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行業新聞

工作原理
同步發電機為了實現能量的轉換,需要有一個直流磁場。而產生這個磁場的直流電流,稱為發電機的勵磁電流。根據勵磁電流的供給方式,凡是從其它電源獲得勵磁電流的發電機,稱為他勵發電機,從發電機本身獲得勵磁電源的,則稱為自勵發電機。

工作方式
一、發電機獲得勵磁電流的幾種方式
1、直流發電機供電的勵磁方式:這種勵磁方式的發電機具有專用的直流發電機,這種專用的直流發電機稱為直流勵磁機,勵磁機一般與發電機同軸,發電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立,工作比較可靠和減少自用電消耗量等優點,是過去幾十年間發電機主要勵磁方式,具有較成熟的運行經驗。缺點是勵磁調節速度較慢,維護工作量大,故在10MW以上的機組中很少采用。
2、交流勵磁機供電的勵磁方式,現代大容量發電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發電機大軸上,它輸出的交流電流經整流后供給發電機轉子勵磁,此時,發電機的勵磁方式屬他勵磁方式,又由于采用靜止的整流裝置,故又稱為他勵靜止勵磁,交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恒壓裝置的交流發電機。為了提高勵磁調節速度,交流勵磁機通常采用100——200HZ的中頻發電機,而交流副勵磁機則采用400——500HZ的中頻發電機。這種發電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內,轉子只有齒與槽而沒有繞組,像個齒輪,因此,它沒有電刷,滑環等轉動接觸部件,具有工作可靠,結構簡單,制造工藝方便等優點。缺點是噪音較大,交流電勢的諧波分量也較大。
3、無勵磁機的勵磁方式:在勵磁方式中不設置專門的勵磁機,而從發電機本身取得勵磁電源,經整流后再供給發電機本身勵磁,稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發電機出口的整流變壓器取得勵磁電流,經整流后供給發電機勵磁,這種勵磁方式具有結簡單,設備少,投資省和維護工作量少等優點。自復勵磁方式除設有整流變壓外,還設有串聯在發電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發生短路時,給發電機提供較大的勵磁電流,以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源,通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯變壓器獲得的電流源。

主要特性
1、電壓的調節
自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因,當勵磁電流不變時,發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求,發電機的端電壓應基本保持不變,實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。
2、無功功率的調節:發電機與系統并聯運行時,可以認為是與無限大容量電源的母線運行,要改變發電機勵磁電流,感應電勢和定子電流也跟著變化,此時發電機的無功電流也跟著變化。當發電機與無限大容量系統并聯運行時,為了改變發電機的無功功率,必須調節發電機的勵磁電流。此時改變的發電機勵磁電流并不是通常所說的“調壓”,而是只是改變了送入系統的無功功率。
3、無功負荷的分配:
并聯運行的發電機根據各自的額定容量,按比例進行無功電流的分配。大容量發電機應負擔較多無功負荷,而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現無功負荷能自動分配,可以通過自動高壓調節的勵磁裝置,改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變,還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整,以實現并聯運行發電機無功負荷的合理分配。

應用范圍

按照不同的工農業生產機械的要求,電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。

1、 定速驅動

工農業生產中有大量的生產機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行,例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低,結構簡單牢靠,維修方便,很適合該類機械的驅動。但是,異步電動機效率、功率因數低、損耗大,而該類電機使用面廣量大,故有大量的電能在使用中被浪費了。其次,工農業中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節其流量,通常是通過調節風門、閥來完成的,這其中又浪費了大量的電能。70年代起,人們用變頻器調節風機、水泵中異步電動機轉速來調節它們的流量,取得可觀的節能效果,但變頻器的成本又限制了它的使用,而且異步電動機本身的低效率依然存在。

例如,家用空調壓縮機原先都是采用單相異步電動機,開關式控制其運行,噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初,日本東芝公司首先在壓縮機控制上采用了異步電動機的變頻調速,變頻調速的優點促進了變頻空調的發展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機來替代異步電動機的變頻調速,顯著提高了效率,獲得更好的節能效果和進一步降低了噪聲,在相同的額定功率和額定轉速下,設單相異步電動要的體積和重量為100%,則永磁無刷直流電動機的體積為38.6%,重量為34.8%,用銅量為20.9%,用鐵量為36.5%,效率提高10%以上,而且調速方便,價格和異步電動機變頻調速相當。永磁無刷直流電動機在空調中的應用促進了空調劑的升級換代。

再如儀器儀表等設備上大量使用的冷卻風扇,以往都采用單相異步電動機外轉子結構的驅動方式,它的體積和重量大,效率低。近年來它已經完全被永磁無刷直流電動機驅動的無刷風機所取代。現代迅速發展的各種計算機等信息設備上更是無例外地使用著無刷風機。這些年,使用無刷風機已形成了完整的系列,品種規格多,外框尺寸從15mm到120mm共有12種,框架厚度有6mm到18mm共7種,電壓規格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V,轉速范圍從 2100rpm到14000rpm,分為低轉速、中轉速、高轉速和超高轉速4種,壽命30000小時以上,電機是外轉子的永磁無刷直流電動機。

 近年來的實踐表明,在功率不大于10kW而連續運行的場合,為減小體積、節省材料、提高效率和降低能耗等因素,越來越多的異步電動機驅動正被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合,由于一次成本和投資較大,除了永磁材料外,還要功率較大的驅動器,故還較少有應用。

2、 調速驅動

有相當多的工作機械,其運行速度需要任意設定和調節,但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。

 在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統,70年代后隨電力電子技術和控制技術的發展,異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統的應用領域。這是因為一方面異步電動機變頻調速系統的性能價格完全可與直流調速系統相媲美,另一方面異步電動機與直流電動機相比有著容量大、可靠性高、干擾小、壽命長等優點。故異步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統。

 交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節能等一系列優點,越來越引起人們重視,其控制技術日趨成熟,控制器已產品化。中小功率的異步電動機變頻調速正逐步為永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是一個典型的例子。電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機調速系統,其缺點是不言而喻的。70年代變頻技術發展成熟,異步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。而這幾年電梯行業中最新驅動技術就是永磁同步電動機調速系統,其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動,消除齒輪減速裝置;其低噪聲、平層精度和舒適性都優于以前的驅動系統,適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅動系統很快得到各大電梯公司青睞,與其配套的專用變頻器系列產品已有多種牌號上市??梢栽ぜ?,在調速驅動的場合,將會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機產品相配的變頻控制器,功率從0.4kW~300kW,體積比同容量異步電動機小1~2個機座號,力能指標明顯高于異步電動機,可用于泵、運輸機械、攪拌機、卷揚機、升降機、起重機等多咱場合。

3、 精密控制驅動

① 高精度的伺服控制系統

伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色,應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應用中,伺服電動機有各種不同的控制方式,例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統,直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動機的交流伺服系統。

② 信息技術中的永磁同步電動機

當今信息技術高度發展,各種計算機外設和辦公自動化設備也隨之高度發展,與其配套的關鍵部件微電機需求量大,精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動,精度要求更是特別高。例如,硬盤驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機,它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉,盤片上執行數據讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1~0.3微米處作懸浮運動,其精度要求之高可想而知了。信息技術中各種設備如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動、傳真機、復印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制,這類微電機目前國內還不能自己制造,有部分產品在國內組裝。

電流方法

在改變發電機的勵磁電流中,一般不直接在其轉子回路中進行,因為該回路中電流很大,不便于進行直接調節,通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流,以達到調節發電機轉子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機勵磁回路的電阻,改變勵磁機的附加勵磁電流,改變

可控硅的導通角等。這里主要講改變可控硅導通角的方法,它是根據發電機電壓、電流或功率因數的變化,相應地改變可控硅整流器的導通角,于是發電機的勵磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管,可控硅電子元件構成,具有靈敏、快速、無失靈區、輸出功率大、體積小和重量輕等優點。在事故情況下能有效地抑制發電機的過電壓和實現快速滅磁。自動調節勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調差單元、穩定單元、限制單元及一些輔助單元構成。被測量信號(如電壓、電流等),經測量單元變換后與給定值相比較,然后將比較結果(偏差)經前置放大單元和功率放大單元放大,并用于控制可控硅的導通角,以達到調節發電機勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步,以保證控硅的正確觸發。調差單元的作用是為了使并聯運行的發電機能穩定和合理地分配無功負荷。穩定單元是為了改善電力系統的穩定而引進的單元 。勵磁系統穩定單元 用于改善勵磁系統的穩定性。限制單元是為了使發電機不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運行而設置的。必須指出并不是每一種自動調節勵磁裝置都具有上述各種單元,一種調節器裝置所具有的單元與其擔負的具體任務有關。

組成部件

自動調節勵磁的組成部件有機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變壓器;勵磁裝置需要提供以下電流,廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源;需要提供以下空接點,自動開機.自動?;?并網(一???,一常閉)增,減;需要提供以下模擬信號,發電機機端電壓100V,發電機機端電流5A,母線電壓100V,勵磁裝置輸出以下繼電器接點信號;勵磁變過流,失磁,勵磁裝置異常等。

勵磁控制、?;ぜ靶藕嘔羋酚擅鶇趴?,助磁電路、風機、滅磁開關偷跳、勵磁變過流、調節器故障、發電機工況異常、電量變送器等組成。在同步發電機發生內部故障時除了必須解列外,還必須滅磁,把轉子磁場盡快地減弱到最小程度,保證轉子不過的情況下,使滅磁時間盡可能縮短,是滅磁裝置的主要功能。根據額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。

近十多年來,由于新技術,新工藝和新器件的涌現和使用,使得發電機的勵磁方式得到了不斷的發展和完善。在自動調節勵磁裝置方面,也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節裝置。由于采用微機計算機用軟件實現的自動調節勵磁裝置有顯著優點,目前很多國家都在研制和試驗用微型機計算機配以相應的外部設備構成的數字自動調節勵磁裝置,這種調節裝置將能實現自適應最佳調節。

獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類:一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統;另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統。現說明如下:

1 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發電機同軸,采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時,勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。如圖15.5所示。

2 靜止整流器勵磁 同一軸上有三臺交流發電機,即主發電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供,待電壓建立起來后再轉為自勵(有時采用發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機,而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。(見圖15.6)

3 旋轉整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到旋轉的勵磁繞組,對于大容量的同步發電機,其勵磁電流達到數千安培,使得集電環嚴重過熱。因此,在大容量的同步發電機中,常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統,如圖15.7所示。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機,旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后,直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置,故又稱為無刷勵磁系統。

優點:同步,可當發電機用

缺點:電刷容易壞,電機結構復雜,造價高

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