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新闻主题	图解无刷发电机励磁系统工作原理

 

摘要：无刷励磁系统对柴油发电机组的作用非常关键，它替代了传统有刷励磁中的电刷和滑环，为转子提供可调节的励磁电流，从而在免维护、高安全性的前提下，实现发电机的电压建立、稳定输出和动态调节。其优势在于维护量小、无火花、可靠性高，尤其适合在易燃易爆等恶劣环境中运行。不过，它也存在一些代价，例如系统反应速度相对较慢（电磁惯性大），且旋转整流器等部件的制造和安装工艺要求较高。

 

一、无刷励磁对柴发的作用

 

      具体来说，其核心作用体现在以下几个层面：

1、消除火花与维护需求，适应恶劣环境

      这是无刷励磁对柴油发电机组最根本、最独特的价值。

（1）无电刷滑环：传统有刷励磁中，大电流通过电刷和滑环传输，极易产生火花，且电刷是易损件，需要定期停机检查和更换。

（2）作用：无刷系统完全消除了这一物理接触。这使得柴油发电机组可以在易燃易爆（如油田、化工厂）、高粉尘、潮湿等恶劣环境中安全运行，同时大幅降低了日常维护工作量，提高了机组的可用性。

2、自主建压并稳定输出电压

      这是作为电源的基本要求。

（1）初始建压：无刷励磁系统利用发电机剩磁和自动电压调节器（AVR）的配合，能自动建立起输出电压，无需外部电源。

（2）稳态稳压：当负载变化时，AVR实时检测输出电压，通过调节交流励磁机的定子励磁电流，间接改变主发电机的磁场强度，使输出电压始终稳定在设定值（例如±1%以内），保证供电质量。

3、增强过载能力与动态补偿

      柴油发电机组经常需要带电机、空调等冲击性负载，这点非常关键。

（1）强行励磁作用：当大电机启动导致电压骤降时，无刷励磁系统中的AVR能迅速反应，自动增加励磁电流，强行提升电压，帮助电机成功启动，避免机组因电压过低而保护停机。

（2）改善动态特性：相比于有刷系统，虽然无刷系统因电磁惯性动态略慢，但现代采用永磁副励磁机或相复励方式的无刷系统，其动态补偿能力已非常出色，能有效应对负载的剧烈波动。

4、简化并联运行与保护控制

      对于需要多台柴油发电机组并联运行的场景。

（1）励磁调节接口：无刷系统的AVR通常提供外部接口，可以接受来自并联控制器的励磁调节信号，从而实现无功功率的合理分配和功率因数控制。

（2）故障快速灭磁：某些高级无刷系统（如旋转可控整流）具备灭磁能力，在机组内部故障时可快速消除磁场，保护发电机和电网。

 

二、按旋转整流器是否可控分类

 

      同步发电机的无刷励磁系统按旋转整流器是否可控，主要分为以下两类：

1、旋转不可控整流励磁（最常见）

（1）整流元件：采用旋转二极管（不可控）。

（2）控制方式：通过自动电压调节器（AVR）控制交流励磁机的定子励磁电流，间接调节主发电机的转子电流。旋转部分无需控制电路。

（3）特点：结构简单、技术成熟、可靠性高，是工业上应用最广泛的方案。

（4）主要缺点：动态响应较慢（存在电磁惯性）；且一旦二极管或交流励磁机故障，检修相对复杂。

2、旋转可控整流励磁（高性能方案）

（1）整流元件：采用旋转可控硅（晶闸管）。

（2）控制方式：控制信号通过旋转变压器、光电耦合或无线传输送到随转子旋转的触发电路，直接控制可控硅的导通角，从而调节主发电机励磁电流。这是真正的“无刷+可控”方案。

（3）特点：动态响应速度快，能直接控制主发电机的磁场，解决了灭磁问题（可将转子能量回馈）。

（4）主要缺点：结构复杂，需要解决旋转控制电路供电及信号隔离问题，成本更高，对制造工艺要求严苛。

表1  旋转整流器是否可控关键区别对比

 

三、按励磁电源及结构分类

 

      在他励和自励交流励磁机系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅〔或二极管〕供给，而可控硅〔或二极管〕是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件。随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加，转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止发电机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统。无刷发电机的励磁系统随发电机的技术进步及新材料、电子技术的发展而不断改进，类型较多，各具特色，下面简要介绍各励磁系统的组成、励磁原理及特点。

1、PMG永磁机励磁系统

      PMG永磁无刷发电机的结构如图1所示，主要有永磁发电机（如图2所示）、励磁发电机和主发电机三部分组成。永磁发电机、励磁发电机和主发电机的转子是同轴的。由永磁发电机（因为它的主转子是永磁体的，不需要励磁）直接发出电压，经过自动电压调节器（AVR）整流后形成稳定的直流电压，接到励磁发电机的定子，为其提供不受负载干扰的励磁能量。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主转子铁心形成磁场，主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，并且在励磁调节器的实时调节励磁下，主发电机定子线圈产生的感应电动势最终达到额定电压并稳定输出。

      与传统的励磁发电机相比，永磁发电机在柴油发电机组中的核心优势是效率更高、结构更可靠、体积更小。它省去了复杂的励磁系统，带来了显著的性能提升和经济效益。

（1）效率与节能：效率极高，可达94%-97.9%。功率因数高达0.95-1.0，尤其在轻载时仍能保持高效，节能效果显著，最高可节电30%以上。

（2）结构与可靠性：结构简单，无需励磁绕组、碳刷和滑环等易损件。可靠性高，维护需求极低，全生命周期成本更低。

（3）体积与重量：功率密度大，体积和重量可减少30%-35%以上，轴向长度更短，便于集成。

（4）性能与输出：起动扭矩大，带非线性负载能力强，电压波形好。在恶劣环境（如高温、高湿、多尘）下适应性更强，可进行密封设计。

 

图1  永磁发电机励磁控制系统结构及特点

图2  永磁机结构图

 

2、辅助绕组励磁系统

      辅助绕组无刷发电机在结构上只有励磁发电机和主发电机，两者转子是同轴的。两部分组成，如图3和图4所示。辅助绕组在原理上代替永磁发电机，在结构上是嵌入定子绕组槽并且与主定子线圈独立嵌放，电路上也与主定子线圈独立。发电机旋转后，主转子的剩磁切割辅助绕组线圈，辅助绕组产生感应电动势，经过AVR整流后形成励磁直流电压。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主转子铁心形成磁场，主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，并且在励磁调节器的实时调节励磁下，主发电机定子线圈产生的感应电动势最终达到额定电压并稳定输出。

 

图3  无刷发电机辅助绕组励磁AVR控制系统原理框图

图4  无刷发电机辅助绕组励磁AVR控制系统结构

 

 

3、自励式励磁系统

      自励式无刷发电机如图5和图6所示，在他励无刷发电机的基础上，少了一个专门为自动电压调节器（AVR）提供独立的、不受负载干扰的励磁能量的永磁发电机或者辅助绕组部分。发电机旋转后，主转子的剩磁切割主发电机定子绕组线圈，定子绕组产生感应电动势发出一定的电压，经过自动电压调节器（AVR）整流后形成励磁直流电压。该电压接到励磁发电机的定子，在定子铁心形成磁场，励磁发电机的转子线圈切割定子铁心磁力线产生电压，再经过在主轴上的旋转二极管整流成励磁直流电压，接到主发电机的主转子线圈上，在主发电机转子铁心形成更强的磁场，加强了的主发电机转子铁心磁场切割主发电机定子线圈，主发电机定子线圈产生的感应电动势上升，如此循环正反馈并且在励磁调节器的实时调节励磁下最终达到额定电压并稳定输出。

      自励无刷发电机由于为AVR提供励磁能量的电源不是独立的，易受负载冲击干扰或者负载波形畸变产生的谐波干扰，因此在带电动机等冲击性负载以及谐波干扰大的非线性负载能力方面比PMG永磁励磁发电机和辅助绕组励磁发电机要差一些。

 

图5  无刷发电机自励励磁AVR控制系统原理框图

图6  无刷发电机自励AVR控制系统结构

 

4、旋转晶闸管（SCR）励磁系统

      无刷发电机最多是3台发电机的组合，即付励磁发电机、励磁发电机、主发电机，一般控制励磁发电机的励磁电流，间接达到控制主发电机转子主磁场来调整发电机输出电压的目的，由于不是直接控制主磁场的励磁电流，而是经过2～3级控制，带来了发电机输出电压动态稳定性较差的问题，这对一般性的负载影响甚微，但对于要求高质量供电的用电设备来说，就成为一个严重的问题，为了解决常用无刷发电机的动态稳定性，因而产生了一种新型的励磁方式-旋转晶闸管（SCR）励磁系统。

      SCR励磁系统如图7所示，所在电路位置如图8所示。该系统有两个特点：一是将旋转二极管改为可控的旋转晶闸管，起到了可控整流的作用；二是AVR控制调节信号通过发光二极管-光传递至转子上，经光电转换后控制SCR的工作。由于直接控制主励磁绕组的励磁电流，消除了发电机输出电压的振荡，提高了发电机的动态稳定性能，使发电机的供电质量得到进一步提升。

      目前旋转晶闸管（SCR）励磁系统是较为先进的励磁系统，由于可控整流的SCR为大功率器件、光电转换模块等使成本较高，目前只在特殊要求的发电机中采用。

 

图7  无刷发电机旋转晶闸管（SCR）励磁系统示意图

图8  旋转晶闸管（SCR）励磁系统调节器位置图

 

5、相复励励磁系统

     当发电机转速接近额定值时，发电机的剩磁电压经线性电抗器L接至三相整流桥V的交流输入端，整流后给励磁机励磁绕组F进行励磁，使电压逐步提高，当电压超出整定的额定电压时，AVR控制SCR旁路部分电流，使发电机电压稳定在电压标定值。

      当发电机带有负载时，负载电流通过电流互感器T（励磁系统中称补偿器）的一次绕组，其二次绕组输出电流与负载电流的相位相同，大小成比例，它与L提供的滞后于端电压90°的电流相量叠加如图3-26所示（图中U_f为励磁电压，电阻性负载时可标记为U_fr，若为电感性负载则U_f＞U_fr，若为电容性负载则U_f＜U_fr）提供于三相整流桥V，同时带载时发电机端电压下降，AVR控制SCR减少分流，两部分共同作用，使U_f升高，励磁机磁场增强，发电机电压上升，最终保持发电机端电压恒定。

      这种励磁方式的特点是：

（1）励磁功率源随负载的性质和大小而变化，因而起到了强励的作用，励磁性能优越；

（2）AVR为并联调节（上述各种AVR为串联调节），一旦损坏，在电抗器L和补偿器T设置合适的情况下，仍可使发电机端电压维持在一定的正常范围内，不影响正常发供电，因而具有较高的可靠性。由于增加了电抗器L和补偿器T及外置的CR、SCR，使励磁系统复杂程度、元器件及重量不及前述各种励磁方式。

 

总结：

无刷励磁发电机彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了柴油发电机组维护工作量。但无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。在应用选择上，若是追求结构简单、成本经济的场景，两机系统（谐波励磁）更受欢迎；而在需要高动态性能和独立供电的场合，如船用发电机，相复励系统则更具优势。

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