无刷交流发电机励磁系统分析

王杰, 孙中华, 王瑞成

(1.海军士官学校 机电系, 安徽 蚌埠 233012；2.海军航空大学 青岛校区，山东 青岛 266041)

0 引 言

励磁系统是无刷交流同步发电机最核心部分之一，为保证发电机稳定可靠的运行,对励磁系统的要求如下: ①保证发电机可靠起励，建立额定空载电压；②负载变化时，有良好的静态和动态特性；③系统发生短路时，有一定的强行励磁能力；④发电机并联运行时，保证无功功率按发电机容量成比例分配；⑤当机组转速低于额定转速80%时，具有过压、过流和低速保护作用。

图1 无刷交流同步发电机结构图

为满足上述要求，励磁系统主要由励磁功率单元与励磁调节器(AVR)两个重要部分组成(如图1所示)。励磁功率单元主要是向励磁机提供励磁电流,励磁调节器(AVR)主要是根据输入电压信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，从而实现对发电机输出电压的控制。当前基于该结构的励磁方式主要有可控相复励励磁、三次谐波励磁和永磁副励磁机励磁。文献[1-2]主要运用数学模型仿真方法对可控相复励励磁系统的静、动态特性进行了研究。文献[375-76-4]主要对可控相复励励磁系统相关部件参数对输出电压的影响进行了分析。文献[5-6]主要对谐波绕组的放置位置及其相关参数如何设计计算进行了分析；文献[720-24-8]针对永磁励磁发电机存在电压不易调节的问题，提出了混合励磁的方案。但以上文献都未对三种励磁系统的工作原理进行定性分析，也未对其性能特点进行对比分析。

本文借助发电机结构图和系统原理图对三种主要励磁方式的结构组成与工作原理进行了详细说明和定性分析，并在此基础上经过对比分析，归纳梳理了三种励磁方式性能上的优、缺点，最终得出三种励磁方式各自适于应用的发电领域。

图2 可控相复励系统原理图

1 可控相复励励磁

1.1 基本组成与工作原理

可控相复励系统的原理线路如图2所示，它由电流互感器TA、电抗器L、谐振电容C、相复励变压器T、整流器UR、分流晶闸管VT、调压器AVR及励磁机励磁绕组OL组成。

电流互感器TA输出与发电机负载电流If大小成比例，相位相同的复励电流分量ILI；移相电抗器L与发电机输出绕组直接相连，产生对发电机输出电压移相90°的复励电压分量电流ILU； 相复励变压器T通过电磁叠加，将复励电压分量ILU和复励电流分量ILI进行矢量相加IL=ILI+ILU，得出总的复励励磁电流IL；同时将励磁回路和发电机主回路电气隔离。总复励电流IL经三相整流器UR整流成为直流IOL，供励磁机励磁绕组OL励磁。电压调节器AVR根据电压偏差ΔU，产生控制分流晶闸管VT的脉冲信号，对IL进行分流，进而实现对发电机输出电压Uf的调节，大幅提高调压精度。由于励磁回路中整流器UR和晶闸管VT等半导体器件的存在，会使得发电机靠剩磁输出电压较低时无法自励建压，因此，加入电容C，使其与移相电抗器L构成谐振电路，即XC=XL，为了不影响正常运行，使其在额定转速处于失谐状态，而在发电机转速较低时处于谐振状态，电容将产生很高的电压，实现发电机起励建压。

1.2 性能分析

发电机的励磁电流IL是从两方面得到的：一是发电机的输出端电压经电抗器L移相对相复励变压器T的电压绕组W1供电的电流ILU，产生交变磁通，使输出绕组W2感生电势，再经三相桥式整流器UR整流后供给的；另一是发电机的负载电流经电流互感器TA变换为同相位电流ILI后，输入给相复励变压器产生交变磁通，也使W2感生电势，经UR整流后供给的。复励电压分量ILU和复励电流分量ILI均为向量，故既能反映负载的大小又能反映功率因数的变化，能很好地补偿因负载电流及功率因数等扰动引起的电压波动，动态性能很好。但是，因为它只是根据负载电流和功率因数这两个扰动量的变化来进行调压，而没有考虑其他因素引起的电压变化，例如频率变化、温度变化等造成的电压偏差，因此其静态调压率较差。为了解决这个问题，励磁系统中引入电压调节器AVR，它是根据电压偏差ΔU进行调节的负反馈型调压器，从而形成扰动+偏差调节的综合型励磁调压系统——可控相复励，它兼有两种调节的优点，其动态性能和静态性能都较好。同时，这些装置的引入致使该励磁系统结构和原理复杂，后期参数调试和维修难度大。系统中移相电抗器L和相复励变压器T体积较大，材料消耗多、功率损耗大，系统整体效率不高[3]74。综上分析，可控相复励适用于对电能质量要求高且所带负载变动较大的发电机，如负载功率波动较为严重的船舶、舰艇电站用发电机。

2 三次谐波励磁系统

2.1 基本组成与工作原理

图3 三次谐波励磁发电机结构图

图4 三次谐波励磁系统原理图

三次谐波励磁发电机结构图、系统原理如图3、图4所示，它由谐波绕组S1S2、励磁机励磁绕组E1E2、发电机励磁绕组F1F2、整流板LBB及调压器AVR组成，其中，中间虚线所框部分为转子部分。

三次谐波绕组S1S2与主绕组一起嵌套在定子铁芯槽内(如图3所示)，当磁极被原动机带动旋转时，这套绕组把气隙磁场中的三次谐波能量引出，作为励磁电源。根据相数谐波绕组又分为三相和单相，大功率发电机需要励磁功率大，可采用三相绕组，小功率发电机需要励磁功率小，可以采用单相绕组(如图4所示)，本文即以单相绕组为例进行说明。谐波绕组S1S2、励磁机励磁绕组E1E2、整流板LBB与电压调节器AVR相串联构成一个励磁电流可调节的励磁机闭合励磁回路。励磁机电枢绕组、旋转整流器与发电机励磁绕组F1F2构成主发电机励磁回路，通过电压调节器AVR对励磁机励磁电流的调节，进而影响发电机励磁绕组F1F2的励磁电流，最终实现对输出电压的调节。这种励磁系统的不足之处就是励磁传输路径较长，致使励磁调节反应慢。为了加快励磁系统的反应速度以及缩小励磁机的尺寸，励磁机励磁绕组通常设计成12、14或16极，使励磁机电枢输出100～200 Hz的中频交流电。

2.2 性能分析

同步发电机的负载一般为电感性(即0°<θ<90°)，负载电流电枢反应基波分量对主磁场起去磁作用，三次谐波分量对主磁场起助磁作用。对于常规励磁发电机，感性负载下的电枢反应磁场有去磁作用，若励磁电流不变，输出电压U将随负载电流I的增大或cosθ的减小而下降。对于谐波励磁发电机，情况则有所改善，三次谐波绕组能够将电枢反应中的三次谐波能量转化为主磁极的励磁电流，增强主磁场强度，使端电压升高，由此可知，三次谐波励磁系统与可控相复励恒压励磁系统具有同样的功能，即都能按负载电流I和功率因数cosθ进行相复励调压，具有一定的恒压能力。与可控相复励相比，谐波绕组独立，当发电机发生短路时，谐波电压迅速上升，可以进行强励。谐波励磁的主要缺点：一是谐波绕组功率有限，带载能力小；二是在多机并列运行过程中，因中线电流去磁，负荷分配不均导致抢发无功，造成无功振荡等问题[9]78。综上分析，谐波励磁更适合应用于单机运行的中小功率发电机，如作为应急电源用的内燃机驱动的小型发电机。

3 永磁副励磁机励磁

3.1 基本组成与工作原理

上述可控相复励励磁和三次谐波励磁都是励磁电源取自发电机的主绕组或副绕组，属于自励式。由于现代的负载增加很多非线性负载，如变频器、整流器负载等，非线性负载会严重地影响发电机的电压、电流波形的正弦性，产生的高次谐波使发电机的性能变差，甚至严重地干扰了AVR的运行，使发电机不能正常工作。另外，大功率交流发电机所需的励磁功率很大，自励式无法满足要求。因此，对于某些重要发电机设备，如海上石油平台的发电机组及带非线性负载的发电机组，常采用他励式无刷发电机，且为二级励磁，即主、副励磁机，而作为励磁电源的副励磁机常采用永磁励磁。

图5 永磁副励磁机励磁发电机结构图

图6 永磁副励磁机励磁系统原理图

从整体结构图5来看，该型发电机主要有永磁副励磁机、主励磁机和主发电机三大部分组成。励磁系统原理图如图6所示，主要有永磁磁极、副励磁机电枢绕组W1、调压器AVR、主励磁机励磁绕组E1E2、主励磁机电枢绕组W2、旋转整流桥、主发电机励磁绕组F1F2等组成，其中虚线所框部分为发电机转子部分。

永磁副励磁机——发电机励磁系统的电源。随着发电机的运转，在永磁磁极的励磁下，副励磁机电枢绕组W1输出交流电流，经AVR的整流和调节后输送给主励磁机励磁绕组E1E2。

主励磁机——励磁功率放大环节，AVR调节后的电流经过主励磁机励磁绕组E1E2建立磁场，主励磁机电枢绕组W2感应的交流电经旋转整流桥整流后输入主发电机励磁绕组F1F2，为主发电机建立磁场。

该种励磁方式为二级励磁，存在励磁电流传输环节较多，易造成系统动态特性差、励磁电流波形差(纹波多)和整流效率低三个主要问题。为了改善上述问题，永磁副励磁机的发电频率通常为400～500 Hz，交流主励磁机发电频率通常为100～200 Hz。这样在转速为3 000 r/min的机组上，副励磁机将有8对永磁磁极。

3.2 性能分析

与电励磁机相比，同等功率下的稀土永磁励磁机具有体积小、质量轻和效率高等优点，很适合做他励式发电机的励磁机。同时，由于励磁功率单元独立，带载能力强，且励磁电流不受系统输出电压的影响，使得该型发电机不仅在系统电压降低时能迅速提供强励电压，保证系统电压迅速恢复，而且具有抗电磁干扰、带非线性负载能力强的特点[7]19。但是,永磁体磁场性能会受到温度变化的影响,这一固有特性会使永磁励磁机在温度过高(铷铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时可能产生不可逆退磁，使励磁机性能下降，甚至无法使用[10]。另一方面是稀土永磁材料目前的价格比较高，该型发电机的成本一般比纯电励磁式发电机高。综上分析，永磁副励磁机励磁系统适用于运行环境比较稳定的非线性负载较多的大功率发电机，如兆瓦级的大型汽轮发电机。

4 结束语

可控相复励因其突出的静、动态调节特性，使其适用于所带负载功率波动较大的发电机，但其缺点是系统复杂、体积大和励磁功率损耗大。三次谐波励磁虽具有结构简单、动态调节特性好和强励能力好的优点，但受其相电压波形畸变和并列不稳定问题的制约，使其更适用于单机运行、应急用中小功率的发电机。永磁副励磁机因其功率单元独立，励磁电流不受系统输出电压影响的特点，使其更适用于因所带非线性负载较多而引起电磁干扰的大功率发电机。但永磁材料性能易受温度影响的固有特性，使其存在因冲击电枢反应或剧烈振动而失磁的风险。综上分析,三种励磁方式的发电机性能各有其优缺点,可根据发电机的应用领域而相应选择励磁方式。