励磁电机工作原理

励磁电机工作原理

励磁电机是在电传动内燃机车上牵引发电机的励磁功率较大，为提供励磁电流而专门设置的励磁电源。交流励磁技术是一种先进的发电及调速驱动技术，应用此项技术的发电机或电动机统称为交流励磁电机（AC Excited Machine——ACEM）。在国外，如前苏联、德、日及美国等对此类电机进行了广泛的研究并已开始生产和应用，且获得了巨大的效益，在国内用于工业实用尚有许多关键技术亟待解决。

励磁电机发展历史
   
早在1935年德国工程师E.Tuxen就提出发电机采用双轴励磁，1962年土耳其的C.Hamdi Sepen发表了《提高交流输电系统的暂态功率极限的方法》，揭开了近代双轴机研究的序幕。到七十年代，国际上研究双轴机的文章明显增多。但是以往的双轴励磁控制方式一般采用调压和调功角功能分离控制，这种控制方式不能支持双轴机的异步运行功能，因为异步运行要求两相励磁绕组的功能必须是同等的。
   
前苏联的电力工作者首先提出异步化水轮发电机，于1958年制造了世界第一台50MW异步化水轮发电机，1985年又成功地投运了200MW异步化汽轮发电机。运行情况表明异步化同步发电机能深度吸收无功运行，并可以提高电力系统的静态与暂态稳定性。异步化同步发电机转子一般采用对称分布的二相励磁绕组。
   
随着大功率半导体器件与微电子技术的发展，转子采用三相交流励磁方式越来越受到重视，用于电动方式，就是通常称作的双馈运行。日本从80年代开始研究三相交流励磁发电技术，并在飞轮蓄能和抽水蓄能电站取得了成功的应用。运行表明三相交流励磁变速发电可以解决水轮机的振动、汽蚀和磨损，提高水轮机效率，在水泵运行工况可以增加自动调频容量，提高电力系统的稳定性。
   
从调速驱动的角度，可以说ACEM来源于交流调速理论中的转差功率控制式传动系统或即串级调速系统。这种思想提出于20世纪30年代，它把绕线式异步电机转子绕组的输出功率经过整流变成直流，供给直流电动机，让它把这部分能量转变成机械能而加以利用。传统上有两种方案：克拉默（Kraemer）系统和西尔比斯（Scherbius）系统。后来又出现了用可控水银整流器组成的逆变器代替直流电动机的静止式串级调速装置，但因性能不理想而未能推广应用。直到晶闸管的研制成功和广泛应用之后，静止式转差功率控制式传动系统才得到快速发展和应用。其中，静止克拉默系统是用一套整流—逆变（交—直—交）系统输送转差功率，静止西尔比斯系统则用一套直接变频（交—交）系统输送转差功率。当采用具有双向功率传输功能的变频装置应用于串级调速装置中后，基本上就构成了现在的ACEM系统。

励磁电机工作原理
   
ACEM又称为异步化同步电机，其定子一般与普通同步电机没有根本区别，但转子具有两相或两相以上可控励磁绕组，因而结构上与绕线式异步电机基本相同。
   
ACEM运行时定子直接接电网电源，转子绕组接到一个频率、幅值、相位和相序可以调节的三相电源，可以采用直流励磁，但更多时候采用交流励磁，从而使电机工作于同步或可控的异步状态，通过改变转子电压的频率和相位，不但可使电机实现变速恒频发电，而且还可以作为调速电动机运行。可见从运行机理上看交流励磁电机又是一种双馈电机。
   
从以上所述可知，可以采用绕线式异步电机作为交流励磁电机，该电机既可以是已系列化生产的，也可以是专门设计的。在前一种情况下电机需作一些不大的改造，如加固转子护环，以便可以在超同步速度下运行；有时引出六个集电环等等。后两种情况一般是在制造大功率ACEM时，可以制造出具有更好技术经济指标的电机，因为设计中还考虑到该机组其余部件的性能。

励磁电机特点及应用
   
ACEM的运行机理决定了它具有以下一些性能特点：

用于发电机可实现变速恒频发电；
用于电动机可实现高效调速和变频启动；
电机的有功功率和无功功率独立可调；
控制自由度比传统的同步电机或异步电机更多，运行性能更灵活优越；
励磁变频器的容量仅为转差功率。
   
由于ACEM具有以上一系列突出的性能优势，交流励磁技术可以广泛应用于许多场合，其主要的应用意义表现在以下一些方面：

实现电力系统的柔性连接，改善电力系统的稳定性；
大中型异步电机进相运行，为电力系统提供有力的调压手段；
应用于抽水蓄能电站和变落差、多泥沙水系变速发电；
大容量变频调速，变频器装置容量可减小，节能效果好，调速范围宽，成本降低。
   
ACEM采用电力电子变流器作为励磁装置，一方面使得系统具有控制灵活、结构简单、体积小、成本低等优点，但是另一方面会因变流装置的非正弦供电导致非常严重的谐波问题。采用交交变频器励磁时，输出电压波形由输入电网电压的片段组成，含有大量谐波；采用PWM变频器时，由于大功率条件下，斩控器件的开关频率不高，谐波频率较低，幅值较大。这些谐波分量同基波励磁分量一起施加在ACEM的转子绕组上，将产生一系列问题，主要表现在：

丰富的电力谐波会导致系统调节困难，控制性能下降；
在发电机定子侧产生大量空载谐波电压，导致并网困难；
发电机并网后，或电动机正常运行时，产生大量的谐波电流污染电网，影响电网的电能质量；
增加电机损耗和发热，影响电机绝缘的可靠和寿命；

在电机中产生各类脉振转矩，导致电机产生噪声与振动，特别是当脉振转矩的频率等于电机的固有频率时，还会影响电机的正常运行。
   
所以，解决交流励磁电机的电力谐波问题是交流励磁技术实用化的关键。