第2章谐波励磁单相无刷同步发电机-结构特点
 
 
 2.l增波励磁单相无刷同步发电机的结构特点
本课题所研究的对象是三次谐波励磁的单相无刷凸被同步发电机。该发电机由主发电机(同步发电机), 交流励確机、 旋特整流器以及励磁调节器等主要部分组成, 主发电机转子、 励磁机电拒和旋转整流器都装在同一个轴上一起旋转, 励磁机磁极固定在转子内侧 。 主发电机是旋转磁场式的, 特子为凸极转子 。 励確机是旋转电枢式的三相交流发电机? 发电机结构如图2-l 所不o
该发电机结构有三大特点,一是无刷,二是单相,三是谐波励磁. 。 以下将分別从这三方面详细介绍.其特点。
  
2.1.l无刷发电机
交流動磁机和施转整流器是使同步电机从有刷进化到无刷的关键部件。 在无刷发电机上, 主发电机励磁转子、 旋转整流器和交流励磁机电拒都安装在同一个轴上, 旋转中彼此处于绝对静止状态, 因此可以用固定的连接线进行連接, 这样就不用电刷和换向器、 滑环等部件 。 交流励磁机的输出出整流器整流后, 直接送到同步发电机的转子動磁绕组中去 。 交流励磁机实质上是旋特电枢式的交流发电机, 励磁绕组在定子上, 用直流电来励確, 特子是电頼. a 励磁机一般采用三相发电机. 为了提高,励磁系统的反应速度, 频率 一般tt主发电机高, 可高达数百,ffz,。  因此, 交流励磁机的极数比主发电机高, 但最好不成整数倍。旋转整流器多为三相全波整流电路,也有来用三相半波的,后者虽然元件的数量可以減少一半,但其原件承受励磁绕组感应的过电压要大一些,而且使交流,励磁机的利用率降低,所以普遍采用三相桥式全波整流 。
正是这种无刷励磁结构, 取代、 革除了以往故障率高的碳刷滑环结构, 使发电机制造技术得到一次飞跃 。 随者半导体和电子技术的发展, 这种无刷励磁技术早已成熟可靠, 以致使无刷发电机成为故障率概低、 几乎不需要重性修的半永久性设备 。所以 , 早在70年代, 无刷励磁就成为西方发达国家的主
 
Wa j動確机特·子鏡组    We主发电机定子绕f日  Rl建」「i,,电阻
Wb励磁机定子鏡组    Va 盤流器f目合        V1,t功華二概管
Wc_ii发电机暗波t是组  Vb壊流二般管          R.R·电阻
Wd主发电机激磁境组   V,c整流橋
图2-1谐波動磁单相无刷同步发电机结ttJ图
:Fig.2l St.r,uctur,e ,of H,ar,rn,o,nious E,xcita!ior] Sin,gLe-;pil,ase Brushles.s
Syrlc:hr,o」1ouLs Cen,er:ator
导产品, 分析世界发这t型家的同类产品. 当数德国西门子公司的!F6系列无刷发电机最为出色, 其性能指标具有世界一一流水平 。我国从70年代起开 始研制无刷发电机,技术上也已成熟,形成了 TFW小型无刷发电机系列,但是相比之下, 我国的技术相对落后, 还存在者一·定的差距 a
无刷励磁方式具有结构紧凑, 维护方使, 通 ill干挑 小等Ji尤,点 。 实 跌表明, 当硅整流其质量良好时, 运行时相当可靠的 。 又由于增加了交流職磁机这个放大J,不 节, 使控制励確的容量大大下降, 因而电压自动调节系统的元件可以造择的较小 I23lf24l[2Sl  由于这些优点, 无刷励磁方式得到了越来越广泛的应

无刷励確系统也有不足之处 。 无刷励確与有刷励磁相比, 由于多了励磁机, 使反馈控制发电机负载变化多了一體电特换环节, 使稳压控制反应速度比有刷稍慢 。 另外因为发电机转子回路没有检测使表, 因而对转子回路的运行情況无法监视l2S1 。
 
 
2,l.2单相发电机
 
  
2,.1,2.l 单相同步发电机的电框反应
单相同 多·发电机的电枢结组是単相结组.电 版 电流til是単相交流电流.「到此电 頼 反应磁动势是脉振磁3j势,磁到f 势的基波福值为
 
 
i =0.9fWK中/p  (A) 
  
式中  !a,-'一一 电枢电流(A);       Wa一一电枢绕组串联匝数;
Kdp一基波绕组系数;    p一极对数a
本课题研究的发电机额定电流 ,!a,~,=·9.7.‘4,极对数 p電 l 。 发电机电板原来为单层同心绕组· 由于发电机带非线性负載时输出电.[Ii 正整波畸変严重, 因此将电頼,绕组改造为正弦绕组,使电压的正弦性大大提高 。
一个 脉振磁势可以分解为两个幅值相同并以,,s速度正、 反向旋結的旋转磁aJ势,其幅值为
 
 
f」r= f,; = l/2.F;, =0,45/nK中 /p
 
 
式中 ff,l一正序磁动势幅值(』),          .F。2一负序磁场幅值(.fl)
正序磁却j势和特子磁动势相对固定, 其作用与多相电机的电板 反应一样, 西者的合成磁到f势产生的合成旋转確密, 在电框中感应出有用的电动势., 负序磁理f势相对定子以,,,,s (在本例中 ns·=3000转)转速旋特, 相对定子以_2n,旋特, 在特子的铁心、励磁绕组和阻尼绕组中感应出两倍频率的电量0 势和电流, 并产生 野i加的铜. 铁损耗 。 由于同步电机的特 子的直抽和交抽的磁路和电路都不一样, 因此负序电年区磁动势的反转確场非常复杂, 它将随其抽线相対磁般位.責 的改变而改变 a 在隐扱电机中,因直抽和交抽的磁导基本相同_在励磁t尧 组·;「f路时.负序磁场幅值基本上保持一致_由于 励 磁结组匝数技多.在此时将感应出很高的倍频电型f势.其值可达 20~30 倍動 磁电圧_当励確境组闭合日',f. 在绕组中将产生倍频电流. 一般励磁绕组也是単相 書差 组,倍频电流形成的,l磁 到
 
势也是脉振磁动势,同样可以分解为相对转子磁扱以±2M, 旋 特的两个磁动势, 由于特子以,1s转速旋转,所以他们分别相对电框以-,,l」和3M,.,转速旋转,后者在电枢鏡组中感应出 11fi 的倍频电动势和电流,同理,3yi 电枢电流又反作用于转子而感应出 領i的电动势和电流,以此类推,在转子绕组中将产生一系列的偶次谐披电动势和电流,在电枢報组中将产生一系列奇次谐波电,动势和电流,使发电机的电压波形畸变并增加损耗?
在凸般电机中, 转子的磁路和电路都不对称, 在直轴上, 由于励磁绕组的阻尼作用, 使负序確通 02d有较大的削弱, 在交轴上, 由于阻尼作用较弱, 故脉振磁动势削弱的不多, 但交軸磁阻很大, 因此交軸负序確通 φ2., 仍然不大 。 所以在无阻尼第组的単相发电机中, 负载时凸极电机的电枢绕组中的 新i 电动势分量比隐极电机小一些,加上阻,Flli络组就更小a所以大多数单相发电机转子多采用凸极, 而且有阻尼绕组「l6lf26ll27u2S] 。 本发电机就是采用这种结构。                
 
 
l.l.2,.2 消除负序職场的方法和阻尾统组
负序磁场会引起-一系列不良的影响, 所以应采取措施削弱负序磁场, 虽然直轴上有励磁绕组, 它有一定的阻尼数果, 但仍希望不用励確绕组来承担削弱直轴负序確场的任务, 而希望用阻尼绕组来削弱负序磁场 。 在単相电机中, 全阻尼绕组的效果最好, 若受条件限制不能设責全阻尼绕组. 可以仅设置交轴阻尼笼. 而直轴的阻尼任务由動磁绕组承担 。 为了提高阻尼效果. 阻尼绕组的电阻值.Ri, ,应远小于感抗值 Xi, 使阻尼绕组电流落后其电势90, 使阻尼磁动势与负序確动势接近反相 。
采用对称多相励磁绕组也能有效的削弱负序確场, 这里就不多述了 。 本課题研究的发电机由于对电压披形正弦性要求较高, 在转子上设置了 5 根阻尼条[16][26l[27l[28,] 。
 
 
2.l.2.4单相绕组
设计绕组时, 要求用一定的导体数获得较大的电动势, 电;动势波形要接近正弦波,用铜量要少,铜损耗小以及I艺性要好。因此,单相电枢绕组一一般只利用总槽数的2/3~4/5, 空出 1/3左右槽数作为通风道或嵌辅助绕组 。 因为利用全部槽数的单相鏡组的绕组系数只比 2/3, 槽数的绕组系数大 l3.4%, 但铜量却增加33,3%, 另外2/3權数的单相绕祖总匝数少, 阻抗小,又能消除空载电动势中的三次谐波电动势, 所以从技术经济指t示考 虑 , 利用 2/3 糟数的単相绕组较有利, 从电机利用率考虑 . 利用75%槽数的単相统组为最高 。 
 
-·般, 単相绕组采用单层同心式绕组, 且线田组数等·F,极数, 因为这种绕组的用铜量最少, 嵌线方使, 面对电动势波形要求较高时, 可采用 l 20°相带的双层绕组或正 j左 分,布 绕组 。
本发电机定子总槽数为 30, 原先所用为各相「导体数不等匝的单层同心绕组,所占槽数为_20,利用率为6,6.7%,三次階波绕组与主绕组在同-糟里, 占了 8 个槽。 同样为了提高输出电压波形正弦性, 将主绕组改为正弦绕组Il6ll27ll2e]
2,1 .3 三次谐波励磁
本发电机另一个特点就是三次谐波 励磁 。 三次谐波励磁系统是一种按扰事J控制实现的自立恒 圧 的励磁系统 g
在同步发电机的气隙内的励磁磁场中总含有一系列奇次谐渡分量, 特别在气隙不均匀的凸极机内, 含量更大, 而 ::i次 i皆波又是最大的一种谐波 a 在
-.
」8laf3
-         .
-i'     -'     -l8?3   通0l十·a'“jf3
 
 
2.2三次惜波體场的向量
Fig,2-2 Wectots ofTreble H,a;rm,onious Ma,g,neti,c IField
三次谐波发电机的定子槽内, 除了主绕组外, 还有一套谐波装组, 它与主绕组互相绝缘, 其线圈节距小于等于极距的三分之一, 这样, i皆波绕组中感应的基波电势为零, 而三次以及三的奇数倍数次谐波的电势均不为零 。 将谐波绕组的出线端经整流装置接到交流励磁机的励磁绕组, 作为」励磁电源 。
负載时, 谐波励磁系统具有恒压作用? 当发电机带有负载时, 直交轴电板反应磁场和励磁磁场-一样, 也含有三次及三的奇数次谐波, 若负裁是感性的,且发电机的极弧系数大于2/3倍的扱距时,在电枢反应確场中,这些谱波分量对此磁场中同次階波分量起助磁作用 。 直轴电枢反应磁场中的三次 i皆波分量 8:3与励磁磁场中的=;次惜波分量 3i,之间的角位移为等。交轴电
 →     -l
枢反应磁场中的三次谐波分量8_较.So,前移 f /2电角度 。 将这些向量合成,
 一,      -l'
就显示出 S~3和_a'_。?3的助磁作用, 即
→       →         --laol十 S-) 」803,
→      →        -l         →      →      -'(S0!十S的l )'lg叫3 )  ga3十Sli)Bai
 →     -ll,
fc)、 8可3的出現会使气隙中三次谐波磁场增强,因此:负载时.气隙磁场中的三次以及三的奇数倍数次谐波分量増加, 谱波绕组内部的谐波电势增大, 从而使励磁电压升高, 励磁电流自动増加, 便可満足发电机励磁的需要, 而使发电机端电压自 前控制在一定的水平上 。
谐波励磁系统中关键性的部件就是谐波绕组,它综和了按扰动控制实现自励恒压系统中的各元件的功能?要使系统的性能满足发电机技术条件的要求, 必须设计好谐波绕组 。 但是同步发电机转f的一些几何尺寸及结构形式直接影响到气隙確场的分布,并控制確场中三次谐波含量及在谐波绕组中的谐渡电势, 这些因素将导致系统性能上的差异。 不仅如此, 主磁路的饱和程度、 工艺的分散性等一·些不可估量的扰动都会给系统控制信号提供的补偿度发生变化, 使系统精度降低。 虽然谐波励磁系统是按tli动控制实现自動恒压的各种励確系统中结构最簡单的一种,但是由于上述原因,要精确设计计算这种励磁系统是困难的, 一般只能采用估算、 近似或经验的计算方法 。
这种励磁方式的主要优点是:
结构简单,制造方便,价格便宜,节约材料.运行可靠,通用性强,维护方便, 比较适合于中小型发电机。
稳态和动态性能都较好 a 这种发电机的励磁电流对负载的变化具有良好的跟踪能力, 这种跟踪能力不仅使发电机在稳态运行时有一定的恒压特性, 而且在动态过程中, 也具有良好的特性, 稳态电压调整率可达±5%。 
缺点是;
l )电压披形正弦性畸变较大。
2)自建压困难,必须附加起励装置。
3, ) 不宣采用分流方式. 否则在负载状态时, 分流太大, 将会烧坏谐波绕组或整流器件l16]i27l間
本发电机用起动电阻来建iE , 用二_i,扱管分Ii 方式调ti-励確电流, 励確电流几乎完全从三极管流过, 额定负载时励磁电流很大, 三被管损耗严重 。
2,2谐波動磁单相无刷同步发电机的工作原理
当柴油发动机拖动主发电机旋特时· 交流励磁机的电枢绕组首先将切割剰磁自励发出交流电,然后经旋转整流器变成直流, 送入主发电机转子绕组以励,磁 。 这时主发电机的输出端靠剩磁所建电压为 84V  主发电机的三次 清波络组也靠剩磁建压, 经全波整流后变为直流电, 作为 励磁机的励磁电源 a 因为励磁调节器的电源是发电机提供的, 起动时输出电压太低, 励磁调节器不能工作, 功率三极管是断路 。 不过由于与三极管并联了一个起动电.阻, 三次谐波电源可以通过该电阻进入励磁机的励磁绕组供励磁机励磁 a 这是一个正反馈的过程。电压很快上升到200V左右,励磁调节器投入工作,输出电压最终稳定在230V左右。因为動磁电源取自自身,所以这种发电机属于白励恒压发电机 。 只要调节交流励磁机的励確电流, 」就可以改变主发电机的励磁电流, 从而控制主发电机的输出端电压, 连接于_:t发电机输出端和交流励磁机定子磁场绕组之间的白动电压调节器就可以稳定:t发电机的端电压[ l6![lSiu9l[2,,0l
〇
 
2.3发电机组的数学模型

交流励 磁机的传递函数为;
K
=一二= ,Lf_ (.s')
 
其中                                  K?」:=1/」R,,f
1 = i /Re
fe一交流励磁机励磁电流,       ue一交流励磁机励磁电压;
是e'交流励磁机励磁第组电阻; ie一交流励磁机励確绕组电感;
Ke'交流励磁机放大系数;       fe一交流動 磁机的时问常数 。
  l5-
(2,5 ) (2-6 ) (2-7)
 
励磁机的三相交流电经过整流, 通到主发电机的转子绕组_里, 压为                         Ve(s)=2.34V/(,s,)日f配由.it1l,L,               l/_、    U,e(S')                    S'   Rg+igs定子电枢电势为         i(s) = 4.44,ft,,,N〇同理,''                      ,〇,==,t,gf,e,(s')lg一主发电机磁通与励磁电流近似比例
i,/, (.f) 時 if(s) =4.44f,,K~'Nf〇l
  
L,/ 一交流励磁机电拒相电压;
9f一交流励磁机电枢相电势;
f 一交流励磁机频率, ff:=200Hz1
K,,,f一交流励磁机电枢基波绕组因数 l 
Mf 一交流動磁机电枢每相绕组的串联匝数; (l)f一交流励磁机磁通幅值。
如果不考虑饱和,磁场近似为线性,
 
 〇/ =tf!e
 
 ?f一励磁机確通与励磁电流近似比例系数 g
所以,
测理l=a,,tliL,./?
Vf(S)-,44ff」K,, Nf&, fr(.f)
 (2-l0) 其励磁电 
i(SJ= 4.44JK_N高g1gjS) =~._µ◆~Kg,

長K,十 if,S
= 4.44;x2,34)(

Vf(lS)
 (2-l5)
 
= 4,.44 x2.34)( 4.44)( f~船gf/ K,″, t/
量g+i#s=?足 十 igS
其中比例系数
je('f) ;:
高一
 .,K;L,=, 4.44x2_34)(4_44 x声w船gffK,.,/″l if/ 
 
时间常数
l = ig/最
图2-3 无刷 投电机系统动态结构图
Fig. 2-3 Dyn,amic Str:Lletur,e of B:rllsh!ess Cie:nerat,or Sys,tem
 
发电机输出电压为
 
Lf(,sL) = E(s)-f(,s)(.a‘r+ ia,s,)
 
 = f;_s,+ l)(ls+ l)
V.(s) -(is+.a'‘,)f(s)
(2-l8)

f一电枢电流;
足a一电枢电阻 l
i,a·一 电枢等效电感, 实际上忽略「直轴和交轴的区别
综上, 无刷发电机系统的动态结构图如图2-3所示 。
本课题所研究之发电机组电气參数如表2-l所示。
 
表2-1柴油发电机电气参数
T,able2-1 El,ect]ric Pararneters, ,ofDies,e[ (ierleratoI'

 
用伏安法测得:
」i,.e =0,l566#,   fe '二7_23f2,

ig=3.363#,

置 =7_8,64 Ω ,,,_
 
表g=2.8a章因此,可求得
图2-4发电机本体幅频特性和相频特性
Fig,.2-4 Magnitude-freqluency alld Pha,se-f的l;luency Ch,aracteristic of (ierl,er,ator
 
Ke= 1/7_28 = 0.1374
l = 0.l566#/7.28a:= 0.02l5l.s,

l = 3.363用/7.8,64a:= 0.42764s 

空载时输出端电压为 230V表流,励磁机的励確电流为 0. 1 362A,所以
 
Kg, = 230/0.13,6,2.=l683.7
利用 M,ATLAB 可以求出发电机空载时的幅频特性与相频特性l7l]I72l_如图 3-3 所示。其幅值裕度 GM为负无穷,相角裕度 PM为17.52°,剪切频率 ωe为l 55 _48rad/se,e 。 发电机的相角裕度太小,很难稳定.而且低频时幅值不能 事良快下降.响应慢,因此需要校正。
 
2.4励磁系统的作用和指标

2.4,l励磁系统的作用
Fig. 2-5 v,ecture ,of Sajient Pole Syncihlro1rliolus (ienerator
前面已经说过, 励磁系统由励磁功率单元和自动电压调节器组成, 前者向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流. 后者根据发电机的运行状态, 自动调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小, 以满足发电机运行的要求 。 励確系统主要作    用就是无论发电机在稳态运行还是暂态运行过程中,保持机端电压在给定水平上。 当发电机负載变化时, 端电压会随之变化。 由凸扱发电机向量图可知

io=V+ f長a+ ffKg + JfJKd 十 Jfff時
■   ●           ●                       ·
:= V十/?Ro十_1'fd (Xf 十 「ud )十 / ,ff(Kf 十 Ka■l )
·   ●           ●           ●
= V十!表 十 /!f「f 十 ffg「
r,, = rf +K㎡
 
 度a一电拒内阻:
Ka广 直轴电枢反 应 电抗 , Xd一直轴同步电抗;

Xf = 「g 十K时
 
 
f 一电枢漏抗:
Xgg一交軸电枢反应电抗,, Xg一交轴同步电抗 。

- lg-
 
  V式中 tf一额定电压(或95%额定电压), r;V广负载突变后瞬时电压的最大值和最小值, y?20-
 
·
由式(2-1 7)可知,发电机空载电动势恒定时, 负载增加时端电压 v 随负荷电流增大而降低, 甩负载时. 负载电流减小而使端电压升高。 要保证发电机机端电压 U恒定, 必须随发电机负载电流 f的增加(或减少)而增加(或减少)发电机的空载电动势 .9,o,,而 ,a·o是发电机励確电流1y的函数,如不考虑饱和,则 9o和 ff成正比;而 ff又是交流励磁机励磁电流 fi,的正比例函数。 所以当发电机负载改变而引起端电压改变时, 需要通过励性调节作用, 自 到f增加或減少励磁电流, 使发电机电压维持在给定水平上 l l'6'1[ l8I[」9M''6]l29'」 g
 
 2.4.2衡量发电机動磁系统性能的指标
術量发电机励磁系统性能的指标有稳态电压调整率、 动态电压调整率和稳定时间等。
稳态电压调整率 δ″ (%)   (irB/T28l9规定,指负载新变和突变前后稳定的电压变化,用期定电压的百分数表示,按式(2)计算;
 
 
前 = 学x1oo%                                             (2_2,o)
 
 
式中 V一額定电压(或95%额定电压), y;
Vl一负载渐变和突变后的稳定电压,取各读数中(相对于 ,t,'差值大)的最大值和最小值, y。
瞬态电压调整率 fa( %)  指负载突变后的过渡过程中最大的电?[ii 变化. 用规定电压的百分数表示, 分突加和実减负载情况, 技下式计算

(5Ve,=
Vs -V

x100%

(2-2 l )

电压稳定时间 t ( ,s)  指从电压突变时起至电压开始稳定在与稳定电压相差± fV范围内止所需的时间[3]同 。
输出电压典型的加载和卸载电压特性曲线如图所示 a 曲线图的左部显示l00%额定电压空载稳态曲线, 当加上负載后, 电」l:i,.立刻下降。 电压调节器监测到电压降后, 迅速增加励磁电流以便电压恢复至额定值 。 电圧恢复周期是指机组加裁到电压恢复至电压调节范田为±2%的这段时「日j 。通常当发电机组一步加上l00%额定功率负载时(功率因数为 0.3),瞬态电压降为正常电压 
 
 
的 l 5%一一45%,恢复时间为几秒钟, 具体时同由发电机组的容量而定 。 另外由于发动J机的功率有限制. 当加上负载后. 会产生频率降。 通常当发电机组一 步加上l00%额定功率负载时,频率降为正常频率的5%,~l5%,恢复时间为几秒钟。 対于品牌众多的发电机组, 由于电压调节器的特性、 调速器的响应、发动机的进气系统以及发动机和发电机的匹配方面区别较多, 发电机组的性能也差异很大 。 设计发电机组时, 一个重要目标是将频率和电压瞬态变化限制在可以接受的范围内 [29l[3o][3ll ?
 
解态电Ei      n态电压組调 二
一一一一一,__
_ __ l ''l ll · __
  
加報 电,」1i
→ 一歯 复时l可
电压·lJll节范電为:;l:l%
l   _    _    _   _·l●·
-     l      --      -       -     l  ··
  
 
如義电压l-
較a时间

空裁構态电压

加L常!1Mt窓电压
 
图2-6 典型加裁和卸载电压特性
Fig.2-6 Typica1 Loading and l;_Jn,loading Voltage Charact,eris,tic
 
2.5原動磁调节器
 
2.5,l原動磁调:fi器的结构和原理
一般的输出电压自动调节是通过电压反馈来使输出电压跟踪电压给定的,该发电机原来的励磁调节器就只有电压闭.环,它采用三极管分压方式调节励'磁电流. 其主电路如图 3-4所示 a
Kl2为建压电阻,当柴油发动机点火起理1 之后, 发电机靠剩磁能够产生
 
 
34,y的电J[lia 此时输出端电压尚未达到220y 左右,励磁调节器的+5V电源无法工作,因此励確调节器不起作用,三概管 y1不导通 。 励磁电流通过电阻?Rl2, 因为 量l2很小. 確场迅速增强, 发电机输出端电压很快就达到220y左右, 励磁调节器;FF始工作.
動磁调节器为电压反観 的单闭环系统 。它由4部分构成, 电压给定 环 节、电压反馈采样环节、 校正环节、 驱动那节及过压保护环 节, 保护环节图中未

 
 
 
 
 
图2-7 原励體调节器原理图
Fig.2,-7 Plincipl,e of Form'er Exliitation, Re,g,ulator
 
画出。
量4、 最5、 R田构成电压给定环节:
 
 
,r,_,   Rl3十f5)
量4+ Kll+ Rs)

)(5 = (1.207-l,333)V
 
表l. 」't2、 表l5、 〇l、 P4、 Cl构成电压采样电路,采用电阻分压,半波整流,大电容滤波;
 
 
t/.r(,f) = (1 l5'<'=(ll;5>()     __            __fr.s十l、ff_s十li,__      __  , _
tV  g-'t_//、3-J
 

K= 足1/R1g,         fl = 量lC3,           f2 =心C●
  
已知.a'lg=lOk Ω , .a'7=36klf2 , Rs=470a, C3=4.7 µ.f, C4=:;4.7µf,所以
,,,,_、   , f(0.1692.f 十1)(0.0022,f十1)
0. l 692,s
Fig. 2-;8 Dynamic Strl」cture of Form,eI, E,xcilatio·n System of Diesel 0e'nerator
驱动环节由 Rg、 表lo、 量ll、 〇5、 yl、 「2构成。 y1的共射被直流电流放大倍数β1=(65~90)取75,「2的 β2=(40--50),取45。 y,的三概管输入电阻为 rl,e」=3,60 
 
左右, 因此励磁电流为
 
 
, ?_、_ (5-V0(.S))β1(還l0//(,all十l「f.el))βl
最g」al 1

= K(.(5 -Vo(s,))
,  ,f,_、、45x(l800//(350+10)))(75
200)<10
= 494_4:8(:5- Vo(s))
 
反馈环 节放大倍数为 ,9 =l ,333/23()=0,005,8 。
自动励磁调节系统的过程是: 输出电压增大一一一反馈电 压增大一①端电压下降一一运放输出端电压升高一?,'':2 基极电流;成小一一是lo 电压下降一

一 yl 基极电流減少一一一 yl 集电扱电流减少一一,励,破机励磁电流減少一一一一发电机输出电压下降。 当发电机输出电压下降时, 调节过程与上述相反 。
 
 
 
2.5.2原励磁调节器的缺点
 
 
原来的励磁调节器存在者以下的缺点:
( i)输出电压反馈采样采用半波整流,反应比较慢;用大电容(470 µ月撞波, 产生了很大时间延迟,而给定信号通道中并投有加入同样时间常数的滤波电路, 无法平衡延迟作用 。
(2)给定信号与反馈信号的比较综合电路, 线路复杂 。
(;3)校正环节参数配置不合理,不是按照典型一型设计的 。 其超前校.正的时间常数没能抵消掉励磁机与发电机的两个大的惯性环节的时间常数。此外与比例环节并联者一个钳位电阻, 在积分达到一定程度时, 该电阻发挥作用, 比例积分控制变成了比例控制, 其目的是防止运放胞和. 然而,正是由于该电阻,在加入负载后调压不能达到无差,电压不能稳定在恒值上,稳态电压调整率很大。
(4) 采用大功率三扱管调节励磁电流, 调节范围小.-.极管工作在线形放大区, 在额定负载时流过500,",d 以上的电流, 三极管损耗大. 发热严重?
(5)通过实验,从其性能表现上看,启动时电压电压冲击大,达到250 y 以上_。,.负载变化时, 电压不能稳定在恒值上, 属于有差系统, 稳态电.[I;i调整率较高 。 突加负载时瞬时电压降和突减负載时瞬,念 电圧_超调都比较大, 瞬态电压调整率高, 而且稳定时问长。 以額定负载为例, 空载正定电圧 为220y, 突然加載时, 瞬态压降为 l 05 y, 瞬态电压调整率为 47.5%,稳态电压调整率为4.;55%,稳定时间为520ms;実然減小到空载时,瞬态电压超调为5I!y.,瞬态电压调整率为29,l4%,稳态电压调整率为4.76%. 稳定时同为370a,s,。
综上所述, 该发电机原来的励磁调节器存在着诸多问题, 为了満足性能指标的要求, 需要重新设计一套励磁调节系统 。 
 
 
 
2.6本章小结
本课题所研究的单相无刷同步发电机组由主发电机、 交流励磁机、 旋特整流器以及励磁调节器等主要部分组成,它有三个特点,即无刷、单相和三次谐波励磁 。 无刷励磁方式是将发电机:转子励磁绕组、 整流器和交流励磁 机电

相都在同-一轴上旋转而彼此处子绝对静1上状态, 因此可以用同定的速接线进行连接, 这样就不用电刷和換向器, 滑對;等部件? 由 f发电机定子络田 为 学_ 相, 脉动磁场可以分解为正反两个方向旋转的大小相等的旋转體场 。 为了 和制逆序磁场, 转子上安装了阻尼绕组 。 三次惜波,励磁是在电極_上安装了谐波绕组, 利用磁场中的三次惜波产生感应电动势, 将谐波绕组的出线端经整流装置接到交流励磁机的励磁绕组, 作为励磁电源。 三次谐波励磁具有自励恒压的作用, 是一种技扰动补偿的励磁方式 。
本文对发电机本体建立了传递函数的数学模型, 井用伏安法测出了发电机的电感和电阻值, 计算了各项参数. 最后利用 Matl,ab进行仿真, 得到了发电机的幅频和相频特性a
发电机的励磁系统有励磁功率单元和励磁调节器两部分构成。前者向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流, 后者根据发电机的运行状态, 自动调节励磁功率単元输出的励盤电流的大小, 以満足发电机运行的要求, 其性能好坏直接影响发电机的供电质量 。 衡量发电机励確系统性能的指标 有稳,态 电压调整率、 动态 电压调整率和稳定时间等 。
发电机原励磁调节器是一种采用电压反馈的単闭坏的系统, 电』]li 调节器采用 PI控制,本文对其系统建立了数学模型,分析了其工作原理。由于其PI调节器上为了防止运算放大器饱和增加了嵌位电阻, 反而使输出电圧 不能达到无差调节: 而且超前校正时间常数配置不合理, 抗扰性能指,l示不好; 采用三极管分压的方式调节励磁电流,三极管工作在线性区,流过的电流大器件损耗高, 因此重新设计一个新的励磁调节器成为必然 。