交流无刷发电机自动电压调节器的应用研究

关键词：自动调压器(AVR)可控电源型分流型2、船舶交流发电机需要电压调节器必要性2.1发电机外部原因从发电机外部原因来说：交流发电机需要自动电压调节器的理由有两首先，当大容量的电动机启动时，会产生强大的启动电流，由于船舶电网是一个有限量电网，从而会对电网造成巨大冲击，并且电动机的启动电流基本上都是无功电流，当这其次，当外部电路发生短路时，为了使得短路点迅速脱离电网，保护系统需立即动作，而要使保护系统在短路时迅速工作，发电机必须进行强励磁以维持一定幅值的端电压使保护系统投入工作。显而易见靠手动调节励磁，响应速度肯定不行。因此必须要有自动电压调2.2发电机内部从发电机内部而言：当发电机在原动机的驱动下运转后，转子绕组流过电流，产生气隙磁场，气隙磁场的磁极方向在直轴上，见图2-1。而当负载接通以后，就有电流流过定子电枢绕组，该电流产生电枢磁场。此时主磁场是转子产生的气隙磁场和定子产生的电枢磁场的合成。而电枢磁场对主磁场必定产生影响，这种影响即电枢反应。同时电枢反应的即交轴电枢反应。电枢反应的结果使得主磁场一侧被增加，另外一侧被削弱。如果磁路饱和的话，会减少主磁场，使得电压有所下降，见图2-2。当电枢电流滞后电压90°(COSφ=0)纯电感负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相反，即直轴去磁电枢反应。其结果使得主磁场大大削弱，导致电压下降，见图2-3。当电枢电流超前电压90°时(COSφ=0)即纯电容负载，此时电枢磁场的磁极方向在直轴上，方向和气隙磁场相同，即直轴助磁电枢反应。其结果使得主磁场大大增加，导致电压上升，见图2-4。船舶的负载是电阻性和电感性的综合，功率因数永远小于1,因此当发电机负载以后，总是使得发电机的端电压下降。为了保证不管在什么性质的负载下船舶电网电压的恒定，必须需要自动电压调节器来调节发电机的励磁电流，确保电压在规范规定的范围内。直轴交轴s图2-1无负载主磁场分布图图2-2纯电阻负载主磁场分布图直轴转向直轴转向交轴sAVRU放大(励磁输出)E电源输出给定值励磁机比较3.1AVR的电源电枢绕组辅助绕组原动机励磁绕组电流检测电压检测AVR(a)AVR由辅助绕组供电的无刷励磁系统电枢绕组电枢绕组励磁绕组原动机电源输出发电机整流器电流检测电压检测AVR电源输入(b)AVR由机端供电的无刷励磁系统永磁发电机电流检测电压检测AVR发电机整流器原动机电源(c)AVR由永磁发电机供电的无刷励磁系统图3-2经典励磁系统几种供AVR方式3.2电压电流的检测(转速)保护，即低频时使AVR退出工作。4、船用交流无刷发电机的自动电压调节器(AVR)的主要调节方式船用交流无刷发电机的自动电压调节器(AVR)的主要调节方式有两种，一种是可控电源型，如图4-1a,第二种是分流型，如图4-1b。基本的概念都是建立在交流发电机要维持机端电压的恒定，必须根据发电机机端电压的变化，不断地调节励磁绕组的电流。GARa.可控电源励磁方式b.可控分流励磁方式图4-1发电机的励磁当通了电的励磁绕组(转子)在原动机的驱动下，它所产生的主磁场切割了定子的三相绕组，三相绕组就会感生电势，负载以后，三相绕组就有电流流过，负载电流使得三相绕组也产生了一个电枢磁场。这个电枢磁场和由励磁绕组产生的主磁场(气隙磁场)必定会在发电机内部相互作用，称之电枢反应，电枢反应包括交轴电枢反应和直轴电枢反应。不管是那一种反应，其结果总是扭曲了主磁场，扭曲的程度完全决定于负载电流的大小和功率因数的高低。从而使得端电压发生变化。要维持端电压的恒定，就需要改变主磁场的强度，也即调节励磁电流。当发电机制造好以后，只有两种方法可以调节励磁电流。第一种调节励磁回路电源的电压，改变励磁电流，如图4-1a。第二种给定励磁电路一个恒流源，利用电阻R进行分流，调节励磁电流，如图4-1b。4.1可控电源励磁方式：图4-2可控直流电源图4-2说明了可控直流电源实际上是可控全波整流，交流臂的输入来自于发电机端电如果发电机的端电压只需要按照机端电压进行调节励磁电流，就可以采用图3模式可控电源形式的调压器。5600箱和4100箱集装箱船就采用Barler公司的MVC型调压器作为发电机的备用调压器，和该公司的SSR型(也是可控电源形式)主用调压器组成一个调压图4-3可控直流电源框图为了分析可控电源形式的调压器基本工作原理，以图4-4为例。图4-4是图4-3的具体图4中，集成块“A”包括了比较放大器、电压一频率变换器、同步电路以及消振电路等。它的6脚输入信号(取样电压)直接来自励磁电压，也就是可控直流电源的输出经R8或R9、R10与R7的分压。2脚是基准电压输入脚，调节电位器“W”能够改变基准电压数不同。当接在电阻R8上时，输出的励磁电压为32V,当接在电阻R9上时，输出的励磁电A图4-4取样电压的分压电路当发电机被原动机拖带到额定转速时，由于铁芯存在的剩磁，使得发电机端子上产生了剩磁电压。剩磁电压一般为发电机额定电压的3～5%。(额定电压为450V)该电压直接加在可控整流桥的交流桥臂上，因为没有其它任何起压的措施。发电机的起压，只能等待着可控硅控制极的触发信号，而且是要让可控硅到到SSR型主用调压器3到发电机励磁绕组GOO3-24-A82W906图4-5MVC型调压器原理图最大角度导通的触发信号。同时，剩磁电压经降压、整流、稳压等环节作为控制电路的工作电源以及基准电源。此时，如此低的剩磁电压，能否保证控制线路正常工作，提供可控硅最大角度导通的触发信号，并且一旦发电机起压后，又如何由最大角度导通的触发信号转为正常的控制脉冲，这是该电路的关键。为了更清楚的阐述这公司可控电源形式的调压器来说明。见图4-6。到发电机品硅绕用F2脉冲发生器来目发电机励端电压8图4-6只是AVK调压器起压和起压后的触发脉冲的转换部分。来自发电机的剩磁电压从J1、K1输入，加在由V6、V7、V8、V9组成的可控全波整流的交流桥臂上。同时经变压的稳压后，提供正、负15V的两组工作电源。变压器的另一绕组提供电压—频率变换器(脉冲发生器)的同步源。但是由于剩磁电压很低，经整流、滤波后的整流电压只有几伏，根本不可能使电压—频率变换器投入工作，没有脉冲送到由三极管V10、V11和V12、V13组成的脉冲放大电路。但几伏的整流电源却通过R25和R26加到了三极管V20的基极，使其导通。正电位经过V20的c、e极，再通过R5由此导致了可控硅的全导通。剩磁电压经过全波整流后，施加在励磁绕组两端，发电机电压升高。这个正反馈过程的不断延续，电压迅速上升。正、负15V的两组工作电源也同时上升，电压—频率变换器进入了工作状态，向脉冲放大器发出了脉冲信号。不过由于可控硅控制极的正电位还是存在，脉冲不起作用而已。直到正、负15V两组工作电源高到一定程度时，大约是发电机额定电压的40～50%。三极管V19导通，使得V20的基极电位被嵌在零电平，V20截止。可控硅控制极的正电位撤销，由电压—频率变换器发出的脉冲所替代。此时，电压比较器输出的差值信号通过“Z”端子也进入了电压—频率变换器，脉冲按照端电压的高低控制着可控硅的导通角。完成了发电机的起压和脉冲的转换过程。在MVC和SSR调压器的比较放大器集成块里，都具有以上的功能。保证发电机的起压。船使用的ABB的发电机，如图4-7所示，当发电机起压时，端电压很低，电压继电器KA不动作，发电机的辅助绕组AW的电压直接经过VC1整流后施加在励磁绕组两端。于是端电压迅速上升，同时也提供了AVC63-12调压器的工作电源。到电压升高到大约30%的额oK2F无刷发电机图4-8带强励和调差的可控电源调压器在有些船舶上每台发电机配置了两套可控电源型自动电压调节器，图8给出了这种系统的配置原理。由SSR型作为发电机的主用调压器，MVC型作为备用。通过备用调压器面差电位器组成的调差补偿电路。另外由电流互感器TK2和整流桥VC以及1、带有起压绕组的发电机，在发电机起压过程中有时会发生电压数值到达13额定值配电板的线路可能超过30米以上，因此电缆极有可能受到干扰，特别是那根用于调差补4.2可控电阻分流型励磁方式RR图4-9可控分流型原理图G励磁绕组RAVR图4-10可控分流型单线图从图4-10的单线图中可以看出，相复励的电流分量和电压分量合成输出的电流是I,AVR本图4-11采用分流原理的西门子调压器5、系统通电调试过程中碰到的问题和解决办法1)发电机励磁和电压调节装置安装在机端盖上，因施工课施工进线和接线需要等原2)发电机运转前，自动电压调节进行绝缘电阻测量，特别注意一点是绝不能用500V5.2电压调节系统常见故障1)发电机电压超出额定值很多，并且配电板上的调节电位器也不能进行调节，遇到2)发电机电压不平衡，一般来讲用精度好的万用表测量三线电压，其误差不超过1%V-W之间的电阻，其中RU-V,RU-W,RV-W之间最大允许3)发电机有电压，