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          諧波勵磁單相無刷同步發電機-小型柴油發電機勵
          添加時間:2017-02-23 04:08:34
          第2章諧波勵磁單相無刷同步發電機-結構特點
           
           
           2.l增波勵磁單相無刷同步發電機的結構特點
          本課題所研究的對象是三次諧波勵磁的單相無刷凸被同步發電機。該發電機由主發電機(同步發電機), 交流勵確機、 旋特整流器以及勵磁調節器等主要部分組成, 主發電機轉子、 勵磁機電拒和旋轉整流器都裝在同一個軸上一起旋轉, 勵磁機磁極固定在轉子內側 。 主發電機是旋轉磁場式的, 特子為凸極轉子 。 勵確機是旋轉電樞式的三相交流發電機? 發電機結構如圖2-l 所不o
          該發電機結構有三大特點,一是無刷,二是單相,三是諧波勵磁. 。 以下將分別從這三方面詳細介紹.其特點。
            
          2.1.l無刷發電機
          交流動磁機和施轉整流器是使同步電機從有刷進化到無刷的關鍵部件。 在無刷發電機上, 主發電機勵磁轉子、 旋轉整流器和交流勵磁機電拒都安裝在同一個軸上, 旋轉中彼此處于絕對靜止狀態, 因此可以用固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 。 交流勵磁機的輸出出整流器整流后, 直接送到同步發電機的轉子動磁繞組中去 。 交流勵磁機實質上是旋特電樞式的交流發電機, 勵磁繞組在定子上, 用直流電來勵確, 特子是電頼. a 勵磁機一般采用三相發電機. 為了提高,勵磁系統的反應速度, 頻率 一般tt主發電機高, 可高達數百,ffz,。  因此, 交流勵磁機的極數比主發電機高, 但最好不成整數倍。旋轉整流器多為三相全波整流電路,也有來用三相半波的,后者雖然元件的數量可以減少一半,但其原件承受勵磁繞組感應的過電壓要大一些,而且使交流,勵磁機的利用率降低,所以普遍采用三相橋式全波整流 。
          正是這種無刷勵磁結構, 取代、 革除了以往故障率高的碳刷滑環結構, 使發電機制造技術得到一次飛躍 。 隨者半導體和電子技術的發展, 這種無刷勵磁技術早已成熟可靠, 以致使無刷發電機成為故障率概低、 幾乎不需要重性修的半永久性設備 。所以 , 早在70年代, 無刷勵磁就成為西方發達國家的主
           
          Wa j動確機特·子鏡組    We主發電機定子繞f日  Rl建」「i,,電阻
          Wb勵磁機定子鏡組    Va 盤流器f目合        V1,t功華二概管
          Wc_ii發電機暗波t是組  Vb壊流二般管          R.R·電阻
          Wd主發電機激磁境組   V,c整流橋
          圖2-1諧波動磁單相無刷同步發電機結ttJ圖
          :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
          導產品, 分析世界發這t型家的同類產品. 當數德國西門子公司的!F6系列無刷發電機最為出色, 其性能指標具有世界一一流水平 。我國從70年代起開 始研制無刷發電機,技術上也已成熟,形成了 TFW小型無刷發電機系列,但是相比之下, 我國的技術相對落后, 還存在者一·定的差距 a
          無刷勵磁方式具有結構緊湊, 維護方使, 通 ill干挑 小等Ji尤,點 。 實 跌表明, 當硅整流其質量良好時, 運行時相當可靠的 。 又由于增加了交流職磁機這個放大J,不 節, 使控制勵確的容量大大下降, 因而電壓自動調節系統的元件可以造擇的較小 I23lf24l[2Sl  由于這些優點, 無刷勵磁方式得到了越來越廣泛的應

          無刷勵確系統也有不足之處 。 無刷勵確與有刷勵磁相比, 由于多了勵磁機, 使反饋控制發電機負載變化多了一體電特換環節, 使穩壓控制反應速度比有刷稍慢 。 另外因為發電機轉子回路沒有檢測使表, 因而對轉子回路的運行情況無法監視l2S1 。
           
           
          2,l.2單相發電機
           
            
          2,.1,2.l 單相同步發電機的電框反應
          單相同 多·發電機的電樞結組是単相結組.電 版 電流til是単相交流電流.「到此電 頼 反應磁動勢是脈振磁3j勢,磁到f 勢的基波福值為
           
           
          i =0.9fWK中/p  (A) 
            
          式中  !a,-'一一 電樞電流(A);       Wa一一電樞繞組串聯匝數;
          Kdp一基波繞組系數;    p一極對數a
          本課題研究的發電機額定電流 ,!a,~,=·9.7.‘4,極對數 p電 l 。 發電機電板原來為單層同心繞組· 由于發電機帶非線性負載時輸出電.[Ii 正整波畸変嚴重, 因此將電頼,繞組改造為正弦繞組,使電壓的正弦性大大提高 。
          一個 脈振磁勢可以分解為兩個幅值相同并以,,s速度正、 反向旋結的旋轉磁aJ勢,其幅值為
           
           
          f」r= f,; = l/2.F;, =0,45/nK中 /p
           
           
          式中 ff,l一正序磁動勢幅值(』),          .F。2一負序磁場幅值(.fl)
          正序磁卻j勢和特子磁動勢相對固定, 其作用與多相電機的電板 反應一樣, 西者的合成磁到f勢產生的合成旋轉確密, 在電框中感應出有用的電動勢., 負序磁理f勢相對定子以,,,,s (在本例中 ns·=3000轉)轉速旋特, 相對定子以_2n,旋特, 在特子的鐵心、勵磁繞組和阻尼繞組中感應出兩倍頻率的電量0 勢和電流, 并產生 野i加的銅. 鐵損耗 。 由于同步電機的特 子的直抽和交抽的磁路和電路都不一樣, 因此負序電年區磁動勢的反轉確場非常復雜, 它將隨其抽線相対磁般位.責 的改變而改變 a 在隱扱電機中,因直抽和交抽的磁導基本相同_在勵磁t堯 組·;「f路時.負序磁場幅值基本上保持一致_由于 勵 磁結組匝數技多.在此時將感應出很高的倍頻電型f勢.其值可達 20~30 倍動 磁電圧_當勵確境組閉合日',f. 在繞組中將產生倍頻電流. 一般勵磁繞組也是単相 書差 組,倍頻電流形成的,l磁 到
           
          勢也是脈振磁動勢,同樣可以分解為相對轉子磁扱以±2M, 旋 特的兩個磁動勢, 由于特子以,1s轉速旋轉,所以他們分別相對電框以-,,l」和3M,.,轉速旋轉,后者在電樞鏡組中感應出 11fi 的倍頻電動勢和電流,同理,3yi 電樞電流又反作用于轉子而感應出 領i的電動勢和電流,以此類推,在轉子繞組中將產生一系列的偶次諧披電動勢和電流,在電樞報組中將產生一系列奇次諧波電,動勢和電流,使發電機的電壓波形畸變并增加損耗?
          在凸般電機中, 轉子的磁路和電路都不對稱, 在直軸上, 由于勵磁繞組的阻尼作用, 使負序確通 02d有較大的削弱, 在交軸上, 由于阻尼作用較弱, 故脈振磁動勢削弱的不多, 但交軸磁阻很大, 因此交軸負序確通 φ2., 仍然不大 。 所以在無阻尼第組的単相發電機中, 負載時凸極電機的電樞繞組中的 新i 電動勢分量比隱極電機小一些,加上阻,Flli絡組就更小a所以大多數單相發電機轉子多采用凸極, 而且有阻尼繞組「l6lf26ll27u2S] 。 本發電機就是采用這種結構。                
           
           
          l.l.2,.2 消除負序職場的方法和阻尾統組
          負序磁場會引起-一系列不良的影響, 所以應采取措施削弱負序磁場, 雖然直軸上有勵磁繞組, 它有一定的阻尼數果, 但仍希望不用勵確繞組來承擔削弱直軸負序確場的任務, 而希望用阻尼繞組來削弱負序磁場 。 在単相電機中, 全阻尼繞組的效果最好, 若受條件限制不能設責全阻尼繞組. 可以僅設置交軸阻尼籠. 而直軸的阻尼任務由動磁繞組承擔 。 為了提高阻尼效果. 阻尼繞組的電阻值.Ri, ,應遠小于感抗值 Xi, 使阻尼繞組電流落后其電勢90, 使阻尼磁動勢與負序確動勢接近反相 。
          采用對稱多相勵磁繞組也能有效的削弱負序確場, 這里就不多述了 。 本課題研究的發電機由于對電壓披形正弦性要求較高, 在轉子上設置了 5 根阻尼條[16][26l[27l[28,] 。
           
           
          2.l.2.4單相繞組
          設計繞組時, 要求用一定的導體數獲得較大的電動勢, 電;動勢波形要接近正弦波,用銅量要少,銅損耗小以及I藝性要好。因此,單相電樞繞組一一般只利用總槽數的2/3~4/5, 空出 1/3左右槽數作為通風道或嵌輔助繞組 。 因為利用全部槽數的單相鏡組的繞組系數只比 2/3, 槽數的繞組系數大 l3.4%, 但銅量卻增加33,3%, 另外2/3權數的單相繞祖總匝數少, 阻抗小,又能消除空載電動勢中的三次諧波電動勢, 所以從技術經濟指t示考 慮 , 利用 2/3 糟數的単相繞組較有利, 從電機利用率考慮 . 利用75%槽數的単相統組為最高 。 
           
          -·般, 単相繞組采用單層同心式繞組, 且線田組數等·F,極數, 因為這種繞組的用銅量最少, 嵌線方使, 面對電動勢波形要求較高時, 可采用 l 20°相帶的雙層繞組或正 j左 分,布 繞組 。
          本發電機定子總槽數為 30, 原先所用為各相「導體數不等匝的單層同心繞組,所占槽數為_20,利用率為6,6.7%,三次階波繞組與主繞組在同-糟里, 占了 8 個槽。 同樣為了提高輸出電壓波形正弦性, 將主繞組改為正弦繞組Il6ll27ll2e]
          2,1 .3 三次諧波勵磁
          本發電機另一個特點就是三次諧波 勵磁 。 三次諧波勵磁系統是一種按擾事J控制實現的自立恒 圧 的勵磁系統 g
          在同步發電機的氣隙內的勵磁磁場中總含有一系列奇次諧渡分量, 特別在氣隙不均勻的凸極機內, 含量更大, 而 ::i次 i皆波又是最大的一種諧波 a 在
          -.
          」8laf3
          -         .
          -i'     -'     -l8?3   通0l十·a'“jf3
           
           
          2.2三次惜波體場的向量
          Fig,2-2 Wectots ofTreble H,a;rm,onious Ma,g,neti,c IField
          三次諧波發電機的定子槽內, 除了主繞組外, 還有一套諧波裝組, 它與主繞組互相絕緣, 其線圈節距小于等于極距的三分之一, 這樣, i皆波繞組中感應的基波電勢為零, 而三次以及三的奇數倍數次諧波的電勢均不為零 。 將諧波繞組的出線端經整流裝置接到交流勵磁機的勵磁繞組, 作為」勵磁電源 。
          負載時, 諧波勵磁系統具有恒壓作用? 當發電機帶有負載時, 直交軸電板反應磁場和勵磁磁場-一樣, 也含有三次及三的奇數次諧波, 若負裁是感性的,且發電機的極弧系數大于2/3倍的扱距時,在電樞反應確場中,這些譜波分量對此磁場中同次階波分量起助磁作用 。 直軸電樞反應磁場中的三次 i皆波分量 8:3與勵磁磁場中的=;次惜波分量 3i,之間的角位移為等。交軸電
           →     -l
          樞反應磁場中的三次諧波分量8_較.So,前移 f /2電角度 。 將這些向量合成,
           一,      -l'
          就顯示出 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的出現會使氣隙中三次諧波磁場增強,因此:負載時.氣隙磁場中的三次以及三的奇數倍數次諧波分量増加, 譜波繞組內部的諧波電勢增大, 從而使勵磁電壓升高, 勵磁電流自動増加, 便可満足發電機勵磁的需要, 而使發電機端電壓自 前控制在一定的水平上 。
          諧波勵磁系統中關鍵性的部件就是諧波繞組,它綜和了按擾動控制實現自勵恒壓系統中的各元件的功能?要使系統的性能滿足發電機技術條件的要求, 必須設計好諧波繞組 。 但是同步發電機轉f的一些幾何尺寸及結構形式直接影響到氣隙確場的分布,并控制確場中三次諧波含量及在諧波繞組中的諧渡電勢, 這些因素將導致系統性能上的差異。 不僅如此, 主磁路的飽和程度、 工藝的分散性等一·些不可估量的擾動都會給系統控制信號提供的補償度發生變化, 使系統精度降低。 雖然諧波勵磁系統是按tli動控制實現自動恒壓的各種勵確系統中結構最簡單的一種,但是由于上述原因,要精確設計計算這種勵磁系統是困難的, 一般只能采用估算、 近似或經驗的計算方法 。
          這種勵磁方式的主要優點是:
          結構簡單,制造方便,價格便宜,節約材料.運行可靠,通用性強,維護方便, 比較適合于中小型發電機。
          穩態和動態性能都較好 a 這種發電機的勵磁電流對負載的變化具有良好的跟蹤能力, 這種跟蹤能力不僅使發電機在穩態運行時有一定的恒壓特性, 而且在動態過程中, 也具有良好的特性, 穩態電壓調整率可達±5%。 
          缺點是;
          l )電壓披形正弦性畸變較大。
          2)自建壓困難,必須附加起勵裝置。
          3, ) 不宣采用分流方式. 否則在負載狀態時, 分流太大, 將會燒壞諧波繞組或整流器件l16]i27l間
          本發電機用起動電阻來建iE , 用二_i,扱管分Ii 方式調ti-勵確電流, 勵確電流幾乎完全從三極管流過, 額定負載時勵磁電流很大, 三被管損耗嚴重 。
          2,2諧波動磁單相無刷同步發電機的工作原理
          當柴油發動機拖動主發電機旋特時· 交流勵磁機的電樞繞組首先將切割剰磁自勵發出交流電,然后經旋轉整流器變成直流, 送入主發電機轉子繞組以勵,磁 。 這時主發電機的輸出端靠剩磁所建電壓為 84V  主發電機的三次 清波絡組也靠剩磁建壓, 經全波整流后變為直流電, 作為 勵磁機的勵磁電源 a 因為勵磁調節器的電源是發電機提供的, 起動時輸出電壓太低, 勵磁調節器不能工作, 功率三極管是斷路 。 不過由于與三極管并聯了一個起動電.阻, 三次諧波電源可以通過該電阻進入勵磁機的勵磁繞組供勵磁機勵磁 a 這是一個正反饋的過程。電壓很快上升到200V左右,勵磁調節器投入工作,輸出電壓最終穩定在230V左右。因為動磁電源取自自身,所以這種發電機屬于白勵恒壓發電機 。 只要調節交流勵磁機的勵確電流, 」就可以改變主發電機的勵磁電流, 從而控制主發電機的輸出端電壓, 連接于_:t發電機輸出端和交流勵磁機定子磁場繞組之間的白動電壓調節器就可以穩定:t發電機的端電壓[ l6![lSiu9l[2,,0l

           
          2.3發電機組的數學模型

          交流勵 磁機的傳遞函數為;
          K
          =一二= ,Lf_ (.s')
           
          其中                                  K?」:=1/」R,,f
          1 = i /Re
          fe一交流勵磁機勵磁電流,       ue一交流勵磁機勵磁電壓;
          是e'交流勵磁機勵磁第組電阻; ie一交流勵磁機勵確繞組電感;
          Ke'交流勵磁機放大系數;       fe一交流動 磁機的時問常數 。
            l5-
          (2,5 ) (2-6 ) (2-7)
           
          勵磁機的三相交流電經過整流, 通到主發電機的轉子繞組_里, 壓為                         Ve(s)=2.34V/(,s,)日f配由.it1l,L,               l/_、    U,e(S')                    S'   Rg+igs定子電樞電勢為         i(s) = 4.44,ft,,,N〇同理,''                      ,〇,==,t,gf,e,(s')lg一主發電機磁通與勵磁電流近似比例
          i,/, (.f) 時 if(s) =4.44f,,K~'Nf〇l
            
          L,/ 一交流勵磁機電拒相電壓;
          9f一交流勵磁機電樞相電勢;
          f 一交流勵磁機頻率, ff:=200Hz1
          K,,,f一交流勵磁機電樞基波繞組因數 l 
          Mf 一交流動磁機電樞每相繞組的串聯匝數; (l)f一交流勵磁機磁通幅值。
          如果不考慮飽和,磁場近似為線性,
           
           〇/ =tf!e
           
           ?f一勵磁機確通與勵磁電流近似比例系數 g
          所以,
          測理l=a,,tliL,./?
          Vf(S)-,44ff」K,, Nf&, fr(.f)
           (2-l0) 其勵磁電 
          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
          其中比例系數
          je('f) ;:
          高一
           .,K;L,=, 4.44x2_34)(4_44 x聲w船gffK,.,/″l if/ 
           
          時間常數
          l = ig/最
          圖2-3 無刷 投電機系統動態結構圖
          Fig. 2-3 Dyn,amic Str:Lletur,e of B:rllsh!ess Cie:nerat,or Sys,tem
           
          發電機輸出電壓為
           
          Lf(,sL) = E(s)-f(,s)(.a‘r+ ia,s,)
           
           = f;_s,+ l)(ls+ l)
          V.(s) -(is+.a'‘,)f(s)
          (2-l8)

          f一電樞電流;
          足a一電樞電阻 l
          i,a·一 電樞等效電感, 實際上忽略「直軸和交軸的區別
          綜上, 無刷發電機系統的動態結構圖如圖2-3所示 。
          本課題所研究之發電機組電氣參數如表2-l所示。
           
          表2-1柴油發電機電氣參數
          T,able2-1 El,ect]ric Pararneters, ,ofDies,e[ (ierleratoI'
                             
            電壓     因        數      
          l (rpmi (Hz)
          ill(Wi (V) ( A) 流(A) CaSt!) ,[1iilV)
            2 230 9'.7 0.5,6,8 0,'g l1.3, ,3,000 50 F
                            
           
          用伏安法測得:
          」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
          圖2-4發電機本體幅頻特性和相頻特性
          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 

          空載時輸出端電壓為 230V表流,勵磁機的勵確電流為 0. 1 362A,所以
           
          Kg, = 230/0.13,6,2.=l683.7
          利用 M,ATLAB 可以求出發電機空載時的幅頻特性與相頻特性l7l]I72l_如圖 3-3 所示。其幅值裕度 GM為負無窮,相角裕度 PM為17.52°,剪切頻率 ωe為l 55 _48rad/se,e 。 發電機的相角裕度太小,很難穩定.而且低頻時幅值不能 事良快下降.響應慢,因此需要校正。
           
          2.4勵磁系統的作用和指標

          2.4,l勵磁系統的作用
          Fig. 2-5 v,ecture ,of Sajient Pole Syncihlro1rliolus (ienerator
          前面已經說過, 勵磁系統由勵磁功率單元和自動電壓調節器組成, 前者向發電機的勵磁繞組提供直流勵磁電流. 后者根據發電機的運行狀態, 自動調節勵磁功率單元輸出的勵磁電流的大小, 以滿足發電機運行的要求 。 勵確系統主要作    用就是無論發電機在穩態運行還是暫態運行過程中,保持機端電壓在給定水平上。 當發電機負載變化時, 端電壓會隨之變化。 由凸扱發電機向量圖可知

          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一電拒內阻:
          Ka廣 直軸電樞反 應 電抗 , Xd一直軸同步電抗;

          Xf = 「g 十K時
           
           
          f 一電樞漏抗:
          Xgg一交軸電樞反應電抗,, Xg一交軸同步電抗 。

          - lg-
           
            V式中 tf一額定電壓(或95%額定電壓), r;V廣負載突變后瞬時電壓的最大值和最小值, y?20-
           
          ·
          由式(2-1 7)可知,發電機空載電動勢恒定時, 負載增加時端電壓 v 隨負荷電流增大而降低, 甩負載時. 負載電流減小而使端電壓升高。 要保證發電機機端電壓 U恒定, 必須隨發電機負載電流 f的增加(或減少)而增加(或減少)發電機的空載電動勢 .9,o,,而 ,a·o是發電機勵確電流1y的函數,如不考慮飽和,則 9o和 ff成正比;而 ff又是交流勵磁機勵磁電流 fi,的正比例函數。 所以當發電機負載改變而引起端電壓改變時, 需要通過勵性調節作用, 自 到f增加或減少勵磁電流, 使發電機電壓維持在給定水平上 l l'6'1[ l8I[」9M''6]l29'」 g
           
           2.4.2衡量發電機動磁系統性能的指標
          術量發電機勵磁系統性能的指標有穩態電壓調整率、 動態電壓調整率和穩定時間等。
          穩態電壓調整率 δ″ (%)   (irB/T28l9規定,指負載新變和突變前后穩定的電壓變化,用期定電壓的百分數表示,按式(2)計算;
           
           
          前 = 學x1oo%                                             (2_2,o)
           
           
          式中 V一額定電壓(或95%額定電壓), y;
          Vl一負載漸變和突變后的穩定電壓,取各讀數中(相對于 ,t,'差值大)的最大值和最小值, y。
          瞬態電壓調整率 fa( %)  指負載突變后的過渡過程中最大的電?[ii 變化. 用規定電壓的百分數表示, 分突加和実減負載情況, 技下式計算

          (5Ve,=
          Vs -V

          x100%

          (2-2 l )

          電壓穩定時間 t ( ,s)  指從電壓突變時起至電壓開始穩定在與穩定電壓相差± fV范圍內止所需的時間[3]同 。
          輸出電壓典型的加載和卸載電壓特性曲線如圖所示 a 曲線圖的左部顯示l00%額定電壓空載穩態曲線, 當加上負載后, 電」l:i,.立刻下降。 電壓調節器監測到電壓降后, 迅速增加勵磁電流以便電壓恢復至額定值 。 電圧恢復周期是指機組加裁到電壓恢復至電壓調節范田為±2%的這段時「日j 。通常當發電機組一步加上l00%額定功率負載時(功率因數為 0.3),瞬態電壓降為正常電壓 
           
           
          的 l 5%一一45%,恢復時間為幾秒鐘, 具體時同由發電機組的容量而定 。 另外由于發動J機的功率有限制. 當加上負載后. 會產生頻率降。 通常當發電機組一 步加上l00%額定功率負載時,頻率降為正常頻率的5%,~l5%,恢復時間為幾秒鐘。 対于品牌眾多的發電機組, 由于電壓調節器的特性、 調速器的響應、發動機的進氣系統以及發動機和發電機的匹配方面區別較多, 發電機組的性能也差異很大 。 設計發電機組時, 一個重要目標是將頻率和電壓瞬態變化限制在可以接受的范圍內 [29l[3o][3ll ?
           
          解態電Ei      n態電壓組調 二
          一一一一一,__
          _ __ l ''l ll · __
            
          加報 電,」1i
          → 一歯 復時l可
          電壓·lJll節范電為:;l:l%
          l   _    _    _   _·l●·
          -     l      --      -       -     l  ··
            
           
          如義電壓l-
          較a時間

          空裁構態電壓

          加L常!1Mt窓電壓
           
          圖2-6 典型加裁和卸載電壓特性
          Fig.2-6 Typica1 Loading and l;_Jn,loading Voltage Charact,eris,tic
           
          2.5原動磁調節器
           
          2.5,l原動磁調:fi器的結構和原理
          一般的輸出電壓自動調節是通過電壓反饋來使輸出電壓跟蹤電壓給定的,該發電機原來的勵磁調節器就只有電壓閉.環,它采用三極管分壓方式調節勵'磁電流. 其主電路如圖 3-4所示 a
          Kl2為建壓電阻,當柴油發動機點火起理1 之后, 發電機靠剩磁能夠產生
           
           
          34,y的電J[lia 此時輸出端電壓尚未達到220y 左右,勵磁調節器的+5V電源無法工作,因此勵確調節器不起作用,三概管 y1不導通 。 勵磁電流通過電阻?Rl2, 因為 量l2很小. 確場迅速增強, 發電機輸出端電壓很快就達到220y左右, 勵磁調節器;FF始工作.
          動磁調節器為電壓反観 的單閉環系統 。它由4部分構成, 電壓給定 環 節、電壓反饋采樣環節、 校正環節、 驅動那節及過壓保護環 節, 保護環節圖中未
          - -                --  _                        -    _                   l---1
           
          li;2     l .lK R,4 C;2 R7 Ci         _ 0;                   
           
          _
           
          一lt -一一
           
          4.7●iF
            
           
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            _  
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          _Cl   Rf
          :i -
           
          '          ·=
          47[ll               
          ,     lD
             
            ·ll·ltl,l」F' l,2l::
            li9
           
           
          V2
          3.;]K               ,
          I)4    
          R.la (i) :R.l9
             
          l.■
          _   ._  
          -   -   Ni       
           
            D5
          R,l7 laK
             
           
            :2_ ;2K
          十1iV  -
           
           
           
           
           
          圖2-7 原勵體調節器原理圖
          Fig.2,-7 Plincipl,e of Form'er Exliitation, Re,g,ulator
           
          畫出。
          量4、 最5、 R田構成電壓給定環節:
           
           
          ,r,_,   Rl3十f5)
          量4+ Kll+ Rs)

          )(5 = (1.207-l,333)V
           
          表l. 」't2、 表l5、 〇l、 P4、 Cl構成電壓采樣電路,采用電阻分壓,半波整流,大電容濾波;
           
           
          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
          驅動環節由 Rg、 表lo、 量ll、 〇5、 yl、 「2構成。 y1的共射被直流電流放大倍數β1=(65~90)取75,「2的 β2=(40--50),取45。 y,的三概管輸入電阻為 rl,e」=3,60 
           
          左右, 因此勵磁電流為
           
           
          , ?_、_ (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))
           
          反饋環 節放大倍數為 ,9 =l ,333/23()=0,005,8 。
          自動勵磁調節系統的過程是: 輸出電壓增大一一一反饋電 壓增大一①端電壓下降一一運放輸出端電壓升高一?,'':2 基極電流;成小一一是lo 電壓下降一

          一 yl 基極電流減少一一一 yl 集電扱電流減少一一,勵,破機勵磁電流減少一一一一發電機輸出電壓下降。 當發電機輸出電壓下降時, 調節過程與上述相反 。
           
           
           
          2.5.2原勵磁調節器的缺點
           
           
          原來的勵磁調節器存在者以下的缺點:
          ( i)輸出電壓反饋采樣采用半波整流,反應比較慢;用大電容(470 µ月撞波, 產生了很大時間延遲,而給定信號通道中并投有加入同樣時間常數的濾波電路, 無法平衡延遲作用 。
          (2)給定信號與反饋信號的比較綜合電路, 線路復雜 。
          (;3)校正環節參數配置不合理,不是按照典型一型設計的 。 其超前校.正的時間常數沒能抵消掉勵磁機與發電機的兩個大的慣性環節的時間常數。此外與比例環節并聯者一個鉗位電阻, 在積分達到一定程度時, 該電阻發揮作用, 比例積分控制變成了比例控制, 其目的是防止運放胞和. 然而,正是由于該電阻,在加入負載后調壓不能達到無差,電壓不能穩定在恒值上,穩態電壓調整率很大。
          (4) 采用大功率三扱管調節勵磁電流, 調節范圍小.-.極管工作在線形放大區, 在額定負載時流過500,",d 以上的電流, 三極管損耗大. 發熱嚴重?
          (5)通過實驗,從其性能表現上看,啟動時電壓電壓沖擊大,達到250 y 以上_。,.負載變化時, 電壓不能穩定在恒值上, 屬于有差系統, 穩態電.[I;i調整率較高 。 突加負載時瞬時電壓降和突減負載時瞬,念 電圧_超調都比較大, 瞬態電壓調整率高, 而且穩定時問長。 以額定負載為例, 空載正定電圧 為220y, 突然加載時, 瞬態壓降為 l 05 y, 瞬態電壓調整率為 47.5%,穩態電壓調整率為4.;55%,穩定時間為520ms;実然減小到空載時,瞬態電壓超調為5I!y.,瞬態電壓調整率為29,l4%,穩態電壓調整率為4.76%. 穩定時同為370a,s,。
          綜上所述, 該發電機原來的勵磁調節器存在著諸多問題, 為了満足性能指標的要求, 需要重新設計一套勵磁調節系統 。 
           
           
           
          2.6本章小結
          本課題所研究的單相無刷同步發電機組由主發電機、 交流勵磁機、 旋特整流器以及勵磁調節器等主要部分組成,它有三個特點,即無刷、單相和三次諧波勵磁 。 無刷勵磁方式是將發電機:轉子勵磁繞組、 整流器和交流勵磁 機電

          相都在同-一軸上旋轉而彼此處子絕對靜1上狀態, 因此可以用同定的速接線進行連接, 這樣就不用電刷和換向器, 滑對;等部件? 由 f發電機定子絡田 為 學_ 相, 脈動磁場可以分解為正反兩個方向旋轉的大小相等的旋轉體場 。 為了 和制逆序磁場, 轉子上安裝了阻尼繞組 。 三次惜波,勵磁是在電極_上安裝了諧波繞組, 利用磁場中的三次惜波產生感應電動勢, 將諧波繞組的出線端經整流裝置接到交流勵磁機的勵磁繞組, 作為勵磁電源。 三次諧波勵磁具有自勵恒壓的作用, 是一種技擾動補償的勵磁方式 。
          本文對發電機本體建立了傳遞函數的數學模型, 井用伏安法測出了發電機的電感和電阻值, 計算了各項參數. 最后利用 Matl,ab進行仿真, 得到了發電機的幅頻和相頻特性a
          發電機的勵磁系統有勵磁功率單元和勵磁調節器兩部分構成。前者向發電機的勵磁繞組提供直流勵磁電流, 后者根據發電機的運行狀態, 自動調節勵磁功率単元輸出的勵盤電流的大小, 以満足發電機運行的要求, 其性能好壞直接影響發電機的供電質量 。 衡量發電機勵確系統性能的指標 有穩,態 電壓調整率、 動態 電壓調整率和穩定時間等 。
          發電機原勵磁調節器是一種采用電壓反饋的単閉壞的系統, 電』]li 調節器采用 PI控制,本文對其系統建立了數學模型,分析了其工作原理。由于其PI調節器上為了防止運算放大器飽和增加了嵌位電阻, 反而使輸出電圧 不能達到無差調節: 而且超前校正時間常數配置不合理, 抗擾性能指,l示不好; 采用三極管分壓的方式調節勵磁電流,三極管工作在線性區,流過的電流大器件損耗高, 因此重新設計一個新的勵磁調節器成為必然 。
           

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