同步电机原理与应用-3无刷同步发电机
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同步电机原理与应用
上海大学 机电工程与自动化学院
无刷同步发电机
同步发电机的励磁系统 无刷同步发电机的结构特点 无刷同步发电机的交流励磁机 无刷同步发电机的旋转整流器 无刷同步发电机的永磁式副励磁机 无刷同步发电机产品及型式试验
同步发电机的励磁系统
定义：供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备 同步发电机励磁系统构成 • 励磁主电路：同步发电机的励磁绕组、励磁电源； • 励磁调节电路：自动及手动励磁调节装置；
同步发电机的励磁系统
同步发电机励磁系统的重要性 • 是交流同步发电机最核心、最重要的组成部分； • 励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步
发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性； 而同步发电机的运行稳定性是保证现代化电力系统安 全和经济运行的基本条件之一。
• 在众多改善同步发电机稳定运行的措施中，运用现代 控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的经济而 有效的手段之一。
同步发电机的励磁系统
根据供电方式分为两大类：电能取自主机轴端的交流励磁机 式和电能取自主机端的纯静止式整流器励磁系统；
同步发电机励磁系统
交流励磁机励磁系统
（他励式）
静止式励磁系统
（自励、自复励）
静止整流器
（有刷系统）
旋转整流器
（无刷系统）
硅二极管整流 可控硅整流器励
器励磁系统
磁系统
他励静 止硅整 流器励
磁
他励静 止可控 硅整流 器励磁
他励旋 转整流 器励磁
他励旋转 可控硅整 流器励磁
自复励 励磁
自励 自复励 励磁 励磁
同步发电机的励磁系统
同步发电机励磁系统的作用 • 根据发电机负荷的变化调节励磁电流，维持端电压为
给定值； • 控制并列运行各发电机间无功功率分配； • 提高发电机并列运行的静态稳定性； • 提高发电机并列运行的暂态稳定性； • 发电机内部出现故障时，进行灭磁，减小故障损失程
度； • 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁
限制；
无刷同步发电机
直流励磁机
•电刷的维护； •发电机极限容量问题；
AVR
A0 B0 F+F- C0 C0
碳刷 滑环
无刷同步发电机
半导体励磁
静止式半导体励磁：用交流励磁机代替直流励磁机，用
整流器代替换向器。整流装置需要滑环将直流电引入发
电机转子绕组。
发电机极限容量
>8000~10000A时滑环制造困难
旋转式半导体励磁（无刷励磁系统）：整流装置固定在 主发电机轴上，与主发电机同轴旋转，无需碳刷和滑环；
无刷同步发电机
无刷同步发电机的结构图
他励三机（二机）励磁系统
无刷同步发电机
无刷同步发电机的结构组成
主发电机：转子为隐极/凸极，转场式发电机； 交流励磁机：定子为凸极或隐极励磁磁极，转枢式发 电机。 永磁副励磁机：转子为永磁体，转场式发电机（在中小 型无刷同步发电机中，该环节可不用）。 旋转整流器：随发电机主磁场和交流发电机电枢一起 旋转，可选旋转型整流二极管或晶闸管。 自动电压调节器
无刷同步发电机
无刷励磁发电机的工作原理
电力输出 检测 AVR
交流励磁机 旋转整流器
主机定子 主机 转子 主机定子
整流
励磁机定子 励磁机转子 励磁机定子
副励磁机定子 副励磁机转子 副励磁机定子
无刷同步发电机
交流励磁机 交流励磁机是旋转电枢式的三相交流同步发电机
• 定子为凸极（或隐极）励磁磁极 • 转子为电枢
无刷同步发电机
交流励磁机励磁原理简介
转子电枢的交流输出接到旋转整流桥进行整流，然 后将直流电引入发电机的转子绕组。
一般依靠剩磁建压，为提高可靠性，可在励磁回路 采取起励措施，或在定子磁极的极靴安放小块永磁体
为提高励磁系统的反应速度，交流励磁机的频率较 高，可达数百Hz，故交流励磁机的极数比主发电机的 多；
无刷同步发电机
永磁式副励磁机
• 副励磁机作为主励磁机的励磁电源
二机励磁系统：
优点：轴系长度缩短； 缺点：调节速度慢；
三机励磁系统：
优点：它励，模拟式励磁简单 缺点：增加了硬件复杂性，可 靠性降低，不能逆变灭磁
无刷同步发电机
旋转整流器
• 工作在旋转、高温和 有振动的场合，可能 承受过流、过压冲击， 是电机故障率较高的 部件；
• 旋转整流器与主发电 机转子同轴安装；
无刷同步发电机
旋转整流器
• 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； • 采用二极管的无刷励磁系统：动态特性较差，但线路 简单，可靠性好； • 采用晶闸管的无刷可控励磁系统：动态特性好，但线 路复杂，一般在数百千瓦以上无刷发电机上采用；
自动电压调节器
功能
维持发电机电压为给定值，随着电力系统的大型化和发 电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑， 自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压恒 定这一要求上，更多地体现在提高发电机的静态及动态 稳定性方面
无刷同步发电机
交流励磁机励磁原理简介 自励恒压
原动机 拖动主 发电机 旋转
交流励磁机 电枢绕组切 割剩磁自励 发出交流电
经旋转 整流器 变成直 流电
直流电进 入主发电 机转子绕 组以励磁
调节交流励磁机的励磁电流，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 压调节器稳定主发电机的端电压。
无刷同步发电机
无刷励磁发电机结构的优缺点
避免了机械接触，维护简单，运行可靠； 独立的励磁电源，受外界干扰小； 没有旋转的导电部分，不会产生火花，适于有易燃气 体及多粉尘等恶劣环境下的运行场合。 容易实现并联运行； 动态性能较差； 旋转整流元件机械性能要求高； 体积大，重量重、结构复杂，价格高；
额定参数
主发电机额定值: 额定电压、额定电流、额定功率； 交流励磁机
• 交流励磁机的额定线电压； • 交流励磁机的额定电流；
交流副励磁机容量选择原则
• 以高于发电机额定励磁参数选择副励磁机额定容量； • 以励磁系统输出顶值电压及电流作为副励磁机最大输出容量；
旋转整流器
• 旋转整流器并联支路数； • 过电压保护装置；
作业
• 同步发电机励磁系统有哪些作用？ • 无刷励磁发电机结构有哪些优点和缺点？ • 无刷同步发电机的二机和三机励磁系统的优缺点
上海大学 机电工程与自动化学院
无刷同步发电机
同步发电机的励磁系统 无刷同步发电机的结构特点 无刷同步发电机的交流励磁机 无刷同步发电机的旋转整流器 无刷同步发电机的永磁式副励磁机 无刷同步发电机产品及型式试验
同步发电机的励磁系统
定义：供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备 同步发电机励磁系统构成 • 励磁主电路：同步发电机的励磁绕组、励磁电源； • 励磁调节电路：自动及手动励磁调节装置；
同步发电机的励磁系统
同步发电机励磁系统的重要性 • 是交流同步发电机最核心、最重要的组成部分； • 励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步
发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性； 而同步发电机的运行稳定性是保证现代化电力系统安 全和经济运行的基本条件之一。
• 在众多改善同步发电机稳定运行的措施中，运用现代 控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的经济而 有效的手段之一。
同步发电机的励磁系统
根据供电方式分为两大类：电能取自主机轴端的交流励磁机 式和电能取自主机端的纯静止式整流器励磁系统；
同步发电机励磁系统
交流励磁机励磁系统
（他励式）
静止式励磁系统
（自励、自复励）
静止整流器
（有刷系统）
旋转整流器
（无刷系统）
硅二极管整流 可控硅整流器励
器励磁系统
磁系统
他励静 止硅整 流器励
磁
他励静 止可控 硅整流 器励磁
他励旋 转整流 器励磁
他励旋转 可控硅整 流器励磁
自复励 励磁
自励 自复励 励磁 励磁
同步发电机的励磁系统
同步发电机励磁系统的作用 • 根据发电机负荷的变化调节励磁电流，维持端电压为
给定值； • 控制并列运行各发电机间无功功率分配； • 提高发电机并列运行的静态稳定性； • 提高发电机并列运行的暂态稳定性； • 发电机内部出现故障时，进行灭磁，减小故障损失程
度； • 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁
限制；
无刷同步发电机
直流励磁机
•电刷的维护； •发电机极限容量问题；
AVR
A0 B0 F+F- C0 C0
碳刷 滑环
无刷同步发电机
半导体励磁
静止式半导体励磁：用交流励磁机代替直流励磁机，用
整流器代替换向器。整流装置需要滑环将直流电引入发
电机转子绕组。
发电机极限容量
>8000~10000A时滑环制造困难
旋转式半导体励磁（无刷励磁系统）：整流装置固定在 主发电机轴上，与主发电机同轴旋转，无需碳刷和滑环；
无刷同步发电机
无刷同步发电机的结构图
他励三机（二机）励磁系统
无刷同步发电机
无刷同步发电机的结构组成
主发电机：转子为隐极/凸极，转场式发电机； 交流励磁机：定子为凸极或隐极励磁磁极，转枢式发 电机。 永磁副励磁机：转子为永磁体，转场式发电机（在中小 型无刷同步发电机中，该环节可不用）。 旋转整流器：随发电机主磁场和交流发电机电枢一起 旋转，可选旋转型整流二极管或晶闸管。 自动电压调节器
无刷同步发电机
无刷励磁发电机的工作原理
电力输出 检测 AVR
交流励磁机 旋转整流器
主机定子 主机 转子 主机定子
整流
励磁机定子 励磁机转子 励磁机定子
副励磁机定子 副励磁机转子 副励磁机定子
无刷同步发电机
交流励磁机 交流励磁机是旋转电枢式的三相交流同步发电机
• 定子为凸极（或隐极）励磁磁极 • 转子为电枢
无刷同步发电机
交流励磁机励磁原理简介
转子电枢的交流输出接到旋转整流桥进行整流，然 后将直流电引入发电机的转子绕组。
一般依靠剩磁建压，为提高可靠性，可在励磁回路 采取起励措施，或在定子磁极的极靴安放小块永磁体
为提高励磁系统的反应速度，交流励磁机的频率较 高，可达数百Hz，故交流励磁机的极数比主发电机的 多；
无刷同步发电机
永磁式副励磁机
• 副励磁机作为主励磁机的励磁电源
二机励磁系统：
优点：轴系长度缩短； 缺点：调节速度慢；
三机励磁系统：
优点：它励，模拟式励磁简单 缺点：增加了硬件复杂性，可 靠性降低，不能逆变灭磁
无刷同步发电机
旋转整流器
• 工作在旋转、高温和 有振动的场合，可能 承受过流、过压冲击， 是电机故障率较高的 部件；
• 旋转整流器与主发电 机转子同轴安装；
无刷同步发电机
旋转整流器
• 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； • 采用二极管的无刷励磁系统：动态特性较差，但线路 简单，可靠性好； • 采用晶闸管的无刷可控励磁系统：动态特性好，但线 路复杂，一般在数百千瓦以上无刷发电机上采用；
自动电压调节器
功能
维持发电机电压为给定值，随着电力系统的大型化和发 电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑， 自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压恒 定这一要求上，更多地体现在提高发电机的静态及动态 稳定性方面
无刷同步发电机
交流励磁机励磁原理简介 自励恒压
原动机 拖动主 发电机 旋转
交流励磁机 电枢绕组切 割剩磁自励 发出交流电
经旋转 整流器 变成直 流电
直流电进 入主发电 机转子绕 组以励磁
调节交流励磁机的励磁电流，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 压调节器稳定主发电机的端电压。
无刷同步发电机
无刷励磁发电机结构的优缺点
避免了机械接触，维护简单，运行可靠； 独立的励磁电源，受外界干扰小； 没有旋转的导电部分，不会产生火花，适于有易燃气 体及多粉尘等恶劣环境下的运行场合。 容易实现并联运行； 动态性能较差； 旋转整流元件机械性能要求高； 体积大，重量重、结构复杂，价格高；
额定参数
主发电机额定值: 额定电压、额定电流、额定功率； 交流励磁机
• 交流励磁机的额定线电压； • 交流励磁机的额定电流；
交流副励磁机容量选择原则
• 以高于发电机额定励磁参数选择副励磁机额定容量； • 以励磁系统输出顶值电压及电流作为副励磁机最大输出容量；
旋转整流器
• 旋转整流器并联支路数； • 过电压保护装置；
作业
• 同步发电机励磁系统有哪些作用？ • 无刷励磁发电机结构有哪些优点和缺点？ • 无刷同步发电机的二机和三机励磁系统的优缺点