相复励发电机升级为可控系统的原理与优点
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性能特点和作用说明 |
相复励发电机升级为可控系统的原理与优点 |
摘要：可控相复励发电机是一种结合了相复励磁技术与电子自动电压调节技术的交流同步发电机。其中，相复励指“相位补偿”和“复式励磁”的结合；可控是在经典相复励基础上增加的现代控制部分。它通过在经典的电磁式相复励装置基础上，引入以可控硅为核心的可控分流环节，实现对发电机端电压的快速、精确且稳定的自动调节。
一、相复励系统
相复励发电机是一种自励同步发电机，但其独特之处在于，它不需要外部的自动电压调节器（AVR）就能在负载变化时提供出色的电压稳定性。
1、设计目标
解决简单自励发电机的一个致命缺点，当负载增加，特别是带有感性负载（如电动机）时，发电机的端电压会急剧下降。这是因为感性负载需要发电机提供更多的励磁电流来维持气隙磁场，而简单的自励系统无法做到这一点。
2、关键组件
一个典型的相复励系统主要由以下部分构成：
（1）主发电机：输出的三相交流电。
（2）励磁机：一个小型的交流发电机，安装在主发电机转子上，其输出经过旋转整流器后给主发电机转子提供直流励磁电流。
（3）电流互感器：串联在发电机的输出线上，用于检测负载电流的大小。
（4）相复励变压器：这是系统的“大脑”。
（5）它有三组输入绕组：电压绕组（接发电机端电压）、电流绕组（接电流互感器的输出）。
（6）有一组输出绕组：为励磁机提供励磁功率。
3、工作原理
（1）“复励”-补偿负载电流（I）的影响：当发电机的负载电流I增大时（例如启动大功率设备），电流互感器输出的信号也成比例增大。这个信号输入到相复励变压器的电流绕组，使得变压器的输出增加，从而增加了主发电机的励磁电流。其效果是补偿了因负载增大导致的电机内部压降，稳定了电压。这类似于直流发电机的“复励”作用。
（2）“相”励-补偿负载功率因数（cosφ）的影响：这是相复励最精妙的部分。电流互感器提供的信号不仅大小与负载电流I有关，其相位也与负载电流一致。当负载是感性（功率因数滞后，如电动机）时，负载电流I会滞后于发电机端电压U一个角度φ。
在相复励变压器中，来自电压绕组的信号（与U相关）和来自电流绕组的信号（与I相关）会进行矢量叠加。由于电流I滞后于电压U，这个相位差使得它们的矢量和（即变压器的总磁势）比仅用电压信号时要大。其效果是当功率因数变差（cosφ减小）时，系统会自动提供更强的励磁，以补偿感性负载对磁场的去磁效应。反之，如果是容性负载，励磁会自动减弱。
4、相复励的优点
（1）动态响应快：由于励磁能量直接取自发电机本身的电压和电流，响应是瞬时、无延迟的。
（2）强励能力：在电机启动等大电流、低功率因数的恶劣工况下，能提供强大的初始励磁，保证电压稳定，发动机不熄火。
（3）高可靠性：完全是电磁元件（变压器、互感器）构成，没有复杂的电子线路，抗冲击、抗干扰能力强。
二、可控相复励系统
经典的相复励系统虽然可靠，但其调节是固定比例的，精度不够高。为了满足现代设备对电压稳定性的更高要求，“可控”部分被加入了进来。
1、设计目标
在保留相复励快速、可靠优点的基础上，实现更精确、可调的电压控制。
2、关键组件（在相复励基础上增加）
（1）自动电压调节器：一个基于半导体技术的电子控制模块。
（2）可控硅：作为执行元件，通常并联在相复励变压器的输出端或串联在电路中。
3、工作原理
AVR持续监测发电机的实际输出电压。将实际电压与一个预设的参考电压进行比较，如果实际电压偏离了参考电压（例如由于一些细微的负载变化或温度影响，是相复励无法完全补偿的），AVR会输出一个控制信号给可控硅。可控硅通过分流一部分励磁电流来微调励磁系统的总输出：
（1）电压过高：AVR使可控硅导通角度增大，分流更多的励磁电流，使主发电机磁场减弱，电压下降。
（2）电压过低：AVR使可控硅导通角度减小，分流更少的励磁电流，使相复励系统提供的励磁电流更多地用于励磁，电压回升。
4、类型划分
（1）TZ-F型可控相复励恒压装置
图1为TZ-F型可控相复励恒压装置原理图，是一种实用装置的电路。发电机功率630kW，基本相复励部分是电压绕组曲折联接的四绕组相复励，由于曲折连接，要按一定相序接线。复励阻抗LC处还接有谐振电容器，相复励经整流器输出的电流比发电机实际需要大一些。发电机励磁绕组并联有两个分流电路，一个分流电路由SCR1和电阻R构成，由电压校正器控制SCR1的分流量，形成可控硅直流侧分流的可控相复励；另一个分流电路由R0和 K1触点构成，通常该电路不接通，作为前一个分流电路的后备。当AVR及SCR1的可控部分发生故障时，切断SCR1分流电路，启用后备分流电路。后备分流是固定分流，不能达到可控分流的调压精度，但它保证可控分流发生故障时，发电机还能正常地继续供电。
图1原理图的右上角是可控分流与固定分流的切换控制电路，按下按钮开关SB1，继电器K1和K2得电，完成可控分流到固定分流的转换。
原理图左下方为电压校正器部分。测量变压器T的原边接发电机端电压。T有两组副边，分别为星形与三角形连接，接六相桥式整流器，再经阻容滤波、电阻分压。经过这样处理后，发电机端电压被变换成适当的直流电压信号。由于滤波环节的存在，使信号的变化延滞，动态性能变差，而六相整流的目的就是改善整流输出的波纹系数，从而使滤波环节的时间常数可以小一些。
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图1 TZ-F型可控相复励系统 |
稳压管二极管VDZ1、VDZ2和电阻R5组成电压比较电路，其两端的输入电压信号（R4上电压）与R5上输出电压信号的变化关系如图2所示。图中Uz表示稳压管的稳定电压值。选择工作点处于特性上升段中部，这样，在工作点附近输出变化正比于输入变化。
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图2 比较电路特性 |
输出信号经晶体管VD1放大及倒相，去控制变阻管 VD2对电容C3的充电速度，从而使单结晶体管VD3达到峰点电压Up1的时间受到控制。当 VD3达到Up1时突然导通，经R13发出脉冲触发VT1导通。
综上所述，当发电机端电压在相复励作用下仍存在电压偏差时，如电压偏高，那么UR4将比设定工作点电压偏高（反映发电机端电压变化），Uout也偏高，这样使 C3充电速度加快，VD3发脉冲时间提前，VT1的导通角变大，分流增大而励磁电流减小，从而使发电机端电压回归到UN；反之亦然。这样在相复励基础上，进一步提高了调压精度。
VD3等组成的弛张振荡器，由 VT1两端电压经 R14和稳压管 VDz3提供同步电源，当VT1导通后，使触发控制回路停止工作，C3上电荷放尽。当 VT1关断后，C3从零开始充电，保证 VT1的导通角只与当时的测量电压有关。
VT1导通后需要辅助电路帮助关断。原理图的右下方就是由 VT2等组成的辅助关断电路。变压器T1的60V副绕组的电压经半波整流和稳压管削波，得到幅值20V的梯形电压。电容器C9的充电时间常数约为0.01s，在工频50Hz交流电的半波时间内，C9上的电压只能充到13V左右，小于单结晶体管VD4的峰点电压（约15．7V），因而在梯形波的平顶期间不能产生脉冲。因VD4的峰点电压Up2=ηUbb+Ud，其中η为固有分压比，Ubb为基极间电压，Ud为发射结压降（约0.7V）。当电源梯形波进入后下降沿阶段时，Ubb随之减小，所以，Up2减小，在交流电正半周过零前的某一时刻VD4导通，发出脉冲触发VT2导通。当VT2导通时，电容器C6已由 T1的120V副绕组经整流器充电到峰值，这样，C6经VT2把反向电压加到VT1上，使之关断。
（2）半波分流型可控相复励装置
图3为半波分流型可控相复励的一种线路图，其中相复励部分为典型的电流叠加型。AVR通过变压器T检测发电机端电压幅值的变化。T的副边接单相桥式整流器，经阻容滤波到双稳压管式比较桥。比较桥的输出用来控制可控硅VT的导通角。如图3所示，VT只有当交流励磁电路的W相为负时才能被触发导通。
二极管D1、电容器 等元件组成可控硅元件的du/dt抑制电路。变压器T2等元件组成阻尼电路，即防止调节振荡。电位器及相邻电阻、稳压管、二极管等组成限流电路。
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图3 半波分流型可控相复励 |
可控相复励恒压装置比不可控相复励多了自动电压调整器，进一步改进了电能质量，可使发电机的稳态电压变化率达到1％，且调试方便；但是由于多了一个自动电压调整器，使结构显得复杂。
表1 普通相复励发电机与可控相复励的优点对比
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特性
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不可控相复励发电机
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可控相复励发电机
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核心原理
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利用电压和电流的矢量叠加，自动、机械地调节励磁。
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在相复励基础上，通过AVR和可控硅进行电子微调。
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调节方式
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开环与闭环结合，但比例固定。
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闭环控制，精确反馈。
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电压精度
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较好（±3%~±5%），但不够精确。
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很高（±1%以内）。
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动态响应
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极快，无延迟。
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快，结合了二者的优点。
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可靠性
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极高，全电磁元件，耐恶劣环境。
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高，但增加了电子元件，复杂性稍高。
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成本
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相对较低。
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相对较高。
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适用场景
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对电压精度要求不高，但环境恶劣、要求高可靠性的场合（如船用、应急电站）。
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对电压稳定性要求极高的现代设备、精密仪器、通信基站等。
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总结：
可以将可控相复励发电机工作模式概括为相复励（电磁组件）负责“粗调”和“快反”，应对负载电流和功率因数的大幅、剧烈变化，提供强大的初始励磁和快速支撑，防止电压崩溃。而可控部分（电子组件）负责“精调”和“微调”：消除相复励固有的静态误差，提供极高的电压调节精度，满足现代用电设备的要求。因此，可控相复励发电机本质上是一种取长补短的混合式励磁系统，它完美地融合了电磁技术的坚固可靠、快速响应与电子技术的精确控制，成为一种高性能、高可靠性的发电设备。
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