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          緒論-小型柴油發電機勵磁調節器的研究
          添加時間:2017-02-23 03:32:36
          第l章緒論
           
           
           1.1 課題的來源及研究的目的和意文
          小型同步,發電機主要是與內燃機配套, 組成小型移型u 電源或備用電源, 廣泛用于建筑工地、 部隊營房、 林區和農村, 多數在悪劣的條f,'t下運行 。 勵磁調節器 (又稱為自動電壓調節器) 是發電機重要組成部分, 它對保證供電質量具有很關鍵的作用Ill同 。 勵磁調節器的作用就是保持發電機輸出電壓穩定, 術量發電機輸出電壓穩定性能主要有以下有三個指標, 即穩態電壓調整率、瞬態電壓調整率和穩定時同[3l!4l 。
          本課題所研究的對象是典型的2kW柴油發電機的勵磁調節器, 該發電機作為移動電源, 專門配各在作戰指揮車上, 作為通信電源使用, 因此工作條件極其悪劣, 而為了滿足軍事的需要, 對于電壓調整率和波形的正弦性要求卻很嚴格 。 但是普通的柴油發電機組存在的問題恰恰是電壓調整率高、 電,[[i穩定時問長、 負載能力差而且波形的變嚴重 a 為了滿足性能指t示的要求, 我們對該發電機的電壓調節器進行了重新的設計, l以求降低它的穩、 瞬態電圧調整率口
          該發電機是帶交流勵磁機的単相無刷同步發電機, 勵磁來用三次 i皆波勵磁方式 。 無刷發電機以其故障少, 可 靠性高, 運行時不產生火花, 而廣 iiJ立用在各種小型發電設備中 。 惜波勵磁發電機由于具有自 到f起勵快、 動態性能好、 結構簡單、 成本低等優點, 因此近年來, 諧波勵磁在小型同步發電機得到了廣泛的應用:Iilg 然而此種發電機由于交流勵磁機和諧波特性的影響, 存在穩態電壓調整率高, 空載、 負載電壓變化較大, 穩定時間長等缺點同, 而傳統的勵磁調節器難以滿足要求 。 如何降低此種發電機的電」[E調整率, 成了研究小型發電機的一個重要的問題 g 本課題研制的勵磁調節器除了可以很好的滿足軍方的要求之外,也可以應用在其它小型同步發電機上, 因此具有」「一泛的應用前景a
            
          l.2國內外小型發電機勵磁方式的研究現狀及分析
           
           發電機要感應電動:勢必須同時具備發電機旋特到一定特速, 且磁極鐵心
           
           已建立磁場兩個條件 。 而磁場的建立依賴于磁極編組中通過的直流電流· 這個直流電流通稱為勵職電流a 提供勵磁電流的電源, 有來自發電機外部, 稱為他勵,也有來自發電機本身,稱為自勵  小型發電機多屬于自勵發電機f7l同。
          提供發電機動磁電流和自動調節,勵體電流的裝置 (系統) 叫做勵磁裝置(系統)。六 f一年代以來, 隨者科技進步和電力電子技術的迅速發展, 發電機自 到f 調一ti;一技術的不斷更新, 先后出現了多種形式的勵磁裝置, 形成了多種動磁方式 。 同步發電機勵磁系統的發展經」歷 了直流機勵磁、 相復勵 系統勵磁. 靜止可控硅勵磁、 無刷勵確系統四個階段, 從60年代起, 工業發達國家均發展了自己的無刷同步發電機系列同ll'oI[llJ 。
          勵磁系統一般由兩個部分組成; 第一部分是勵磁功率單元, 它向同步發電機的勵磁繞組提供直流勵磁電流; 第二部分是勵磁調節器, 它根據發電機的運行狀態 , 自動調節功率單元輸出的勵磁電流, 以満足發電機運行的要求il6J

           
          1.2 . l 勵磁功率單元的發展及分類
          與大型發電機相比, 勵磁功率單元的勵確方式對単相同步發電機是個關鍵問題, 由于容量小、 運行條件比較苛刻, 在選擇勵磁方式和設計勵磁線路時, 應將可靠性放在第一位. 在満足技術條件的前提下, 力求勵磁系統線路簡単,操作方便,造價低廉I17] 。
          ?
          l.2,.1.1與三相發電機相同的動磁方式
          一般小型三相同步發電機的勵磁方式都可以用于単相同步發電機 。
          1.無刷勵磁方式
          帶有與同步發電機同抽的交流勵磁機的無刷勵確方式是近 :3o 年來廣泛果用的一種新型勵磁方式, 它隨著旋轉整流裝置的發展而目益完善, 推動J 了無刷發電機的發展。
          交流勵磁機和旋轉整流器是使同步電機從有刷進化到無刷的關體部件。 交流勵磁機的輸出由安裝在機組旋轉部分的確整流器整流后,直接送到同步發電機的轉子勵磁繞組中去 a 因為發電機轉子勵確繞組、 整流器和交流勵磁機電樞部在同一軸上旋轉, 彼此處于絕對靜止狀」念 , 可以用面定的連接線進行連接, 這樣就不用電刷和換向器、 滑環等部件, 所以我們把這種動磁方式叫做無刷勵磁方式 。 交流勵磁機實質上是旋轉電樞式的交流發電機 。
          這種勵磁方式具有如下優點:

          l )  結構緊湊, 維護方便, 通訊干擾小。 實踐表明, 當」iiii整流器質量良好時, 運行是相當可靠的 。
          2 )  由于增加了交流勵磁機這個放大環節,使控制勵磁的容量大大下降, 因而電壓自動調節系統的元件容量可以選揮 得較小 。
          由于這些優點, 無刷勵磁方式得到了越來越廣泛的應用 。
          該方式的缺點是:
          1 )  因為發電機轉子回路投有檢測儀表, 囲而對特子回路的運行情況無法監視。
          2 )  因為該方式中同步發電機轉子,勵磁電流的變化是由交流勵磁機的磁場電流來調節的, 所以反應速度慢。
          2 , 晶同管直接勵磁方式
          晶閘管直接動 磁系統是利用晶 l司 管整流將同步發電機主繞組的小部分電流或副:鏡組提供電流經整流后, 直接作轉子勵磁使用, 而其中的晶 l割 管則由自動電壓調節器來控制其導通角, 從而調節發電機勵磁電流的大小以維持發電機端電壓的穩定 。 它由整流主回路和電壓調節器 (,AVR) 組成。
          晶同管直接勵確方式具有如下優點:
          1) 穩態和動態性能好 。 其穩態調壓率可達±1%左右 。 由于可控確勵磁反應速度快,突然加卸負載時電壓瞬變值小,電壓穩定的過渡過程也很短。
          2) 生產比較容易, 維護檢修方便 。 并且可靠性高 a
          3) 由于發電機的勵磁電源直接從被勵磁的發電機本身取得, 省掉 「直流勵確機,因lfJ體積較小、重量輕。
          該方式的缺點是:
          1 ) 晶 r割 管勵磁系統比三次諧波勵磁系統和雙絡組,勵磁系統較為復雜,成本也較高。
          2) 由于可控硅工作在躍變狀態, 所以發電機的輸出電」[ii波形有缺口, 無線電干批比較大。
          3.三次諧波勵確方式
          在定子槽內另外遷入一套三次諧波繞組,利用三次諧波的能量作為發電機的勵磁電源。三次諧波勵確繞組的感應電動勢經過整流之后,供給發電機特子繞組 。 電樞反應的基波磁場對主磁場起去,磁作用. 同時它的三次 i皆波磁場卻能夠通過三次諧波繞組、 整流器和勵,磁繞組軟復磁極主磁場 。 所以, 三_ 次諧波勵磁方式具有自勵恒」[Ei特性, 諧波絡組向 動磁 繞 組提供隨負載電流增大而増大的勵磁電流, 以抵消電極反應的影u向從而維持端電壓的恒定 。

          這種勵磁方式的主要優點是:
          1)結構簡単,制造方便,價格便宜,節約材料,運行可靠,通用性強, 維護方使。 比較適合于中小型發電機。
          2)穩態和動態性能都較好。這種發電機的勵磁電流的對負載的變化就有良好的跟蹤能力, 這種跟蹤能力不僅使發電機在穩 i態運行時有一一定的恒壓特性, 而且在動態過程中. 也具有良好的特性。
          法方式的缺點是:
          1 ) 穩態電壓調整率較差, 電壓波形正弦性畸變較大。
          2 ) 自建壓困難, 必須附加起勵裝置,,3,) 不宜采用分流方式, 否則在負裁狀態時, 分流太大, 將會焼壞諧波絡組或整流器件。
          4. 電抗移相相復動勵磁方式
          該 方式勵磁系統的能源有兩個; 一個取自發電機電板繞組本身的輸出端或某中同抽頭處或者是與主繞組同相的附加繞組的電 圧源, 經過外串線性電抗器移相后整流輸出直流勵磁電流. 它產生發電機的空載電壓, 成為勵磁電流中的電壓分量:另 一個取自與負載電流成正比的電流互感器的輸出電流源, t 也通過橋式整流器整流后成為直流,勵磁電流中的電流分量, 以抵消電相,反成磁到」勢  這種 動磁方式能反映負載電流的相位變化, 因而補償效果好 。
          這.種勵磁方式的主要優點是:
          l).線路簡単,元件少,制造和維護方便。
          2)系統穩定,工作可靠。
          3) 過載能力強 。
          4) 穩態性能和動態性能都較好, 穩態 電壓調整率可保證在±3%以內, 実然加減負載時,電壓瞬時變化較小,電壓穩定時同約為 0.2秒? 啟,動'異步電機的能力較強。
          該.方式的缺點主要是:
          1 ) 勵磁線路需選用較高的勵磁電壓, 否則線性電抗器的體積會很大。
          2) 起勵性能差a
          3) ?l動,磁裝置的體積較大,重量較重。
          4) 發電機電壓穩定在上下限時, 以及特速發生偏差時, 穩;? 電 圧 調整率自一 所上升 。
           
          l .2. l ,2 利用負序,磁場!動磁的」動磁方式
          單相同步發電機在負載時存在者負序電相_反應確場, 它在主磁極側的勵磁繞組中感應出倍頻電壓和電流,如將借頻電流經整流器整流后供給勵磁繞組; 就可實現自勵 。 由于倍頻電流隨負載增加面增大, 故負序磁場勵磁具有復勵特性 。 但這種發電機不宜設置阻尼繞組 。 利用負序磁場勵磁有電容一負序磁場勵磁和倍極一負序磁場勵磁兩種方式, 由于應用并不普遍在此不再費述 f1:5l「10l[17][lSIIl9]l20] 。
           
           
          l.2,2勵磁調節器的發展概況
          如果發電機只有勵確功率単元面投有勵磁調節器 (電iE調節器) 的話, 就是不可控動磁系統。雖然相復勵和三次諧波勵磁方式具有自動調節電壓的功能, 但是穩態電壓調整率比較高 a 為進一步提高調壓精度, 所有的發電機都必須安裝勵磁調節器, 勵磁調節器已成為發電機不可分割的一部分 。
          小型發電機勵磁調節器種類繁多,分類的方法也比較多,按照不同的要求, 有以下幾種分類方法。
           
           
          1,2,.2.l按調節動磁電流的方式分類
          技照調節勵磁電流的方式不同, 可分為可按硅整流型、 分流型和分壓型 。
          1.可控硅整流型
          小型發電機都是自勵式, 由主繞組或輔助統組發出的交流電J:E經過整流器整流變為直流之后供給勵確繞組。整流器可以是用二極管構成的不可控整流橋, 也可以是可控硅構成的可控整流橋 。 后者就是可控·iilti整流型勵磁調節器lt7ll18l。動 磁電流的大小由可控硅控制,而可控硅的導通角由自 到f 電,[fi 調節器控制 。 這種調節器缺點是需要移相觸發電路, 控制線路復雜, 成本也較高 。 面且導通角與整流電壓是非線性關系, 調節能力差。 由于可控硅工作在躍變狀念, 所以發電稅的輸出電壓波形有缺口, 無線電干流比較大。
          2,分流型
          調節勵磁電流的元件為晶同管或大功率三極管。小型發電機由主繞組或編i助繞組感應的電動勢經過整流器整流變為直流之后供給勵磁絡組, 產生勵磁電流 。 分流型勵磁調節器就是將晶 l司 管或三;l張管在整流橋的直流側與勵磁繞組并聯, 分擔勵磁電流。 其調節勵磁電流的原理是, 當輸出電壓升高時, 經過勵磁調節器的調節作用, 晶 「割 管或大」力 率三極管分擔的電流増加, 致使
           
          勵磁電流,減少, 輸出電壓降低。 如果輸出電.ai降低, 調節過程與上面相反a
          目前普遍采用 (包括世界上許多著名的大公司) 的是晶聞管分流的方式調節勵確電流 。 它和司控確整流式一樣需要移相觸發電路, 線路復雜, 對周田控制電路要求高, 易出現共控(強迫關斷型電路的缺點): 控制電流和導通角不是線性關系, '控制精度差; 而_且因品聞管分流時, 晶閘管反接在整流元件上,其正相電壓波形很亂, 一旦系統(如:油機自動調速系統、電機自動f調壓系統、 負裁自控系統) 匹配不好, 會出現正半波電J:ii有數個過零等情況, 容易引起振蕩;品閘管突然導通時対電源造成諧波污染且對附近電子設備造成干擾l'l] 。
          采用三極管分流, 其基極控制電路比較簡單. 線性度要好一一些 。 以上兩種器件都是工作在線性區, 流過的電流很大, 損耗高, 發熱嚴重, 并且調節電壓的范田不寬。
          3.分壓型
          所調分壓型, 就是將電力電子器件與勵磁繞組串聯, 分擔勵確電源的電壓 , 從而調節勵磁電流的大小 a 其工作原理是, 當輸出電壓高于給定値時, 在勵磁控制器的調解下, 電子器件分擔的電壓增加, 而勵磁繞組的電壓就降低,從而,勵磁電流減少,輸出電壓因而降低。當輸出電壓低于給定值時,調節過程相反 。 例如本課題所研究的發電機其原來的,勵磁調節器就是分 圧 型. 它是,將大功率三極管與勵磁繞祖串聯, 三極管當作可變電阻使用 。
          隨者電力電子技術的發展, 新型開關器件的廣泛使用, 成 寬調制技術被逐漸應用到了發電機上, 出現了 PWM 型勵磁調節器 。 這是當前較為先進的技術, 它可以是分流型的也可以是分」壓型的 。 使用的新型器件包括 (iTR、IC,BT、 MOSFET等。
          PWM 型,勵磁調節器與前兩種調節器相比較, 不會因電 ,[ii波形面奇變而產生對控制特性的影響, 同時也簡化了控制線路; PWM 的導通率可在 0% 一一 100%之間;變化, 因此可以滿足任何負荷升壓的要求, 而且極大的提高了發電機的適應性,包括:
          l )大比例電感負載能力;
          2 ) 低功率因數負載穂定能力;
          3, ) 大起動異步電卻J機能力;
          4) 大比例非線性負載能力;
          5) 強大電磁兼容性能力;
          6) 良好的空載負載線電壓、 相電流波形;

          7)高穩定工作能力,如高到J態穩定工作能力; 8 ) 高自起勵和高恒壓能力l23]l24l[2S]。
           
           
          l.2.2,2按所用器件的類型分類
          技所用器件的裝型分為模擬式和數字式。
          目前, 在中小型發電機上使用的還是模擬方式的勵磁調節器, 特點是速度快, 價格便宜, 在性能要求不高的情況下, 其性能價格比可以滿足要求 。 但是其對電路工藝要求高, 存在零點標移現象l 功能少, 不易擴充升級, 通用性差; 維護不方便。 隨者發電機單機容量和電網容量的不斷增大, 用電設備及發電機組對勵磁控制在快速性、 可控型、 多功能性等方面提出了更高的要求,如更優的勵磁調節性能、更多和更靈活的控制、限制、報警等附加功能, 等等 。 顯然, 常規模擬似的勵磁調節器難以滿足如此高的性能要求,即使滿足了.也需要增加功能組件或重新設計系統,大量的硬件電路的勵磁調節器裝置十分復雜,增加了維護工作量,降低了裝置可靠性,而且其糖力也是有限的. 在這種情況下,隨著數字控制技術、 計算機技術、 徴電子技術的飛速發展和日益成熟, 同步發電機組采用數字式勵磁調節器己成為發展趨勢t22l 。
          與模擬式勵磁調節器相比較, 數字式勵磁調節器具有以下優點:
          l ) 由 f計算機具有的計算和邏輯判斷功能, 使得復雜的控制規律可以在勵磁控制中得到實現;
          2)調節準確、精度高,在線改變參數方便;

          3) 可以實現完各的限制及保護功能、 通用而靈活的系統功能、 簡單的操作以及智能化的維修和實驗手段;
          4)可靠性高,無故障工作時間長;
          5)通信方便;
          6] 便于產品更新換代l2211。
           
           l.3本文研究的主要內容
           
           本文研究的主要內容有:
          1 ) 研究了三次諧波動磁單相無刷同步-發電機的結構特點, 主要是?iib磁系統的結構特點, 建立了系統的數學模型: 討論了衛量發電機輸出電j[[i穩定性的性能指標, 分析了發電機對,勵體調節器的性能要求 。
          2 ) 通過實:驗詳細分析了原來單閉環三概管分壓型勵磁調節器的性能f

          發現其存在起動時電壓沖擊大、 空截時電壓波形不平穩、 突加負載時動,態 壓降和穩態壓降大、 穩定時間長等缺點,. 分析了其原因。
          1 ) 為該發電機重新設計了勵磁調節器。 針對傳統的勵磁調節器只有電壓反饋的單閉環結構和分流調節的方式,借鑒了直流電動機雙閉環調速系統的優點, 設計了具有勵磁電流內環和電壓外邱 的雙閉:l不結構新調節器, 并且采用 PWM方式調節勵磁電流 。
          4 ) 根據柴油發電機的數學模型及設計指.標, 綜合發電機對穩態和動態電壓調整率的要求, 采用工程設計方法, 即利用指標和參數關系己知的典型壞節設計了電流調節器和電壓調節器,5 ) 通過實驗對比了新舊兩種調節器的性能,證實了雙閉壞和 PwM勵磁電流調節方式優于單閉環和三極管分壓的方式。


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