无刷电机输出电压的影响

从表2中可以看出，随着电容的增大，在负载过程中，电压会随之加大，但是，空载时的电压超出了标准。本文希望电容补偿仅在电压低于额定电压时起到作用。

3  电容补偿思路和方案

小型单相同步发电机励磁方式除了凸极式逆序磁场无刷励磁，还主要有交流励磁机无刷励磁和晶闸管逆序磁场有刷励磁

等。单相同步发电机常用励磁方式的对比情况如表3所示。

综合考虑了晶闸管逆序磁场

有刷励磁和凸极式逆序磁场无刷

励磁2种励磁方式，提出以下改

进方案，原理图详见图2：①保

持“凸极式逆序磁场无刷励磁”

基本工作状态不变。②根据晶

闸管逆序磁场有刷励磁的工作

原理，增加取样绕组进行反馈。

③利用可控硅斩波原理，控制附

加1个小容值电容充放电的电压。当空载时，适当增加副绕组两端的电容，相当于12 uF;当半载时，副绕组两端电容基本不加，相当于11 uF;当满载时，副绕组两端的电容会随着端电压的下降而逐步增加，相当于15～18 uF。④实际测试数据如表4所示。

表3  单相同步发电机常用励磁方式对比

表4  电容补偿励磁应用测试数据

4  与传统无刷电容励磁电机比较

电容补偿励磁无刷发电机与目前行业普通小型单相同步发电机相比，具有如下优点：①有“凸极式逆序磁场无刷励磁”优点——触点免维护;②有“晶闸管逆序磁场有刷励磁”优点——稳态电压调整率和热态电压调整率较好;③采取简单接线的方式就可以明显改善现有“凸极式逆序磁场无刷励磁”发电机的整机性能，大大增强了其市场竞争力。

参考文献

[1]卓忠疆，邱培基，任义友.利用逆序磁场自励恒压的单相同步发电机无刷励磁系统的原理与设计[J].中小型电机技术情报，1980（05）.

[2]潘砚福.电容绕组助磁负序磁场励磁无刷单相同步发电机的理论分析与实例讨论[J].中小型电机，1994（02）.

[3]陶川辉.基于DSP的无刷同步发电机励磁系统的研究[D].淮南：安徽理工大学，2010.

[4]石楚生.小型无刷同步发电机新型励磁系统的设计[J].移动电源与车辆，2007（04）.

〔编辑：白洁〕

The Application of New Excitation System for Small Brushless Synchronous

Generator—Capacitor Compensation Excitation

Lin Hao

Abstract： In the domestic industry， single phase synchronous generator（0.5 ～ 10 kVA）and internal combustion engine（mainly gasoline engine）package， composed of a small capacity power units， mainly for urban and rural families， site， forest， army field hospital and small ships region， lighting， communications， power tools， medical equipment， film machinery power. Among them， the export share of the largest unit in a GG950 small single phase synchronous generator（0.65 ～ 0.9 kVA/50 60 Hz）， it uses is salient pole type reverse magnetic field excitation brushless single phase synchronous generator excitation mode. With related working experience， detailed analysis of the rotor winding and the structure， working principle， capacitance compensation method and scheme， and the traditional non brush excitation capacitance motor compared to offer reference of person of the same trade.

Key words： brushless synchronous generator; capacitor compensated excitation; stator winding; working principle