两种交流无刷励磁机原理及应用摘要：交流无刷励磁系统随着自身技术的不断成熟，成本的不断降低，能降 低用户运行维护需求，提高生产线自动化程度，能够大规模的推广应用到现代大 型同步发电机和同步电动机当中关键词：无刷励磁；同步式；异步式；永磁副励磁机；静态励磁柜O、引言现代大型同步发电机和同步电动机对运行维护的要求日益提高，节能环保和 智慧化运行也成为当前发展主流方向同步电机中的滑环和碳刷是用户日常运行 维护的主要对象，产生的碳粉也是用户厂房污染的重要源头交流无刷励磁系统 无需滑环和碳刷，从根本上解决了这两方面的难题同时随着国内半导体器件的 发展，半导体器件的容量大幅度提高，稳定性、可靠性也随之增加，半导体器件 的成本也由不同程度的降低，彻底解决了用户对使用交流无刷励磁系统的后顾之 忧，交流无刷励磁系统的推广应用迎来了巨大的机遇一、交流无刷励磁系统的结构特点同步电机的励磁方式根据同步电机转子上是否配置滑环和碳刷分为有刷励磁 和无刷励磁交流无刷励磁系统一般由主电机、交流励磁机、旋转整流装置、永 磁副励磁机或小功率静态励磁柜、自动电压调节器(AVR)构成无刷励磁系统相对于有刷励磁系统的主要优点有：(1) .没有滑环与碳刷，在运行时不会产生碳粉的污染，极大的减少了日常运 行维护工作量，能节省维护人员的时间与精力，同时提高厂房内的环境清洁度。
2) .没有旋转导电部件摩擦，不会出现电火花，能够在易燃易爆等环境条件 较差的环境中安全运作，是大型防爆同步电机的首选励磁方式3) .交流励磁机的励磁功率相对较小，自动电压调节器(AVR)的设计具备 较高的可靠性和可控性4) .自动化程度高，整个机组运行过程可远程控制，可以实现无人值守运行5) .配套电机容量范围广泛，有刷励磁受限于滑环材质、冷却条件以及碳刷 均流等因素，在励磁电流大于8000A的大型汽轮发电机中优先选用无刷励磁交流无刷励磁系统中交流无刷励磁机的交流电枢绕组安装在与主电机同轴旋 转的转子上，定子侧安装有固定直流励磁绕组或固定三相交流绕组，根据定子绕 组的不同，交流无刷励磁机分为同步式交流无刷励磁机和异步式交流无刷励磁机二、同步式交流无刷励磁机原理及应用2.1. 运行原理同步式交流无刷励磁机的定子侧安装有固定的直流励磁绕组，转子侧安装有 三相或多相交流电枢绕组，当主电机转子旋转带动交流无刷励磁机转子旋转时， 三相或多相交流电枢绕组切割定子侧直流励磁绕组产生的主磁场并感应产生交流 电，再通过旋转整流装置将交流电整流为直流电，提供给主电机励磁该励磁机 旋转电枢绕组的电源频率和主电机转子转频相同，运行原理为同步发电机。
为提 高无刷励磁系统的快速响应特性，并综合考虑旋转整流装置的整流波形和元器件 的开关速度，交流励磁机旋转电枢感应的交流电频率一般控制在150~250Hz同步式交流无刷励磁系统根据是否带永磁副励磁机，可分为两机交流无刷励 磁系统和三机交流无刷励磁系统1).两机交流无刷励磁系统，即整个机组只有主电机和交流无刷励磁机两台 电机，系统中配置一台小功率静态励磁柜，容量一般为主电机励磁功率的2%〜3%， 根据使用工况，可以从发电机端取电或从工厂电源取电再通过自动电压调节器 将励磁电源提供给交流无刷励磁机定子直流励磁绕组两机交流无刷励磁系统机组轴系较短、轴系稳定性更高，系统响应速度更快， 强励能力更强，控制更简洁，但对工厂电网有一定的取电要求2).三机交流无刷励磁系统，即整个机组有主电机、交流无刷励磁机和永磁 副励磁机三台电机，永磁副励磁机的转子上固定有永磁体，随主电机同轴旋转时， 永磁副励磁机转子主磁场旋转，切割永磁副励磁机定子侧的三相交流绕组，感应 产生三相交流电，通过自动电压调节器将励磁电源提供给交流无刷励磁机定子直 流励磁绕组为提高无刷励磁系统响应速度，永磁副励磁机的工作频率多采用 200~400Hz。
三机交流无刷励磁系统的励磁电源独立，不受外部励磁控制电源的影响，励 磁系统工作可靠性高，使用范围更广泛2.2应用工况同步式交流无刷励磁系统的结构简洁、控制稳定，是应用最广泛的交流无刷 励磁系统基于同步发电机的运行原理，当主电机在零转速时，同步式交流无刷 励磁机无法感应产生交流电，且同步式交流无刷励磁机在非额定转速运行时，其 感应产生的交流电波形不稳定，故其主要应用在汽轮发电机组和直接启动的定速 运行同步电动机组1).汽轮发电机组整个发电机组由汽轮机拖动运行到发电机组规定的投励转速范围内，此时可 以通过AVR柜向交流无刷励磁机定子励磁绕组供电，交流无刷励磁机发出额定频 率范围内的交流电，再经过旋转整流装置整流后对汽轮发电机转子进行投励对于300MW以下的发电机组，交流无刷励磁机的额定励磁功率较小，一般不 超过10kW，可以采用两机交流无刷励磁系统，其静态励磁柜可以直接从工厂电网 低压电源取电，对孤网运行机组，交流无刷励磁机的起励也可以通过热工电源、 保护电源或UPS电源供电对于300MW及以上的发电机组，其交流无刷励磁机的额定励磁功率超过工厂 电网低压电源供电能力时，可以采用两机交流无刷励磁系统，其静态励磁柜从发 电机端取电，或者采用三机交流无刷励磁系统，无需外部励磁电源。
2).直接启动的定速运行同步电动机组当主电机为同步电动机时，需要主电机通过自身转子的阻尼作用实现异步启 动，并运行到转差率0.05以内，此时牵入转矩最为有利于牵入同步运行，交流 无刷励磁机通过旋转整流装置上的投励控制单元实现顺极性最佳时刻自动投励运行在该工况的交流无刷励磁机同时需要在旋转整流装置上加装灭磁保护装 置，以保证电机在起动、失步和停机过程中安全可靠三、异步式交流无刷励磁机原理及应用3.1. 运行原理异步式交流无刷励磁机的定子侧安装有固定的三相交流绕组，由静止式三相 交流自动调压控制装置供电，定子所产生的旋转磁场方向与转子绕组机械旋转方 向反向，使无刷励磁机一直处于转差率大于1的制动状态，运行原理为工作在制 动状态的绕线式异步发电机，这样可以使交流无刷励磁机在主电机任意转速下均 处于发电工况转子结构和同步式交流无刷励磁机相同，旋转电枢绕组的电源频 率为主电机转子转频加上定子交流绕组频率异步式交流无刷励磁机通过静止式三相交流自动调压控制装置来调整定子交 流磁场强度，进而调整绕线转子旋转电枢绕组的三相输出电压，也就是调整旋转 整流装置的直流输出励磁电压，实现对主电机励磁绕组电流的调整。
属于两机交 流无刷励磁系统3.2应用工况由于异步式交流无刷励磁机一直工作在制动状态，整个运行范围内的功率因 素较低，一般在0.6〜0.8之间，励磁机的整体效率也较低，故主要应用在同步式 交流无刷励磁系统无法使用的工况，包含全功率变频运行同步电动机和采用静止 变频器（SFC）启动定速运行同步电动机参考文献：[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用.中国电力出版社，2002.[2]李幼倩，韩君强.现代新型无刷励磁同步电动机的设计及应用.机械工业 出版社，2009.。