王杰, 孫中華, 王瑞成

(1.海軍士官學(xué)校 機(jī)電系, 安徽 蚌埠 233012；2.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

勵(lì)磁系統(tǒng)是無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)最核心部分之一，為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行,對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求如下: ①保證發(fā)電機(jī)可靠起勵(lì)，建立額定空載電壓；②負(fù)載變化時(shí)，有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性；③系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，有一定的強(qiáng)行勵(lì)磁能力；④發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，保證無(wú)功功率按發(fā)電機(jī)容量成比例分配；⑤當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速80%時(shí)，具有過(guò)壓、過(guò)流和低速保護(hù)作用。

圖1 無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為滿足上述要求，勵(lì)磁系統(tǒng)主要由勵(lì)磁功率單元與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)兩個(gè)重要部分組成(如圖1所示)。勵(lì)磁功率單元主要是向勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)主要是根據(jù)輸入電壓信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的控制。當(dāng)前基于該結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁方式主要有可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁、三次諧波勵(lì)磁和永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁。文獻(xiàn)[1-2]主要運(yùn)用數(shù)學(xué)模型仿真方法對(duì)可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[375-76-4]主要對(duì)可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)部件參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5-6]主要對(duì)諧波繞組的放置位置及其相關(guān)參數(shù)如何設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[720-24-8]針對(duì)永磁勵(lì)磁發(fā)電機(jī)存在電壓不易調(diào)節(jié)的問題，提出了混合勵(lì)磁的方案。但以上文獻(xiàn)都未對(duì)三種勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行定性分析，也未對(duì)其性能特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

本文借助發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)原理圖對(duì)三種主要?jiǎng)?lì)磁方式的結(jié)構(gòu)組成與工作原理進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明和定性分析，并在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，歸納梳理了三種勵(lì)磁方式性能上的優(yōu)、缺點(diǎn)，最終得出三種勵(lì)磁方式各自適于應(yīng)用的發(fā)電領(lǐng)域。

圖2 可控相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)原理圖

1 可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁

1.1 基本組成與工作原理

可控相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的原理線路如圖2所示，它由電流互感器TA、電抗器L、諧振電容C、相復(fù)勵(lì)變壓器T、整流器UR、分流晶閘管VT、調(diào)壓器AVR及勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組OL組成。

電流互感器TA輸出與發(fā)電機(jī)負(fù)載電流If大小成比例，相位相同的復(fù)勵(lì)電流分量ILI；移相電抗器L與發(fā)電機(jī)輸出繞組直接相連，產(chǎn)生對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓移相90°的復(fù)勵(lì)電壓分量電流ILU； 相復(fù)勵(lì)變壓器T通過(guò)電磁疊加，將復(fù)勵(lì)電壓分量ILU和復(fù)勵(lì)電流分量ILI進(jìn)行矢量相加IL=ILI+ILU，得出總的復(fù)勵(lì)勵(lì)磁電流IL；同時(shí)將勵(lì)磁回路和發(fā)電機(jī)主回路電氣隔離?？倧?fù)勵(lì)電流IL經(jīng)三相整流器UR整流成為直流IOL，供勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組OL勵(lì)磁。電壓調(diào)節(jié)器AVR根據(jù)電壓偏差ΔU，產(chǎn)生控制分流晶閘管VT的脈沖信號(hào)，對(duì)IL進(jìn)行分流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓Uf的調(diào)節(jié)，大幅提高調(diào)壓精度。由于勵(lì)磁回路中整流器UR和晶閘管VT等半導(dǎo)體器件的存在，會(huì)使得發(fā)電機(jī)靠剩磁輸出電壓較低時(shí)無(wú)法自勵(lì)建壓，因此，加入電容C，使其與移相電抗器L構(gòu)成諧振電路，即XC=XL，為了不影響正常運(yùn)行，使其在額定轉(zhuǎn)速處于失諧狀態(tài)，而在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)處于諧振狀態(tài)，電容將產(chǎn)生很高的電壓，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓。

1.2 性能分析

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流IL是從兩方面得到的：一是發(fā)電機(jī)的輸出端電壓經(jīng)電抗器L移相對(duì)相復(fù)勵(lì)變壓器T的電壓繞組W1供電的電流ILU，產(chǎn)生交變磁通，使輸出繞組W2感生電勢(shì)，再經(jīng)三相橋式整流器UR整流后供給的；另一是發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流經(jīng)電流互感器TA變換為同相位電流ILI后，輸入給相復(fù)勵(lì)變壓器產(chǎn)生交變磁通，也使W2感生電勢(shì)，經(jīng)UR整流后供給的。復(fù)勵(lì)電壓分量ILU和復(fù)勵(lì)電流分量ILI均為向量，故既能反映負(fù)載的大小又能反映功率因數(shù)的變化，能很好地補(bǔ)償因負(fù)載電流及功率因數(shù)等擾動(dòng)引起的電壓波動(dòng)，動(dòng)態(tài)性能很好。但是，因?yàn)樗皇歉鶕?jù)負(fù)載電流和功率因數(shù)這兩個(gè)擾動(dòng)量的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)壓，而沒有考慮其他因素引起的電壓變化，例如頻率變化、溫度變化等造成的電壓偏差，因此其靜態(tài)調(diào)壓率較差。為了解決這個(gè)問題，勵(lì)磁系統(tǒng)中引入電壓調(diào)節(jié)器AVR，它是根據(jù)電壓偏差ΔU進(jìn)行調(diào)節(jié)的負(fù)反饋型調(diào)壓器，從而形成擾動(dòng)+偏差調(diào)節(jié)的綜合型勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)——可控相復(fù)勵(lì)，它兼有兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能都較好。同時(shí)，這些裝置的引入致使該勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，后期參數(shù)調(diào)試和維修難度大。系統(tǒng)中移相電抗器L和相復(fù)勵(lì)變壓器T體積較大，材料消耗多、功率損耗大，系統(tǒng)整體效率不高[3]74。綜上分析，可控相復(fù)勵(lì)適用于對(duì)電能質(zhì)量要求高且所帶負(fù)載變動(dòng)較大的發(fā)電機(jī)，如負(fù)載功率波動(dòng)較為嚴(yán)重的船舶、艦艇電站用發(fā)電機(jī)。

2 三次諧波勵(lì)磁系統(tǒng)

2.1 基本組成與工作原理

圖3 三次諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4 三次諧波勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

三次諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)原理如圖3、圖4所示，它由諧波繞組S1S2、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組E1E2、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組F1F2、整流板LBB及調(diào)壓器AVR組成，其中，中間虛線所框部分為轉(zhuǎn)子部分。

三次諧波繞組S1S2與主繞組一起嵌套在定子鐵芯槽內(nèi)(如圖3所示)，當(dāng)磁極被原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這套繞組把氣隙磁場(chǎng)中的三次諧波能量引出，作為勵(lì)磁電源。根據(jù)相數(shù)諧波繞組又分為三相和單相，大功率發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)?lì)磁功率大，可采用三相繞組，小功率發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)?lì)磁功率小，可以采用單相繞組(如圖4所示)，本文即以單相繞組為例進(jìn)行說(shuō)明。諧波繞組S1S2、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組E1E2、整流板LBB與電壓調(diào)節(jié)器AVR相串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁機(jī)閉合勵(lì)磁回路。勵(lì)磁機(jī)電樞繞組、旋轉(zhuǎn)整流器與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組F1F2構(gòu)成主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器AVR對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組F1F2的勵(lì)磁電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種勵(lì)磁系統(tǒng)的不足之處就是勵(lì)磁傳輸路徑較長(zhǎng)，致使勵(lì)磁調(diào)節(jié)反應(yīng)慢。為了加快勵(lì)磁系統(tǒng)的反應(yīng)速度以及縮小勵(lì)磁機(jī)的尺寸，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組通常設(shè)計(jì)成12、14或16極，使勵(lì)磁機(jī)電樞輸出100～200 Hz的中頻交流電。

2.2 性能分析

同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載一般為電感性(即0°<θ<90°)，負(fù)載電流電樞反應(yīng)基波分量對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用，三次諧波分量對(duì)主磁場(chǎng)起助磁作用。對(duì)于常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，感性負(fù)載下的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)有去磁作用，若勵(lì)磁電流不變，輸出電壓U將隨負(fù)載電流I的增大或cosθ的減小而下降。對(duì)于諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，情況則有所改善，三次諧波繞組能夠?qū)㈦姌蟹磻?yīng)中的三次諧波能量轉(zhuǎn)化為主磁極的勵(lì)磁電流，增強(qiáng)主磁場(chǎng)強(qiáng)度，使端電壓升高，由此可知，三次諧波勵(lì)磁系統(tǒng)與可控相復(fù)勵(lì)恒壓勵(lì)磁系統(tǒng)具有同樣的功能，即都能按負(fù)載電流I和功率因數(shù)cosθ進(jìn)行相復(fù)勵(lì)調(diào)壓，具有一定的恒壓能力。與可控相復(fù)勵(lì)相比，諧波繞組獨(dú)立，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生短路時(shí)，諧波電壓迅速上升，可以進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)。諧波勵(lì)磁的主要缺點(diǎn)：一是諧波繞組功率有限，帶載能力小；二是在多機(jī)并列運(yùn)行過(guò)程中，因中線電流去磁，負(fù)荷分配不均導(dǎo)致?lián)尠l(fā)無(wú)功，造成無(wú)功振蕩等問題[9]78。綜上分析，諧波勵(lì)磁更適合應(yīng)用于單機(jī)運(yùn)行的中小功率發(fā)電機(jī)，如作為應(yīng)急電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型發(fā)電機(jī)。

3 永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁

3.1 基本組成與工作原理

上述可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁和三次諧波勵(lì)磁都是勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)的主繞組或副繞組，屬于自勵(lì)式。由于現(xiàn)代的負(fù)載增加很多非線性負(fù)載，如變頻器、整流器負(fù)載等，非線性負(fù)載會(huì)嚴(yán)重地影響發(fā)電機(jī)的電壓、電流波形的正弦性，產(chǎn)生的高次諧波使發(fā)電機(jī)的性能變差，甚至嚴(yán)重地干擾了AVR的運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)不能正常工作。另外，大功率交流發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁功率很大，自勵(lì)式無(wú)法滿足要求。因此，對(duì)于某些重要發(fā)電機(jī)設(shè)備，如海上石油平臺(tái)的發(fā)電機(jī)組及帶非線性負(fù)載的發(fā)電機(jī)組，常采用他勵(lì)式無(wú)刷發(fā)電機(jī)，且為二級(jí)勵(lì)磁，即主、副勵(lì)磁機(jī)，而作為勵(lì)磁電源的副勵(lì)磁機(jī)常采用永磁勵(lì)磁。

圖5 永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

從整體結(jié)構(gòu)圖5來(lái)看，該型發(fā)電機(jī)主要有永磁副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)三大部分組成。勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖如圖6所示，主要有永磁磁極、副勵(lì)磁機(jī)電樞繞組W1、調(diào)壓器AVR、主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組E1E2、主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組W2、旋轉(zhuǎn)整流橋、主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組F1F2等組成，其中虛線所框部分為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分。

永磁副勵(lì)磁機(jī)——發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的電源。隨著發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在永磁磁極的勵(lì)磁下，副勵(lì)磁機(jī)電樞繞組W1輸出交流電流，經(jīng)AVR的整流和調(diào)節(jié)后輸送給主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組E1E2。

主勵(lì)磁機(jī)——?jiǎng)?lì)磁功率放大環(huán)節(jié)，AVR調(diào)節(jié)后的電流經(jīng)過(guò)主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組E1E2建立磁場(chǎng)，主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組W2感應(yīng)的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋整流后輸入主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組F1F2，為主發(fā)電機(jī)建立磁場(chǎng)。

該種勵(lì)磁方式為二級(jí)勵(lì)磁，存在勵(lì)磁電流傳輸環(huán)節(jié)較多，易造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性差、勵(lì)磁電流波形差(紋波多)和整流效率低三個(gè)主要問題。為了改善上述問題，永磁副勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電頻率通常為400～500 Hz，交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)電頻率通常為100～200 Hz。這樣在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的機(jī)組上，副勵(lì)磁機(jī)將有8對(duì)永磁磁極。

3.2 性能分析

與電勵(lì)磁機(jī)相比，同等功率下的稀土永磁勵(lì)磁機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，很適合做他勵(lì)式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)。同時(shí)，由于勵(lì)磁功率單元獨(dú)立，帶載能力強(qiáng)，且勵(lì)磁電流不受系統(tǒng)輸出電壓的影響，使得該型發(fā)電機(jī)不僅在系統(tǒng)電壓降低時(shí)能迅速提供強(qiáng)勵(lì)電壓，保證系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)，而且具有抗電磁干擾、帶非線性負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)[7]19。但是,永磁體磁場(chǎng)性能會(huì)受到溫度變化的影響,這一固有特性會(huì)使永磁勵(lì)磁機(jī)在溫度過(guò)高(銣鐵硼永磁)或過(guò)低(鐵氧體永磁)時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生不可逆退磁，使勵(lì)磁機(jī)性能下降，甚至無(wú)法使用[10]。另一方面是稀土永磁材料目前的價(jià)格比較高，該型發(fā)電機(jī)的成本一般比純電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)高。綜上分析，永磁副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)適用于運(yùn)行環(huán)境比較穩(wěn)定的非線性負(fù)載較多的大功率發(fā)電機(jī)，如兆瓦級(jí)的大型汽輪發(fā)電機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

可控相復(fù)勵(lì)因其突出的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，使其適用于所帶負(fù)載功率波動(dòng)較大的發(fā)電機(jī)，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、體積大和勵(lì)磁功率損耗大。三次諧波勵(lì)磁雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性好和強(qiáng)勵(lì)能力好的優(yōu)點(diǎn)，但受其相電壓波形畸變和并列不穩(wěn)定問題的制約，使其更適用于單機(jī)運(yùn)行、應(yīng)急用中小功率的發(fā)電機(jī)。永磁副勵(lì)磁機(jī)因其功率單元獨(dú)立，勵(lì)磁電流不受系統(tǒng)輸出電壓影響的特點(diǎn)，使其更適用于因所帶非線性負(fù)載較多而引起電磁干擾的大功率發(fā)電機(jī)。但永磁材料性能易受溫度影響的固有特性，使其存在因沖擊電樞反應(yīng)或劇烈振動(dòng)而失磁的風(fēng)險(xiǎn)。綜上分析,三種勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)性能各有其優(yōu)缺點(diǎn),可根據(jù)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域而相應(yīng)選擇勵(lì)磁方式。