混合励磁爪极同步电机磁路结构及其调磁性能
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收稿日期:2006-10-26
改稿日期:2006-12-15
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50337030)
混合励磁爪极同步电机磁路结构及其调磁性能
杨成峰,林鹤云,郭健
(东南大学,江苏南京210096)
摘要:在分析轴向/径向磁路混合励磁同步电机磁路与性能优缺点的基础上,提出了四种新结构轴向/径向磁路混合励磁爪极同步电机。详细分析了这四种电机的拓扑结构及磁路,给出相应的磁路图。采用三维有限元技术计算了不同励磁电流时电机气隙磁通。分析与计算结果表明,所提出的四种结构的混合励磁爪极同步电机,均具有较好的调磁性能,其中非对称交错永磁电机的弱磁和增磁性能最好,可满足宽调速同步电动机的需要。
关键词:混合励磁电机;磁路;调磁;三维有限元
中图分类号:T M341文献标识码:A文章编号:1004-7018(2007)07-0012-04
M agnetic C ircuit Struct ure of Hybrid Excit ation SynchronousM achi n e w ith
C l a w/Pole and its Fiel d-regulation Perfor m ance
Y ANG Cheng-feng,LI N H e-yun,GUO J iang
(SoutheastUn i v ersity,N anji n g210096,Ch i n a)
Abstract:On t he basi s of t he ana lysis of m agnetic c i rcuit and perfor m ance m er its and faults o f hybrid ex cita ti on syn-chronous m achi ne w ith ax i a l/radial magneti c circu it,four new hybri d exc itati on claw-po l e synchronousm achi nes w it h ax-i al/rad i a lm agnetic circu itw ere proposed.T heir m agnetic circu its and topo logy characteristics w ere g i ven and ana l y zed deep-ly.T hree-d i m ensiona l fi n ite e le m ent me t hod had been emp l oyed t o ca l culate the a ir-gap m agnetic fl ux o f va rious fie l d currents.The ana l y si s and calcu lati on resu lts i ndicated that the four ne w structure hybr i d exc itati on claw-po l e synchronous m ach i nes had be tter fi e l d-regu l a ti on perfor m ance.Am ong the four m achi nes,t he asy mm e tric stagger PM hybr i d exc itati on claw-pole synchronous machine had best field-weaken i ng per f o r m ance,m eeti ng t he need o f t he w i de speed-regu lati on range of synch ronous mo tor.
K ey word s:hybr i d exc itati on m ach i ne;m agnetic c i rcu it;field-regulati on;three-d i m ensi onal finite e le m ent
0引言
永磁电机转子上没有绕组,无励磁损耗,因此工
作可靠,效率高,但永磁磁场调节困难限制了它的应
用。将永磁与电励磁进行合理的有机结合,研究开
发既综合电励磁电机与永磁励磁电机的优点,又能
克服各自缺陷的混合励磁电机,从而最大限度地发
挥两者的优势,成为电机领域的一项重要研究课题[1]。
混合励磁电机由于其磁通可调,在作为电动机
使用时可以通过增磁和弱磁来实现宽调速,合理设
计永磁和电励磁的磁路拓扑结构以及各自磁通比
例,对于提高电机综合性能特别是调速范围至关重
要。日本T.M izuno博士早在1994年提出了轴向/
径向磁路混合励磁同步电机(简称HES M)[2],很多
学者对该电机进行了理论研究,并在工程中得到初
步应用[3~15]。该电机永磁极与铁心极交错排列,结
构简单新颖,无附加气隙,电励磁效率较高。但是,
其励磁绕组安装在外定子上,导致每匝长度较长,绕
组电阻较大,电励磁损耗较多;其次,其励磁绕组安
装空间极为有限,要增大电励磁比例,需较多地增加
电机轴向长度。为克服该电机的缺点,本文充分利
用转子内部空间,采用爪极结构,将电励磁绕组移到
内定子上,构成混合励磁爪极同步电机(简称H EC-
S M)。在对其磁路拓扑结构的研究中,我们尝试了
不同永磁贴装位置以及不同永磁极/铁心极比例,得
到了交错永磁、中间永磁、单端永磁、非对称交错永
磁等四种磁路拓扑结构的HECS M。本文分析了它
们的磁路拓扑结构特点,并采用三维有限元计算了
不同励磁电流时的磁场分布与气隙磁通,比较了各
自的调磁能力,得到了一些有益的结论。
1轴向/径向磁路HES M磁路结构分析
日本T.M izuno博士提出的轴向/径向磁路
HES M结构如图1a所示,转子上的永磁极与铁心极
交错排列,电励磁放置在定子上,定子外层设有背
(铁)轭(下同)。电机的磁路结构如图1b所示,图
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中实线箭头表示永磁磁通路径,虚线箭头则为电励磁磁通路径(下同),F c 为永磁磁势,F e 为电励磁磁势,R 为磁阻,下标s 、r 、D 、pm 、fe 、b 、R 分别表示与定子、转子、气隙、永磁、铁心极、背铁和漏磁相关的量(下同)。图中所示的电励磁磁势方向为励磁绕组通弱磁电流的方向。从磁路图可以看出,永磁磁通回路路径为永磁N 极→气隙→定子铁心→定子背轭→定子铁心→气隙→永磁S
极→转子轭→永磁N 极。电励磁回路路径为定子背铁→定子铁心→气隙→转子铁心极1→转子轭→转子铁心极2→气隙→定子铁心→定子背铁。永磁磁路和电励磁磁路的磁阻均比较小,以较小的磁势即可产生较大的磁通。但是,由于两者磁路并不完全独立,因此它们之间又互为漏磁路。弱磁时,定子背轭和转子背轭中电励磁磁通方向与永磁磁通方向相同,这部分磁路很容易达到饱和;而增磁时情况相反,因此该电机弱磁性能比增磁性能稍差。
这种轴向/径向磁路HES M 电机的一个最大特点在于巧妙地安排了永磁和电励磁的磁路,保证了各自的磁路磁阻比较小,提高了励磁的效率。该电机提出后引起了电机领域的重视,沈阳工业大学的唐任远院士对该电机的结构原理和参数设计进行了研究
[6~9]
,华南理工大学的李优新教授将HES M 电
机应用于电动汽车,并就其调磁性能作了实验研究,调磁调速效果较明显
[10~15]
。综合现有相关的文献
资料和我们的研究结果可知,该电机具有的优点是
结构简单,励磁绕组安装在定子上,无附加气隙,电励磁效率较高,额定励磁电流时增磁比例可以达到30%左右,弱磁比例可以达到25%左右,弱磁效果要稍差于增磁效果。缺点是励磁绕组安装在定子上,定子被分割成两段,加工工艺复杂,且每匝长度
太长,导致绕组电阻较大,电励磁损耗较大;其次,电机励磁绕组安装空间极为有限,径向方向只有定子的轭部长度,要增大电励磁比例,需较多地增加电机轴向长度,从而增加了电机体积,降低了功率密度。
2四种轴向/径向磁路HECS M 的磁路特征
为克服该轴向/径向磁路HES M 电机电励磁空间小、每匝长度长,以及定子加工工艺复杂等一些缺点,本文提出了轴向/径向磁路混合励磁爪极同步电机(H ECS M )。该电机转子保留原有的永磁极与铁心极结构型式,定子恢复成普通交流电机定子的结构,将电励磁绕组移到转子内部的内定子上,同时采用爪极式转子,以充分利用原有的转子内部空间,大大减少了电励磁的匝长。根据永磁极与铁心极的不同布置位置以及不同长度比例,又可得到几种不同电机结构形式,它们分别是:交错永磁、中间永磁、单端永磁和非对称交
错永磁H ECS M 等四种电机结构。下面首先对这四种轴向/径向磁路HECSM 的磁路结构特点进行分析比较。2.1交错永磁H ECS M
电机转子结构模型如图2a 所示,永磁和铁心极交错地贴装在极尖或极根,其磁路如图2b 所示。
由于定子铁心轴向磁阻较大,从提高电机调磁性能的角度考虑,希望大部分电励磁磁通绕过永磁极而通过转子铁心极形成回路,必须在定子外附加定子背轭来导磁。与图1b 所示的轴向/径向磁路HES M 电机的磁路相比,该交错永磁HECSM 的两条永磁磁通路径均穿过电励磁线圈,磁路较长,因此永磁的利用率稍低。由于定子外加背轭,永磁磁通主路径在定子部分的磁路与HES M 相同,都是经过定子铁心和定子背轭;而在转子磁路方面,前者是经过爪极、爪极磁轭、励磁支架和附加气隙等,后者只经过转子背轭。与H ESM 相似,由于定子背轭的存在,大部分电励磁磁通将绕开永磁极而经相邻铁心极形成回路,转子磁路部分与永磁磁通重叠。经过
铁心极1的永磁漏磁路径有两条,同一爪极上永磁
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极与铁心极极性相反,电机存在漏磁。由于弱磁时转子磁路中电励磁与永磁磁通方向相反,且由于铁心极永磁磁通并不大,因此弱磁时这部分磁路不易达到饱和。此外,弱磁时虽然定子背轭中永磁磁通和电励磁磁通方向相同,但由于定子背轭厚度足够,这部分磁路也不易达到饱和,因此弱磁性能较好,且优于增磁性能。
2.2中间永磁HECS M
将永磁集中贴装在爪极中间构成中间永磁HECS M,由于其铁心极可通过定子铁心导磁,因此无需附加定子背轭。转子结构和电机磁路分别如图3a 、b 所示。
由图可见,永磁磁通主磁路路径依次为:永磁体N 极→主气隙→定子铁心→主气隙→永磁体S 极→转子→永磁体N 极。电励磁磁通经永磁极两侧铁心极分别与相邻铁心极形成回路。通过定子铁心轴
向漏磁,同一爪极永磁极两侧铁心极磁通方向与永磁极磁通方向相反,电机存在漏磁。但是,由于大部分电励磁磁通经铁心极形成回路,磁路磁阻较小,因此弱磁性能较好,而增磁时由于转子铁心电励磁磁通与永磁磁通方向相同,磁路极易饱和,因此增磁性
能较差。
2.3单端永磁HECS M
将永磁对齐贴装于电机一侧构成单端永磁HECS M,与中间永磁H ECS M 类似,由于永磁不交错,故无需定子背轭。图4a 、b 分别为电机转子结构图和磁路图。如图所示,永磁磁通主磁路与中间
永磁H ECS M 完全相同;电励磁磁通主磁路也与中间永
磁HECSM 基本相同,所不同的是单端永磁HECS M 只有单端铁心极,因此电励磁主磁路只有一
个。同一爪极上永磁极与铁心极极性相反,电机存
在漏磁。由于弱磁时铁心极永磁磁通与电励磁磁通方向相同,且由于铁心极永磁磁通较大,这部分磁路极易饱和,因此影响弱磁性能;而增磁时转子铁心中
永磁磁通与电励磁磁通方向相同,磁路极易饱和,因此增磁性能更差。
2.4非对称交错永磁H ECS M 结构
永磁交错贴装,但铁心极长于永磁极,构成非对称交错永磁HECS M 。图5a 、b 分别为电机转子结构图和磁路图。图中R fe1与R fe2为同一铁心极,由于相邻铁心极有重叠部分,为分析问题方便,在磁路上将它分为两段磁阻考虑。
如图5b 所示,永磁磁通主磁路与交错永磁HECS M 相同,都是从N 极永磁极出发,依次经过定子铁心、气隙、定子背轭、定子铁心、气隙、S 极永磁极、转子,最后回到N 极永磁极。电励磁磁通有两个磁路:磁路1与交错永磁H ECS M 完全相同,需经定子背轭导磁;磁路2为相邻铁心极交错部分形成的回路,不经过定子背轭。由于磁路较长,流经R fe2的永磁磁通比流经R fe1的永磁磁通小,因此磁通叠加后铁心极与永磁极极性相反,电机存在漏磁。弱磁时电励磁磁通主磁路1中大部分构件的电励磁磁通方向与永磁磁通方向相反,因此不影响弱磁;电励磁主磁通磁路2中R fe1、R fe3和R s 3的电励磁磁通方向与永磁磁通方向相同,但由于这部分磁路永磁磁通不大,不致引起饱和,对弱磁影响不大。因此,电机弱磁性能较好;而增磁时情况相反,转子磁路中电励磁与永磁磁通方向相同,磁路极易饱和,因此增磁性能比弱磁性能稍差。
3三维有限元计算验证分析
混合励磁电机结构大多呈现典型的三维性,因
此研究工作多采用三维分析模型,这就使混合励磁
电机的分析、计算有较大的工作量
[16,17]
。为了比较
研究几种电机的调磁性能,本文对几种电机模型取基本相同的参数,使得计算结果更具可比性。电机的部分相同参数如表1所示。
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表1 部分相同的电机参数
定子
外径/mm 122内径/mm
77槽型斜槽背轭厚/mm 5铁心材料D W 470-50转子
铁心材料10号钢永磁材料
Nd -Fe-B
永磁厚度/mm 2.5永磁轴向长/mm 40极间宽/mm 6其它
气隙长/mm
0.
65紧圈厚度/mm 0.5励磁绕组线径/mm
0.5
通过三维有限元建模和计算,得到不同励磁电
流时HES M 、交错永磁、中间永磁和单端永磁HEC -S M 等四种电机调磁比例与励磁电流之间的关系,曲线如图6所示。非交错永磁HECS M 为不同铁心极/永磁极比例的交错永磁HECS M,计算了铁心极/永磁极三个不同比例分别为1、1.5和2的情况,即永磁极长度均为40mm ,而铁心极长度分别为40、60、和80mm,调磁曲线如图7所示。
图6 HES M 和几种HECS M 调磁曲线
图7 非对称交错永磁HECS M 不同铁心/永磁比例调磁曲线
由图6看出,轴向/径向H ES M 调磁曲线基本呈线性变化,励磁电流为2A 时,弱磁幅度为14%左右,增磁幅度为16%左右,大于弱磁幅度,调磁幅度相对较小,与前面分析结果一致。经计算验证,调磁幅度较小与该结构励磁绕组安装空间过小有关。交错永磁、中间永磁、单端永磁的H ECS M 调磁曲线呈非线性变化,在电流为1A 时电机磁路已接近饱和,这可以通过适当增加磁路宽度来改善。交错永磁HECS M 气隙磁通调节能力最好,励磁电流为2A 时弱磁和增磁幅度分别为62%和36%,相比而言,中间永磁HECS M 、单端永磁H ECS M 稍差。
由图7不难看出,非对称交错永磁H ECS M 调磁比例随铁心极/永磁极比例的增大而明显增大。因此,根据电机实际情况适当选择铁心极/永磁极比例可获得所需要的调磁性能,只是要增大一些电机的体积。一般来讲,取铁心极/永磁极比例为1.5左右比较合适,可以满足一般宽调速电机的需要。
4结 论
本文在分析轴向/径向磁路混合励磁同步电机
磁路结构和性能特点的基础上,提出了交错永磁、中间永磁、单端永磁和非对称交错永磁等四种新结构轴向/径向磁路混合励磁爪极同步电机。深入分析
了这四种新结构电机的永磁磁路、电励磁磁路、各自的漏磁特征和调磁性能,并进行了三维有限元建模和磁场计算。结果表明,这四种电机均能发挥混合励磁电机的调磁效能,其中非对称交错永磁混合励磁爪极同步电机结构合理,调磁性能最佳,在铁心极/永磁极比例为1.5时,增磁和弱磁幅度就可以达到53%和73%,可满足一般宽调速电动机的调磁需要。参考文献
[1] 赵朝会,秦海鸿,严仰光.混合励磁同步电机发展现状及应用
前景[J].电机与控制学报,2006,10(2):113-117.
[2] M iz uno T.Bas i c pri n ci p l e and desi gn of hybrid exci tation syn c h ro -nous m ach i ne[C ]//Nat .Con.f I EE,Japan on Industri al App lica -ti on,1994,25.
[3] 葛笑,张琪,黄苏融.磁极分割型混合励磁电机等效磁路法分
析[J].电机与控制应用,2006,33(1):11-16.
[4] 杨儒珊,康惠骏,冯勇.混合励磁永磁同步电机的结构原理与
控制方案[J].中小型电机,2005,32(5):6-9.
[5] 蔡凭,马志源.混合励磁无剧直流电机控制策略[J].电工技
术,2004,(3):47-49.
[6] 张宏杰,唐任远,励庆孚.混合励磁永磁同步发电机的原理与
设计[J].电工电能新技术,2002,21(1):29-31.
[7] 徐衍亮,唐任远.混合励磁同步电机的结构、原理及参数设计
[J].微特电机,2000,(1):16-19.
[8] 张宏杰,郑宝才,吴延忠等.混合励磁永磁同步发电机原理及
参数计算[J].沈阳工业大学学报,2000,22(5):393-395.[9] 金万兵,张东,安忠良等.混合励磁永磁同步发电机的分析与
设计研究[J].沈阳工业大学学报,2004,26(1):26-29.[10] 李优新,王鸿贵,何鸿肃等.混合励磁无刷电机的调磁原理与
实现方法[J].机电工程技术,2003,32(4):18-24.
[11] 李优新.一种可调磁永磁无刷直流电机的研制[J].中小型电
机,2000,27(2):16-19.
[12] 王鸿贵,李优新,何鸿肃等.混合励磁无刷直流机的应用[J].
微电机,2001,34(3):51-52,57.
[13] 李优新.T M S320C240DSP 混合励磁电机控制系统[J].电工
技术,2003(8):47-48.
[14] 姚震,李优新,刘方铭.一种新型混合动力车的驱动系统设计
[J].机电工程技术,2004,33(7):95-97.
[15] 李优新.混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究[J].
微特电机,2003(3):3-5,37.
[16] 潘凤琰,张琪.混合励磁盘式电机的有限元分析[J].微特电
机,2005(1):13-15.
[17] 王群京,李国丽,马飞.具有永磁励磁的混合式爪极发电机空
载磁场分析和电感计算[J].电工技术学报,2002(5):1-5.
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发电机原理及构造——发电机的励磁系统 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二节管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。 下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。 一、相复励励磁原理 左图为常用的电抗移相相复励励磁系统线路图。由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK 移相进行相位补偿。 二、三次谐波原理 左图为三次谐波原理图，对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。 三、可控硅直接励磁原理 由左图可以看出，可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（A VR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。 四、无刷励磁原理 无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。自动电压调节器（A VR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。 中小型三相同步发电机的技术发展概况 一．概述 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验电源、变频电源、计算机电源及新能源――风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。 我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成的TSN、TSWN系列农用水轮发电机。第二代产品是在进行了大量试验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平，为B级绝缘的有刷三相同步发电机。在这段时间还开发了ST系列有刷单相同
旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。 一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。 他励由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。 他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，
同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分 布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX BY CZ三个在空间错开120分布的线圈代表三相对称交流绕组。 —OO + ―-定子铁心』2—转子* 3—滑环F 4—电刷"5—磁力线 图1.1同步电机结构模型 1.1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。感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E o =4.44fN 感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即 f=p n/60 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。 1.2同步转速 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min ，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间
同步电机的基本工作原理和结构 第一节精编资料 本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理,同步电机的电动势和磁动势,异步电动...二,同步电机的工作原理1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场... 原理,结构 同步电机的基本工作原理和结构 本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理、同步电机的电动势和磁动势、异步电动机的电势平衡，磁势平衡、等值电路及相量图、功率转矩、同步发电机运行原理等内容。本章共有10节课，内容和时间分配如下: 1.掌握同步电机的结构特点及工作原理。(2节) 2.掌握同步电机绕组有关的结构、额定参数(1节) 3.掌握同步电机机绕组的磁动势、等效电路，一般掌握相量图。(3节) 4.掌握同步电机功率、转矩和同步电机启动特性。(2节) 5.了解同步发电机的运行原理。(2节) 一、简介 交流电机，根据用途，可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。 (交流电能几乎全部是由同步发电机提供的。目前电力系统中运行的发电机都 是三相同步发电机。 同步电动机可以通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数，因而在不需要调速的低速大功率机械中也得到较广泛的应用。随着变频技术的不断发展，同步电动机的起动和调速问题都得到了解决，从而进一步扩大了其应用范围。
同步补偿机实质上是接在交流电网上空载运行的同步电动机，其作用是从电网汲取超前无功功率来补偿其它电力用户从电网汲取的滞后无功功率，以改善电网的供功率因数。) 二、同步电机的工作原理 1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场和转子旋转磁场。定子旋转磁场—又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场60f1n,速度:同步速度，即 1p 方向:从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。 形成原因:以电气方式形成。 (当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。它的旋转速度 60f1n,1p为同步速度，即;它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相;当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。这个旋转磁通势是以电气方式形成的。同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕 组中流通对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁通势，建立旋转磁场。同步电机的定子绕组被称为电枢绕组，因此，上述磁势又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场。转子旋转磁场—直流励磁的旋转磁场。 60f1n, 速度:同步速度，即1p 方向:与定子相同。 形成原因:机械方式形成。 (在同步电机的转子上装有由直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当转子旋转时, 以机械方式形成旋转磁通势，并在气隙中形成另一种旋转磁场。由于磁场随转子一同旋转，被称为直流励磁的旋转磁场。) 2 电动势—两个旋转磁场切割绕组产生。
同步电机励磁系统 电力系统研究用模型 Excitation system for synchronous electrical machines Model for power system studies GB/T 7409.2—1997 、八— 前言 本标准是对GB 7409—87 的修订。 GB 7409—87执行七年来，技术已有新的发展，其中有些内容IEC 已制定了国际标准。 为适应技术发展的要求和贯彻积极采用国际标准的精神，原标准需作修订。 为便于采用IEC 标准和今后增补、修订标准的方便，经技术委员会研究，将GB 7409 改编为系列标准：修订后的GB 7409.1 等同采用IEC 34-16-1：1991；GB 7409.2 等同采用IEC 34-16-2：1991 ，至于GB 7409.3，由于IEC 目前还没有相应的标准，此部分是根据GB 7409 执行七年的情况并参考了美国IEEE std 421.1—1986、421.A —1978、421.B—1979 和原苏联rOC T 21558—88等标准编写的。 本标准规定了适用于电力系统稳定性研究的励磁系统模拟简图及相应的数学模型，以及其包括的参数和变量的术语定义。 本标准的附录A、附录B、附录C、附录D都是标准的附录； 本标准的附录E 是提示的附录。 本标准由全国旋转电机标准化技术委员会汽轮发电机分技术委员会提出并归口。本标准主要负责起草单位：哈尔滨大电机研究所。 主要起草人：忽树岳。 GB/T7409.2 —1997 IEC 前言 1） IEC（国际电工委员会）是由所有国家的电工技术委员会（IEC 国家委员会）组成的世界范 围内的标准化组织。IEC 的目的是促进电工和电子领域内所有有关标准化问题的国际间的合作。为此目的和除其他活动之外，IEC 出版国际标准。这些标准是委托各个技术委员会制定的；对所讨论的主题感兴趣的任何一个国家委员会都可以参加起草工作，与IEC 有联系的 国际的，政府的和非政府的组织也可以参加起草工作。IEC和ISO（国际标准化组织）按两大 组织之间共同确定的条件紧密合作。 2） IEC 关于技术问题的正式决议或协议是由代表各国家委员会专门利益的技术委员会所制定的，这些决议或协议都尽可能充分地表达了国际上所涉及的问题的一致意见。 3）这些决议或协议均以标准、技术报告或导则的形式出版且以推荐的形式供国际上使用，并在此意义上为各国家委员会所承认。 4）为了促进国际上的统一，IEC 各国家委员会应尽最大可能在各自的国家和地区标准中明确地采用IEC 国际标准，并应清楚地指明IEC 标准与对应的本国或本地区标准之间的某些分歧。 5）IEC 对任何申明符合其某些标准的设备不提供表明它已被认可的标记过程，并且也不 对其负责。 GB/T7409.2 —1997 IEC 序言本报告由No.2旋转电机技术委员会制定。本报告的原文以下述文件为根据
励磁柜 介绍一些同步电动机励磁柜的基本知识，希望大家能了解并多交流一下同步电动机励磁柜的基本知识。 一.KJLF11 具有以下特点： 1.转子励磁采用三相全控整流固接励磁线路； 2.与同步电动机定子回路没有直接的电气联系；3.实现了按同步电动机转子滑差，顺极性自动投励。按到达亚同步转速（95%）时投入励磁，使同步电动机拖入同步运行； 4.具有电压负反馈自动保持恒定励磁； 5.起动与停车时自动灭磁，并在同步电动机异步运行时具有灭磁保护； 6.可以手动调节励磁电流，电压进行功率因数调整，整流电压可以从额定值的10%至125%连续调节；7.交流输入电源与同步电动机定子回路来自同一段母线；8.同步电动机正常停车5 秒钟之内，本设备整流电路和触发电路的同步电源不容许断电；9.灭磁电阻RFD1 和RFD2 的阻值为所配的转子励磁绕组直流电阻的 5 倍，其长期容许电流为同步电动机额定励磁电流的15%；10.当同步机矢步运行时，可以发出矢步信号，用于报警或跳闸；11.输入电源为380V. 二.保护电路：（1）.过压保护：1.同步电动机异步运行时，转子感应过电压由灭磁环节将放电电阻RFD1-2 接入，消除开路过电压。 2.主电路可控硅元件的换向过电压由并接于元件两端的阻容电路吸收。（RC4-9) 3.整流变压器一次侧分，合闸引起的操作过电压由RC1-3 组成的阻容吸收装置来抑制。4.为使同相两桥臂上可控硅元件合理的分担自直流侧的过电压，设置了R10-15 均压电阻来保护。（2）过电流保护： 1.与可控硅串联的快速熔断器是作为直流侧短路保护用，快熔熔断时，保护环节可发出声响报警信号，跳开同步电动机定子侧电源开关，切断励磁。 2.短路电流发生在整流变压器二次侧时，其一次侧空气开关脱扣器顺动，切断电源。 3.直流侧过负荷时，空气开关脱扣器或热继电器动作。但整定值应保证强励磁30 秒内不动作。 三. 励磁线路各环节的工作电压均由同步电源变压器供给，其工作原理如下：同步电动机起动过程中，灭磁环节工作，使转子感应交变电流两半波都通过放电电阻，保证电机的正常起动。起动过程中，整流电路可控硅处于阻断状态，当电
同步电动机的工作原理 同步电动机 转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速n 与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。 同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。 同步电动机在结构上大致有两种： 1、转子用直流电进行励磁。它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。 由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。 当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁
场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。 2、转子不需要励磁的同步电机 转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步 同步电动机的起动方法： 同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时，才能得到平均电磁转矩。如将静止的同步电动机励磁后直接投入电网，这时定子旋转磁场与转子磁场间以同步转速n1作相对运动，转子受到交变的脉动转矩，其平均值为零，电机不能起动。所以必须借助其他方式来起动。
同步电动机励磁系统常见故障分析 作者：陆业志 本文结合KGLF11型励磁装置，对其在运行中的常见故障进行分析。 1 常见故障分析 (1)开机时调节6W，励磁电流电压无输出。 原因分析：励磁电流电压无输出，肯定是晶闸管无触发脉冲信号，而六组脉冲电路同时无触发脉冲很可能是移相插件接触不良，或者同步电源变压器4T损坏，造成没有移相给定电压加到六组脉冲电路的1V1基极回路上，从而六组脉冲电路无脉冲输出导致晶闸管不导通。 (2)励磁电压高而励磁电流偏低。 原因分析：这是个别触发脉冲消失或是个别晶闸管损坏的缘故。个别触发脉冲消失可能是脉冲插件接触不良。另外图1中三极管1V1、单极晶体管2VU及小晶闸管9VT损坏，或者是电容2C严重漏电或开路。如果主回路中晶闸管1VT～6VT中有某一个开路或是触发极失灵，同样会导致输出励磁电流偏低的现象。 (3)合励磁电路主开关时，励磁电流即有输出。 原因分析：这是由于图1所示脉冲电路中的三极管1V1集电极-发射极之间漏电，即使移相电路还未送来正确的控制电压，也会导致1C充电到2VU导通的程度。2VU即输出触发使小晶闸管9VT导通，2C经9VT放电而发出脉冲令1VT、3VT、6VT之一触发导通，使转子励磁电路中流过直流电流。 (4)同步电动机起动时，励磁不能自行投入。 原因分析：励磁不能自行投入。肯定是自动投励通道电路中断或工作不正常，因此可能是投励插件与插座间接触不良，或是图2所示投励电路中的三极管3V1、单结晶体管4VU工作不正常，电容5C漏电、电位器W′损坏。另外是移相插件同样有接触不良现象，或者是图3所示移相电路的小晶闸管10VT损坏等等。 (5)运行过程中励磁电流电压上下波动。 原因分析：引起励磁电流电压输出不稳的原因很多，主要有1)脉冲插件可能存在接触不良，造成个别触发脉冲时有时无。2)图1所示脉冲电路的电位器4W松动，使三极管1V1电流负反馈发生变化，造成放大器工作点不稳定，从而影响晶闸管主回路输出的稳定性。另外，如果电容2C漏电或单结晶体管2VU及三极管1V1性能不良，也会引起触发脉冲相位移动。3)图3所示移相电路的电位器6W松动或接触不良，将会使移相控制电压Ed间歇性消失，引起励磁电流电压输出大幅度波动。另外，如果稳压管7VS、8VS损坏，都会使Ey随电网电压波动而波动，使Ed输出波动，造成晶闸管主回路直流输出不稳。 (6)励磁装置输出电压调不到零位。
球磨机同步电机励磁系统改造 发表时间：2019-03-13T11:36:39.293Z 来源：《电力设备》2018年第27期作者：崔勃[导读] 摘要：空气压缩机和划痕的同步电击器系统有问题。（河南中原黄金冶炼厂河南三门峡 472100）摘要：空气压缩机和划痕的同步电击器系统有问题。使用tmds11型立体磁碟机改造旧磁器系统，在确定改造方案，电气连接及设定等方面说明改造过程。 关键词：同步电机；励磁系统；改造前言：机电一体化控制磁性系统的发展主要经历了三大过程：如kglf系列激励磁器等插件控制为核心。以集成单位控制为核心，以KD 系列激励磁器装置，柔性电子等微机控制为核心。如tmds系列激励磁器等。没有齿轮的电力驱动装置(gmd)的电力驱动部分主要由低速大回转矩的直线驱动马达，变速器控制等构成。由此可见，没有齿轮的研磨机由电动机的转子部分组成，在外面安装了永久磁体或设置了绕 圈。定子磨耍设置部分机基系统之上座圆筒体所需的石头的电子矩矩石头,通过直接产生子间转政府通过隙画家并没有传达合耦机械能源的方式传达磨损没有爬结构等问题的出现,为了最小化,工厂运转过程中将复杂的整顿工作。”。无齿轮驱动系统靠输送带输电，系统有良好的控制可能。 1 存在的问题 新疆良山矿业公司的空气压缩机，划痕等同期制动器，使用kglf11项类型的女机时，存在以下问题： (1)控制系统全部由插件(其中6个促发环节，主语，努力，保护，自我消灭，电压，逆变，附加阶段各1个)发热，控制控制稳定性差； (2)换下插头和滤磁器投入前，必须进行不活化调整，功率波形调整，重压时修正等一系列操作，需要试验设备的帮助，较为麻烦。调试完毕后，还要固定所有的调节器，等待试车。 (3)与控制硅硅散热的一般散热器相配合，送风机和通风器始终运转，耗电量大；自我消灭环在正常运行中会造成导热状况(旅磁衰变电阻经常发生热)的电流不稳定，影响生产，为此还会设置一台自主留声机，使柜台进一步冷却，定期清理或更换插件面板，使工人的维护量大，生产时间长；产生影响。于是公司决定改造4台旧碾盘机动力磁系统，各电机系数见表1。表1 2 球磨机励磁系统改造 2.1 改造方案 由于kglf系列控制系统基本淘汰，生产厂大部分停产，并经过技术论证，确定用重庆中正公司tmds11恒流励磁装置(图1)取代kglf11-300/110型旅磁柜1.#、2.#电器机器tmdsⅢ型、11-3。#4。#电器机器tmds11-Ⅱ型使用,并考虑因素,价格,以现有的减肥后的配合和使用的变压器类。 主控电路与移动式电路采用并转调控捷威集成电路集成电路集成电路集成电路集成电路集成电路块，采用三相衔接输入不尽相同顺序，完全实现外部连接设备测试，免费维修。根据转子电路内测定的转子电压波形，采用改变方向波的方法，利用光束隔离，输入计算机系统，在计算机控制下，可选择最高投票角。tmds11-v采用微芯片公司数字pic微控制器，tmds11-fps采用三菱fx系列plc。接口友好，可在显示器网上设定或修改用户计数器和各种保护精度，在运行中人工调节吕子电流和功率接收。用真空管散热效果好。 2.2 电气接线（图2） 拆除旧磨损电机控制电路连接的控制接线端子(5个控制点，10个控制联系点)。输送站(141,142)接通电机开关电路。断路器无源，经常接入滤磁器，向旅磁控制电路提供甲流信号(103,105)；励磁系统允许工作接口(1313138)连接到断路器开关电路；电表的电流表和功率由数值上的电流连接点a上电流相互制导机提供的一个连接点为"a413,a416"。计量器接收压的地点，由电压互动器提供的b,c对电压的连接点连接为b601,c601。 图1 TMDS11系列励磁装置原理
电动机的基本结构及工作原理 交流电机分异步电机和同步电机两大类。异步电机一般作电动机使用，拖动各种生产机械作功。同步电机分分为同步发电机和同步电动机两类。根据使用电源不同，异步电机可分为三相和单相两种型式。 一、异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子两部分组成。因转子结构不同又可分为三相笼型和绕线式电机。 1、三相异步电动机的定子： 定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子的作用是通入三相对称交流电后产生旋转磁场以驱动转子旋转。定子铁心是电动机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.35～0.5mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成圆筒形状，安装在机座内。定子绕组是电动机的电路部分，安嵌安在定子铁心的内圆槽内。定子绕组分单层和双层两种。一般小型异步电机采用单层绕组。大中型异步电动机采用双层绕组。机座是电动机的外壳和支架，用来固定和支撑定子铁心和端盖。 电机的定子绕组一般采用漆包线绕制而成，分三组分布在定子铁心槽内（每组间隔120O），构成对称的三相绕组。三相绕组有6个出线端，其首尾分别用U1、U2；V1、V2；W1、W2表示，连接在电机机壳上的接线盒中，一般3KW以下的电机采用星形接法（Y接），3KW以上的电机采用三角形接法（△接）。当通入电机定子的三相交流电相序改变后，因定子的旋转磁场方向改变，所以电机的转子旋转方向也改变。
2、三相异步电动机的转子：
转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子的作用是产生感应电动势和感应电流，形成电磁转矩，实现机电能量的转换，从而带动负载机械转动。转子铁心和定子、气隙一起构成电动机的磁路部分。转子铁心也用硅钢片叠压而成，压装在转轴上。气隙是电动机磁路的一部分，它是决定电动机运行质量的一个重要因素。气隙过大将会使励磁电流增大，功率因数降低，电动机的性能变坏；气隙过小，则会使运行时转子铁心和定子铁心发生碰撞。一般中小型三相异步电动机的气隙为0.2～1.0mm，大型三相异步电动机的气隙为1.0～1.5mm。 三相异步电动机的转子绕组结构型式不同，可分为笼型转子和绕线转子两种。笼型转子绕组由嵌在转子铁心槽内的裸导条（铜条或铝条）组成。导条两端分别焊接在两个短接的端环上，形成一个整体。如去掉转子铁心，整个绕组的外形就像一个笼子，由此而得名。中小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝转子，即把熔化了的铝浇铸在转子槽内而形成笼型。大型电动机采用铜导条；绕线转子绕组与定子绕组相似，由嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组构成，绕组作星形形联结，三个绕组的尾端连结在一起，三个首端分别接在固定在转轴上且彼此绝缘的三个铜制集电环上，通过电刷与外电路的可变电阻相连，用于起动或调速。 3、三相异步电动机的铭牌： 每台电动机上都有一块铭牌，上面标注了电动机的额定值和基本技术数据。铭牌上的额定值与有关技术数据是正确选择、使用和检修电动机的依据。下面对铭牌中和各数据加以说明： 型号异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等。产品代号表示电动机的类型，用汉语拼音大写字母表示；设
浅谈同步发电机的励磁系统 技术分类:电机与运动控制作者：赵宇发表时间：2006-11-10 1 概述 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 2 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。 图1 自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中 LH——电流互感器 YH——电压互感器 F ——同步发电机 FLQ——同步发电机的励磁线圈 L——直流励磁机 LLQ——直流励磁机的励磁线圈 Rc——可调电阻
采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。 3 半导体励磁系统 半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 3.1 静止式半导体励磁系统 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。 3.1.1自励式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。 图2 无励磁机发电机自并励系统原理接线图
同步发电机电球的工作原理调控及维护 同步发电机，俗称“电球” 柴油发电机组是常用的备用电源,由于它以柴油发动机燃烧柴油为动力,带动发电机发出与市电同样性质的电力,所以用在市电断电后需要后备电源供电几小时以上的场合。从性能价格比、对工作环境的要求、带非线性负载能力方面考虑,采用柴油发电机组比使用很 多大容量蓄电池的长延时UPS 往往具有一定的优势。但是柴油发电机组在市电断电后需要十秒钟左右才能发出稳定的电力,这就大不如UPS 可不间断供电的特点。因此,柴油发电机组和UPS 通常是取其各自的优势构成一个完善的、可靠的电源系统,以确保重要设备的不间 断供电。 柴油发电机组一般是采用同步发电机（也俗称电球）将柴油发动机的旋转机械能转为电能。各种用电设备要依靠它发出的电力工作,因此对同步发电机的工作性能要求是很高的。 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。
同步电机励磁系统 Excitation system for synchronous electricalmachines-Definitions GB/T 7409.11997 本标准是对GB 7409—87的修订。 GB 7409—87执行七年来，技术已有新的发展，其中有些内容IEC已制定了国际标准。为适应技术发展的要求和贯彻积极采用国际标准的精神，原标准需作修订。 为便于采用IEC标准和今后增补、修订标准的方便，经技术委员会研究，将GB 7409改编为系列标准：修订后的GB 7409.1等同采用IEC 34-16-1：1991；GB 7409.2等同采用IEC 34-16-2：1991，至于GB 7409.3，由于IEC目前还没有相应的标准，此部分是根据GB 7409执行七年的情况并参考了美国IEEE std 421.1—1986、421.A—1978、421.B—1979和原苏联ГОСТ21558—88等标准编写的。 本标准定义的同步旋转电机的励磁系统术语为一般通用的术语。同步电机励磁系统所有 各分标准在使用同步电机励磁系统技术名词和术语时均符合本标准之规定。其他未包括的术 语，应在同步电机励磁系统各分标准中作补充规定。 本标准由全国旋转电机标准化技术委员会汽轮发电机分技术委员会提出并归口。 本标准负责起草单位：哈尔滨大电机研究所。 主要起草人：忽树岳。 IEC
1)IEC(国际电工委员会)是由所有国家的电工技术委员会(IEC国家委员会)组成的世界范围内的标准化组织。IEC的目的是促进电工和电子领域内所有有关标准化问题的国际间的合 作。为此目的和除其他活动之外，IEC出版国际标准。这些标准是委托各个技术委员会制定 的；对所讨论的主题感兴趣的任何一个国家委员会都可以参加起草工作，与IEC有联系的国际的，政府的和非政府的组织也可以参加起草工作。IEC和ISO(国际标准化组织)按两大组织之间共同确定的条件紧密合作。 2)IEC关于技术问题的正式决议或协议是由代表各国家委员会专门利益的技术委员会 所制定的，这些决议或协议都尽可能充分地表达了国际上所涉及的问题的一致意见。 3)这些决议或协议均以标准、技术报告或导则的形式出版且以推荐的形式供国际上使 用，并在此意义上为各国家委员会所承认。 4)为了促进国际上的统一，IEC各国家委员会应尽最大可能在各自的国家和地区标准中 明确地采用IEC国际标准，并应清楚地指明IEC标准与对应的本国或本地区标准之间的某 些分歧。 5)IEC对任何申明符合其某些标准的设备不提供表明它已被认可的标记过程，并且也不 对其负责。 IEC
1 同步电机 8.1 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）结构模型： 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。除了转场式同步电机外，还有转枢 式同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流 绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的 转子充当了电枢。图8-1-1给出了典型的转场 式同步发电机的结构模型。图中用AX 、BY ， CZ 共3个在空间错开120°电角度分布的线 圈代表三相对称交流绕组。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当 原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会产生高速旋转磁场，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），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E 0＝4.44f N Фf k w （8-1-1） 式中 f ——电源频率；Фf ——每极平均磁通； N ——绕组总导体数；k w ——绕组系数； E 0是由励磁绕组产生的磁通Фf 在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电源。可见，同步发电机可以将原动机提供给转子的旋转机械能转化为三相对称的交变电能。 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即 图8-1-1 同步电机结构模型 60pn f
TBL-D系列同步电机数字可控硅励磁装置 三、工作原理 3.1主电路工作原理： ?本装置主电路采用三相半控桥式整流电路。 整流变压器T的输出，经三相半控桥可控整流后输出脉动直流。控制可控硅的触发角，便可以调节整流桥输出的直流电压、电流。 ?主电路中采用三相三角形R C吸收电路，以吸收各种过电压， 以及电源和本电路可控硅产生的谐波干扰。 ?在可控硅和整流二极管阴阳极之间产生的过电压，由R C阻 容吸收电路吸收。 ?每一桥臂均有均压电阻，以保证同一桥臂上的两只元件承受 相同的电压，避免单只元件承受过高的电压而被击穿。 ?整流变压器付边采用三只快速熔断器为直流侧短路和整流 元件短路保护用。 3.2.灭磁电路工作原理： 同步电动机异步起动时，转子开路感应电压将达到数千伏，会严重危及操作人员、同步电动机及励磁装置的安全。因此同步电动机异步起动时励磁绕组严禁开路。 为了保证同步电动机的正常启动，转子正负半周的感应电流必须保证平衡，这样灭磁电压值就要求尽量低（本装置的灭磁电压为零）。而灭磁过程结束后，装置将会输出励磁电压，灭磁电路两边也就同时被施加了励磁电压。如果不采取措施，灭磁可控硅就又会被触发导通，使灭磁电阻长期承受励磁电压而被烧断，造成灭磁电路失效。这是十分危险的故障。 要避免上述故障的发生,就必须使装置的灭磁电压值要高于励磁电压的峰值。而且为防止电压波动和电网谐波的干扰,灭磁电压值甚至还要高一些。按照国家标准中有关电网电压允许的上下限要求和对谐波要求,特为本装置的灭磁电压值制定了下述公式： U m c=(U1c×2．5)÷ 这样，虽然灭磁电路较为可靠，但是由于同步电动机启动时的转子感应电流正负半波不平衡，会使同步电动机启动时间延长。为了解决这个矛盾，本装置灭磁电路的灭磁电压采用了分步骤自动整定的方法。 同步电动机在启动时，投励继电器常闭点将16R与17R、18R并联，使同步电动机的感应电流在6D上的压降大为增加，灭磁可控硅易于导通（10V以下即可 导通）。投励后，投励继电器吸合，16R与17R、18R脱开，回路总阻值增大， 灭磁可控硅的导通触发电压上升至同步电动机励磁电压的 2.5倍而不能被触发。这样就达到了兼顾同步电动机启动和灭磁电路可靠工作的需要。 在投励之后，由于整流桥立即输出励磁电压、电流，可能使尚未关断的灭磁可控
电机励磁方式 旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。 一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。 他励 由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。 他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。 自励利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自
无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。 无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。曾经风靡过一段时间，但是由于整流管坏了就得停机，所以现在已经用的很少了，基本都采用自复励系统。 同步发电机励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1.直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 2.静止励磁器励磁 同一轴上有3台发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 3.旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到了数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。用于这种励磁系统取消了集电环和集电装置，故又称为无刷励磁系统。