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同步电动机的启动与励磁控制原理


同步电机的启动与励磁控制原理
一、

概述

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是:稳态运行时,转子的转速和电网频率 之间又不变得关系 n=ns=60f/p,ns 成为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒为 常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电 机为主。
二、

工作原理

主磁场的建立: 励磁绕组通以直流励磁电流, 建立极性相间的励磁磁场, 即建立起主磁场。 载流导体: 三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动:原动机拖动转子 旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组(相当于绕 组的导体反向切割励磁磁场)。 交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢 绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相 对称交变电势。 通过引出线, 即可提供交流电源。 交变性与对称性:由于旋转磁场极性相间,使得感应电势的极性交变;由于电枢绕组的对称性,保证 了感应电势的三相对称性。 1 同步发电机的工作原理 同步发电机是根据电磁感应原理制造的。主要组成部分如图 1。现代交流发电机通常由两部分线 圈构成;为了提高磁场的强度,一部分线圈绕在一个导磁性能良好的金属片叠成的圆筒内壁的凹槽内, 这个圆筒固定在机座上称为定子。定子内的线圈可输出感应电动势和感应电流,所以又称其为电枢。发 电机的另一部分线圈则绕在定子圆筒内的一导磁率强的金属片叠成的圆柱体的凹槽内,称为转子。 一根 轴穿过转子中心并将其紧固在一起,轴两端与机座构成轴承支撑。 转子与定子内壁之间保持小而均匀的 间隙且可灵活转动。这叫做旋转磁场式结构的无刷同步发电机。 工作时,转子线圈通以直流电形成直流恒定磁场,在柴油机的带动下转子快速旋转,恒定磁场也随 之旋转,定子的线圈被磁场磁力线切割产生感应电动势,发电机就发出电来。 1—前端盖;2—出风盖板;3—轴承;4—定子;5—端子箱侧板;6—电压调节器;7—调节器支架;8— 端子箱顶盖;9—端子箱前后板;10—接线板;11—接线板支架;12—端子箱侧板;13—吊攀;14—轴承 盖;15—进风盖板;16—后端盖;17—励磁定子;18—励磁定子固定螺栓;19—轴承;20—旋转整流器;21 —励磁电枢;22—接地牌;23—转子;24—风扇;25—永磁机机壳;26—永磁机转轴;27—永磁机转子;28 —永磁机定子;29—永磁机定子固定螺栓;30—永磁机转子固定螺栓;31—垫圈;32—永磁机盖板 转子及其恒定磁场被柴油机带动快速旋转时,在转子与定子之间小而均匀的间隙中形成一个旋转 的磁场,称为转子磁场或主磁场。平常工作时发电机的定子线圈即电枢都接有负载,定子线圈被磁场磁 力线切割后产生的感应电动势通过负载形成感应电流,此电流流过定子线圈也会在间隙中产生一个磁 场,称为定子磁场或电枢磁场。这样在转子、定子之间小而均匀的间隙中出现了转子磁场和定子磁场, 这两个磁场相互作用构成一个合成磁场。发电机就是由合成磁场的磁力线切割定子线圈而发电的。由 于定子磁场是由转子磁场引起的,且它们之间总是保持着一先一后并且同速的同步关系,所以称这种发 电机为同步发电机。同步发电机在机械结构和电器性能上都具有许多优点。 2 同步发电机的维护 同步发电机是柴油发电机组的关键部分。 为柴油发电机组建立一个合适的工作环境,做好日常维护 是十分必要的。

发电机房内的高温、潮湿和空气污染物是引起发电机故障的最常见因素。粉尘、灰尘和其它空气 污染物的积累会引起绝缘层的性能变坏,不仅易形成对地的导电通路,还会使转子轴承部分的摩擦力增 大而发热。湿气以及空气污染物中的湿气极易在发电机内形成对地的漏电通路,引起发电机故障。机房 内温度过高会使发电机组工作时产生的热量难以散出,造成其输出功率下降、机组过热。所以机房的防 尘、防潮湿、通风降温就必须引起足够的重视。无论是单轴承发电机还是双轴承发电机,它们的转子轴 与柴油发动机主轴之间连接的同轴度要求很高。 长时期运行后的机组有时同轴度可能降低,导致发电机 燥声增大,温度过高。应定期检查、维护以保持同轴度良好。 负荷超出发电机的额定负载范围,或三相负荷很不平衡,也会造成发电机效率降低和过热。 3 同步发电机的调控 同步发电机在其额定负载范围内允许带各种用电负荷。这些负荷的输入特性会直接影响发电机的 输出电压;当负载为纯电阻性时,因为同步发电机的定子端电压——电枢端电压与负载电流是同相的, 所以使得转子磁场的前一半被定子磁场削弱,而后一半又被定子磁场加强,一周内合成磁场平均值不变, 发电机输出电压不变。负载呈现为纯电感性时,则因负载电流滞后电枢端电压 90°而使得定子磁场削 弱了转子磁场,合成磁场降低,造成发电机输出电压下降。 若负载是纯电容性的,负载电流就会超前电枢 端电压 90°,从而使定子磁场加强了转子磁场,合成磁场增大,发电机输出电压上升。可见;合成磁场是 使发电机性能变化的一个重要因素。而合成磁场中起主要作用的是转子磁场即主磁场,因此,调控转子 磁场就可以调节同步发电机的输出电压改善其带负载能力,从而达到在额定负荷范围内稳住发电机输 出电压的目的。 (1) 同步电机转子的励磁 所谓励磁即是向同步发电机转子提供直流电使其产生直流电磁场的过程。 同步发电机转子凹 槽内的线圈就是由称做励磁机的一个专门的设备为其供以直流电形成直流磁场的。早期的发电机 是采用单独的励磁机给转子线圈提供直流电的,系统庞大而复杂。随着技术的进步,现代同步发电 机都是将发电机与励磁机组装在一起构成一个完整的发电机。 励磁机其实就是个小发电机,它的工作原理与同步发电机一样。 所不同的是它的定子线圈和转子线 圈所起的作用与同步发电机——主发电机正好相反;固定在主发电机定子旁的励磁机的定子线圈通以 直流电形成直流磁场,而安装在主发电机转子轴上的励磁机的转子线圈成为输出电动势的电枢。 励磁机 的转子与定子内壁之间也是保持着小而均匀的间隙。这也称为旋转电枢式结构的无刷同步发电机。安 装在主发电机定子旁的励磁机定子线圈的直流电,是由主发电机定子线圈即电枢的部分输出电压经整 流后而得到的。与主发电机转子同轴安装的励磁机转子线圈在其定子线圈产生的磁场内旋转、切割磁 力线所产生的感应电动势,经同轴安装在它旁边的整流器也就是旋转整流器变成直流电流,输到主发电 机的转子线圈使其产生直流转子磁场。从而达到了对主发电机转子线圈励磁的要求。 (2)同步发电机输出电压的调控 调控的目的就是实现在同步发电机额定负荷范围内稳住输出电压。调控技术的理念是实时地从主 发电机电枢取得电压和电流,经整流和负反馈调理后供给励磁机的定子线圈,使其产生变化规律与主发 电机输出电压变化规律相反的直流电磁场,这个磁场也必然使励磁机转子电枢的输出电压及旋转整流 器供给主发电机转子线圈的直流电流按同样的规律而变化。 从而起到实时调节主发电机转子磁场大小, 使主发电机在额定负荷范围内保持良好输出特性的作用。 对发电机输出电压的调节过程,可以用以下的流程表示; 由于负荷增加使主发电机电枢电压↓(降) →经负反馈调理后励磁机定子电流及磁场↑→励磁机 转子电枢输出电压↑→旋转整流器输出电流↑→主发电机转子磁场↑→使主发电机电枢电压↑

若主发电机电压升高,则其反馈调控使以上各环节作用降低,导致电压回到额定值。 可见通过励磁机实时调控主发电机转子磁场的大小,就可以稳住输出电压。 这其中起重要作用的是 负反馈调节单元,通常称其为恒压励磁装置和自动电压调节器。 (3)自动电压调节器 现代交流同步发电机常用自动电压调节器 AVR 这种电子部件调节励磁机定子磁场的强弱。 虽然 AVR 的种类很多,但性能大同小异;都是实时采样主发电机的输出电压值与预先设定的值相比较,用比较的 结果去调节脉冲宽度调制器 PWM;输出电压值高则调制器输出脉冲宽度窄,反之则宽。然后再用这些脉 冲去调控大功率开关器件即三极管或场效应管控制送入励磁机定子线圈的电流的时间。从而使它的磁 场强弱随着主发电机输出电压的变化而相反变化;即输出电压升高则励磁机定子磁场减小,输出电压降 低励磁机定子磁场增强。从而达到负反馈调控的目的。 图 2 自动电压调节器电路原理方框图 图 2 是常用的一种 AVR 类型。 取样自主发电机输出电压的信号从 8、 两端输入到电压测量比较单 9 元,与内部预先设定的电压值(例如 380V)相比较。 比较结果以输出电压 UA 送入脉冲宽度调制单元 PWM, 输出电压 UC 送入低频保护单元。电压测量比较单元的 L、S、H 是连接主发电机输出电压幅值调节电位 器的三个端子。 脉冲宽度调制器由稳压器输出的直流电压 UCC 作为工作电源,以确保其性能稳定。它的输出电压 UB 控制调制管 VT3。若由电压测量比较单元送来的 UA 大,表明主发电机输出电压升高,则大的 UA 就会 使脉冲宽度调制器输出的脉冲 UB 的宽度变窄。 窄的脉冲就会使 VT3 导通时间短,通过的电流少。 反之, 主发电机电压降低 UA 变小,脉冲宽度调制器输出的脉冲 UB 的宽度随之变宽,从而使 VT3 导通时间变长, 通过的电流增多。 励磁机定子线圈一端接在端子 X1 上,另一端接在 XX1 端子上。由主发电机电枢送来的 EA、EB、Ec 三相电压,经过三个二极管 VD10、 VD11、 VD12 整流后,电流从 X1 端流入励磁机的定子线圈,由 XX1 流出, 再经过调制管 VT3 和 XN 端子流回主发电机电枢,形成励磁机定子线圈的励磁电流通路。VT3 是这个通 路上的开关,它导通时间长,则定子线圈流过电流时间长,定子磁场强度大;VT3 导通时间短,定子线圈 电流少,定子磁场强度小。 AVR 就是这样调控主发电机的电压的;主发电机由于负荷原因输出电压升高,电压测量比较单元输 出的 UA 随着升高,受 UA 控制的脉宽调制器输出脉冲 UB 宽度变窄,开关管 VT3 导通时间短,励磁机定子 磁场减弱,转子电枢电压及旋转整流器输出电流随之减小,导致供给主发电机转子的励磁电流变小,则 主发电机因其转子磁场的减小而使输出电压降低。反之,AVR 的负反馈调控功能就会使主发电机的输出 电压升高。 在主发电机因负荷超出额定值而输出极大电流时,柴油发动机也需随之输出巨大的动力以致导致 其转速低于额定值。低频保护单元的作用就是在这种情况下限制励磁机定子线圈里电流的超额增大。 它以电阻和电容构成的充放电支路预先设定一个低频保护点,当主发电机负荷正常时,从电压测量单元 来的 UC 小于低频保护点,则低频保护单元输出的电压 Ud 高,二极管 VD8 被截止,Ud 到不了脉宽调制器, 起不了作用。 若主发电机超载则 Ud 变低,VD8 导通,Ud 和 UA 就可同时作用于脉宽调制器,使其输出的脉 冲 UB 随 Ud 的下降而变窄,调制管 VT3 导通时间随之变短,励磁电流减小励磁机定子磁场变弱,从而导致 主发电机转子磁场减小。发电机输出电压下降、电流减小。低频保护单元起到了保护励磁机和主发电 机的作用。


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