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斯坦福发电机励磁系统和调节装置工作原理 |
摘要：斯坦福无刷发电机是一种新型的电机类型，采用无刷电机技术，通过励磁方式，实现了高效率、低噪音和稳定运行。斯坦福发电机总部设在英国，属于康明斯公司旗下100%控股子公司。是世界交流发电机技术先导和首屈一指的生产商，交流4极5KW-3000KW发电机在世界市场上占有30％以上份额，在英国、印度、美国、印度尼西亚及中国设有生产厂，斯坦福发电机是在国际标准ISO9001要求中按多种国际标准制成。其中，设于中国的工厂为康明斯发电机技术（中国）有限公司，厂址位于江苏省无锡国家高新技术产业开发区49号地块。
一、工作原理
斯坦福无刷发电机的励磁原理基于永磁同步电机的工作原理。无刷发电机通过在转子上装配永磁体，使得发电机能够产生恒定的磁场，从而实现自激励。励磁系统通过控制换相器，可以实时调整磁场的强度和方向，从而控制电机的运行状态。
1、永磁发电机工作原理
发电机工作时，永磁机定子输出P2、P3、P4，电压值约为130-150VAC之间，此电压值输入到稳压板（AVR）的P2、P3、P4 端子，经AVR内部的二极管予以整流后，输出×、××（空载时约8-9VDC）到电球的励磁机定子线圈，励磁机转子线圈感应出交流电，经安装在励磁机转子线圈上的6个二极管整流出直流。此直流电流到主转子线圈，主转子线圈在旋转状态下产生一个磁场，主定子线圈感应出交流电（如400VAC输出）。
当负载在瞬间增加或减小时，发电机的输出电压u、v、w会在瞬间相应降低或提高，P6、P7、P8为400VAC输出的一半（抽头电压），P6、P7、P8反馈到AVR板，若负载增加，则P6、P7、P8在负载增加的瞬间会降低，AVR板会自动提高的×、××输出值，使u、v、w提高到400VAC。
2、励磁方式
斯坦福无刷发电机的励磁方式有多种选择，包括恒功率励磁、恒磁励磁和恒流励磁等。下面将详细介绍这几种励磁方式的特点和适用场景。
（1）恒功率励磁
恒功率励磁方式是通过保持输出功率不变来控制励磁电流的大小。在这种励磁方式下，无刷发电机的输出功率保持不变，但是电机的转速可以根据负载情况进行调整。这种方式适用于负载波动较大的场景，如风力发电、电动汽车等。
（2）恒磁励磁
恒磁励磁方式是通过保持磁场强度不变来控制励磁电流的大小。在这种励磁方式下，无刷发电机的磁场保持不变，但是输出功率可以根据负载情况进行调整。这种方式适用于负载稳定的场景，如工业机械、家用电器等。
（3）恒流励磁
恒流励磁方式是通过保持电流大小不变来控制励磁磁场的强度。在这种励磁方式下，无刷发电机的电流保持不变，但是电机的转速和磁场强度可以根据负载情况进行调整。这种方式适用于负载要求变化较大的场景，如电动工具、无人机等。
二、调压性能要求
斯坦福发电机分为很多种，有单相或三相、四级、单支点或双支点、陆用或船用等不同规格，可以根据自己的实际情况来选择合适的发电机。发电机通常由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等部件构成（外形如图1所示）。可广泛应用于工业、矿业、余热发电、建筑、通讯、远洋作业等各种领域，甚至在最恶劣的环境下，斯坦福发电机都能作为主电源或备用电源提供极可靠的电力。
1、稳态电压变化值
由调速特性符合要求的发动机驱动的交流发电机连同其励磁系统（如图2所示），应能在负载自空载至额定负载范围内，且其功率因数为额定值情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的±2.5%以内。应急发电机可为±3.5%以内。
2、瞬态电压值
交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%；当电压上升时，其瞬态电压值应不超过额定电压的120%，而电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需的时间应不超过1.5s。应急发电机电压恢复到与最后稳定值相差4%以内所需的时间，可不超过5s。
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图1 斯坦福发电机外形图 |
图2 同步发电机励磁控制系统 |
三、调压方式
1、自励AVR控制的发电机
主机定子通过SX440（或SX421）自动电压调节器为励磁机磁场提供励磁源。自动电压调节器简称AVR，是调节励磁机磁场励磁电流的控制装置。AVR根据来自主机定子绕组的电压感应信号作出反馈，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制主机磁场电流的要求。发电机的励磁系统和调压系统如图3、图4所。
（1）SX440调压板
AVR通过感应两相平均电压，确保较高的电压调整率.除此之 外，它还监测发动机的转速.如低于预选转速（HZ）设定，则相应降低输出电压，以防止发动机低速时的过励，缓减加载时的冲击，以减轻发动机的负担。
（2）SX421调压板
除了SX440调压板的特点外，还具有三相均方根感应的特点.在与外部断路器（装在开关板上）一起使用时，它还提供过电压保护。
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图3 斯坦福发电机自励磁系统框图 |
图4 斯坦福发电机自励磁调压系统 |
2、永磁发电机（PMG）励磁
PMG系统提供一个与定子负载无关的恒定的励磁电源，提供较高的电动机启动承受能力，并不受由非线性负载（例如可控硅直流电动机民）产生的主机定子输出电压的波形畸变的干扰。
（1）MX341调压板
结构如图5所示。AVR通过检测二相平均电压来确保较高电压调整率，另外它还监测发动机转速.如低于预选的转速设定，则相应降低输出电压主，以防止发动机低速时的过励，缓减加载时的冲击，以减轻发动机的负担.它还提供延时的过励保护，在励磁机磁场电压过高的情况下对发电机灭磁。
（2）MX321调压板
结构如图6所示。MX321调压板除提供MX341调压板具有的保护发动机的减荷特性外，还具有三相均方根检测和过电压保护的特点。
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图4 斯坦福发电机MX341电压调节器 |
图5 斯坦福发电机MX321电压调节器 |
3、AVR附件
SX440，SX421，MX341和MX321系列自动电压调节器的内置回路若与附件连接使用，可使发电机在下”下垂”或”无静差”控制，AVR（无功率）/PF（功率因素）控制下并联运行；MX321自动电压调节器还可提供短路电流限位控制。
四、斯坦福产品优势
1、励磁系统的优势
斯坦福无刷发电机采用励磁方式的优势在于以下几个方面：
（1）高效率：励磁系统可以根据负载情况实时调整磁场的强度和方向，从而提高发电机的效率。
（2）低噪音：无刷发电机弃用了传统的刷子和换向器，减少了机械摩擦和电火花的产生，从而降低了噪音水平。
（3）稳定运行：励磁方式可以根据负载情况自动调整电机的转速和磁场强度，使得电机能够在不同的负载情况下保持稳定的运行。
2、机械特性的优势
（1）空⽓过滤器：作为任选件，可在发电机上装备空⽓过滤器，但额定值下降5%。我们建议所有安装空⽓过滤器的电机加装定⼦绕组⾼温报警装置。
（2）轴和键：所有发电机转⼦都经动平衡校验，校验振动⽐BS6861第1部分第2 5级中规定的最⼩值还要低。双⽀点发电机带半键校动平衡。
（3）过滤接套和联轴器：发电机都具有单⽀点和双⽀点两种结构。接套和盘⽚联轴器符合SAE标准，可以和所有带SAE标准接⼝的柴油机配套。
（4）防护等级：所有斯坦福发电机都满⾜IP23标准防护等级作为可选项可以向客户提供IP44空冷防护的发电机，但建议所有IP44发电机加装定⼦绕组⾼温报警装置。
（5）海拔和环境温度：所有陆⽤发电机的额定功率均指海拔不超过1000⽶，环境温度⼩于400C时的功率。若海拔超过1000⽶，每升⾼500⽶，功率下降3%; 海拔超过4000⽶时，请咨询康明斯发电机厂家。环境温度超过40时，每上升5，电机功率下降3%；当环境温度超过600C咐，请和康明斯发电机⼯⼚联系并咨询。
总结：
斯坦福无刷发电机励磁技术的应用给电机领域带来了新的突破。通过励磁方式，电机可以实现高效率、低噪音和稳定运行。无论是工业机械、家用电器还是新能源领域，斯坦福无刷发电机都表现出了巨大的潜力。未来随着技术的进一步发展，无刷发电机将在更多领域得到广泛应用。
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