小型無刷同步發電機新型勵磁系統—電容補償勵磁應用

林浩

摘??要：在國內通機行業，單相同步發電機（0.5～10?kVA）與內燃機（主要是汽油機）配套，組成了小容量發電機組，主要用于城鄉家庭、工地、林區、部隊野戰醫院和小型船舶等區域的照明、通訊、電動工具、醫療器械和電影機械的電源。其中，出口份額最大的是一款GG950小型單相同步發電機組（0.65～0.9?kVA/50～60?Hz），它采用的是凸極式逆序磁場勵磁無刷單相同步發電機的勵磁方式。結合相關工作經驗，詳細分析了定轉子繞組的結構、工作原理、電容補償思路及其方案，并將其與傳統無刷電容勵磁電機作比較，以供同行參考。

關鍵詞：無刷同步發電機;電容補償勵磁;定轉子繞組;工作原理

中圖分類號：TM31????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.074

1??定轉子繞組及其結構

這類發電機的定子鐵芯槽內嵌有3套繞組，一套為定子主繞組MC（占有2/3定子槽數），另一套為定子副繞組SC（占有剩余的1/3定子槽數），還有一套為提供12?V直流電源的繞組。發電機的轉子為整體凸極式結構，為2個磁極，并且每個磁極上都裝有1個磁極繞組。將羅賓系列發電機轉子的2個磁極繞組串接后，與旋轉硅整流管和過電壓保護電阻并聯，而久保田系列發電機轉子的2個磁極繞組則是單獨與旋轉硅整流管和過電壓保護電阻并聯。圖1所示即為凸極式逆序磁場勵磁無刷單相同步發電機接線原理圖。

（a）久保田系列?????????????????（b）羅賓系列

圖1??無刷單相同步發電機接線原理圖

2??工作原理簡介

無刷電機的基本原理可以分為起勵建壓和正常工作這2種狀態。

2.1??起勵建壓過程

起勵建壓的過程為：①轉子由原動機拖動放置至額定轉速（3?000～3?780?rpm/min）。②N極和S極磁鋼旋轉形成磁場切割副繞組，副繞組感應產生電壓。③根據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磁場1。該脈動磁場可以分解為逆序和順序2個磁場。順序磁場與轉子磁場同步，并且方向相同，加強了轉子的勵磁，這是電容繞組助磁的工作原理;逆序磁場則以2倍的工頻（同步轉速）作用于轉子勵磁繞組，并在轉子勵磁繞組中感應出2倍工頻的電勢。該電勢經整流二極管的整流變成了直流勵磁能量，加強了轉子的勵磁，這就是逆序磁場勵磁的工作原理。④在2方面的正反饋作用下，主繞組逐步建立空載電壓并實現了自勵。

2.2??加載自勵恒壓過程

加載自勵恒壓過程為：①增加負載，主繞組端電壓將會隨即降低。②隨著負載電流的增加，定子主繞組中的單相脈動磁場2在增大，而由脈動磁場分解成的正、逆序磁場也同樣在增大。順序磁場的增大導致電樞反應加強;逆序磁場的增大則是

借助于轉子勵磁繞組及其整流二極管的作用，加強了轉子的勵磁。③這2方面的加強使端電壓得以回升，實現了發電機的自動恒壓。

綜上所述，從理論上來講，空載時的電壓主要受電容繞組及其電容大小的影響，而負載后則由主繞組的逆序磁場補償其正序磁場電樞反應的去磁作用。但是，隨著機組的長時間運行，繞組損耗與附加損耗造成了電機溫升的上升，而脈動磁場的增大使得定子齒磁通密度趨于飽和。此時，就會出現下列情況，

2.3??實例介紹

FDW-650?W?2極無刷單相同步發電機有關數據記錄顯示，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Wa=518匝，電容繞組匝數Wc=191匝，勵磁繞組匝數Wd=580匝（每極），電容值11?uF。在實際出廠型式實驗測試中，有這樣一組數據，如表1所示。

表1??傳統無刷單相發電機組型式實驗數據

穩態電壓調整率：Δn=（Umax-Umin）/2Un×100%=2.8%，符合《JB/T?10304—2001?工頻汽油發電機組技術條件》第4.8.2條G1標準：≤±5%

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

備注：發電機在熱態額定負載的狀況下，繼續增加負載，頻率不發生變化，電壓繼續下跌，排除了動力因素的影響。

2.4??討論

如表2所示，負載后脈動磁場不足以補償，還有沒有其他補償渠道。結合實例進行討論電容繞組中電容的大小在負載變化過程中所起的作用。

表2??電容大小對無刷電機輸出電壓的影響

從表2中可以看出，隨著電容的增大，在負載過程中，電壓會隨之加大，但是，空載時的電壓超出了標準。本文希望電容補償僅在電壓低于額定電壓時起到作用。

3??電容補償思路和方案

小型單相同步發電機勵磁方式除了凸極式逆序磁場無刷勵磁，還主要有交流勵磁機無刷勵磁和晶閘管逆序磁場有刷勵磁

等。單相同步發電機常用勵磁方式的對比情況如表3所示。

綜合考慮了晶閘管逆序磁場

有刷勵磁和凸極式逆序磁場無刷

勵磁2種勵磁方式，提出以下改

進方案，原理圖詳見圖2：①保

持“凸極式逆序磁場無刷勵磁”

基本工作狀態不變。②根據晶

閘管逆序磁場有刷勵磁的工作

原理，增加取樣繞組進行反饋。

③利用可控硅斬波原理，控制附

加1個小容值電容充放電的電壓。當空載時，適當增加副繞組兩端的電容，相當于12?uF;當半載時，副繞組兩端電容基本不加，相當于11?uF;當滿載時，副繞組兩端的電容會隨著端電壓的下降而逐步增加，相當于15～18?uF。④實際測試數據如表4所示。

表3??單相同步發電機常用勵磁方式對比

表4??電容補償勵磁應用測試數據

4??與傳統無刷電容勵磁電機比較

電容補償勵磁無刷發電機與目前行業普通小型單相同步發電機相比，具有如下優點：①有“凸極式逆序磁場無刷勵磁”優點——觸點免維護;②有“晶閘管逆序磁場有刷勵磁”優點——穩態電壓調整率和熱態電壓調整率較好;③采取簡單接線的方式就可以明顯改善現有“凸極式逆序磁場無刷勵磁”發電機的整機性能，大大增強了其市場競爭力。

參考文獻

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〔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