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- 常用維修知識分享：柴油發(fā)電機(jī)組定轉(zhuǎn)子繞組的電容補(bǔ)償方案
- 作者：康明斯發(fā)電機(jī)維修公司 | 來源 ekurigram.com | 發(fā)布時間：2020-08-16 | 閱讀次數(shù)：[]
摘 要：在國內(nèi)通機(jī)行業(yè)，單相同步柴油發(fā)電機(jī)（0.5～10 kVA）與內(nèi)燃機(jī)（主要是柴油機(jī)）配套，組成了小容量柴油發(fā)電機(jī)組，主要用于城鄉(xiāng)家庭、工地、林區(qū)、部隊(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院和小型船舶等區(qū)域的照明、通訊、電動工具、醫(yī)療器械和電影機(jī)械的電源。其中，出口份額最大的是一款GG950小型單相同步柴油發(fā)電機(jī)組（0.65～0.9 kVA/50～60 Hz），它采用的是凸極式逆序磁場勵磁無刷單相同步柴油發(fā)電機(jī)的勵磁方式。結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析了定轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)、工作原理、電容補(bǔ)償思路及其方案，并將其與傳統(tǒng)無刷電容勵磁電機(jī)作比較，以供同行參考。
1 定轉(zhuǎn)子繞組及其結(jié)構(gòu)
這類柴油發(fā)電機(jī)的定子鐵芯槽內(nèi)嵌有3套繞組，一套為定子主繞組MC（占有2/3定子槽數(shù)），另一套為定子副繞組SC（占有剩余的1/3定子槽數(shù)），還有一套為提供12 V直流電源的繞組。柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為整體凸極式結(jié)構(gòu)，為2個磁極，并且每個磁極上都裝有1個磁極繞組。將羅賓系列柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的2個磁極繞組串接后，與旋轉(zhuǎn)硅整流管和過電壓保護(hù)電阻并聯(lián)，而久保田系列柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的2個磁極繞組則是單獨(dú)與旋轉(zhuǎn)硅整流管和過電壓保護(hù)電阻并聯(lián)。1所示即為凸極式逆序磁場勵磁無刷單相同步柴油發(fā)電機(jī)接線原理。
（a）久保田系列 （b）羅賓系列
1 無刷單相同步柴油發(fā)電機(jī)接線原理
2 工作原理簡介
無刷電機(jī)的基本原理可以分為起勵建壓和正常工作這2種狀態(tài)。
2.1 起勵建壓過程
起勵建壓的過程為：①轉(zhuǎn)子由原動機(jī)拖動放置至額定轉(zhuǎn)速（3 000～3 780 rpm/min）。②N極和S極磁鋼旋轉(zhuǎn)形成磁場切割副繞組，副繞組感應(yīng)產(chǎn)生電壓。③根據(jù)電容的充放電特性可知，副繞組通有電容性電流形成單相脈動磁場1。該脈動磁場可以分解為逆序和順序2個磁場。順序磁場與轉(zhuǎn)子磁場同步，并且方向相同，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵磁，這是電容繞組助磁的工作原理;逆序磁場則以2倍的工頻（同步轉(zhuǎn)速）作用于轉(zhuǎn)子勵磁繞組，并在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中感應(yīng)出2倍工頻的電勢。該電勢經(jīng)整流二極管的整流變成了直流勵磁能量，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵磁，這就是逆序磁場勵磁的工作原理。④在2方面的正反饋?zhàn)饔孟?，主繞組逐步建立空載電壓并實(shí)現(xiàn)了自勵。
2.2 加載自勵恒壓過程
加載自勵恒壓過程為：①增加負(fù)載，主繞組端電壓將會隨即降低。②隨著負(fù)載電流的增加，定子主繞組中的單相脈動磁場2在增大，而由脈動磁場分解成的正、逆序磁場也同樣在增大。順序磁場的增大導(dǎo)致電樞反應(yīng)加強(qiáng);逆序磁場的增大則是
借助于轉(zhuǎn)子勵磁繞組及其整流二極管的作用，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的勵磁。③這2方面的加強(qiáng)使端電壓得以回升，實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)電機(jī)的自動恒壓。
綜上所述，從理論上來講，空載時的電壓主要受電容繞組及其電容大小的影響，而負(fù)載后則由主繞組的逆序磁場補(bǔ)償其正序磁場電樞反應(yīng)的去磁作用。但是，隨著機(jī)組的長時間運(yùn)行，繞組損耗與附加損耗造成了電機(jī)溫升的上升，而脈動磁場的增大使得定子齒磁通密度趨于飽和。此時，就會出現(xiàn)下列情況，
2.3 實(shí)例介紹
FDW-650 W 2極無刷單相同步柴油發(fā)電機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)記錄顯示，額定電壓為230 V/50 Hz，定子鐵芯外徑D=150 mm，鐵芯長L=57 mm，主繞組匝數(shù)Wa=518匝，電容繞組匝數(shù)Wc=191匝，勵磁繞組匝數(shù)Wd=580匝（每極），電容值11 uF。在實(shí)際出廠型式實(shí)驗(yàn)測試中，有這樣一組數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 傳統(tǒng)無刷單相柴油發(fā)電機(jī)組型式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率：Δn=（Umax-Umin）/2Un×100%=2.8%，符合《JB/T 10304―2001 工頻柴油柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》第4.8.2條G1標(biāo)準(zhǔn)：≤±5%
熱態(tài)電壓變化率：Δn=（Umin-Un）/Un×100%=-7.4%，超過了《JB/T 10304―2001 工頻柴油柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》第4.8.3條的要求：≤±7%額定電壓
備注：柴油發(fā)電機(jī)在熱態(tài)額定負(fù)載的狀況下，繼續(xù)增加負(fù)載，頻率不發(fā)生變化，電壓繼續(xù)下跌，排除了動力因素的影響。
2.4 討論
如表2所示，負(fù)載后脈動磁場不足以補(bǔ)償，還有沒有其他補(bǔ)償渠道。結(jié)合實(shí)例進(jìn)行討論電容繞組中電容的大小在負(fù)載變化過程中所起的作用。
表2 電容大小對無刷電機(jī)輸出電壓的影響 從表2中可以看出，隨著電容的增大，在負(fù)載過程中，電壓會隨之加大，但是，空載時的電壓超出了標(biāo)準(zhǔn)。本文希望電容補(bǔ)償僅在電壓低于額定電壓時起到作用。
3 電容補(bǔ)償思路和方案
小型單相同步柴油發(fā)電機(jī)勵磁方式除了凸極式逆序磁場無刷勵磁，還主要有交流勵磁機(jī)無刷勵磁和晶閘管逆序磁場有刷勵磁 等。單相同步柴油發(fā)電機(jī)常用勵磁方式的對比情況如表3所示。 綜合考慮了晶閘管逆序磁場 有刷勵磁和凸極式逆序磁場無刷 勵磁2種勵磁方式，提出以下改 進(jìn)方案，原理：①保 持“凸極式逆序磁場無刷勵磁” 基本工作狀態(tài)不變。
②根據(jù)晶 閘管逆序磁場有刷勵磁的工作 原理，增加取樣繞組進(jìn)行反饋。
③利用可控硅斬波原理，控制附 加1個小容值電容充放電的電壓。當(dāng)空載時，適當(dāng)增加副繞組兩端的電容，相當(dāng)于12 uF;當(dāng)半載時，副繞組兩端電容基本不加，相當(dāng)于11 uF;當(dāng)滿載時，副繞組兩端的電容會隨著端電壓的下降而逐步增加，相當(dāng)于15～18 uF。④實(shí)際測試數(shù)據(jù)如表4所示。 表3 單相同步柴油發(fā)電機(jī)常用勵磁方式對比 表4 電容補(bǔ)償勵磁應(yīng)用測試數(shù)據(jù) 4與傳統(tǒng)無刷電容勵磁電機(jī)比較
電容補(bǔ)償勵磁無刷柴油發(fā)電機(jī)與目前行業(yè)普通小型單相同步柴油發(fā)電機(jī)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①有“凸極式逆序磁場無刷勵磁”優(yōu)點(diǎn)――觸點(diǎn)免維護(hù);②有“晶閘管逆序磁場有刷勵磁”優(yōu)點(diǎn)――穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率和熱態(tài)電壓調(diào)整率較好;③采取簡單接線的方式就可以明顯改善現(xiàn)有“凸極式逆序磁場無刷勵磁”柴油發(fā)電機(jī)的整機(jī)性能，大大增強(qiáng)了其市場競爭力。
關(guān)鍵詞：無刷同步發(fā)電機(jī);電容補(bǔ)償勵磁;定轉(zhuǎn)子繞組;工作原理
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