摘要：自励同步发电机是靠剩磁建立电压，而且电压受电枢反应影响很大，从空载到满载其电压变化率高达20％-40％，不能保证负载的正常工作。因此同步发电机都必须设有自动电压调整装置。自动电压调整装置的作用是使发电机起动后能建立起额定空载电压，并且使电压不受负载大小和负载性质变化的影响，能保持电压基本恒定。本文围绕自动电压调整装置分类与相复励自励恒压装置两个方面，系统阐述按电压偏差调节型、按负载扰动调节型及复合调节型三类调压装置的原理与特点，深入分析不可控电流叠加型相复励恒压装置的组成原理、复励与相位补偿机理、调压特性及自励起压方法，为同步发电机励磁系统的设计与调试提供技术参考。
一、自动电压调整装置分类
按照自动调节原理分主要有三种类型：
1. 按电压偏差调节型
（1）基本构成。它是一种闭环调节系统。它检测发电机的输出电压并与给定电压相比较得出电压的偏差，系统按照电压偏差的大小和正负相应地调节发电机的励磁电流，以消除电压偏差。
（2）稳态调压精度。只要有偏差系统就进行调整，故稳态电压调整精度比较高。
（3）动态性能。但其动态性能差，因为它是先有偏差后调整，调节动作总是滞后于电压变化。
（4）适用场合。适用于对稳态电压精度要求较高、负载变化相对平缓的场合。
2. 按负载扰动调节型
（1）基本构成。因为发电机电压的变化主要是由于负载变化而引起的，所以这类调压装置是根据发电机负载电流的大小和负载性质的变化来调节励磁电流，以维持电压恒定。
（2）动态性能。只要负载有变化它就进行调节，故动态调节性能好。
（3）稳态精度。由于它是一种不检测发电机电压和电压偏差的开环调节系统，所以稳态调压精度差。
（4）技术特点。但这种恒压装置结构简单、工作可靠，被广泛采用。
3. 复合调节型
（1）基本构成。它是以上两种类型的复合调节系统，即按负载扰动和电压偏差综合调节发电机励磁电流实现恒压。
（2）性能优势。所以它具有稳态调压精度高和动态调节性能好的双重优点。
（3）复励补偿与相位补偿。仅根据负载电流的大小进行励磁调节的作用为复励补偿调节，根据负载功率因数的变化进行励磁调节的作用称为相位补偿调节。
（4）相复励恒压调节系统。既根据负载电流又根据负载功率因数的变化进行励磁调节的称为相复励恒压调节系统。相复励恒压系统的调节规律与同步发电机的“调节特性”基本相符。
（5）不可控与可控相复励系统。仅按负载扰动调节的相复励系统称为不可控相复励系统，复合调节的相复励系统称为可控相复励系统。
（6）相复励恒压装置的三种类型。相复励恒压装置又分为：电流叠加型、电磁叠加型和电势叠加型三种类型，其作用和原理是一致的。
二、相复励自励恒压装置
1. 系统组成原理
（1）主要组成部件。图1为不可控电流叠加型相复励恒压装置原理图。该类装置是由具有气隙的三相铁心电抗器X、电流互感器CT、二极管三相桥式整流器和三相起励谐振电容器组成。
（2）单线原理图表示。由于这些部件是三相对称的，故可用图2的单线原理图表示。
（3）移相电抗器的恒流特性。由于电抗X远大于励磁回路的电阻，电抗器电压降几乎等于发电机的电压，故通过电抗器X的电流Iv与发电机电压U近似成正比，而相位比电压落后90°。由此可知，只要电压U保持恒定，则Iv也基本保持恒定，即具有恒流特性。
（4）移相电抗器的作用。由于电抗器X将发电机的电压U转换成了落后于电压90°的恒定电流Iv，所以电抗器又称为移相电抗器。移相电抗器是实现相复励的关键部件。
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图1 发电机电流叠加相复励恒压装置 |
图2 发电机电流叠加相复励单线原理图 |
2. 励磁电流的合成关系
（1）复励分量的产生。电流互感器的副边电流Ii与原边发电机的负载电流I成正比、同相位，Ii称为励磁电流的复励分量。
（2）空载分量的产生。发电机空载时I和Ii均为零，只有电压电流Iv，故称Iv为励磁电流的空载分量。
（3）相量合成关系。根据图中节点电流关系，空载分量、复励分量与励磁电流If的相量关系为：
（4）励磁电流的作用。相量合成的交流励磁电流If，经整流后即为发电机的直流励磁电流。该励磁电流具有复励补偿和相位补偿作用，从而能够补偿电枢反应等对发电机电压的影响。
3. 相复励恒压原理
下面用相量图证明其复励和相位补偿作用。设任取空载分量Iv为参考正弦量，则发电机电压U比Iv超前90°，电感性负载电流I及其复励电流分量Ii比电压落后φ角（负载功率因数角）。根据这些相位关系可作相量图。
（1）复励补偿作用。图3是表明复励补偿作用的相量图，即当负载电流为Ii时，根据上式作相量加法，得合成励磁电流If。当负载功率因数不变，而负载电流由Ii增加到I″i时，Ii与Iv相量相加所得合成励磁电流I′f＞If。这表明虽然负载电流的增加会引起电压的下降，但同时负载电流又使励磁恒压装置增加励磁电流，使电压上升，所以可使发电机电压基本保持不变。
（2）相位补偿作用。用同样方法可证明相位补偿作用，如图4所示。即负载电流Ii的幅度大小不变，而功率因数变低（Ψ′＞Ψ），由图可见，功率因数低的合成励磁电流I′f大于功率因数高的合成励磁电流If。功率因数低，电枢反应的去磁效应引起电压降低，但同时它又使励磁恒压装置增加励磁电流以抵偿去磁效应，所以可使电压保持不变。
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图3 发电机复励作用相量图. |
图4 发电机相位补偿作用相量图 |
4. 发电机的调压特性
（1）无差特性。如果相复励的补偿作用恰好抵消负载引起的电压下降，在任何负载下都能保持发电机的电压绝对不变，则其调压特性为无差特性。
（2）下降的有差特性。如果相复励的作用不能完全补偿（即欠补偿）负载引起的电压下降，则其调压特性为下降的有差特性。
（3）上升的有差特性。如果补偿有余（即过补偿），则其调压特性为上升的有差特性。
（4）单机运行的调压特性选择。对于单机运行，只要满足稳态调压精度的要求，这三种调压特性都是可以的。
（5）并联运行的调压特性要求。但是对于并联运行的发电机，其调压特性必须是下降的有差特性，而且应该是在低功率因数负载下（即有最大补偿作用时）具有下降的有差特性，以保证无功功率分配的稳定性，也即保证并联运行的稳定性。
5. 自励起压
（1）起压困难的原因。由于整流二极管的非线性特性，开始导通前后的初始电阻较大，剩磁电压Ur往往不能使二极管导通，因此需要有可靠的自励起压的措施。
（2）谐振电容起压法。自励起压可有多种方法，其中最简便最常用的方法是采用谐振电容。通常是当发电机起动后频率达到额定频率的95％左右，使移相电抗器X与电容C发生谐振（即此时X＝Xc）。
（3）谐振起压的工作机理。利用高的电容谐振电压使二极管导通。可以证明，电容的谐振电压与此时直流励磁回路的等效电阻（包括二极管导通前后的电阻）Ro成正比（Uc＝RoUr/X），而励磁电流等于电容谐振电压除以Ro，即If＝Ur/X，故励磁电流的大小只决定于剩磁电压Ur和线性电抗器的电抗X，而与包括二极管的非线性电阻的励磁电阻Ro的大小无关，所以无论Ro多大都能顺利地起压。
三、自动电压调整装置的选型与运行维护
1. 调压装置选型依据
（1）按机组运行方式选型。单机运行的发电机组对调压特性的要求相对宽松，三种调压特性均可采用；并联运行的发电机组则必须选用具有下降的有差特性的调压装置，以保证无功功率分配的稳定性。
（2）按负载性质选型。负载功率因数较低、无功需求较大的场合，应选用具有相位补偿功能的相复励恒压装置；负载功率因数较高、以有功需求为主的场合，可选用按电压偏差调节型或按负载扰动调节型装置。
（3）按精度要求选型。对稳态电压精度要求较高的场合，应优先选用复合调节型或按电压偏差调节型装置；对动态响应要求较高的场合，应优先选用按负载扰动调节型或相复励恒压装置。
（4）按经济性选型。不可控相复励恒压装置结构简单、成本较低、工作可靠，适用于对调压精度要求不极端的场合；可控相复励系统或采用AVR的励磁系统调压精度更高，但结构复杂、成本较高。
2. 安装与调试要点
（1）移相电抗器的安装。移相电抗器是实现相复励的关键部件，安装时应保证其气隙符合设计要求，三相电抗值对称一致，避免因电抗不对称导致三相励磁电流不平衡。
（2）电流互感器的接线。电流互感器的副边电流应与原边负载电流成正比、同相位，接线时应确认极性正确，避免复励分量相位错误导致补偿作用反向。
（3）谐振电容的配置。谐振电容的容量应与移相电抗器的电抗值匹配，使发电机起动后频率达到额定频率95％左右时发生谐振，确保自励起压可靠。
（4）整流桥的检查。二极管三相桥式整流器应将交流励磁电流转换为直流励磁电流，安装前应检查二极管正向导通与反向截止特性，避免因二极管损坏导致励磁异常。
3. 运行中的维护与检查
（1）定期检查励磁电流。通过测量励磁电流的大小，判断调压装置是否正常工作，若励磁电流异常增大或减小，应及时排查电抗器、互感器及整流桥状态。
（2）监测发电机电压。运行中应定期记录发电机空载与满载电压，计算电压变化率，若超出允许范围，应检查调压特性是否发生偏移。
（3）检查接线端子。定期检查电抗器、互感器、整流桥及励磁绕组的接线端子，确保连接牢固、接触良好，避免因接触电阻增大导致励磁电流不稳定。
（4）关注功率因数变化。并联运行的发电机组应关注各机组功率因数的变化，若发现无功功率分配不均，应检查调压装置的调差特性与整定值。
4. 常见故障与处理
（1）发电机不建压。可能原因包括剩磁消失、谐振电容失效、整流二极管损坏或励磁回路断路。应检查剩磁电压、电容容量与二极管状态，必要时对励磁绕组进行充磁。
（2）电压偏低或偏高。可能原因包括移相电抗器气隙调整不当、电流互感器极性接反或调压特性整定偏移。应重新调整电抗器气隙或核对互感器接线。
（3）并联运行无功分配不均。可能原因包括各机组调压特性不一致或调差系数整定不当。应重新整定各机组调压装置的调差特性，确保在低功率因数负载下具有下降的有差特性。
（4）电压波动或振荡。可能原因包括励磁回路接触不良、谐振电容容量不当或调压装置动态响应过慢。应检查接线端子、更换电容或调整调压装置参数。
总结
自励同步发电机依靠剩磁建立电压，其电压受电枢反应影响显著，空载至满载电压变化率可达20％-40％，必须配置自动电压调整装置。按调节原理可分为按电压偏差调节型、按负载扰动调节型与复合调节型三类，其中复合调节型兼具稳态精度高与动态性能好的优点。相复励自励恒压装置通过移相电抗器产生空载分量、电流互感器产生复励分量，两者相量合成后经整流供给励磁绕组，实现复励补偿与相位补偿双重功能。调压特性有无差特性、下降的有差特性与上升的有差特性三种，单机运行可任选其一，但并联运行的发电机必须采用下降的有差特性，且应在低功率因数负载下具有最大补偿作用，以保证无功功率分配的稳定性。自励起压依靠谐振电容在发电机达到额定频率95％左右时与移相电抗器发生谐振，利用高谐振电压使整流二极管导通，其励磁电流大小仅取决于剩磁电压与电抗器电抗，与二极管非线性电阻无关，因而起压可靠。在选型与运行维护中，应根据机组运行方式、负载性质、精度要求与经济性合理选择调压装置，安装时注意移相电抗器气隙、电流互感器极性、谐振电容匹配与整流桥检查，运行中定期检查励磁电流、发电机电压与接线端子状态，出现故障时按不建压、电压偏差、无功分配不均与电压波动等典型现象逐一排查处理。
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