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新闻主题 |
同步发电机励磁系统的特点 |
摘要：同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供给，也可由交流励磁机、同步发电机的辅助绕组（副绕组）或发电机输出端等的交流电压经可控或不可控整流器整流后供给。按励磁功率供电方式可分为他励式和自励式两大类：由同步发电机本身以外的电源提供其励磁功率的，称他励式励磁系统；由发电机本身提供励磁功率的，称自励式励磁系统。因此，凡是由励磁机供电的，都属于他励式，凡由发电机输出端或发电机的辅助绕组供电的，都属于自励式。
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图1 发电机励磁系统原理接线图 |
一、直流励磁机
励磁系统这是交流同步发电机采用的传统励磁系统。直流励磁机一般又有同轴式和背包式两种形式。励磁机为并励直流发电机，通过手动调节磁场变阻器，改变励磁机的输出电压，以调节同步发电机励磁绕组中的电流，从而改变同步发电机的输出电压。
直流励磁机励磁系统自动工作时，同步发电机的励磁电流由自动调节器按同步发电机运行情况自动调节，调节信号由同步发电机的输出端取得。过去在直流励磁机的励磁回路中串入碳阻式调节器代替手调电阻，现在已被晶闸管导体自动调节器所代替。
直流励磁机励磁系统的主要优点是：励磁电源独立，接线简单，在合理使用和细心维护下，运行比较可靠。但因直流励磁机体积大，制造成本高，机械整流易产生故障，而且调节反应速度慢，目前已逐渐被半导体整流励磁所取代。
二、交流励磁机
励磁方式（采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源）交流励磁机是一个小容量的同步发电机，这种励磁系统，其同步发电机的励磁功率由交流励磁机供给。交流励磁机发出的交流电经硅二极管或晶闸管进行整流，供给同步发电机励磁绕组励磁电流。这类励磁系统由于交流励磁电源取自主机之外的其他独立电源，故也称为他励整流器励磁系统（包括他励硅整流励磁系统和他励晶闸管整流器励磁系统），简称他励系统。同轴的用作励磁电源的交流发电机称为交流励磁机（也称同轴辅助发电机）。
这类励磁系统，按整流器是静止还是旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：
① 交流励磁机（磁场旋转式）加静止硅整流器
（1）组成。
交流励磁机静止整流器励磁方式与交流励磁机旋转整流器励磁方式（无刷励磁系统）的组成部件有些类同，主要由与发电机转子同轴的副励磁机、自动电压调节器、交流主励磁机和静止硅整流装置、灭磁开关等组成。副励磁机通常亦是一永磁机，副励磁机的磁极装在发电机转子轴上。
中励磁机一般采用100Hz交流发电机，而其直流励磁绕组装在转子轴上，三相交流申枢绕组则装在定子上。这样，正常运行时，副励磁机的磁极、主励磁机直流励磁绕组、发电机转子上磁场绕组均和主机转子同轴，以同步速旋转，副励磁机电枢（定子）的交流中频（如：400Hz）申源输出，通过自动电压调节器、三相全控桥式整流，经电刷及滑环引入主励磁机磁场绕组；通过由调节器调节和控制的主励磁机磁场电流来调节和控制主励磁机的交流输出；而主励磁机定子绕组的三相交流输出（如100Hz）经三相桥式全波整流装置整流后，其正、负极经灭磁开关、电刷、转子集电环连接到发电机转子绕组，供给发电机励磁。
（2）优点
在发电机启动时，无需起励设备；当电力系统，尤其是机端附近发生短路故障时，尽管此时电压迅速下降，但该励磁系统的强励能力不受影响。
（3）缺点
本励磁系统属三机励磁方式，励磁环节的增多势必引起系统惯性增大，励磁响应特性差些；需解决大机组励磁电流大，滑动接触的集电环和电刷运行维护的工作要求。
② 交流励磁机（磁场旋转式）加静止晶闸管
晶闸管励磁系统，利用晶闸管对交流励磁电源进行整流和调节的同步发电机励磁系统。包括交流励磁电源、整流电路、调节电路、保护电路。调节电路控制整流电路内晶闸管的导通角，以调节同步发电机的励磁电流。不用直流发电机作为励磁电源，调节方便、调节性能好。
③ 交流励磁机（电枢旋转式）加旋转硅整流器
（1）组成
交流励磁机旋转整流器励磁方式通常简称无刷励磁系统，主要由与发电机转子同轴的副励磁机、自动电压调节器、灭磁开关、交流主励磁机和与装在转子轴上随主轴一起旋转的硅整流装置等组成。副励磁机通常是-一永磁机，副励磁机的磁极装在发电机转子轴上。主励磁机一般采用中频（如250Hz）电枢旋转式交流发电机，三相交流电枢绕组装在转子轴上，而其直流励磁绕组则装在主励磁的定子上。这样，正常运行时，副励磁机的磁极、主励磁机三相交流电枢绕组、励磁主回路的硅整流装置、发电机转子上励磁绕组均与主机转子同轴、以同步速旋转，之间无相对运动。
（2）优点
由于无刷励磁系统中，主励磁机产出的交流经三相桥式全波旋转整流装置整流后的直流输出，与主发电机励磁回路的连接，不需要电刷和转子集电环等设备，解决了大容量机组励磁系统中，大电流滑动接触的集电环制造和电刷的维护问题，避免了因炭粉和铜末引起的电机绕组的绝缘污染，结构简单、维护方便、因而可靠性高；在发电机启动时，无需起励设备；当电力系统，尤其是机端附近发生短路故障时，尽管机端电压迅速下降，但不影响该励磁系统的强励能力。
（3）缺点
无刷励磁方式取消了发电机主励磁回路的滑环和电刷后，高速旋转的励磁设备亦相应带来了监测、灭磁、强度设计等新的问题。如发电机励磁回路的监测问题，无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度；监视转子回路对地绝缘；监视旋转整流桥上的熔断器等，需采用特殊的测量和监视手段。又如，无法采用发电机磁场回路装设快速灭磁开关和灭磁电阻的传统灭磁方式，而只能间接地在交流主励磁机的磁场回路内装设灭磁开关，因此灭磁时间相对较长。励磁环节的增多势必引起系统惯性的增大，相对励磁响应特性差些。
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图2 旋转式交流发电机整流励磁系统原理图 |
④ 交流励磁机（电枢旋转式）加旋转晶闸管
旋转部分被虚线包围。该系统由交流励磁机、固定磁场和旋转电枢组成。励磁机的输出由全波晶闸管桥式整流器电路整流，并提供给主交流发电机励磁绕组。交流发电机励磁绕组也通过另一个整流器电路供电。励磁机电压可以通过使用它的剩余磁通来建立。电源和整流器控制产生受控的触发信号。交流发电机电压信号被平均，并直接与自动操作模式下的操作员电压调整进行比较。
上述③、④两种方式，硅整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主机转子励磁绕组供励磁电流，不但取消了直流励磁机系统中的换向器一电刷结构，而且取消了与同步发电机励磁绕组相连的集电环一电刷结构，故称为无刷励磁（又称无触点励磁或旋转半导体励磁）方式。交流励磁机的励磁绕组固定不动。有的发电机在定子上设置一个没有励磁绕组的磁极，它是用优质的永磁材料制成，作为初始磁场起励建压。
上述①、②两种方式为交流励磁机电枢和整流器不动，交流励磁机的磁极旋转的励磁方式，在发电机组上很少采用，这里不再介绍。
同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供给，也可由交流励磁机、同步发电机的辅助绕组（副绕组）或发电机输出端等的交流电压经可控或不可控整流器整流后供给。按励磁功率供电方式可分为他励式和自励式两大类：由同步发电机本身以外的电源提供其励磁功率的，称他励式励磁系统；由发电机本身提供励磁功率的，称自励式励磁系统。因此，凡是由励磁机供电的，都属于他励式，凡由发电机输出端或发电机的辅助绕组供电的，都属于自励式。
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图3 自励式发电机励磁系统原理图 |
图4 他励式发电机励磁系统原理图 |
（1）额定容量SN或额定功率PN同步发电机的额定容量指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA；而额定功率是指发发电机输出的额定有功功率，或指电动机轴上输出的额定有效机械功率，单位为kW或MW。对于调相机用额定视在功率表示。
（2）额定电压UN指额定运行时定子的线电压，以V或kV为单位。
（3）额定电流IN指额定运行时定子的线电流，以A为单位。
（4）额定功率因数cosφN指额定运行时发电机的功率因数。
（5）额定频率fN指额定运行时的频率。我国标准工频规定为50Hz。
（6）额定转速nN指同步发电机的同步转速。
（7）额定效率ηN指额定运行时发电机效率。
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