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第二章 船舶同步发电机的电压自动调整学习目标知识目标1 能简单叙述船舶同步发电机的起压原理；2 能正确理解和掌握不可控相复励恒压装置的结构特点；3 能正确地描述可控硅相复励装置的组成、特点及装置的工作原理；4 能简单叙述无刷励磁装置的类型及工作特点。能力目标1 会进行船舶同步发电机自动励磁装置的分类；2 会进行船舶主电站不可控相复励恒压装置的安装调试和维护；3 会进行可控硅相复励装置的安装调试和维护；4 会进行简单的船舶同步发电机自动励磁装置的设计和选型。第一节 同步发电机的工作原理同步发电机与直流发电机一样，也是根据电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。不过它所输出的电能是一种交流电能，故又称交流发电机。交流电在输送方面，可以通过变压器变压后进行高压输电，低压用电，减少线路上的电能损失；在用电方面，可以使电动机的结构简化，控制电路简单，降低了用电设备的造价。因此，交流电优于直流电，目前船上大多采用交流发电机。一、 同步发电机的起压原理 （一）同步发电机结构同步发电机由定子和转子两部分组成。按三相对称分布，在定子铁芯上绕有三相对称绕组；转子上也有铁心，在铁心上绕有一对或数对绕组，一般借助两个滑环引入直流电流，以获得固定磁极极性的磁场。 （二）同步发电机的起压与励磁 转子由原动机带动而旋转，这样转子的磁场就变成旋转磁场。当它切割定子上的三相绕组以后，根据电磁感应原理，则感应出三相交流电。对同步发电机励磁，必须具备供给励磁电流的直流电源。这个电源可以是直流发电机，或是带整流器的交流发电机；也可以在同步发电机定子输出的交流电压上加装整流装置作为直流电源。作为励磁电源用的直流或交流发电机称为励磁机，由励磁机进行励磁的方式称为他励式，如图.（）所示，依靠发电机定子绕组中产生的交流电势，经整流后进行励磁的方式称为自励式，如图.（）所示。（）（）G-发电机；Wf-励磁线圈；D-整流器图.同步发电机励磁原理图Wf Wf Wf D 采用励磁机不仅会增加同步发电机总的造价，而且维护、检修工作量大，时间常数也大。对于中小型同步发电机，额定励磁容量仅是发电机额定容量的3%左右，发电机本身完全有能力供给这点功率，因此，船舶同步发电机、移动式电站的同步发电机大多采用自励式的励磁方式。这样可省去励磁机，既能提高运行的可靠性，又可增加经济效益。如果采用恰当的措施，采用自励式不仅可以使同步发电机依靠剩磁自励起压，而且还可以使发电机具备有自动控制励磁的能力，在一定范围内维持发电机的电压基本不变，从而改善了发电机性能。这种具有自动控制励磁能力的自励式同步发电机，一般称为自励恒压同步发电机。 （三）同步发电机的自励起压同步发电机自励系统的线路示于图.（以单线图表示）。 Wf励磁线圈；X线流电抗器；D整流管；E蓄电池；QF开关CQ谐振电容。图2.1.2 自励系统的单线图Wf自励是一种内反馈，整个系统并无外来输入量。在发电机的磁极上存在剩磁的GUXDCQEQF条件下，当其转子即磁极以额定转速旋转时，在定子绕组中感应出具有额定频率的交流剩磁电势。这个剩磁电势经整流后加在励磁绕组上，励磁绕组内将通过不大的励磁电流，在发电机磁路中建立磁势，这 样系统的输出量返回到输入端，如果磁化方向与剩磁方向相同，就可使气隙磁场得到加强，由感应产生的电势得以升高，从而增大整个系统的输出量电枢电压，由于整流装置交流侧励磁电压就是电枢电压，因此，气隙磁场更得到增强。如此反复，发电机的端电压便上升到一定值。自励过程如图2.1.3(a)所示。EoEoOOEorEorEo1AE=（R/i）i1Eo=f(i1)(2)(1)io1iori1(3)(2)(1)(4)i1ABC(a)(b)图2.1.3 自励起压特性曲线（a）理想的自励起压过程 （b）实际的自励起压过程 图中0f（il），为发电机空载特性（）（EO为励磁电势的有效值，il为励磁电流。），E0i为不计电感的综合励磁回路与电枢回路的伏安特性（）（为励磁回路的等值电阻，包括直流侧励磁绕组的电阻，碳刷，滑环间接触电阻，以及整流器的电阻等,i为电流整流系数。），在图中表明自励开始时,首先在电枢绕组中感应产生剩磁电势EOr。Or作用于综合励磁回路与电枢回路的励磁系统，由Or产生励磁电流i0r，经整流后建立励磁磁势，增强了气隙磁场并升高了电枢电势到，励磁电流由i0r增加到iO1，气隙磁场得到进一步增强，自励过程就这样极其迅速，往复地进行下去，直到两特性的交点，过程终止。 同步发电机不能自励起压，大多由于自励条件未满足，因此若不能正常起压，需从以下几方面考虑： 发电机必须有剩磁，这是自励的必要条件，新造的发电机无剩磁，长期不运行的发电机剩磁也会消失，这时可用别的直流电源进行充磁。 要使自励系统成为正反馈系统，由剩磁电势所产生电流建立的励磁磁势必须与剩磁方向相同。所以整流装置直流侧的极性与对励磁绕组所要求的极性必须一致。 发电机的空载特性与综合励磁回路及电枢电路的伏安特性必须有确定的交点，这个交点的纵座标就是发电机的空载电压值，因为励磁回路中有半导体整流器的存在，其伏安特性是非线性的，当正向电压很低时，电阻很大，以后随电压增加，电阻渐小，见图2.1.3（）中曲线（），与空载特性（）有三个交点、，起压时，电压达点时，便稳定下来了，这样就达不到空载额定电压，因此，必须消去与两点，大体可采用如下几种方法： （）提高发电机的剩磁电压，即提高空载特性的起始电压，一般采取加恒磁插片或用蓄电池临时充磁的方法来实现如图2.1.3（）中曲线（）。 （）降低伏安特性，利用谐振起压的方法，在较小剩磁电压下即可获得较大励磁电流（相当于减少了励磁回路电阻），将图2.1.3（）中曲线（）下降为曲线（），由于曲线（）的开始一段陡度小，可以顺利地起压，当起励电压接近正常空载电压时，励磁回路电阻减小，脱离了谐振，伏安特性由（）转为（），与空载特性交于点，发电机便进入了正常空载运行。（）利用复励电流帮助起压，在起压时临时短接一下主电路，利用短路产生的复励电流帮助起压。二、自动励磁装置的功能船舶电站的负载经常是变化的，由于同步发电机电枢反映的作用，且用电设备多为感性负载，负载电流对交流同步发电机是起去磁作用，负载电流大小和功率因数的变化都会引起发电机端电压的变化，并直接影响船舶电站电压的稳定和电气设备的正常使用与运转（如继电器，接触器动作不正常，电机停转，日光灯熄灭等），为此，必须在同步发电机系统中加装自动电压调整器（即自动励磁装置），以确保发电机电压在各种可能变化的负载情况下、都能保证工作在允许的变化范围内。直流发电机多采用积复励型式，当负载发生变化时，其磁场中的串励绕组流过的电流也随之变化，从而合成磁场便随负载变化自动地调整，使发电机端电压基本上保持不变，所以在没有特殊要求的船舶上，直流发电机一般不需装设电压自动调整器。由于目前船舶大多采用交流配电系统，并以交流同步发电机为电源装置，故这里只对交流发电机的自动励磁装置（电压自动调整器）进行分析。衡量电能质量好坏的指标有三个，即电压、频率和波形。电压大小是否稳定，取决于自动调节励磁装置性能的优劣；频率恒定与否，则取决于原动机容量大小与调速机构的灵敏度；波形畸变是否符合国家标准要求，很大程度上由电机设计来决定。1. 自动励磁装置的任务 （1）在船舶电力系统正常运行情况下，要求船舶电网电压维持在某一允许范围内，为此，要求发电机端电压几乎不变。这样一来，发电机的励磁电流必须适时地作出相应的调整。这一任务是由电压自动调整器来完成的。 （2）为了保持发电机组并联运行的稳定，各并联发电机间无功功率必须进行合理地分配。这一任务也是由电压自动调整器来完成的。 （3）在船舶电力系统发生短路故障时，为了提高船舶电力系统发电机组并联运行的稳定性和继电保护装置动作的可靠性，需要励磁系统适时地进行强行励磁。这一任务也是由电压自动调整器来完成的。 2对自动励磁装置的基本要求除要求结构简单、使用可靠、灵敏度高和调整的过渡过程短以外，还必须满足下述基本要求：（1）保证同步发电机端电压在允许范围内为了保证供电质量，要求发电机突卸或突加负载时，其电压调整性能的静态指标、动态指标以及发电机组并联运行时无功功率分配的不均匀度指标，必须满足有关规范和规则的要求。（2）要求保证强行励磁当发电机负载突然增大或电力系统发生短路时，发电机电压会突然下降很大，甚至使电力系统运行不稳定。要求强励系统应能保证在短时间内将励磁电流升高到超过额定状态的最大值，使发电机电压迅速得到恢复；同时强行励磁也能使发电机的电势和短路电流大为增加。对保证电站运行的稳定性和保证继电保护装置动作的可靠性是必要的。（3）要求合适的放大系数电压自动调整器的放大系数是被调量的变化值与被测量的变化值的比值。一般来说，提高放大系数可以提高发电机电压自动调整器的静态特性指标；但放大系数过大时，会使调整系统不稳定，甚至会影响整个电力系统运行的稳定性。所以保证合适的放大系数是必要的。（4）保证自励同步发电机的起始励磁在发电机组起动后，转速接近额定转速时，自动励磁装置应保证发电机在任何情况下都能够可靠起励，建立额定空载电压。对于有励磁机的他励系统来说，靠励磁机自励建立电压；对于无刷机的自励系统来说，应要求励磁装置能确保发电机能自励建立电压。由于交流同步发电机的剩磁比直流发电机的剩磁少，而磁场回路的总电阻又比较大，还存在炭刷滑环接触电阻和整流元件正向电阻这样的非线性电阻，所以交流同步发电机的自励比直流发电机的自励要困难一些。 三、自动励磁装置的分类 船用同步发电机的自动励磁装置的类型很多，分类方法也不一致。通常可按照励磁装置的组成元件和励磁调节器的作用原理等进行分类。（一） 按照励磁装置所使用的元件分类，通常可分为下列几种： 碳阻式 带旋转直流励磁机 磁放大器式 相复励方式 电抗移相 电流叠加 电容移相 电压叠加 不可控相复励 谐振式 电磁叠加 定子辅助绕组式 磁分路 电抗移相 控制变压器变化 励磁系统分类 可控相复励（带校正器） 控制励磁的交流侧分流 谐振式 控制励磁的直流侧分流 无电流复合 可控硅整流励磁 有电流复合 简单三次谐波 三次谐波励磁 基波和三次谐波绕组混合励磁 混合励磁并带校正器 同步 带交流励磁机 异步 无刷发电机 带变频机 混合励磁（电磁铁和永磁铁混合） 可控硅整流励磁 （二） 按照励磁调节器的作用原理分类，可以大致分类如下： .按扰动调节的励磁调节器按发电机负载电流I和功率因数的大小进行励磁电流调整的装置即属于按扰动控制的励磁调节器，其原理如图2.1.4（）所示。这里被控制量是发电机端电压，控制信号是励磁电压或励磁电流，扰动量是发电机的负载电流。当发电机负载电流的大小与性质改变时，由于电枢反应作用，端电压会发生变化，而与此同时，由于扰动量输入到励磁调节器中，使其控制信号励磁电流随之作出相应的改变去补偿扰动所造成的电压变化，使系统输出量尽可能保持原有水平。这种作用的机理是“利用扰动，补偿扰动”。它没有能力对系统输出量进行准确的测量，输出量对控制信号没有作用，换言之，没有任何反馈比较，控制过程不构成闭合环路，因此这种控制作用没有按输出量保持不变的要求去调节控制量，而仅是根据输出量的主要扰动去进行控制，是一个开环调节系统，故而调压精度不高，静态调压率不会小于。但因其结构简单，可靠，动态指标好，易于调整等优点，在船上仍然得到了广泛的应用，不可控相复励自励恒压装置中的电流迭加式，电磁迭加带曲折绕组的自励恒压装置均属于这种类型。GGGCTCTDDDXXUSRTAVR控制器（b）（c）图2.1.4 自动励磁装置分类（a）按负载电流和功率因数调节 （b）按电压偏差调节 （c）按复式调节 U U Wf Wf WfWf-励磁线圈；D-整流电路；X-限流电抗器；CT-电流互感器；SRT-可控硅；AVR-电压校正器。.控偏差控制的励磁调节器 按发电机输出实际电压与给定值电压（发电机额定电压）的差值即电压偏差的大小调整励磁电流的自动装置。图2.1.4（）所示的可控硅自动励磁调节装置即属于此种类型。该励磁装置主要由三部分组成：电压检测环节、移相触发控制环节和励磁主回路，电压检测环节将发电机实际电压与基准电压进行比较获得与电压偏差成比例的直流电压信号去移相触发控制环节，改变可控硅的移相控制角从而实现调整励磁电流的目的。这种自动控制装置调压精度很高，静态调压率可小于，在控制过程中，始终将输出量即端电压与所希望保持的值作严格而认真的比较，获得偏差信号，根据偏差信号的大小及时地调节控制信号即励磁电流，去消除这种偏差，控制系统构成了一个自己闭合的环路。这种控制作用是“检测偏差，纠正偏差”，不论什么扰动对输出量所造成的偏差都会得到纠正。 .按复合控制的励磁调节器图2.1.4（）所示为可控相复励系统的单线图，它实现了按负载电流的大小及性质和按电压偏差信号综合调整励磁电流以维持发电机输出电压恒定的目的。因其具有上述两种类型自动励磁调节器的优点，所以，目前在较先进的船舶上也得到了广泛的应用，许多无刷发电机励磁系统多采用这种装置。它主要由两大部分构成、相复励部分和自动电压校正器部分（），前者按扰动控制，后者按偏差控制。输出与成比例的直流电流去控制饱和电抗器的电抗值，从而改变励磁电流的分流大小，实现调整励磁电流的目的。第二节 不可控相复励自励恒压装置 相复励自励恒压装置分为可控和不可控两大类。据有关资料统计，在所有船舶电站同步发电机的励磁装置中，各种形式的相复励装置所占的比例超过百分之七十。相复励装置应用的如此广泛，究其原因，主要在于它具有优良的动态性能和恶劣环境下工作的可靠性。 一、 复励装置的类型从年德国公司研制的第一个实验性相复励线路方案，直到现在各种船舶电站中装备的性能良好的相复励装置，中间已经过了九十多年的发展过程，创造了各种各样的线路。图2.2.1画出了一些典型的线路。图2.2.1（）是最早采用的复励线路。电流互感器CT的副边电流经整流器产生一个与发电机负载电流的大小成正比的直流励磁电流I1。电压互感器经串联电抗器和整流器产生一个与发电机端电压成正比例的直流励磁电流I2。I1与I2在直流侧相加，形成总的直流励磁电流If，这种线路在负载电流的大小发生变化时能对电枢反应起补偿作用，但当负载大小不变，负载功率因数发生变化时，不能起到补偿作用。这种只反映负载电流大小而不能反映负载电流相位的复励线路，常称之为电流复励线路。由于它的调压精度很差，实际上很少采用。图2.2.1（）、（）、（）线路既能反映电流大小，也能反映电流相位，统称为相位复励线路，简称相复励线路。图2.2.1（b）是电流迭加相复励线路。发电机端电压经电抗器产生的交流侧励磁电流I1，电流互感器副边电流为I2，这两个分量的电流在整流器的交流侧相加，形成总的交流励磁电流If，If经整流后再给发电机励磁。由于I2不仅随发电机负载电流的大小而变化其大小，其相位也随发电机负载功率因数的变化而变化，因此合成交流励磁电流既能反映负载电流的大小，又能反映负载的功率因数。图2.2.1（）与图2.2.1（）线路相比，其不同之处是负载电流被转换为与之成正比的某一个电压信号Uf，它与发电机端电压按相位关系合成，然后经整流器整流产生直流励磁电流。这种线路也能同时反映负载电流的大小和负载的功率因数。图2.2.1（）是磁势相加线路，它是目前应用最广泛的线路。磁势相加线路的主要优点是：定子电压和转子电压易于匹配，可以增加其它绕组（如磁化绕组、曲折绕组等）以完成一些其它的功能，调整也比较方便。 二、 电流迭加不可控相复励自励恒压装置电流迭加相复励励磁系统是按扰动控制原理实现自励恒压的典型励磁系统，该系统的原理线路如图2.2.2所示。 （一）主要元件及其作用 1电流互感器，它输出与发电机负载电流f大小成比例，相位相同的副边电流i（复励分量）； X移相电抗器，是一个具有空气隙的三相铁芯电抗器，其气隙与匝数均可调，由发电机电压Uf产生的移相的电流u（自励分量）流过该电抗器； 三相整流器，将交流侧合成电流整流成直流侧励磁电流； 充磁按钮，蓄电池、限流电阻，它们共同组成充电装置，当发电机剩磁不足时，按此按钮，使发电机能自励起压。GCTUfABCIuXIiILUR0C0RESBIIf图2.2.2 电流叠加相复励自励恒压装置 （二）工作原理分析 等值电路及其计算由图2.2.2可知，该电路是一个对称三相电路，将后面的直流回路用一个等值的电阻做为对称负载，是励磁电阻，整流桥电阻以及连接导线和炭刷与滑环之间接触电阻之和。 (2.2.1) 复励分量i的大小与相位只取决于负载电流f，而与励磁回路电阻无关。是变比，等于原、副边匝数比，是固定的值，因此可认为是一个电源。 加在X上之发电机电压，在装有自励恒压装置时，在起励后基本上就不再变化了，因而自励分量u可以说是在电压源作用下产生的。其单相等值电路如图2.2.3（）所示，该电路可以分解为电压源和电流源分别作用见图2.2.3（）、2.2.3（）所示结果。IiIiIiXXXEERdRdRdIuILUfILuUfILi（a）（b）（c）图2.2.3 单相等值电路 电压源单独作用时，因电流源内阻为，可认为开路，可由下式求得： （2.2.2） 式中：移相电抗器一相阻抗。 电流源单独作用时，因电压源内阻为零，根据图2.2.3（）可得为： （2.2.3） （2.2.4） 自励起压过程 起压时，因发电机尚未接负载，故复励分量为零，此时励磁电流由式（2.2.2）确定，起压时，等于剩磁电势，当该值很小时，中的硅整流器正向电阻很大（整流器的正向电阻有非线性的性质，电压加的低时，电阻大，高到一定程度时，电阻变小），一般难于起压，此时，可用充磁按钮进行充磁以帮助起励。当发电机空载电压过高或过低时，可通过调整值进行调整。增大移相电抗器的空气隙或减小电抗器匝数，均可减少其阻抗值，使励磁电流增加，空载电压随之增加，反之则空载电压减少。 恒压过程发电机带上负载后，因发电机端电压基本上不再改变，所以励磁电流的调整，主要由复励分量来调整。但自励分量对于相位补偿作用还是十分必要的，如图2.2.4所示。 UfUfILuILuILiILiILILILILILiILi(a)(b)图2.2.4 (a) 复励矢量图 （b）相补矢量图 为简化分析，假设移相电抗器的电阻可以忽略，起励后很小亦可忽略，则式（2.2.4）变为（2.2.5）: （2.2.5） 由上式可见，由于作用，使滞后，所以又称移相电抗器。与同相，落后一功率因数角。图2.2.4矢量图就是这样画出来的。 当不变，大小变化时，随之变化，故实现电流复励，当大小不变时，角增大（下降），则增大到，补偿了因感性负载去磁作用加大而引起电压的下降，所以称作相位补偿。这两个作用综合就称为相复励，移相电抗器也称复励阻抗，从式（2.2.4）可见，若无复励阻抗，则励磁电流的复励分量将为零，复励与相位补偿都无法实现，复励阻抗若用电容来代替，只要将自励分量极性反接，同样可以起到相复励作用，但因电容器不易调整，并且没有的频率补偿作用，所以用的较少，复励阻抗若用电阻，因无相位补偿作用，因此不能使用。 三、 电磁迭加不可控相复励自励恒压装置电流迭加相复励系统结构简单，但是励磁系统与电网电压或发电机电压有直接电的联系，相互影响较大，因此在使用中存在一定的局限性，为克服这个局限性，可以在电压源电路中加一个变压器，将电的联系改为磁的联系，隔离性较好。图2.2.5为电磁迭加相复励系统原理图。 （一）结构及作用 相复励三绕组变压器。它有三套绕组，W1称电压绕组，与串联后再接发电机端电压，引入自励分量；W2称输出绕组，将W1引入的自励分量与W3引入的复励分量进行电磁迭加（磁势相加）后供整流以输出励磁电流。 谐振起压电容，一般做三角形连接，外接于。其作用是在起压时与发生串联谐振，易于自励起压。 U与结构和作用与电流迭加装置所述相同。 GGCCBFBFW1W1W2W2W3W3UUR0C0R0C0ILIL图2.2.5 电磁叠加相复励装置原理图（a）（b）XX（二）谐振起压原理 等效电路变换 如图2.2.6所示，将三角形接法的电容变成等值星形接法，（）为三角形接法，（）为星形接法。为保证变换前后的作用相同，变换时按功率相等的原则进行，即： 根据 代入上式可得： 或 则 (2.2.6) 由式（2.2.6）可知，在有相同作用的情况下，三角形接法电容容量只有星形接法的三分之一，但三角形接法的电容直接接线电压，比星形接法电压提高了倍，因此在耐压允许的前提下，当然尽量采用三角形接法。IIXCXCYIIY（a）（b）图2.2.6 三角形星形等值变换 谐振起压原理 在起励时，由于发电机剩磁电压很低，故等效电阻很大，因此时为零。因此不必考虑电流互感器回路对起压的影响，只须考虑空载电压回路的影响，起励时的等值电路如图2.2.7所示，若起励时,则图2.2.7相当于一个由电感、电容串联的回路，当电容与的参数选择合理时，使发电机转速在接近额定转速时产生谐振，这时因感抗等于容抗，串联回路中仅有很小的电阻，虽然剩磁电势很低，仍会在该串联谐振回路中产生很大的谐振电流，通过电容器将在电容器两端产生很高的电压，这个高电压比剩磁电压高很多倍，该高电压加在电压绕组W1上，耦合到输出绕组W2中，强迫整流器导通，使发电机迅速自励起压。当采用谐振起压时，在较小的剩磁电势的作用下能产生比没有谐振电容时大的多的励磁电流，使起压得以迅速实现。发电机电压建立后，整流器全导通，等效电阻比起励时大为减少，不能再认为是开路，而是通过正常励磁电流，发电机也转入正常运行。 （三）相复励调压原理在图2.2.5中将三角形连接的电容经星形变换后便可将三相对称的励磁系统简化成如图2.2.8所示单相等值电路。X XK/K212XCY/K212IXRdEXCYW1W2W3G图2.2.7 谐振起压时的等值电路图 2.2.8单相等值电路图 若忽略的电阻，仿照变压器的折算方法，可将图2.2.8中W1和W3侧的电路参数均折算到输出绕组W2一侧，则变压器耦合均变成电的直接连接，经变压器折算后的等值电路如图2.2.9（）所示。图中 () (2.2.8) (2.2.9) () (2.2.10) (2.2.11) (2.2.12)上列各式中K12为变压器中W1与W2匝数比；K32为变压器中W3与W2匝数比（即变压器变比）。根据叠加原理，可将图2.2.9（）的电路变换成电压源单独作用图2.2.9（b）和电流源单独作用图2.2.9（c）的两个电路的合成。在电压源单独作用时，电流源开路， =0。此时Rd中电流为 参看图2.2.9(b)： (2.2.13)XkXkXkIiIiIuIuILuILiUfUfXcYXcYXcYERdRdRdIL(a)(b)(c)图2.2.9 折算后等值电路图在电流源单独作用时，则电压短接，。此时在Rd中电流为 参看图2.2.9(c): (2.2.14)在励磁绕组Rd上流过的总的励磁电流为 ，其值为： (2.2.15)将式（2.2.8）式（2.2.12）的变压器折算前数值代入上式则得： (2.2.16)起压时，因 ，故仅有自励分量。 (2.2.17)当发电机转速到接近额定转速时，即发生谐振时 则式（2.2.17）变为： (2.2.18) 上式与（2.2.6）相比只差一个系数，因此其起压过程与电流叠加相复励系统基本相同。若空载电压过低，除可调参数来进行校正（增大移相电抗器气隙或减少移相电流器匝数以减少值），还可增加匝数以增大来增大励磁。带上负载后，若 则式（2.2.16）变为: (2.2.19) 式（2.2.18）与式（2.2.6）十分相似，说明此装置与电流迭加相复励系统有完全相同的性能指标，区别仅在于前者的自励与复励两个分量是电流相加，而本装置的两个分量是电磁叠加即磁势相加，它们同样不仅有复励作用，而且有相位补偿的功能。 （四）移相电抗器的作用 使复励成为可能若无复励阻抗时，则K。式（2.2.16）变为： (2.2.20) 由式（2.2.20）可见，与无关，即不能实现复励。这是因为变压器的三个绕组共用一个铁芯，因而也共用一个主磁通。绕组输出的是由主磁通产生的，若绕组不经移相电抗器而值接连到发电机端电压上，则绕组两端电压被所钳定，变压器铁芯中主磁通也被钳定，此时，电流绕组中电流无论如何变化，在绕组中也反应不出来；串入移相电抗器后，相当于使绕组外接了一个电阻为的外电源，软化了所接电源的外特性，从而使变压器铁芯中的主磁通不再被所钳定，而是随负载电流而变化，故可实现复励。 使相位补偿成为可能 由于在绕组中串联了移相电抗器，使自励回路磁势（）的相位滞90，与复励回路磁势（）之矢量和构成总励磁磁势。从图2.2.10所画之相位补偿矢量图可见，当角由增大到（降低时）时，设 大小不变时，总励磁磁势由增大到，从而在铁芯中产生较大的主磁通，使绕组输出之励磁电流增大，实现了相位补偿。FLUfFLiFLiFLuFL图2.2.10 相位补偿矢量图 频率补偿因为当频率升高时，移相电抗器的电抗 亦随之增大，相应地减少了自励 分量，使励磁电流减少，补偿了由于频率增 加而产生的电势增加（.）。 若用电容作复励阻抗，则因， 其值随频率增大而减少，励磁电流反而增大，起到了频率反补偿作用，这是我们所不希望的。四、带电压曲折绕组的电磁叠加不可控相复励自励恒压装置 （一）电流叠加与电磁叠加相复励系统存在的问题 电流叠加与电磁叠加的相复励系统均属于按扰动控制的开环调整系统，它仅对一种主扰动即负载电流的大小与性质变化所引起的扰动有补偿能力，而对事先不能预测，或者未考虑予以补偿的次要扰动，它是无能为力的，故其静态指标较低，静态电压调整率在的范围内。影响其静态指标的主要原因是： 船用同步发电机多为凸极式同步机（XdXq），发电机功率因数不同时，电枢反应的去磁作用亦不同，功率因数越低，则去磁作用越大； 由于发电机磁路是饱和的，故低功率因数时所需要的励磁电流要比假定磁路不饱和时的励磁电流要大； 发电机磁路存在磁滞影响，在相同负载情况下，负载递增或递减时，电机参数会有所差别； 在相复励系统中磁性元件内含有磁滞损失和漏磁现象； 。半导体整流器伏安特性的非线性及电刷与滑环接触电阻的非线性； 原动机转速的不稳定性； 励磁绕组及半导体整流器电阻受温度变化的影响。 由于上述原因，使得上述两种相复励自励恒压装置输出的励磁电流规律不能与发电机的调整特性（即在发电机电压不变的前提下，发电机所需励磁电流与负载电流的关系曲线）相吻合。由实验测得，在高功率因数时，自励恒压装置输出的励磁电流超过发电机的调整特性所需的励磁电流，使发电机电压偏高，发电机过励；在低功率因数时，装置输出的励磁电流则低于发电机调整特性所需的励磁电流，这样又使发电机电压偏低，出现了欠励。图2.2.11是某发电机及其自励恒压装置的实测特性曲线。图中虚线为三绕组电磁迭加相复励系统的输入输出特性，实线为装设该装置的发电机的调整特性。为了改进三绕组电磁迭加不可控相复励系统的性能，提高调压精度，最简单而又常用的方法是采用改进型四绕组电磁迭加不可控相复励系统，它只是在相复励变压器的铁芯上增加一个电压绕组W4，即可实现提高调压精度的目的。 ABCXBFw1w2w3w4wcCUR0C0GIL/IL001230.5If/If0cos=0cos=0.8cos=1U=常数图2.2.11 发电机调整特性与励磁系统输出特性的比较图2.2.12 四绕组相复励系统原理图 (二)带曲折绕组的电磁叠加相复励装置 带曲折绕组的电磁叠加相复励装置(又称四绕组复励装置)的原理接线如图2.2.12所示。该图与图2.2.4三绕组自励恒压装置的区别仅在于在相复励变压器上增加了一组电压绕组W4及一组电容绕组WC，为清楚地了解相复励变压器铁芯上各绕组的接线，将图2.2.12改画成图2.2.13，图中少画了WC绕组，WC绕组是帮助谐振起压的，谐振时电容电流很大，通过电容绕组感应给输出绕组，有利于起压，但是由于谐振式线路起压比较容易，为了简化起见，也可不设电容绕组。 由图2.2.13可以看出A相铁芯柱上的W1绕组与B相铁芯柱上的W4绕组反向串联，B相铁芯柱上的W1绕组与C相铁芯柱上的W4绕组反向串联，C相铁芯柱上的W1绕组与A相铁芯柱上的W4绕组反向串联，总之，每相铁芯柱上的W1绕组总是与其滞后相上的W4绕组反向串联。这样就使得每相铁芯柱上的两个电压绕组W1和W4由两个不同的相电压供电。ABCXCQABCw1W4w3W2GR0C0图2.2.13 四绕组相复励系统联接原理图下面以A相铁芯柱上的二个绕组为例分析其输出励磁电流的变化规律并与三绕组自励恒压输出的励磁电流变化规律相比较。如图2.2.14所示。 首先根据电压矢量画出滞后其90的由W1绕组供给的电压分量励磁电流(实际上是磁势)，再根据画出滞后其90的由W4绕组供给的电压分量励磁电流,因W4与W1是反串联，所以用与矢量相加得总的励磁电流的自励分量，将与某一功率因数时的复励(电流)分量相加就得到总的由四绕组励磁系统输出的励磁电流的矢量端轨迹则如图2.2.14中实线圆弧所示。三绕组励磁系统的励磁电流的矢端轨迹如图2.2.14中虚线圆弧所示。UAUBUCI24I24I2I2I2I2I21I2uI2iI2uI2icos=1cos=0图2.2.14 三绕组与四绕组励磁电流随cos的变化规律 在图2.2.14中，三绕组励磁装置的空载励磁电流与四绕组相同(即 )。因此可得到相同的空载电压，但因 与相位相差了角(电压曲折角)，我们在设计时，总是令四绕组相对于三绕组适当地减少其自励分量(，减少W1匝数)，增大其复励分量(增多W3的匝数)，使在cos=0.8时，两种励磁系统的输出励磁相等，这样就可实现在cos=1时，。 这样，就使得合成的励磁电流矢端轨迹接近椭园形，使励磁装置的输出特性更接近发电机的调整特性，使静态电压调整率提高到2%。 四绕组复励装置的缺点是在小负载时会出现一个欠励区，曲折角越大，欠励区越大，因为这时小负载下的励磁电流反而比空载励磁电流减小了。因此设计时应令w4绕组匝数适当使曲折角在9左右为好。 五、 不可控相复励装置的安装，调试及维护 (一)安装时需注意 1对电流迭加相复励系统要注意电流互感器原、副边同名端必须一一对应；电抗器及电流互感器的对应相必须一一对应。 2对电磁迭加相复励系统要注意变压器中W1及W3绕组的同名端与其所对应的相不能接错；具有W4绕组时，注意W1绕组需与滞后相铁芯柱上的W4绕组反串联接。 (二)调试方法 1空载电压的调整当空载电压低于额定值时可增大移相电抗器气隙以减少X值；或是减少移相电抗器匝数以减少X值；或是增多W1绕组匝数，以增大自励磁势安匝数。这三种方法都可增大励磁电流的自励分量，从而达到提高空载电压的目的。 当空载电压高于额定值时与上述调整过程相反。 2负载电压的调整 当带上负载后，UfUfe时，可减少W1绕组匝数，以减少复励磁势Fi的安匝数，使输出励磁电流减少，电压下降。若UfUfe时，则增加W1匝数。 若是带电压曲折绕组时，当负载高功率因数时励磁电流偏大，电压偏高，而负载低功率因数时励磁电流偏小，电压偏低时，则可增大W4匝数，适当增大曲折角；反之，可减少W4匝数以减少角。 (三)典型故障及原因 1发电机转速已至额定但不能起压或电压很低其原因是: 1)无剩磁或剩磁太小； 2)极性接反； 3)炭刷和滑环太脏或接触不良； 4)硅整流器被击穿； 5)谐振电容C被损坏； 6)移相电抗器的电抗X值太大。 2负载运行时电压突然下降其原因是: 1)一只硅整流器被击穿； 2)谐振电容被损坏、击穿； 3)阻容过电压保护回路短路； 4)移相电抗器或变压器绕组发生相间或匝间短路； 5)一只硅整流器开路。 3电压波动剧烈原因可能是: 1)自励恒压装置内部接线有接头松脱； 2)调速器出故障。 当出现上述各故障情况时，针对可能的原因逐项消除之。 (四)维护 1发电机运动当中，禁止对自励恒压装置的内部任意开路或换接。 2控制系统失灵时，需将发电机停下，然后对励磁系统进行逐项检查。 3有炭刷与滑环的交流发电机，接负极的滑环磨损较剧烈，故过一定时间，视