林浩

摘??要：在國內(nèi)通機(jī)行業(yè)，單相同步發(fā)電機(jī)（0.5～10?kVA）與內(nèi)燃機(jī)（主要是汽油機(jī)）配套，組成了小容量發(fā)電機(jī)組，主要用于城鄉(xiāng)家庭、工地、林區(qū)、部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院和小型船舶等區(qū)域的照明、通訊、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械和電影機(jī)械的電源。其中，出口份額最大的是一款GG950小型單相同步發(fā)電機(jī)組（0.65～0.9?kVA/50～60?Hz），它采用的是凸極式逆序磁場(chǎng)勵(lì)磁無刷單相同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式。結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析了定轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)、工作原理、電容補(bǔ)償思路及其方案，并將其與傳統(tǒng)無刷電容勵(lì)磁電機(jī)作比較，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：無刷同步發(fā)電機(jī);電容補(bǔ)償勵(lì)磁;定轉(zhuǎn)子繞組;工作原理

中圖分類號(hào)：TM31????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.074

1??定轉(zhuǎn)子繞組及其結(jié)構(gòu)

這類發(fā)電機(jī)的定子鐵芯槽內(nèi)嵌有3套繞組，一套為定子主繞組MC（占有2/3定子槽數(shù)），另一套為定子副繞組SC（占有剩余的1/3定子槽數(shù)），還有一套為提供12?V直流電源的繞組。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為整體凸極式結(jié)構(gòu)，為2個(gè)磁極，并且每個(gè)磁極上都裝有1個(gè)磁極繞組。將羅賓系列發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的2個(gè)磁極繞組串接后，與旋轉(zhuǎn)硅整流管和過電壓保護(hù)電阻并聯(lián)，而久保田系列發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的2個(gè)磁極繞組則是單獨(dú)與旋轉(zhuǎn)硅整流管和過電壓保護(hù)電阻并聯(lián)。圖1所示即為凸極式逆序磁場(chǎng)勵(lì)磁無刷單相同步發(fā)電機(jī)接線原理圖。

（a）久保田系列?????????????????（b）羅賓系列

圖1??無刷單相同步發(fā)電機(jī)接線原理圖

2??工作原理簡(jiǎn)介

無刷電機(jī)的基本原理可以分為起勵(lì)建壓和正常工作這2種狀態(tài)。

2.1??起勵(lì)建壓過程

起勵(lì)建壓的過程為：①轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)放置至額定轉(zhuǎn)速（3?000～3?780?rpm/min）。②N極和S極磁鋼旋轉(zhuǎn)形成磁場(chǎng)切割副繞組，副繞組感應(yīng)產(chǎn)生電壓。③根據(jù)電容的充放電特性可知，副繞組通有電容性電流形成單相脈動(dòng)磁場(chǎng)1。該脈動(dòng)磁場(chǎng)可以分解為逆序和順序2個(gè)磁場(chǎng)。順序磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步，并且方向相同，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁，這是電容繞組助磁的工作原理;逆序磁場(chǎng)則以2倍的工頻（同步轉(zhuǎn)速）作用于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，并在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)出2倍工頻的電勢(shì)。該電勢(shì)經(jīng)整流二極管的整流變成了直流勵(lì)磁能量，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁，這就是逆序磁場(chǎng)勵(lì)磁的工作原理。④在2方面的正反饋?zhàn)饔孟?，主繞組逐步建立空載電壓并實(shí)現(xiàn)了自勵(lì)。

2.2??加載自勵(lì)恒壓過程

加載自勵(lì)恒壓過程為：①增加負(fù)載，主繞組端電壓將會(huì)隨即降低。②隨著負(fù)載電流的增加，定子主繞組中的單相脈動(dòng)磁場(chǎng)2在增大，而由脈動(dòng)磁場(chǎng)分解成的正、逆序磁場(chǎng)也同樣在增大。順序磁場(chǎng)的增大導(dǎo)致電樞反應(yīng)加強(qiáng);逆序磁場(chǎng)的增大則是

借助于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組及其整流二極管的作用，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁。③這2方面的加強(qiáng)使端電壓得以回升，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的自動(dòng)恒壓。

綜上所述，從理論上來講，空載時(shí)的電壓主要受電容繞組及其電容大小的影響，而負(fù)載后則由主繞組的逆序磁場(chǎng)補(bǔ)償其正序磁場(chǎng)電樞反應(yīng)的去磁作用。但是，隨著機(jī)組的長時(shí)間運(yùn)行，繞組損耗與附加損耗造成了電機(jī)溫升的上升，而脈動(dòng)磁場(chǎng)的增大使得定子齒磁通密度趨于飽和。此時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)下列情況，

2.3??實(shí)例介紹

FDW-650?W?2極無刷單相同步發(fā)電機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)記錄顯示，額定電壓為230?V/50?Hz，定子鐵芯外徑D=150?mm，鐵芯長L=57?mm，主繞組匝數(shù)Wa=518匝，電容繞組匝數(shù)Wc=191匝，勵(lì)磁繞組匝數(shù)Wd=580匝（每極），電容值11?uF。在實(shí)際出廠型式實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，有這樣一組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1??傳統(tǒng)無刷單相發(fā)電機(jī)組型式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率：Δn=（Umax-Umin）/2Un×100%=2.8%，符合《JB/T?10304—2001?工頻汽油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》第4.8.2條G1標(biāo)準(zhǔn)：≤±5%

熱態(tài)電壓變化率：Δn=（Umin-Un）/Un×100%=-7.4%，超過了《JB/T?10304—2001?工頻汽油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》第4.8.3條的要求：≤±7%額定電壓

備注：發(fā)電機(jī)在熱態(tài)額定負(fù)載的狀況下，繼續(xù)增加負(fù)載，頻率不發(fā)生變化，電壓繼續(xù)下跌，排除了動(dòng)力因素的影響。

2.4??討論

如表2所示，負(fù)載后脈動(dòng)磁場(chǎng)不足以補(bǔ)償，還有沒有其他補(bǔ)償渠道。結(jié)合實(shí)例進(jìn)行討論電容繞組中電容的大小在負(fù)載變化過程中所起的作用。

表2??電容大小對(duì)無刷電機(jī)輸出電壓的影響

從表2中可以看出，隨著電容的增大，在負(fù)載過程中，電壓會(huì)隨之加大，但是，空載時(shí)的電壓超出了標(biāo)準(zhǔn)。本文希望電容補(bǔ)償僅在電壓低于額定電壓時(shí)起到作用。

3??電容補(bǔ)償思路和方案

小型單相同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式除了凸極式逆序磁場(chǎng)無刷勵(lì)磁，還主要有交流勵(lì)磁機(jī)無刷勵(lì)磁和晶閘管逆序磁場(chǎng)有刷勵(lì)磁

等。單相同步發(fā)電機(jī)常用勵(lì)磁方式的對(duì)比情況如表3所示。

綜合考慮了晶閘管逆序磁場(chǎng)

有刷勵(lì)磁和凸極式逆序磁場(chǎng)無刷

勵(lì)磁2種勵(lì)磁方式，提出以下改

進(jìn)方案，原理圖詳見圖2：①保

持“凸極式逆序磁場(chǎng)無刷勵(lì)磁”

基本工作狀態(tài)不變。②根據(jù)晶

閘管逆序磁場(chǎng)有刷勵(lì)磁的工作

原理，增加取樣繞組進(jìn)行反饋。

③利用可控硅斬波原理，控制附

加1個(gè)小容值電容充放電的電壓。當(dāng)空載時(shí)，適當(dāng)增加副繞組兩端的電容，相當(dāng)于12?uF;當(dāng)半載時(shí)，副繞組兩端電容基本不加，相當(dāng)于11?uF;當(dāng)滿載時(shí)，副繞組兩端的電容會(huì)隨著端電壓的下降而逐步增加，相當(dāng)于15～18?uF。④實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表3??單相同步發(fā)電機(jī)常用勵(lì)磁方式對(duì)比

表4??電容補(bǔ)償勵(lì)磁應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)

4??與傳統(tǒng)無刷電容勵(lì)磁電機(jī)比較

電容補(bǔ)償勵(lì)磁無刷發(fā)電機(jī)與目前行業(yè)普通小型單相同步發(fā)電機(jī)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①有“凸極式逆序磁場(chǎng)無刷勵(lì)磁”優(yōu)點(diǎn)——觸點(diǎn)免維護(hù);②有“晶閘管逆序磁場(chǎng)有刷勵(lì)磁”優(yōu)點(diǎn)——穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率和熱態(tài)電壓調(diào)整率較好;③采取簡(jiǎn)單接線的方式就可以明顯改善現(xiàn)有“凸極式逆序磁場(chǎng)無刷勵(lì)磁”發(fā)電機(jī)的整機(jī)性能，大大增強(qiáng)了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]卓忠疆，邱培基，任義友.利用逆序磁場(chǎng)自勵(lì)恒壓的單相同步發(fā)電機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)[J].中小型電機(jī)技術(shù)情報(bào)，1980（05）.

[2]潘硯福.電容繞組助磁負(fù)序磁場(chǎng)勵(lì)磁無刷單相同步發(fā)電機(jī)的理論分析與實(shí)例討論[J].中小型電機(jī)，1994（02）.

[3]陶川輝.基于DSP的無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2010.

[4]石楚生.小型無刷同步發(fā)電機(jī)新型勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].移動(dòng)電源與車輛，2007（04）.

〔編輯：白潔〕

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