无刷励磁发电机近几十年来已经成为经典的同步发电机前途的发展方向之一。由于线路简单,制造成本低廉,应用范围较为广泛。无刷励磁发电机应用愈来愈广泛,对其运行可靠性的要求也愈来愈高。
图为无刷励磁发电机原理图。其整流器由旋转型二极管组成,安装有过电压保护电阻。相对旋转晶闸管式无刷发电机,这种线路和结构更为简单,制造成本低，励磁机磁场电流由外部电源提供的系统,其发电机可为负载在一定范围内提供稳定的输出电压。
图2为结构剖面图。这种电机的结构是根据能量的流动方向来布置的,即按照主发电机———旋转速流器———交流励磁机的排序方式。
无刷励磁发电机主要由主发电机、旋转整流模块、交流励磁机三部分组成。就转极式的主发电机而言,其结构已相当成熟,故障较少;旋转整流模块由旋转型二极管组成,它在无刷发电机整机结构中的运行状况,主要决定于模块自身的质量状况、其在整流轮上的安装、受力情况以及励磁机三相输出电压、电流对它的冲击情况。
而励磁机为转枢式交流发电机,电枢绕组安装转子上,绕组由一路或多路并联后,从电缆线引出,再连接到旋转整流模块的输入端。由于空间位置的限制,电缆线在转子上的固定主要靠用绑绳将其在电枢绕组的端部及其外围安装的端部箍环上绑紧,电缆线与整流模块的连接端用绑绳或线夹固定在磁轭或套筒上,以克服电机高速旋转下其所受的离心力。如果由于绑绳材料选用不合适、绑扎方法不合理或绑扎位置不在适当之处,均会造成电缆线在离心力与其它拉力的综合作用下,挣脱绑绳的束缚而甩出,造成扫膛,使电机不能正常工作。
由于电缆线的重量较重、线径较粗,不利于在电枢绕组端部安装,由此提出将电枢绕组由多路并联改为一路并联,从而取消电缆线,电枢绕组与整流模块间采用一种新型连接方式,以改变现有的状况。
从交流同步发电机的发展来看,励磁系统已成为其中最为核心的组成部分。励磁系统的好坏直接影响到同步发电机的性能和运行质量。交流励磁机是一个旋转电枢式的交流同步发电机,但由于它的工作特点和负载的特殊性,使得它与一般的交流同步发电机有所不同,设计时应注意其特殊性。
交流励磁机的磁路设计交流励磁机的输出电压随主发电机的负载及工作温度大幅度变化,相应的其感应电势也大幅度变化,这是交流励磁机的负载特点。为满足主发电机的强励要求,交流励磁机的磁路尺寸设计应根据与之相应的相电势来设计。即交流励磁机的额定工作点的磁密要取得很低。故其磁性材料的利用率极低,同容量的交流励磁机的体积比一般的同步发电机大,重量也重。
按照JBPT33201122000《小型无刷三相同步发电机技术条件》要求,交流励磁机应能提供出发电机在热状态下承受150%的额定电流而电压值不降低所需的励磁电流。故可将此工作点发电机所需的励磁电流视为励磁机的负载点,并要根据既有负载情况保留一定的瞬态响应裕量。
改善无刷发电机的动态特性41211 尽量选取较小的短路比(约取013～015),以提高励磁电流的灵敏度,缩短时间常数。较小的短路比能使励磁机设计得更为经济,缩小体积,减轻重量。
选用较高的频率,以减小励磁机时间常数。提高励磁机频率的措施是增加励磁机的极对数,极对数的增加可使励磁绕组每极匝数减少,从而使其时间常数得到有效减少。
无刷励磁发电机因无滑动接触部分,维护简单,可靠性高,可长期连续运行而不要保养,适合无人管理的自动化电站;因无旋转接触的导电部分,不会产生火花,适合有易燃气体及多粉尘等恶劣环境条件下的运行场合。