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同步發(fā)電機(jī)在其額定負(fù)載范圍內(nèi)允許帶各種用電負(fù)荷。這些負(fù)荷的輸入特性會直接影響發(fā)電機(jī)的輸出電壓;當(dāng)負(fù)載為純電阻性時(shí)，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)的定子端電壓——電樞端電壓與負(fù)載電流是同相的，所以使得轉(zhuǎn)子磁場的前一半被定子磁場削弱，而后一半又被定子磁場加強(qiáng)，一周內(nèi)合成磁場平均值不變，發(fā)電機(jī)輸出電壓不變。負(fù)載呈現(xiàn)為純電感性時(shí)，則因負(fù)載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了轉(zhuǎn)子磁場，合成磁場降低，造成發(fā)電機(jī)輸出電壓下降。若負(fù)載是純電容性的，負(fù)載電流就會超前電樞端電壓90°，從而使定子磁場加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子磁場，合成磁場增大，發(fā)電機(jī)輸出電壓上升。可見;合成磁場是使發(fā)電機(jī)性能變化的一個(gè)重要因素。而合成磁場中起主要作用的是轉(zhuǎn)子磁場即主磁場，因此，調(diào)控轉(zhuǎn)子磁場就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓改善其帶負(fù)載能力，從而達(dá)到在額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。

(1)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁

所謂勵磁即是向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場的過程。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做勵磁機(jī)的一個(gè)專門的設(shè)備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發(fā)電機(jī)是采用單獨(dú)的勵磁機(jī)給轉(zhuǎn)子線圈提供直流電的，系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)都是將發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)組裝在一起構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)電機(jī)。

勵磁機(jī)其實(shí)就是個(gè)小發(fā)電機(jī)，它的工作原理與同步發(fā)電機(jī)一樣。所不同的是它的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈所起的作用與同步發(fā)電機(jī)——主發(fā)電機(jī)正好相反;固定在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵磁機(jī)的定子線圈通以直流電形成直流磁場，而安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的勵磁機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈成為輸出電動勢的電樞。勵磁機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)的無刷同步發(fā)電機(jī)。安裝在主發(fā)電機(jī)定子旁的勵磁機(jī)定子線圈的直流電，是由主發(fā)電機(jī)定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)、切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，經(jīng)同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電流，輸?shù)街靼l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈使其產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場。從而達(dá)到了對主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈勵磁的要求。

(2)同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)控

調(diào)控的目的就是實(shí)現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控技術(shù)的理念是實(shí)時(shí)地從主發(fā)電機(jī)電樞取得電壓和電流，經(jīng)整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵磁機(jī)的定子線圈，使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機(jī)輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場，這個(gè)磁場也必然使勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場大小，使主發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。

對發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)過程，可以用以下的流程表示;

由于負(fù)荷增加使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↓(降) →經(jīng)負(fù)反饋調(diào)理后勵磁機(jī)定子電流及磁場↑→勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞輸出電壓↑→旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流↑→主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場↑→使主發(fā)電機(jī)電樞電壓↑

若主發(fā)電機(jī)電壓升高，則其反饋調(diào)控使以上各環(huán)節(jié)作用降低，導(dǎo)致電壓回到額定值。

可見通過勵磁機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的大小，就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負(fù)反饋調(diào)節(jié)單元，通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器。

(3)自動電壓調(diào)節(jié)器

現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)常用自動電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵磁機(jī)定子磁場的強(qiáng)弱。雖然AVR的種類很多，但性能大同小異;都是實(shí)時(shí)采樣主發(fā)電機(jī)的輸出電壓值與預(yù)先設(shè)定的值相比較，用比較的結(jié)果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器PWM;輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄，反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率開關(guān)器件即三極管或場效應(yīng)管控制送入勵磁機(jī)定子線圈的電流的時(shí)間。從而使它的磁場強(qiáng)弱隨著主發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵磁機(jī)定子磁場減小，輸出電壓降低勵磁機(jī)定子磁場增強(qiáng)。從而達(dá)到負(fù)反饋調(diào)控的目的。

脈沖寬度調(diào)制器由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓UCC作為工作電源，以確保其性能穩(wěn)定。它的輸出電壓UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測量比較單元送來的UA大，表明主發(fā)電機(jī)輸出電壓升高，則大的UA就會使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導(dǎo)通時(shí)間短，通過的電流少。反之，主發(fā)電機(jī)電壓降低UA變小，脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度隨之變寬，從而使VT3導(dǎo)通時(shí)間變長，通過的電流增多。

勵磁機(jī)定子線圈一端接在端子X1上，另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機(jī)電樞送來的EA、EB、Ec三相電壓，經(jīng)過三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后，電流從X1端流入勵磁機(jī)的定子線圈，由XX1流出，再經(jīng)過調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機(jī)電樞，形成勵磁機(jī)定子線圈的勵磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開關(guān)，它導(dǎo)通時(shí)間長，則定子線圈流過電流時(shí)間長，定子磁場強(qiáng)度大；VT3導(dǎo)通時(shí)間短，定子線圈電流少，定子磁場強(qiáng)度小。

AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機(jī)的電壓的;主發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷原因輸出電壓升高，電壓測量比較單元輸出的UA隨著升高，受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖UB寬度變窄，開關(guān)管VT3導(dǎo)通時(shí)間短，勵磁機(jī)定子磁場減弱，轉(zhuǎn)子電樞電壓及旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流隨之減小，導(dǎo)致供給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁電流變小，則主發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負(fù)反饋調(diào)控功能就會使主發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。

在主發(fā)電機(jī)因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時(shí)，柴油發(fā)動機(jī)也需隨之輸出巨大的動力以致導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速低于額定值。低頻保護(hù)單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機(jī)定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構(gòu)成的充放電支路預(yù)先設(shè)定一個(gè)低頻保護(hù)點(diǎn)，當(dāng)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷正常時(shí)，從電壓測量單元來的UC小于低頻保護(hù)點(diǎn)，則低頻保護(hù)單元輸出的電壓Ud高，二極管VD8被截止，Ud到不了脈寬調(diào)制器，起不了作用。若主發(fā)電機(jī)超載則Ud變低，VD8導(dǎo)通，Ud和UA就可同時(shí)作用于脈寬調(diào)制器，使其輸出的脈沖UB隨Ud的下降而變窄，調(diào)制管VT3導(dǎo)通時(shí)間隨之變短，勵磁電流減小勵磁機(jī)定子磁場變?nèi)?，從而?dǎo)致主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場減小。發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的作用。

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