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新闻主题	发电机的他励和无刷交流励磁系统

 

摘要：同步发电机是柴油发电机组的重要组件之一，而励磁系统属于同步发电机的心脏，是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，主要包括励磁变压器，功率整流单元，励磁调节器，起励、灭磁、保护、监视装置和仪表等。它的主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机正常运行的需求。

 

一、发电机励磁系统结构和原理

1、发电机励磁系统的组成

      从电机学课程知识可以知道，一台同步发电机主要由定子绕组、铁芯、转子绕组组成，当绕于大轴上的转子绕组在汽轮机拖动下高速旋转时，若在转子绕组中通入直流电流，该电流将在铁芯中产生旋转磁场，定子铁芯上所绕制的空间对称三相绕组切割旋转磁场，从而在绕组中感生三相电动势，若此时在发电机机端接上负荷，将有三相电流流通，发电机向外输出功率。

      由于负荷特性的功率需求，同步发电机向系统（负荷）输出分为两部分，从发电机输出电流来看，与发电机端电压同相的称为电流的有功分量，该分量与电压构成发电机输出的有功功率；与发电机端电压相差90°的称为电流的无功分量，该分量与电压构成发电机输出的无功功率。同步发电机是柴油发电机组中最重要的无功功率电源。

      要实现同步发电机将机械功率转化为电磁功率输出，必须有励磁功率单元。励磁功率单元的容量约为同步发电机的0.2％～0.6％，额定电压400～2000V。同步发电机的励磁功率单元作为发电机的专用可控的直流电源，应具有高度的可靠性、足够的调节容量以及一定的强励倍数和励磁电压响应速度等特点。同步发电机的励磁功率单元有直流发电机供电、自励整流供电、交流励磁机经整流供电三种方式。

2、同步发电机励磁系统的原理

      同步发电机的励磁系统的主要作用是在转子上产生磁场，使得转子与电网的磁场同步，从而使得发电机可以向电网输出电能。励磁系统的原理可以通过法拉第定律来解释，该定律表明磁场的变化会产生感应电动势。

      在同步发电机中，励磁系统的磁场可以通过直流电流在转子上产生。当通过励磁绕组的电流改变时，绕组周围的磁场也会发生变化，从而在转子内感应出电动势。这个感应电动势会引起一定的电流流动，从而通过励磁绕组将转子磁场与电网磁场同步。

3、同步发电机励磁系统在发电中的作用

（1）稳定发电机输出电压和频率

      同步发电机励磁系统是保证柴油发电机组稳定运行的关键之一。通过控制励磁电流和磁场的大小，励磁系统可以维持发电机的输出电压和频率在规定范围内。当励磁电流过大或过小时，会导致发电机输出电压和频率的不稳定，从而影响柴油发电机组的正常运行。

（2）增强发电机的短路能力

      同步发电机在柴油发电机组中承担着稳定输出电能的任务，而在柴油发电机组中会存在各种电路故障和短路等突发事件。励磁系统可以通过增加发电机的磁场强度，提高发电机的短路能力，从而保证发电机在柴油发电机组故障发生时的可靠运行。

（3）提高柴油发电机组的响应速度和稳态性能

      同步发电机励磁系统可以快速响应柴油发电机组的负荷变化，调整输出电能的大小和质量。当负荷突然增加时，励磁系统可以通过自动调整励磁电流，使得发电机能够及时满足系统的需求，保持柴油发电机组的稳态性能。

 

二、交流励磁机励磁系统

      交流励磁机励磁系统的特征是由交流励磁机提供励磁功率，经整流成直流电流后输入同步发电机转子绕组。从整流器的安排上可以分成静止整流和旋转整流两种方式。

1、静止整流器励磁系统

      他励交流励磁机静止整流器励磁系统的励磁机由两部分构成，即主交流励磁机和副交流励磁机，见图1。两励磁机的转子轴与同步发电机主轴连接，以相同转速旋转。

      主励磁机采用他励形式，即其自身需要的励磁功率是由副励磁机提供的；而副励磁机采用自励形式（也可采用永磁机），即其自身需要的励磁功率是由副励磁机机端取得的。

      主交流励磁机和副交流励磁机输出的三相交流电压经整流器整流成直流电流，分别输入同步发电机转子绕组和主交流励磁机转子绕组。

      由于发电机转子是高速旋转的，因此我们面临着一个问题，如何将直流电流送入旋转的发电机转子中。解决的一种方法是采用电刷，将其紧贴在转子绕组的滑环上，提供直流电流通路。该种方法需经常更换被磨损的电刷，需采取有效的防电火花措施。这在当前大量使用氢气进行机组冷却方式下尤为重要。

      为减少整流后直流电压中含有的纹波及提高效率，主交流励磁机和副交流励磁机增加磁极对数，所输出的三相交流电的频率分别为100Hz和400Hz。

2、交流励磁机旋转整流器

      为解决将直流电流送入旋转的发电机转子中的问题，产生了旋转整流的方式。主要的方案是将主励磁机改为主磁场固定不动，而把交流绕组跟随同步发电机的主轴同速旋转，并在主励磁机交流绕组（旋转的）与同步发电机的转子之间安装整流器，该整流器与发电机大轴固定同步旋转，主励磁机交流绕组所产生的三相电压经整流器整流成直流电压，无转速差地加在同步发电机的转子绕组上，无需电刷的静止→旋转的传递，即这种方式不需要电刷，故也称无刷励磁。副励磁机采用永磁发电机，不需要启动电源，励磁系统见图2。

      采用无刷励磁方式解决了电刷问题，具有以下特点。

（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。

（2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高；并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。

（3）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构外，还采用减小绕组电感、取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施-增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。

（4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等），必须采用特殊的测试方法。

（5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。

（6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。

图1  他励交流发电机励磁机整流器励磁系统

图2  交流发电机励磁机无刷励磁系统原理图

 
三、发电机自并励系统

      静止励磁系统（发电机自并励系统）中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源由发电机本身提供，又称为发电机自并励系统。

1、‌自并励系统的工作原理‌

     自并励系统的励磁电源取自发电机机端，经过励磁变压器和晶闸管整流后供给发电机励磁，其原理如图3所示。由于励磁变压器是并联在发电机端的，并且发电机向自己提供励磁电源，因此称为自并励励磁方式。

2、自并励磁系统优点

     自并励系统主接线如图4所示。它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控整流桥直接控制发电机的励磁。静止励磁系统的主要优点有：

（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用少，可靠性高；

（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资；

（3）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度；

（4）由发电机机端取得励磁能量。机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例；而同轴励磁机励磁系统给出的励磁电压与转速的平方成正比，这样，当机组甩负荷时静止励磁系统机组的过电压就低。

      自并励系统特别适宜用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。由于发电机引出线采用封闭母线，机端电压引出线故障的可能性极小，设计时只需考虑在变压器高压侧三相短路时励磁系统有足够的电压即可。与复励系统相比，自并励系统的优点是接线简单、投资省、励磁调节速度快。然而，在近端三相短路且切除时间较长的情况下，自并励系统的强励能力较差，不利于系统稳定。因此，需要采取一定的技术措施来保证其动作的可靠性。

图3  发电机自并励励磁系统原理图

图4  发电机自并励励磁系统主接线图

 

总结：

      同步发电机励磁系统是保证柴油发电机组稳定运行和输出电能质量的重要组成部分。通过控制励磁电流和磁场的大小，励磁系统可以实现发电机与电网磁场的同步运行，保证柴油发电机组的稳定性和可靠性。不断提升励磁系统的技术水平以适应柴油发电机组快速发展的要求，将为电能发电领域的可持续发展做出重要贡献。

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