无刷同步发电机的工作原理

无刷同步发电机的工作原理和结构特点

摘要：介绍了无刷同步发电机的结构特点，并着重对旋转整流器进行了分析说明。

叙词无刷电机同步发电机旋转整流器

1 引言

由于电能具有生产和变换比较经济，传输和分配比较容易，使用和控制比较方便等优点，因而成为现代最常用的一种能源。并且随着国民经济的不断发展，自动化程度越来越高，对电的需求量越来越大，不仅要求用电数量，同时对用电质量也提出了要求，无疑对同步发电机的性能也提出了高要求。而励磁方式直接影响到发电机的性能、可靠性和技术要求，因此励磁方式的研究成了电机发展的一个重要课题。原来一直采用直流发电机来劢磁，即用直流发电机发出来的直流电，通过滑环和电刷引进同步发电机的转子绕组，但随着电机容量的不断增大，直流电机的换向已成为一大难题，并且需要碳刷和滑环，存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘和其它零部件问题。随着半导体技术的发展，推动了无刷电机的发展。

2 无刷同步发电机的结构特点

无刷同步发电机由主发电机(同步发电机)，交流励磁机，旋转整流器等主要部分组成，主发电机转子、励磁机电枢和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内侧。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。同步发电机由有刷进化到无刷主要是有了交流励磁机和旋转整流器。

2．1 交流励磁机

交流励磁机实为交流发电机，电枢铁心用优质电工钢片冲制后，紧密迭压在电枢支架上，然后热套到轴上，电枢绕组端部用玻璃钢绑扎，以承受高速旋转下的离心力。磁极用特殊钢片组成，具有适当的磁积能，保证交流发电机能自立建压，为主发电机提供励磁电流。交流发电机—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，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比主发电机的多，但最好不成简单的整数倍。(例如，某电机的主发电机极数为6，励磁机的极数为16)

2．2 旋转整流器

旋转整流器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，快速熔断器作为过电流或短路保护串联于每个二极管支路，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可以吸收瞬时过电压，作过电压保护。旋转整流器与主发电机转子也是同轴安装，整流电路(单相、三相)应与交流励磁

机的相数相同，可以是全桥整流式或半桥整流式，旋转整流器的输入端(交流侧)接交流励磁机的输出端，其输出端(直流侧)通过转轴中心的轴孔与主发电机的转子励磁绕组相连，供给主发电机励磁。原理图如图1所示。

图1 无刷同步发电机接线原理图

1定子出线端2主机定子3主机转子4压敏电阻

5旋转整流器6励磁机转子7励磁机定子8调压器连接端子

旋转整流器不仅工作在高速、高温和有振动的场合，而且还承受过流过压冲击的可能，是电机故障率较高的部件，因为在电机受到外界干扰时，尽管由负载电流产生的定子旋转磁场与转子绕组间无相对运动，但随着定子磁场幅值的突变，在转子绕组中便会感应出变压器电势；而当电机负载不对称时，定子绕组中将会流过负序电流，这个负序电流所产生的负序磁场对转子有两倍同步转速的相对速度，将在转子磁场绕组中感应出旋转电势；异相合闸常发生在同步设备检修后，因电压互感器一相错误连接而造成，当发电机电压与系统电压之间的相位角为60度合闸时，会导致很高的转子电压，在非对称短路或并网的误操作过程中，上述旋转电势和变压器电势将可能于某一瞬间同时产生，这两个瞬时电势加上交流励磁机电枢输送给旋转整流器的电势，再和主发电机转子磁场绕组中原有的电流相迭加(转子磁场绕组是感性元件)，共同作用于旋转整流二极管，可使导通的二极管流过很大的正向电流，也可能使截止二进极管承受很制高的反向电压，将可能损坏二极管，在气隙较小、阻尼不良或没有阻尼的凸极同步发电机中，这一现象更为突击。若交流励磁机的极对数是主发电机的极对数的整数倍，当发电机三相对称短路时，转子线圈中的感应电流也将流过正在导通的二极管，使二极管受损。基于以上分析，必须采取适当的措施来预防可能发生的故障：在转子磁极表面上装有阻尼绕组，以改善动态性能；交流励磁机的极对数和主发电机的极对数不成整数倍；对旋转二极管采取过压和过流保护；选择旋转二极管额定容量时留有较大裕量。因此，旋转整流装置在安装方式、绝缘方式、振动、热容量等方面须经过精心设计、制造和严格的振动、超速、高温等试验，使其具有很高的可靠性，整流桥输出侧装有压敏电阻，以防发电机磁场绕组出现过电压时损坏整流二极管，而熔断器则作为过流或短路保扩串联于每个二极管支路，万—整流管出现故障，则与之串联的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，则发电机仍可带病轻载运行而不会出现故障扩大现象。若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车和排出故障。

2．3交流励磁机和旋转整流器的安装

把交流励磁机和旋转整流器装在主发电机非传动端的外侧，从转轴中心打孔，用导线穿过轴孔，将整流器整流后的直流电输送到主发电机转子的励磁绕组，这样可以给旋转整流装置的检修，维护带来方便，使二极管和熔断器的更换比较容易，提高运行的可靠性。

3 无刷同步发电机的工作原理

当原动机拖动主发电机旋转时，交流励磁机的电枢绕组首先将切割剩磁自励发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。这时主发电机的输出端有电压。励磁电源取自发电机输出端电压，(见图2)，称这种为自励恒压发电机。只要调节交流励磁机的励磁电流，就可以改变主发电机的励磁电流，从而控制主发电机的输出端电压，依靠连接于主发电机输出端和交流励磁机定子磁场绕组之间的自动电压调节器就可以稳定主发电机的端电压。见无刷同步发电机接线原理图2。

图2具有可控硅电压调节器的相复励励磁系统

A1电压调节器C1---3电容器G1主电机G励磁机L1电抗器R1串联电阻器T1-3单相电流互感器T5压降补偿电流互感器T5整流变压器V1静止整流器V2旋转整流器