一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用
阅读说明：本技术 一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用 (Self-shunt excitation brushless excitation system of generator and application thereof ) 是由 王丹 毛承雄 张甜甜 官志涛 谷博 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用,属于发电机励磁控制领域,包括：励磁变压器,其高压侧与发电机的机端相连；三相整流器,其交流侧与励磁变压器的低压侧相连；P路高频交流发生器,各输入端均与三相整流器的输出端相连；M对沿圆周排列的固定磁极,与P路高频交流发生器的输出端相连；N对沿圆周排列的旋转磁极,与发电机的转子同轴转动,与M对固定磁极形成电磁感应,实现能量传输；两圆周同心；N个与发电机的转子同轴转动的单相整流器,分别与N对旋转磁极串联,形成N条支路,N条支路通过并联和/或串联后与发电机的励磁绕组串联,为发电机提供励磁。本发明能够实现自并励无刷励磁,提高系统可靠性并减少维护成本。(The invention discloses a self-shunt excitation brushless excitation system of a generator and application thereof, belonging to the field of excitation control of the generator and comprising the following steps: the high-voltage side of the excitation transformer is connected with the generator end of the generator; the alternating current side of the three-phase rectifier is connected with the low-voltage side of the excitation transformer; the P-path high-frequency alternating current generator is connected with the output end of the three-phase rectifier at each input end; m pairs of fixed magnetic poles arranged along the circumference are connected with the output end of the P-path high-frequency alternating current generator; n pairs of rotating magnetic poles which are arranged along the circumference rotate coaxially with the rotor of the generator to form electromagnetic induction with M pairs of fixed magnetic poles, so that energy transmission is realized; the two circumferences are concentric; the N single-phase rectifiers which rotate coaxially with the rotor of the generator are respectively connected with the N rotating magnetic poles in series to form N branches, and the N branches are connected with the excitation winding of the generator in series after being connected in parallel and/or in series to provide excitation for the generator. The invention can realize self-shunt brushless excitation, improve the system reliability and reduce the maintenance cost.)
技术领域
本发明属于发电机励磁控制领域，更具体地，涉及一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用。
背景技术
励磁系统是同步发电机的重要组成成分，对于维持发电机稳定运行具有重要作用，发电机励磁系统可以维持发电机机端电压，实现并列运行的发电机间无功功率的合理分配，并且可以提高电力系统的稳定性。选择合适的励磁方式对于保证励磁系统性能具有重要作用。
目前同步发电机多采用自并励励磁方式，其励磁电源取自发电机机端，经励磁变压器及可控硅整流器供给发电机励磁，励磁响应时间短，对发电机端电压的调节速度快，提升系统稳定性的能力突出，另外，由于其功率单元没有旋转部件，轴系短，轴承座少，故对减少机组振动和扭振十分有利。但是，自并励励磁系统需要碳刷和滑环进行静止和旋转部件电流传输，碳刷和滑环容易出现机械故障，需要进行维护，碳粉和铜末易引起电机绕组污染，影响绝缘，当周围环境中有易燃气体存在时，滑环和碳刷间产生的火花易造成事故；另外，自并励励磁系统在发电机近端发生三相短路时，强励能力将显著降低。三机无刷励磁系统是另一常用的励磁方式，系统是一种他励无刷励磁系统，励磁电源不受机端电压跌落影响，且没有碳刷和滑环，但是三机无刷励磁系统需要同轴励磁机，机组长度大，励磁系统中间增加了一个励磁机环节，响应速度慢，增加了故障率，并且轴系较长，增加了机组振动和扭振风险。
总体而言，自并励励磁系统具有明显的工程优势，但由于其存在碳刷和滑环，易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故，因而要求定期维护且难以应用于诸如中小型防爆电机等场合。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用，其目的在于，通过电磁感应实现能量传输，实现无刷励磁，由此取消常规自并励励磁系统中的滑环和碳刷，提高系统运行可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发电机自并励无刷励磁系统，包括：
励磁变压器，其高压侧与发电机的机端相连，其用于对发电机的机端交流电压进行降压处理；
三相整流器，其交流侧与励磁变压器的低压侧相连，其用于将励磁变压器输出的交流电压整流为直流电压；
P路高频交流发生器，各路高频交流发生器的输入端均与三相整流器的输出端相连，用于将三相整流器输出的直流电压转换为P路具有可控相位差的高频交流电压；
M对沿第一圆周排列的固定磁极，与P路高频交流发生器的输出端相连，连接至同一路高频交流发生器的多对固定磁极相互并联，由P路高频交流发生器输出的高频交流电压进行供电；M对固定磁极沿第一圆周排列；
N对沿第二圆周排列的旋转磁极，与发电机的转子同轴转动，且沿与第一圆周同心的第二圆周排列；N对旋转磁极用于通过与M对固定磁极之间的电磁感应，在各对旋转磁极上感应出交流电压；第一圆周与第二圆周同心；
N个与发电机的转子同轴转动的单相整流器，分别与N对旋转磁极串联，形成N条支路，各单相整流器用于将与之串联的一对旋转磁极输出的交流电压整流为直流电压；N条支路通过并联和/或串联后与发电机的励磁绕组串联，为发电机提供励磁；
其中，M、N和P均为预设的正整数。
本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，由发电机机端电压供电，为发电机提供励磁，实现了自并励的励磁方式；在此基础上，本发明提供的励磁系统中，与发电机转子同轴旋转的N对旋转磁极和N个单相整流器构成旋转部分，旋转部分通过其中的旋转磁极与固定磁极间的电磁感应实现了能量传输，并为发电机的励磁绕组供电，以此取消了碳刷和滑环，从而在实现自并励励磁的同时，有效解决了传统的自并励励磁系统中，由于使用了碳刷和滑环而导致的易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故的技术问题，有效提高了系统运行可靠性，并减少了维护成本。
在一些可选的实施例中，每一对固定磁极中，一个磁极为正向激励，另一个磁极为反向激励；
M对固定磁极中，正向激励的磁极和反向激励的磁极交叉间隔排列，或者，正向激励的磁极和反向激励的磁极关于第一圆周的直径对称排列。
在一些可选的实施例中，M对固定磁极中，正向激励的磁极和反向激励的磁极交叉间隔排列，且工作过程中，各固定磁极中的激励方向固定不变。
本发明通过使M对固定磁极中，正向激励的磁极和反向激励的磁极交叉间隔排列，且工作过程中，各固定磁极中的激励方向固定不变，能够使得控制方式易于实现，并且固定磁极和旋转磁极均采用等间隔排列的布局，节省成本。
在一些可选的实施例中，每一对固定磁极中，一个磁极为正向激励，另一个磁极为反向激励；
M对固定磁极无间隙排列，且工作过程中，各旋转磁极感应后的激励方向固定，且各旋转磁极及与其正对的固定磁极的激励方向相同。
本发明通过M对固定磁极无间隙排列，且工作过程中，各指定位置处的旋转磁极的激励方向固定，且各旋转磁极及与其正对的固定磁极的激励方向相同，能够提供较高的能量传输效率。
在一些可选的实施例中，三相整流器为基于半控器件晶闸管的两电平结构、三电平或多电平结构，或者，三相整流器为基于全控器件的两电平、三电平或多电平结构。
在一些可选的实施例中，单相整流器为基于二极管的整流器、基于全控器件的整流器或者基于二极管且串入均流电阻的整流器。
在一些可选的实施例中，高频交流发生器为斩波器。
按照本发明的另一个方面，提供了一种发电机系统，包括：发电机，以及本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统。
基于本发明所提供的发电机自并励无刷励磁系统能够有效提高系统运行可靠性的特性，本发明提供的发电机系统具有较高的运行可靠性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，由发电机机端电压供电，为发电机提供励磁，实现了自并励的励磁方式；在此基础上，本发明提供的励磁系统中，与发电机转子同轴旋转的N对旋转磁极和N个单相整流器构成旋转部分，旋转部分通过其中的旋转磁极与固定磁极间的电磁感应实现了能量传输，并为发电机的励磁绕组供电，以此取消了碳刷和滑环，从而在实现自并励励磁的同时，有效解决了传统的自并励励磁系统中，由于使用了碳刷和滑环而导致的易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故的技术问题，有效提高了系统运行可靠性，并减少了维护成本。
(2)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，其中的旋转部分包括多条由旋转磁极对和单相整流器串联组成的支路，每个支路分别构成一条能量传输通道，在单个旋转传输通道发生故障时，系统仍然可以持续供电，提高了系统冗余度，进一步提高了设备运行可靠性。
(3)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，通过M对固定磁极和N对旋转磁极传输高频交流电，节省了磁极质量和空间，相比于三机无刷励磁系统大幅度节省成本，同时可以减少轴系长度，提升了系统轴系稳定性。
(4)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，固定磁极和旋转磁极的材料、极对数、大小、布局、方波频率和磁路通道等灵活可调，通过调节这些参数，可以具有较高的能量传输效率。
(5)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，可通过调整旋转部分N条支路间的串联和并联关系，为发电机提供合适大小的励磁电流，实现对发电机的有效励磁。
(6)本发明提供的发电机自并励无刷励磁系统，通过控制三相整流器输出的直流电压幅值大小，即可实现对发电机励磁电流的调节。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的发电机自并励无刷励磁系统示意图；
图2为本发明实施例1提供的固定磁极和旋转磁极示意图；其中，(a)为固定磁极和旋转磁极的剖面图，(b)为固定磁极和旋转磁极的展开图；
图3为本发明实施例1提供的固定磁极激励方向示意图、旋转磁极感应的波形示意图以及单相整流器的输入波形示意图；其中，(a)为固定磁极的激励方向示意图，(b)为旋转磁极的感应波形示意图，(c)为单相整流器的输出波形示意图；
图4为本发明实施例1提供的支路并联和串联示意图；其中，(a)为两条支路并联的示意图，(b)为两条支路串联的示意图；
图5为本发明实施例1提供的单相整流器结构示意图；其中，(a)为基于二极管的整流器，(b)为基于全控器件的整流器，(c)为基于二极管且串入均流电阻的整流器；
图6为本发明实施例2提供的固定磁极和旋转磁极示意图；其中，(a)为固定磁极和旋转磁极的剖面图，(b)为固定磁极和旋转磁极的展开图，(c)为各固定磁极的激励方向示意图；
图7为本发明实施例2提供的固定磁极激励方向示意图、旋转磁极感应的波形示意图以及单相整流器的输入波形示意图；其中，(a)为固定磁极的激励方向示意图，(b)为旋转磁极的感应波形示意图，(c)为单相整流器的输出波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了解决现有的发电机自并励励磁系统因使用了碳刷和滑环，易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故，使得励磁系统要求定期维护且难以应用于诸如中小型防爆电机等场合的技术问题，本发明提供了一种发电机自并励无刷励磁系统及其应用，其整体思路在于：由发电机机端电压为励磁系统供电，以实现自并励励磁方式；在此基础上，利用与发电机转子同轴旋转的N对旋转磁极及与其对应串联的N个单相整流器组成旋转部分，该旋转部分通过其中的旋转磁极与固定磁极间的电磁感应实现能量传输，并为发电机励磁，以此取消碳刷和滑环，克服因碳刷和滑环带来的缺陷，减少维护成本，提高系统运行可靠性，并使得励磁系统可适用于中小型防爆电机等场合。
以下为实施例1。
实施例1：
一种发电机自并励无刷励磁系统，如图1所示，包括：
励磁变压器，其高压侧与发电机的机端相连，其用于对发电机的机端交流电压进行降压处理；
三相整流器，即图1中的AC/DC 1，其交流侧与励磁变压器的低压侧相连，其用于将励磁变压器输出的交流电压整流为直流电压；
P路高频交流发生器，各路高频交流发生器的输入端均与三相整流器的输出端相连，用于将三相整流器输出的直流电压转换为P路具有可控相位差的高频交流电压；
M对沿第一圆周排列的固定磁极，与P路高频交流发生器的输出端相连，连接至同一路高频交流发生器的多对固定磁极相互并联，由P路高频交流发生器输出的高频交流电压进行供电；
N对沿第二圆周排列的旋转磁极，与发电机的转子同轴转动，用于通过与M对固定磁极之间的电磁感应，在各对旋转磁极上感应出交流电压；第一圆周与第二圆周同心；
N个与发电机的转子同轴转动的单相整流器，即图1中所示的AC/DC 2，分别与N对旋转磁极串联，形成N条支路，各单相整流器用于将与之串联的一对旋转磁极输出的交流电压整流为直流电压；N条支路通过并联和/或串联后与发电机的励磁绕组串联，为发电机提供励磁；
其中，M、N和P均为预设的正整数，可根据实际的能量传输效率等要求相应确定，不失一般性地，本实施例中，M＝4，N＝4；
本实施例中，每一对固定磁极中，一个磁极为正向激励，另一个磁极为反向激励，形成磁力线闭合；在实际应用中，可根据转子的磁性材料、结构及布线方式，以及磁阻要求，使M对固定磁极中，正向激励的磁极和反向激励的磁极交叉间隔排列，或者，正向激励的磁极和反向激励的磁极关于第一圆周的直径对称排列(如上下对称、左右对称等)；作为一种可选的实施方式，本实施例中，正向激励的磁极和反向激励的磁极交叉间隔排列，如图2中的(a)所示，且工作过程中，各固定磁极中的激励方向固定不变，如图2中的(b)所示；如图2中的(a)所示，外侧为固定磁极，内侧为旋转磁极；
为了实现均流，或者减少电压纹波，在实际应用中，可以通过控制P路高频交流发生器使转换得到的高频交流电压之间具有合适的可控相位差，在特殊情况下，也可以控制该相位差为零，此时各路高频交流电压为同相信号；作为一种可选的实施方式，本实施例中，高频交流发生器具体为斩波器，由此能够将三相整流器输出的直流电压转换为高频方波，并为固定磁极供电，使得每对固定磁极中的激励方向正负固定，分别产生正向激励和反向激励，如图3中的(a)所示；应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，也可以采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，IGCT(Integrated Gate-CommutatedThyristor)等其他的器件作为高频交流发生器，实现将直流电压转换为高频交流电压；
在旋转磁极旋转过程中，相对应的旋转磁极上实时感应出幅值变化的高频方波，如图3中的(b)所示，然后经过单相整流器整流后得到直流电压，N条支路并联后共同为发电机的励磁绕组供电。在该控制过程中，单相整流器的输出波形如图3中的(c)所示，该控制方式简单易于实现，并且固定磁极和旋转磁极均采用等间隔排列的布局，节省成本。
以任意两条支路为例，两条支路的并联连接方式和串联连接方式分别如图4中的(a)和(b)所示；在实际应用中，可根据发电机实际的励磁电流大小设置支路之间的串联或并联方式；当发电机所需的励磁电流较大时，可以由所有的支路并联后为发电机励磁绕组供电；当发电机所需的励磁电流较小时，则可以使其中的支路串联后为发电机励磁绕组供电，或者使部分支路串联，再与其余支路串联后，为发电机励磁绕组供电。
本实施例中，三相整流器可以选择任意一种可实现将三相交流电压整流成直流电压输出的结构，例如，三相整流器为基于半控器件晶闸管的两电平结构、三电平或多电平结构，或者，三相整流器为基于全控器件的两电平、三电平或多电平结构等，在实际应用中根据具体的应用需求相应选取即可；通过控制三相整流器输出的直流电压幅值大小，即可实现对发电机励磁电流的调节。
本实施例中，单相整流器可以选择任意一种可实现将单相交流电压整流成单相直流电压输出的结构，例如，单相整流器可以为如图5中的(a)所示基于二极管的整流器，由此实现正常的为励磁绕组供电和灭磁的功能；单相整流器也可以为如图5中的(b)所示的基于全控器件的整流器，其能量可以双向流动，可以实现逆变灭磁，控制更加灵活，并且可以实现多模块动态均流控制；单相整流器也可以为如图5中的(c)所示的基于二极管且串入均流电阻的整流器，该均流电阻也可以是特殊设计的具有正温度系数阻值很小的电阻，达到良好的自然均流效果；更多可选的单相整流器结构在此将不作一一列举，在实际应用中，根据具体的应用需求相应选择，在实际应用中，单相整流器还可以根据实际需要采用三电平或多电平结构。
本实施例提供的发电机自并励无刷励磁系统，由发电机机端电压供电，为发电机提供励磁，实现了自并励的励磁方式；在此基础上，本实施例提供的励磁系统中，与发电机转子同轴旋转的N对旋转磁极和N个单相整流器构成旋转部分，旋转部分通过其中的旋转磁极与固定磁极间的电磁感应实现了能量传输，并为发电机的励磁绕组供电，以此取消了碳刷和滑环，从而在实现自并励励磁的同时，有效解决了传统的自并励励磁系统中，由于使用了碳刷和滑环而导致的易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故的技术问题，有效提高了系统运行可靠性，并减少了维护成本。
实施例2：
一种发电机自并励无刷励磁系统，本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，M对固定磁极无间隙排列，如图6中的(a)所示，且工作过程中，各旋转磁极感应后的激励方向固定，且各旋转磁极及与其正对的固定磁极的激励方向相同，如图6中的(b)所示；不失一般性地，本实施例中，M＝8，N＝4；如图6中的(a)所示，外侧为固定磁极，内侧为旋转磁极；
在励磁过程中，通过相应的控制，实时检测各旋转磁极的位置，结合各旋转磁极所需要的激励方向，设置相应位置处的固定磁极，使固定磁极与旋转磁极的激励方向相同，即负向激励的旋转磁极正对的固定磁极能始终提供负向激励，而正向激励的旋转磁极正对的固定磁极能始终提供正向激励，如图6中的(c)所示，图中，横向表示时间；
本实施例中，斩波器作为高频交流发生器将三相整流器输出的直流电压转换为高频方波，并为固定磁极供电，使各对固定磁极中的两个磁极分别产生正向激励和反向激励，如图7中的(a)所示，在上述控制方式下，旋转磁极上实时感应幅值不变的高频方波，如图7中的(b)所示，高频方波经过单相整流器后得到直流电，N条支路并联后输出的直流电为励磁绕组供电。在该控制过程中，单相整流器的输出波形如图7中的(c)所示，在这种磁极排布方式及控制方式下，能量传输效率高。
实施例3：
一种发电机系统，包括：发电机，以及上述实施例1或2提供的发电机自并励无刷励磁系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。