發(fā)電機的勵磁方法及工作原理

　　發(fā)電機勵磁

　　發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統(tǒng)稱。它一般由勵磁功率單元和勵磁調節(jié)器兩個主要部分組成。

　　發(fā)電機勵磁系統(tǒng)包括直流勵磁機、無勵磁機、交流勵磁機等。近十多年來，由于新技術，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，使得發(fā)電機的勵磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動調節(jié)勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節(jié)裝置。

　　系統(tǒng)組成

　　勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉子提供勵磁電流；而勵磁調節(jié)器則根據輸入信號和給定的調節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統(tǒng)的自動勵磁調節(jié)器對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性具有相當大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導致機組穩(wěn)定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術不斷發(fā)展。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)主要由功率單元和調節(jié)器（裝置）兩大部分組成。如圖所示：

　　其中勵磁功率單元是指向同步發(fā)電機轉子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調節(jié)器則是根據控制要求的輸入信號和給定的調節(jié)準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機本身一起組成的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身的安全穩(wěn)定運行有很大的影響。

　　主要作用

　　勵磁系統(tǒng)的主要作用有：

　　1）根據發(fā)電機負荷的變化相應的調節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；

　　2）控制并列運行各發(fā)電機間無功功率分配；

　　3）提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩(wěn)定性；

　　4）提高發(fā)電機并列運行的暫態(tài)穩(wěn)定性；

　　5）在發(fā)電機內部出現(xiàn)故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度；

　　6）根據運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

　　一、發(fā)電機獲得勵磁電流的幾種方式

　　1、直流發(fā)電機供電的勵磁方式：這種勵磁方式的發(fā)電機具有專用的直流發(fā)電機，這種專用的直流發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發(fā)電機同軸，發(fā)電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，具有較成熟的運行經驗。缺點是勵磁調節(jié)速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少采用。

　　2、交流勵磁機供電的勵磁方式 代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經整流后供給發(fā)電機轉子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機。這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內，轉子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉動接觸部件，具有工作可靠，結構簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

　　3、無勵磁機的勵磁方式：

　　在勵磁方式中不設置專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經整流后再供給發(fā)電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式具有結簡單，設備少，投資省和維護工作量少等優(yōu)點。自復勵磁方式除沒有整流變壓外，還設有串聯(lián)在發(fā)電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機提供較大的勵磁電流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。

　　二、發(fā)電機與勵磁電流的有關特性

　　1、電壓的調節(jié)

　　自動調節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統(tǒng)。無功負荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發(fā)電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發(fā)電機的端電壓應基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。

　　2、無功功率的調節(jié)：

　　發(fā)電機與系統(tǒng)并聯(lián)運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發(fā)電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發(fā)電機的無功電流也跟著變化。當發(fā)電機與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，為了改變發(fā)電機的無功功率，必須調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。此時改變的發(fā)電機勵磁電流并不是通常所說的“調壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。

　　3、無功負荷的分配：

　　并聯(lián)運動的發(fā)電機根據各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發(fā)電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現(xiàn)無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機電壓調節(jié)特性的傾斜度進行調整，以實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機無功負荷的合理分配。

　　三、自動調節(jié)勵磁電流的方法

　　在改變發(fā)電機的勵磁電流中，一般不直接在其轉子回路中進行，因為該回路中電流很大，不便于進行直接調節(jié)，通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流，以達到調節(jié)發(fā)電機轉子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機勵磁回路的電阻，改變勵磁機的附加勵磁電流，改變可控硅的導通角等。

　　這里主要講改變可控硅導通角的方法，它是根據發(fā)電機電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應地改變可控硅整流器的導通角，于是發(fā)電機的勵磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管，可控硅電子元件構成，具有靈敏、快速、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點。在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機的過電壓和實現(xiàn)快速滅磁。

　　自動調節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構成。被測量信號（如電壓、電流等），經測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結果（偏差）經前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導通角，以達到調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。

　　調差單元的作用是為了使并聯(lián)運行的發(fā)電機能穩(wěn)定和合理地分配無功負荷。穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進的單元 。勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元 用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。限制單元是為了使發(fā)電機不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運行而設置的。必須指出并不是每一種自動調節(jié)勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調節(jié)器裝置所具有的單元與其擔負的具體任務有關。 四、自動調節(jié)勵磁的組成部件及輔助設備

　　自動調節(jié)勵磁的組成部件有機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源。廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點，自動開機。自動停機。并網（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發(fā)電機機端電壓100V，發(fā)電機機端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點信號；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。

　　勵磁控制、保護及信號回路由滅磁開關，助磁電路、風機、滅磁開關偷跳、勵磁變過流、調節(jié)器故障、發(fā)電機工況異常、電量變送器等組成。在同步發(fā)電機發(fā)生內部故障時除了必須解列外，還必須滅磁，把轉子磁場盡快地減弱到最小程度，保證轉子不過的情況下，使滅磁時間盡可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。

　　近十多年來，由于新技術，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，使得發(fā)電機的勵磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動調節(jié)勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節(jié)裝置。由于采用微機計算機用軟件實現(xiàn)的自動調節(jié)勵磁裝置有顯著優(yōu)點，目前很多國家都在研制和試驗用微型機計算機配以相應的外部設備構成的數(shù)字自動調節(jié)勵磁裝置，這種調節(jié)裝置將能實現(xiàn)自適應最佳調節(jié)。 獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。現(xiàn)說明如下：

　　1 。直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。

　　2 。靜止整流器勵磁 同一軸上有三臺交流發(fā)電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉為自勵（有時采用永磁發(fā)電機）。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。

　　3 。旋轉整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉整流器勵磁系統(tǒng)。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。