TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5905 ~ 5909   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.453 7          5905     Re cei v ed O c t ober 2, 20 13;  Revi se d Apri l 15, 2014; Accepte d  May 7 ,  2014   New Controllable Field Current Induced Excitation  Synchronous Generator       Bei Wei* 1 , Xiuhe Wa ng 2   Shan do ng Un i v ersit y , Sch ool  of Electrical En gin eeri ng, Sha ndo ng U n ivers i t y , Jina n, 250 0 61, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :  w e ib ei@s du. edu.cn 1 , w a n g x h@sd u.edu.c n 2       A b st r a ct  The e l ectrica l  mach ine  usi n g i nduc ed  exc i tation  syste m  is  a ki nd  of  brus hless  sel f -excited   mac h i ne w i th l o w  cost and  hi gh re lia bil i ty, the in duc ed  excit ed  mac h in e w oul d pr ovid e h i gh p o w e r de ns ity   at hig h -sp eed.  But the low  effi ciency  of the e xcitati on syste m  l i m its the  de velo p m ent  of this ki nd  mac h i n e .   Based on tradit ional  excita tion system , an improved c onstruction  indu ced excitation  system  is proposed in  this pap er. Ada p tive contro l method is us ed t o  control t he c u rrent dir e ction  in the  stator auxili ary w i ndi ng  to   repl ace c onsta nt DC exc i tatio n , the i nput c u rrent can   cha n ge its  directi o n  accord in g to t he p o siti on  of the   rotor, the res u l t  is that al l of i nduc ed c u rrent s at w o rk in  ex citation syste m .   Position  sens ors are   fix ed o n   the rotor an d the stator fiel d w i ndin g  curre n t s can syn chro ni z e  w i th the r o tor positi on a ccordi ng to th e   sign al of the s ensors. Exper i m e n ts  w i th the propos ed stru cture are perf o rme d  an d co mpare d  w i th those of  the trad itio nal  i nduc ed  excitati on syste m  on e .  The res u lts s how  that th e n e w  structure c an  improv e th e   excitation system  efficien cy and reduce the  cost.    Ke y w ords :   sy nchro nous  ge n e rator, in duce d  excitatio n  syst em, br ush l ess  and  exciterl ess ,  new  full-w a ve ,  control l ab le fie l d current     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Small synch r onou s gen erators a r e wil d ly uesd  in shi pping illumin a tion, the urb an power  sup p ly and family electri c al equipm ent s, whi c h  nee d to have the perfo rman ce su ch as  self- exiting, co nst ant-voltage,  g ood  dynami c  perfo rman ce,   co mpen diou s stru cture, stable ope ratio n ,  reliabl e q ualit y, conveni en ce i n   cont rol  and  main ten ance. Th ere   are  two  ki nd   of  synchro n ous  gene rato r excitation sy ste m s: se micon ducto r  ele c tro m agneti c  st ru cture  and p e rmanent ma g net  stru cture. Th e stru ctur e of  the semi con ducto r ele c tro m agneti c  exci tied synchron ous g ene rato r is  compl e x in comparison wi th that of the permanent   magnet machine.It is difficult to adjust  the   output voltage of the permanent mag net exciti ed synchro nou s generator. Thus the ind u ce d   excitation sy nch r on ou s g enerator i s  d e sig ned  in rece nt years,whi c h would  achieve a  good   balan ce b e tween cost, reli ability, pow er  den sity, and high-sp eed  capability.  In this paper,  several ind u c ed excitatio n  sy stem s are studied. Ba sed on the s e  existed  stru cture, an  improve d  co n s tru c tion in du ced ex citatio n  system i s  p r ovided and adaptive  cont rol  method i s   u s ed  in thi s   new excitaito n  sy stem. E x perime n ts  a r e p r o p o s ed  to validate   the   stru cture. Co mpared to  th ose  of the  tra d itional  i ndu ced ex citation  system, th e n e w  structu r e  can   improve the e x citation syst em efficien cy and re du ce th e co st .      2. Induced Excita tion Sy stem   The in du ced  excitation  synchrono us  gene ra to r, which  doe s  no t need  any  exciter  or  bru s he s to  p r ovide its DC  field current,  it has an  ind u ce d  curre n t  to su pply its  field current.  it  con s i s ts  of a n   auxiliary wi nding on  the  stator whi c h i s  ad ditional t o  the mai n   stator  windin g ,  a   diode  re ctifier circuit  on th e  roto r fro m   which  the  DC  fie l d   c u rr en ts   ar e   s u pp lie d by r e c t ifica t io n o f   the ind u ced  curre n ts i n  th e rotor  auxili ary field.  T h e  field  cu rre nt  can  be  adj usted by  cha n g i ng  the input of the stator a u xiliary windi ng.   The ind u ced  excitation me thod can be  trace d   ba ck to the 196 0’s,  Re sea r chers from   Kyushu  Univ ersity in F u ku oka,  Jap an a dopt the ex citerle s s and  brushl ess ex citation sy stem  in a   singl e-p h a s e  salie nt pole synchro nou s  gene rato r  an d improved t he power fa ctor. Its features   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  590 5 –  5909   5906 inclu ded   a di ode re ctifier circuit   on   the rotor,  th e  dio d e  rectifier ci rcuit and  the  e x citing  windi n g s   s e rially c o nnec ted so as  to  form a c l o s e d  circuit, as sh own in Fig u re  1 [1-3].       Figure 1. Single-p h a s e Sal i ent Pole Indu ced Excitatio n  Synchrono us Ge nerator      Since the n  re sea r che r s in  Jap an devel o ped the d oub le-pol e excite rless a nd b r u s hle s s  excitation system in a singl e-ph ase sali e n t pole sy nch r ono us g ene rator. its stato r  is com p o s ed   of main  wi ndi ng  w a  which outputs  power  and auxiliary  windi ng w e  whi c h add   th e  excitin g  cu rrent,  and the num b e r of main pol es is d oubl e as the auxilia ry windin g , as sho w n in Fig u re 2 [4, 5].   Becau s e  of the indu ce d e x citation syn c hron ou s ge n e rato r with  si ngle-pha se  a nd salient  pole sy stem,  the abe rrati on of voltag e and  cu rre nt wave be come severe,  the three - p hase  indu ced exci tation  syn c h r onou s gene rators  shoul d  be of  grea t signifi cant,  This can  be   schemati c ally  seen in Fig u re 3 [6, 7].         Figure 2. Single-p h a s e Do uble-pole Ind u ce d Excitation Synch r on ous G ene rato r      W a V f1 W f1 W e V f2 W f2 V f3 W f3 V f4 W f4 n     Figure 3. Three Phase Ind u ce d Ex citation Synch r on ous G ene rato r  W r W c C W a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Co ntroll able Field  Cu rre nt Induced  Exci tation Synch r on ou s G enerator (B ei Wei)  5907 Ho wever the r e h a s  an  obsta cle  pro b lem in th e  study of th e indu ce d e x citation   synchro nou s  gene rato r, The internal e x citati on syst em ado pts h a lf-w ave com m utation  mo de,  the DC field  current is supplie d  by rectificatio n of the induce d  currents in  the rotor, wh ich  signifi cantly redu ce s the  efficien cy to half of  the origin al, it is a g r eat i m pedim ent to its  developm ent and ap plicati on in pra c tica l application.   Re sea r che r s  at the Shand ong Universit y  have  been  workin g in thi s  area for  a long time,  in o r de r to  i m prove  the i ndu ced  excit a tion  sy stem’ s   effici en cy, resea r chers prop osed a new  config uratio n of double - pol e indu ced ex citation with   mixed co nne cted rotor  win d ing, the tran sfe r   coeffici ent of the new co nfiguratio n can be im proved, but its value was limi t ed, This ca n  be  schemati c ally  seen in Fig u re 4 [8-11].       W f1 W f2 W f3 W f4 W f5 W f6 W f7 W f8     Figure 4. Ne w Co nfiguration of  Dou b le-pole Indu ce d Excitation with Mixed Con necte d Roto r  Windi ng       3. The Propo sed Me thod   This pa pe r propo se s a ne w app roa c h t o  increa se ex cit a t i on sy st e m  ef f i cien cy .  B a sed o n   the prin cipl es mentione d a bove,  a diod e  rectifie r ci rcu i t on the roto r is chang ed i n to sh ort ci rcuit,  all the di odes are removed. The in put current  of  the stator auxiliary  winding i s   no longer purely  con s tant  DC,  the dire ction  of curre n t wil l  be chan ged  according to  the po sition  of the roto r. The   indu ced  currents i n  the  ro tor  will b e   ch ange d from a l ternating   current to  pul se   DC.  The  resu lts   sho w  that all  of the indu ce d cu rr ents a r e active in ex citation  syste m , we call thi s  a ne w full-wave   indu ced ex citation system,   as sh own in Figure 5.      Figure 5. Ne w Full-wave I ndu ced Excit a tion Synch r o nou s Gen e rat o r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  590 5 –  5909   5908 This  pap er p u ts fo rwa r d  a  method  of m o tor h a ll  sen s or o n -li ne m o nitor to  dete c t the the   positio n of the rotor,  and the inverter d r ive si gn als a r e syn c hroni zed with the position sen s o r   output  sign al s  so  that  synch r oni sm  b e twee n th e   stator field  wi nding  current s a n d  the  ro tor  positio n is en sured for a n y spe ed.       4. Results a nd Discu ssi on  A low-po we r test p r ototy pe of th e n e w   st ru cture i s  p r od uced.  The exp r ime n ts a r e  perfo rmed a n d  the test re sults of the exprime n ts can  well validate t he theoretical  analysi s .  The rate d pa rameters in clu de:P N =3 kW, U N =400V,f N = 50H z , n N =15 0 0 r pm,the roto r windi ng   N f =300, the stator field win d ing N e =27 0 .   The expe rim ental re sults,  sho w n in Fi gure 6,  indi cate that the rotor cu rrent in the old  indu ced ex citation system i s  half- wave, anothe r half-wave was lo st.          Figure 6. The  Rotor  Curren t Waveform a nd Stator Voltage Waveform           Figure 7. The  Rotor  Curren t Waveform o f  the Full-wav e  Induced Excitation       The experi m ental re sults by  the new  m e thod of  full-wave i ndu ce d excitatio n  a r e  sh own  in Figu re 7.  By compa r i s on of the te st  re sults  of  th e two  prototy pes, it i s  sho w n that th e rotor   c u rrent is  the full wave.      5. Conclusio n   This p ape r  pre s ent s a n e w st ru cture  of  induced  excitation sy stem. By testing the  perfo rman ce  param eters of experim ental protot y pe, its perfo rman ce in de x can meet  the   techni cal a n d  perfo rman ce  requi rem ent. The re sult s  sho w e d  that the pro p o s ed  new full -wave   indu ced ex citation gen erat or ca n improv e the efficien cy and re du ce the co st.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ne w Co ntroll able Field  Cu rre nt Induced  Exci tation Synch r on ou s G enerator (B ei Wei)  5909 Ackn o w l e dg ements   This wo rk  wa s  finan cially suppo rted by  Nati on al Natu ral Sci e n c e F ound ation of  Chin a  unde r Grant 5130 7100       Referen ces   [1]    S Nanak a. An al ysis of the S e lf-e xcite d  Sa li ent-po l e T y pe  Sing le-p has e S y nc hro n o u s Machi ne.  J IEE.   196 1; 81: 377- 386.   [2]    IR Smith, PA N i sar.  Brushl ess  and Self-exc ited T h r ee p has e Synchro n o u s  Generator . Proc IEE. 1968 ;   115( 1): 165 5-1 660.   [3]    Meng  Ch ua nfu ,  Hu S ong ya o.  T he Problems   and   Co unterm easur es i n  th e  Induce d  E x cit a tion S y stem.   Electrotech n ic al Jour nal . 1 9 9 3 ; 3: 13-15.   [4]    S Nanaka, K  Kesa mar u . An al ysis  of Volt a ge-a d justa b l e   Brushl ess S y n c hron ous Ge n e rator  w i t h o u t   Ex iter.  Tron on IA IEEE . 1989 ; 25(1): 126-1 3 2 .  [5]    W ang Jia n mi n, Li Guan g y o u , Meng C h u anf u, Hu Son g y a o . Effects of Field  Harmo nics  and R o to r   R e si stan ce  on R o to r Fi el d  Cu rre n t  in  D o ub le Po le In duce d -Exc itatio n S y stem.  Jo urna l  of Electrica l   Engi neer in g T e chno logy . 1 996 ; 11(5): 6-10.   [6]    Li Gua n g y o u ,  W ang Ji anmi n ,  Xu  ya nli a n g ,  Meng  Ch uanf u .  Anal ysis  an d  Exc i tatio n  Stu d y  for T h ree  phas e T h ree  harmo nic In du ced E x cit a tion  S y nchr ono us  Gener ators.  Sma ll &  Sp ec ial E l ectrica l   Machi nes . 19 9 7 ; 25(1): 16-1 7 .   [7]    Xu   Yan lia ng, Li  Qin gqu an, Meng Chu anf u.  T he Equiva lent R o tor Cur r ent on I nduc ed E x citati o n   S y nc hro n o u s Generator.  T r a n sactio ns of Chin a Electrotec hnic a l Soci ety . 199 7; 12(4): 57 -61.  [8]    Li Guan g y o u , W ang Jia n min.  S y nchr on ous  Gener ator  w i t h  Doubl e-Po le Induc ed-E x citat i on a nd Mi x- Con necte d Rot o r F i eld C o ils.  Electric Mach in es and C ontro l.  1998; 2(2): 9 6 - 99.  [9]    Xu  Ya nli a n g , L i  Gua n g y o u ,  W ang J i anm in,  Men g  C h u anf u. Ca lcul atio n  of Rotor  Curr e n t on  Ind u ced   Excitati on  S y n c hron ous Ge n e rator W h e n  C onsi deri ng th e  Stator Harmo ni c St ation a r y  M agn etomotiv e   Fo rce .   Smal l &  Specia l Electri c al Mach ines .  199 9; 27(4): 12 -14.  [10]   Xu  Ya nli a n g ,  W u  Yanz hon g,  Z hen g Ba oca i , W ang  Yush an . Stud y o n  E x p e riment  of Ind u ced E x c i tatio n   S y nc hro n o u s Generator.  Jo u r nal of She n ya ng Un iversity o f  T e chnolo g y . 200 0; 22(3): 21 7-21 9.  [11]   W ang Jia n min,  Li Guan g y ou.  Simulati on of t he Do ubl e- po l e  Induce d - e x ci tation Gen e rat o r  w i t h  Cross-   conn ected R o tor F i eld C o ils.  Small & Spec ia l Electrical M a c h in es. 200 3; 31(3): 24-2 6 ， 29 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.