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摘要：交流励磁发电机具有改善电力系统稳定性的优良特性，而励磁系统在发挥交流励磁发电机的优良特性方面起着关键作用。本文论述关于提供三相无刷同步发电机交流励磁机和旋转整流器的设计分析。
关键词：无刷同步发电机；励磁系统；交流励磁机；旋转整流器
在发电机正常运行或者事故情况下，发电机的励磁系统都起了重要作用，优良的励磁系统不仅能保证发电机正常稳定运行，提供合格的电能，而且有效的提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。三相无刷励磁发电机励磁系统的设计占有非常重要的地位，它直接决定着发电机的性能、运行寿命和运行可靠性。因而对交流励磁机旋转整流器励磁系统进行研究，将有效地提高电机的技术水平，有效解决由于电刷和滑环带来的问题，从而提高发电机的整体水平，增强其在国际市场的竞争实力。
1 三相无刷励磁发电机原理
该三相无刷同步发电机由主发电机G、交流励磁机GAC、旋转整流器、信号取样装置TA、TV、电压调节器等主要部分组成，主发电机转子、励磁机电枢、旋转整流器都装在同一轴上一起旋转，励磁机磁极固定在定子端盖内侧。主发电机为转极式，交流励磁机为转枢式。主发电机结构大同小异，都是转场式的，有隐极和凸极两种，交流励磁机为转枢式的。当原动机拖动主发电机旋转时，交流励磁机的电枢绕组切割励磁磁场，然后经旋转整流器整流成直流电后输入主发电机转子绕组以励磁。励磁系统经过分析比较取得的电压信号，自动调节交流励磁机的励磁电流直到主发电机的电压达到设定值。本发电机原理部分结构如图1所示。
2 三相无刷励磁发电机励磁系统简介
同步发电机无刷励磁系统解决了大容量机组励磁系统中大电流滑动接触的滑环制造和维护问题。三相无刷同步发电机的励磁系统通常包括励磁机、励磁装置、自动电压调节器和灭磁装置等设备。其作用是：当电机正常运行时，供给维持额定电压和额定无功输出所需的励磁电流；当电力系统发生突然短路或突加负载、突卸负载时，对电机进行强励或减励，以提高电力系统的运行稳定性和可靠性；当电机内部短路时，对电机进行灭磁，以免事故扩大。现在常用的励磁系统主要有以下3种型式：第一种为可控相复励励磁方案；第二种为谐波励磁方案；第三种为副励磁机励磁方案。这里重点介绍一下前两种方案。
可控相复励励磁系统是在发电机输出端取励磁功率，同时从发电机输出端取电压信号和电流信号，通过整流变压器将二者合成，作为励磁电流调节发电机端电压，达到发电机恒压的目的，这种励磁方式应用在高压电机中时励磁器件均为高压功率器件，使得励磁系统设计比较复杂。
谐波励磁系统是在发电机的定子槽中附加一套单独的谐波绕组，将气隙磁场中的谐波功率引出来作为励磁功率，电压信号和电流信号取自发电机输出端，通过自动电压调节器调节励磁电流，保持发电机输出电压恒定。这种励磁方式的设计关键是谐波绕组的匝数的计算，但计算值经常与实际采用值偏差较大，需要反复计算才能形成成熟的产品，而且一旦谐波绕组损坏，维修几乎不可能。
3种方案优缺点比较如表1所示。
根据实际情况，本项目选用可控相复励励磁系统。自动调节器与恒压装置一起组成可控相复励励磁系统。其特点如下：
相复励磁系统当发电机的定子电流和功率因数改变时，桥式整流输入反应两者的变化并能实时调整桥式整流器的输入。相复励稳压装置与电压调节器配合使用使发电机端电压为额定值电压，提高了系统的稳定性能。电压调节器设有过电压保护，当端电压高于设定值时，过电压保护装置起作用。可手动调整励磁装置，自动调整励磁装置及从零升压。发电机励磁回路内不能装设灭磁电阻、灭磁开关等设备，所以，不能直接灭磁，只能采用对励磁机的励磁绕组进行灭磁的方法，交流劢磁机灭磁同时，发电机励磁绕组可进行续流灭磁。灭磁速度慢是这种励磁系统的缺点。
3 励磁机结构及设计原则
交流励磁机实为交流发电机，电枢铁心用优质电工钢片迭压而成，电枢绕组端部用玻璃钢绑扎，以承受高速旋转下的离心力。交流励磁机一般依靠自己的剩磁建压，有时为了提高起励的可靠性，不仅在励磁回中采取起励措施，而且还在交流励磁机的定子磁极极靴安放小块永久磁铁加以励磁。为了提高励磁系统的反应速度，以及减小主机转子的纹波，交流励磁机的频率一般比主发电机的高，可高达数百赫兹，故交流励磁机的极数要比主发电机的极数多。
励磁机设计时磁密要低一些，一般励磁机的气隙磁密控制在0.5T左右；为使励磁机输出电压经整流后纹波尽可能小，励磁机相数、频率一定时，其电枢绕组的每极每相槽数q尽量为1，最大不应超过2；同时励磁机容量应有足够的余量。
4 旋转整流器
旋转整流器是无刷励磁同步电机的重要组成部分，它主要是将励磁机输出的交流电整流成直流电，供给主发电机转子。励磁机输出的电流经装在同一轴上的旋转整流器整流后直接引到主机的转子励磁绕组，不需要电刷和集电环，故通常称为无刷励磁。旋转整流器主要由半导体旋转整流二极管、快速熔断器、过电压保护器等元件组成。其特点是：
（1）由于无电刷、集电环，励磁电流从理论上来说可达很大值，不受集电环极限容量的限制，也不必考虑电刷电流的分配和腐蚀，维护工作量大为减少，最大励磁功率已达5300kW。
（2）整流器及其相应的保护元件（快速熔断器、过电压保护器等）都处于高速旋转状态，是电机故障率较高的部件，要求它们能承受相当大的离心力及过流过压冲击的可能。
在主发电机转子绕组中存在两种感应电动势：一种是由于在电机受到外界干扰时定子磁场幅值的突变，在转子绕组中感应出变压器电动势；另一种是当电机负载不对称时，定子绕组中流过的负序电流产生的负序磁场在转子磁场绕组中感应出的旋转电动势。变压器电动势和旋转电动势以及交流励磁机电枢输送给旋转整流器的电势，共同作用于旋转整流二极管可使导通的二极管出现过电流，也可能使截止的二极管承受过电压，损坏二极管。
当交流励磁机的极对数是主发电机的极对数的整数倍时，若发电机三相对称短路时，转子线圈中较大的感应电流也将流过正在导通的二极管，使二极管出现过电流。因此设计时应注意交流励磁机和主发电机的极对数。
以上所述旋转整流器利用快速熔断器串联于每个二极管支路中实现过流保护，利用浪涌抑制器或压敏电阻并联于旋转整流装置的直流侧两端实现过电压保护。选择旋转二极管额定容量时留有较大裕量；在转子磁极表面上装有阻尼绕组，以改善动态性能。
（3）励磁系统旋转部分的参数（励磁电压、电流、温度、绝缘电阻等）的测量和监视箱用无线电发送或用辅助滑环引出。随轴转动的快速熔断器的监视也比较麻烦。这种励磁方式虽然因交流励磁机时间常数较大，使励磁系统反应速度较慢，但只要在励磁，仍可获得时间常数小和高起始响应的特性，较大地改善动态性能。整流桥输出侧的压敏电阻，防止发电机磁场绕组出现过电压时损坏整流二极管；而当整流管出现故障时，快速熔断器可保证其自动断开，从而防止励磁机局部严重超载过热；整流桥和励磁机的设计容量应考虑即使在一个整流管断开的情况下，仍能为发电机提供励磁电流，发电机仍可轻载运行而不会出现故障扩大现象。在控制系统中配以适当的故障监测装置，则可以在最合适的时刻停机和排除故障。交流励磁机和旋转整流器的安装应本着检修、维护、方便可靠性的原则来安装。
5 主要技术参数
（1）励磁机参数
额定容量 123kVA
额定电压 194V
额定电流 365A
转 速 3000r/m
频 率 200Hz
励磁电压 66V
励磁电流 11.4A
（2）发电机参数
额定功率：25MW
额定电压：10500V
额定电流：1718A
频 率：50Hz
额定转速：3000r/min
励磁电压：170.3V
励磁电流：346.5A
在系列设计中，转子绕组的设计一般采用低电压大电流设计方案，这样转子绕组的绝缘设计相对简单，而且绝缘所占的体积较小，使得铁芯利用率增加。本课题所研究分析的发电机励磁机和整流环提供电流的强励倍数为同步发电机额定励磁电流的2倍，允许强励时间20秒。
6 结语
本文涉及的某些数据和工艺要求最终在实际运行中已得到验证，具备发电运行能力，本文对于励磁控制系统仅做了一般原理介绍，为进一步分析研究励磁系统的不同对发电及其实际运行的影响，还需要对不同发电机励磁机设计、励磁控制系统设计以及与原动机的配套设计作详尽的分析研究。通过对三相无刷励磁发电机交流励磁系统的设计研究，可有效改善电力系统稳定性。
参考文献：
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[5]陈丕璋，姚若萍．电机电磁场的理论与计算（第二版）．科学出版社，1991．
作者简介：
李星（1990.7-），女，陕西榆林人，神华集团，电气运行人员，单位：中国神华煤制油化工有限公司榆林化工分公司，研究方向：基于旋转整流器式三相无刷同步发电机交流励磁设计分析
第二作者；刘世雄（1983.4），男，陕西榆林人，神华集团，电气运行人员，单位：中国神华煤制油化工有限公司榆林化工分公司
论文作者:李星,刘世雄
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：励磁论文; 发电机论文; 绕组论文; 整流器论文; 电流论文; 电压论文; 过电压论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;