第l章绪论

 
 
 1.1 课题的来源及研究的目的和意文
小型同步,发电机主要是与内燃机配套, 组成小型移型u 电源或备用电源, 广泛用于建筑工地、 部队营房、 林区和农村, 多数在悪劣的条f,'t下运行 。 励磁调节器 (又称为自动电压调节器) 是发电机重要组成部分, 它对保证供电质量具有很关键的作用Ill同 。 励磁调节器的作用就是保持发电机输出电压稳定, 術量发电机输出电压稳定性能主要有以下有三个指标, 即稳态电压调整率、瞬态电压调整率和稳定时同[3l!4l 。
本课题所研究的对象是典型的2kW柴油发电机的励磁调节器, 该发电机作为移动电源, 专门配各在作战指挥车上, 作为通信电源使用, 因此工作条件极其悪劣, 而为了满足军事的需要, 对于电压调整率和波形的正弦性要求却很严格 。 但是普通的柴油发电机组存在的问题恰恰是电压调整率高、 电,[[i稳定时问长、 负载能力差而且波形的变严重 a 为了满足性能指t示的要求, 我们对该发电机的电压调节器进行了重新的设计, l以求降低它的稳、 瞬态电圧调整率口
该发电机是带交流励磁机的単相无刷同步发电机, 励磁来用三次 i皆波励磁方式 。 无刷发电机以其故障少, 可 靠性高, 运行时不产生火花, 而广 iiJ立用在各种小型发电设备中 。 惜波励磁发电机由于具有自 到f起励快、 动态性能好、 结构简单、 成本低等优点, 因此近年来, 谐波励磁在小型同步发电机得到了广泛的应用:Iilg 然而此种发电机由于交流励磁机和谐波特性的影响, 存在稳态电压调整率高, 空载、 负载电压变化较大, 稳定时间长等缺点同, 而传统的励磁调节器难以满足要求 。 如何降低此种发电机的电」[E调整率, 成了研究小型发电机的一个重要的问题 g 本课题研制的励磁调节器除了可以很好的满足军方的要求之外,也可以应用在其它小型同步发电机上, 因此具有」「一泛的应用前景a
  
l.2国内外小型发电机励磁方式的研究现状及分析
 
 发电机要感应电动:势必须同时具备发电机旋特到一定特速, 且磁极铁心
 
 已建立磁场两个条件 。 而磁场的建立依赖于磁极编组中通过的直流电流· 这个直流电流通称为励職电流a 提供励磁电流的电源, 有来自发电机外部, 称为他励,也有来自发电机本身,称为自励  小型发电机多属于自励发电机f7l同。

提供发电机動磁电流和自动调节,励體电流的装置 (系统) 叫做励磁装置(系统)。六 f一年代以来, 随者科技进步和电力电子技术的迅速发展, 发电机自 到f 调一ti;一技术的不断更新, 先后出现了多种形式的励磁装置, 形成了多种動磁方式 。 同步发电机励磁系统的发展经」历 了直流机励磁、 相复励 系统励磁. 静止可控硅励磁、 无刷励確系统四个阶段, 从60年代起, 工业发达国家均发展了自己的无刷同步发电机系列同ll'oI[llJ 。
励磁系统一般由两个部分组成; 第一部分是励磁功率单元, 它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流; 第二部分是励磁调节器, 它根据发电机的运行状态 , 自动调节功率单元输出的励磁电流, 以満足发电机运行的要求il6J
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1.2 . l 励磁功率单元的发展及分类
与大型发电机相比, 励磁功率单元的励確方式对単相同步发电机是个关键问題, 由于容量小、 运行条件比较苛刻, 在选择励磁方式和设计励磁线路时, 应将可靠性放在第一位. 在満足技术条件的前提下, 力求励磁系统线路简単,操作方便,造价低廉I17] 。
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l.2,.1.1与三相发电机相同的動磁方式
一般小型三相同步发电机的励磁方式都可以用于単相同步发电机 。
1.无刷励磁方式
带有与同步发电机同抽的交流励磁机的无刷励確方式是近 :3o 年来广泛果用的一种新型励磁方式, 它随着旋转整流装置的发展而目益完善, 推动J 了无刷发电机的发展。
交流励磁机和旋转整流器是使同步电机从有刷进化到无刷的关體部件。 交流励磁机的输出由安装在机组旋转部分的確整流器整流后,直接送到同步发电机的转子励磁绕组中去 a 因为发电机转子励確绕组、 整流器和交流励磁机电枢部在同一轴上旋转, 彼此处于绝对静止状」念 , 可以用面定的连接线进行连接, 这样就不用电刷和换向器、 滑环等部件, 所以我们把这种動磁方式叫做无刷励磁方式 。 交流励磁机实质上是旋转电枢式的交流发电机 。
这种励磁方式具有如下优点:

l )  结构紧凑, 维护方便, 通讯干扰小。 实践表明, 当」iiii整流器质量良好时, 运行是相当可靠的 。
2 )  由于增加了交流励磁机这个放大环节,使控制励磁的容量大大下降, 因而电压自动调节系统的元件容量可以选挥 得较小 。
由于这些优点, 无刷励磁方式得到了越来越广泛的应用 。
该方式的缺点是:
1 )  因为发电机转子回路投有检测仪表, 囲而对特子回路的运行情况无法监视。
2 )  因为该方式中同步发电机转子,励磁电流的变化是由交流励磁机的磁场电流来调节的, 所以反应速度慢。
2 , 晶同管直接励磁方式
晶闸管直接動 磁系统是利用晶 l司 管整流将同步发电机主绕组的小部分电流或副:鏡组提供电流经整流后, 直接作转子励磁使用, 而其中的晶 l割 管则由自动电压调节器来控制其导通角, 从而调节发电机励磁电流的大小以维持发电机端电压的稳定 。 它由整流主回路和电压调节器 (,AVR) 组成。
晶同管直接励確方式具有如下优点:
1) 稳态和动态性能好 。 其稳态调压率可达±1%左右 。 由于可控確励磁反应速度快,突然加卸负载时电压瞬变值小,电压稳定的过渡过程也很短。
2) 生产比较容易, 维护检修方便 。 并且可靠性高 a
3) 由于发电机的励磁电源直接从被励磁的发电机本身取得, 省掉 「直流励確机,因lfJ体积较小、重量轻。
该方式的缺点是:
1 ) 晶 r割 管励磁系统比三次谐波励磁系统和双络组,励磁系统较为复杂,成本也较高。
2) 由于可控硅工作在跃变状态, 所以发电机的输出电」[ii波形有缺口, 无线电干批比较大。
3.三次谐波励確方式
在定子槽内另外迁入一套三次谐波绕组,利用三次谐波的能量作为发电机的励磁电源。三次谐波励確绕组的感应电动势经过整流之后,供给发电机特子绕组 。 电枢反应的基波磁场对主磁场起去,磁作用. 同时它的三次 i皆波磁场却能够通过三次谐波绕组、 整流器和励,磁绕组軟复磁极主磁场 。 所以, 三_ 次谐波励磁方式具有自励恒」[Ei特性, 谐波络组向 動磁 绕 组提供随负载电流增大而増大的励磁电流, 以抵消电極反应的影u向从而维持端电压的恒定 。

这种励磁方式的主要优点是:
1)结构简単,制造方便,价格便宜,节约材料,运行可靠,通用性强, 维护方使。 比较适合于中小型发电机。
2)稳态和动态性能都较好。这种发电机的励磁电流的对负载的变化就有良好的跟踪能力, 这种跟踪能力不仅使发电机在稳 i态运行时有一一定的恒压特性, 而且在动态过程中. 也具有良好的特性。
法方式的缺点是:
1 ) 稳态电压调整率较差, 电压波形正弦性畸变较大。
2 ) 自建压困难, 必须附加起励装置,,3,) 不宜采用分流方式, 否则在负裁状态时, 分流太大, 将会焼坏谐波络组或整流器件。
4. 电抗移相相复動励磁方式
该 方式励磁系统的能源有两个; 一个取自发电机电板绕组本身的输出端或某中同抽头处或者是与主绕组同相的附加绕组的电 圧源, 经过外串线性电抗器移相后整流输出直流励磁电流. 它产生发电机的空载电压, 成为励磁电流中的电压分量:另 一个取自与负载电流成正比的电流互感器的输出电流源, t 也通过桥式整流器整流后成为直流,励磁电流中的电流分量, 以抵消电相,反成磁到」势  这种 動磁方式能反映负載电流的相位变化, 因而补偿效果好 。
这.种励磁方式的主要优点是:
l).线路简単,元件少,制造和维护方便。
2)系统稳定,工作可靠。
3) 过载能力强 。
4) 稳态性能和动态性能都较好, 稳态 电压调整率可保证在±3%以内, 実然加減负载时,电压瞬时变化较小,电压稳定时同约为 0.2秒? 启,动'异步电机的能力较强。
该.方式的缺点主要是:
1 ) 励磁线路需选用较高的励磁电压, 否则线性电抗器的体积会很大。
2) 起励性能差a
3) ?l動,磁装置的体积较大,重量较重。
4) 发电机电压稳定在上下限时, 以及特速发生偏差时, 稳;? 电 圧 调整率自一 所上升 。

 

l .2. l ,2 利用负序,磁场!动磁的」動磁方式
单相同步发电机在负载时存在者负序电相_反应確场, 它在主磁极侧的励磁绕组中感应出倍频电压和电流,如将借频电流经整流器整流后供给励磁绕组; 就可实现自励 。 由于倍频电流随负载增加面增大, 故负序磁场励磁具有复励特性 。 但这种发电机不宜设置阻尼绕组 。 利用负序磁场励磁有电容一负序磁场励磁和倍极一负序磁场励磁两种方式, 由于应用并不普遍在此不再费述 f1:5l「10l[17][lSIIl9]l20] 。
 
 
l.2,2励磁调节器的发展概况
如果发电机只有励確功率単元面投有励磁调节器 (电iE调节器) 的话, 就是不可控動磁系统。虽然相复励和三次谐波励磁方式具有自动调节电压的功能, 但是稳态电压调整率比较高 a 为进一步提高调压精度, 所有的发电机都必须安装励磁调节器, 励磁调节器已成为发电机不可分割的一部分 。
小型发电机励磁调节器种类繁多,分类的方法也比较多,按照不同的要求, 有以下几种分类方法。
 
 
1,2,.2.l按调节動磁电流的方式分类
技照调节励磁电流的方式不同, 可分为可按硅整流型、 分流型和分压型 。
1.可控硅整流型
小型发电机都是自励式, 由主绕组或辅助统组发出的交流电J:E经过整流器整流变为直流之后供给励確绕组。整流器可以是用二极管构成的不可控整流桥, 也可以是可控硅构成的可控整流桥 。 后者就是可控·iilti整流型励磁调节器lt7ll18l。動 磁电流的大小由可控硅控制,而可控硅的导通角由自 到f 电,[fi 调节器控制 。 这种调节器缺点是需要移相触发电路, 控制线路复杂, 成本也较高 。 面且导通角与整流电压是非线性关系, 调节能力差。 由于可控硅工作在跃变状念, 所以发电税的输出电压波形有缺口, 无线电干流比较大。
2,分流型
调节励磁电流的元件为晶同管或大功率三极管。小型发电机由主绕组或編i助绕组感应的电动势经过整流器整流变为直流之后供给励磁络组, 产生励磁电流 。 分流型励磁调节器就是将晶 l司 管或三;l張管在整流桥的直流側与励磁绕组并联, 分担励磁电流。 其调节励磁电流的原理是, 当输出电压升高时, 经过励磁调节器的调节作用, 晶 「割 管或大」力 率三极管分担的电流増加, 致使

 
励磁电流,減少, 输出电压降低。 如果输出电.ai降低, 调节过程与上面相反a
目前普遍采用 (包括世界上许多著名的大公司) 的是晶闻管分流的方式调节励確电流 。 它和司控確整流式一样需要移相触发电路, 线路复杂, 对周田控制电路要求高, 易出现共控(强迫关断型电路的缺点): 控制电流和导通角不是线性关系, '控制精度差; 而_且因品闻管分流时, 晶闸管反接在整流元件上,其正相电压波形很乱, 一旦系统(如:油机自动调速系统、电机自动f调压系统、 负裁自控系统) 匹配不好, 会出现正半波电J:ii有数个过零等情況, 容易引起振荡;品闸管突然导通时対电源造成谐波污染且对附近电子设备造成干扰l'l] 。
采用三极管分流, 其基极控制电路比较简单. 线性度要好一一些 。 以上两种器件都是工作在线性区, 流过的电流很大, 损耗高, 发热严重, 并且调节电压的范田不宽。
3.分压型
所调分压型, 就是将电力电子器件与励磁绕组串联, 分担励確电源的电压 , 从而调节励磁电流的大小 a 其工作原理是, 当输出电压高于给定値时, 在励磁控制器的调解下, 电子器件分担的电压增加, 而励磁绕组的电压就降低,从而,励磁电流减少,输出电压因而降低。当输出电压低于给定值时,调节过程相反 。 例如本课题所研究的发电机其原来的,励磁调节器就是分 圧 型. 它是,将大功率三极管与励磁绕祖串联, 三极管当作可变电阻使用 。
随者电力电子技术的发展, 新型开关器件的广泛使用, 成 宽调制技术被逐渐应用到了发电机上, 出现了 PWM 型励磁调节器 。 这是当前较为先进的技术, 它可以是分流型的也可以是分」压型的 。 使用的新型器件包括 (iTR、IC,BT、 MOSFET等。
PWM 型,励磁调节器与前两种调节器相比较, 不会因电 ,[ii波形面奇变而产生对控制特性的影响, 同时也简化了控制线路; PWM 的导通率可在 0% 一一 100%之间;变化, 因此可以满足任何负荷升压的要求, 而且极大的提高了发电机的适应性,包括:
l )大比例电感负载能力;
2 ) 低功率因数负载穂定能力;
3, ) 大起动异步电却J机能力;
4) 大比例非线性负载能力;
5) 强大电磁兼容性能力;
6) 良好的空载负载线电压、 相电流波形;

7)高稳定工作能力,如高到J态稳定工作能力; 8 ) 高自起励和高恒压能力l23]l24l[2S]。
 
 
l.2.2,2按所用器件的类型分类
技所用器件的装型分为模拟式和数字式。
目前, 在中小型发电机上使用的还是模拟方式的励磁调节器, 特点是速度快, 价格便宜, 在性能要求不高的情况下, 其性能价格比可以满足要求 。 但是其对电路工艺要求高, 存在零点標移现象l 功能少, 不易扩充升级, 通用性差; 维护不方便。 随者发电机单机容量和电网容量的不断增大, 用电设备及发电机组对励磁控制在快速性、 可控型、 多功能性等方面提出了更高的要求,如更优的励磁调节性能、更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能, 等等 。 显然, 常规模拟似的励磁调节器难以满足如此高的性能要求,即使满足了.也需要增加功能组件或重新设计系统,大量的硬件电路的励磁调节器装置十分复杂,增加了维护工作量,降低了装置可靠性,而且其糖力也是有限的. 在这种情況下,随着数字控制技术、 计算机技术、 徴电子技术的飞速发展和日益成熟, 同步发电机组采用数字式励磁调节器己成为发展趋势t22l 。
与模拟式励磁调节器相比较, 数字式励磁调节器具有以下优点:
l ) 由 f计算机具有的计算和逻辑判断功能, 使得复杂的控制规律可以在励磁控制中得到实现;
2)调节准确、精度高,在线改变参数方便;
-·
3) 可以实现完各的限制及保护功能、 通用而灵活的系统功能、 简单的操作以及智能化的维修和实验手段;
4)可靠性高,无故障工作时间长;
5)通信方便;
6] 便于产品更新換代l2211。
 
 l.3本文研究的主要内容
 
 本文研究的主要内容有:
1 ) 研究了三次谐波動磁单相无刷同步-发电机的结构特点, 主要是?iib磁系统的结构特点, 建立了系统的数学模型: 讨论了衛量发电机输出电j[[i稳定性的性能指标, 分析了发电机对,励體调节器的性能要求 。
2 ) 通过实:验详细分析了原来单闭环三概管分压型励磁调节器的性能f