新聞主題	發電機勵磁系統的勵磁方式

 

摘要：顧名思義，向同步發電機及其附屬設備提供電源和工作磁場的裝置統稱為勵磁系統。電磁場是發電機工作的基礎，沒有電磁場就無法產生電能。而勵磁系統正是通過激勵電磁場線圈來產生電磁場，從而使發電機能夠正常工作。它一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩個主要部分組成。勵磁功率單元向同步發電機轉子提供勵磁電流；而勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。康明斯公司在本文中針對發電機勵磁系統的分類、工作原理以及條件方法進行了簡要闡述，并提供了勵磁系統的日常維護和預防措施的方法，以供參考。

 

一、發電機勵磁系統的分類

 

      勵磁系統就是提供發電機磁場電流的裝置包括勵磁變壓器、調節與控制元件、滅磁裝置、起勵裝置、保護裝置等。根據勵磁方式不同分為直流勵磁系統、交流勵磁系統和靜止勵磁系統三種，如圖1所示。

1、直流勵磁系統

      直流勵磁系統是指通過外部直流電源為發電機提供直流電源進行勵磁的一種方式，電路如圖2所示。根據外部直流電源的不同，直流勵磁系統可以分為恒定電流勵磁、恒定電壓勵磁和恒定磁通勵磁三種類型。

（1）恒定電流勵磁

      恒定電流勵磁是指通過恒定電流激勵線圈，使發電機產生固定的電磁場，從而實現穩定的發電功率輸出。該勵磁方式適用于低容量的發電機，因為其在負載變化時，會出現電流無法穩定的問題。

（2）恒定電壓勵磁

      恒定電壓勵磁是指通過恒定電壓激勵線圈，控制發電機輸出電壓的一種方式。該勵磁方式適用于大容量的發電機，因為其可以根據負載變化自動調節電流。當負載增加時，發電機電流增大，電壓保持不變；當負載減小時，電流減小，電壓保持不變。

（6）恒定磁通勵磁

      恒定磁通勵磁是指通過恒定磁通激勵線圈，控制發電機輸出電壓的一種方式，也是較為常用的勵磁方式。通過調節磁通大小，可以實現對電壓的調節。當負載增加時，電壓下降，調節磁通以增加輸出電壓；當負載減小時，電壓上升，調節磁通以減小輸出電壓。

2、交流勵磁系統

      采用與主機同軸的交流發電機作為交流勵磁電源，交流勵磁機是一個小容量的同步發電機，這種勵磁系統，其同步發電機的勵磁功率由交流勵磁機供給，原理如圖3所示。交流勵磁機發出的交流電經硅二極管或晶閘管進行整流，供給同步發電機勵磁繞組勵磁電流。這類勵磁系統由于交流勵磁電源取自主機之外的其他獨立電源，故也稱為他勵整流器勵磁系統（包括他勵硅整流勵磁系統和他勵晶閘管整流器勵磁系統），簡稱他勵系統。同軸的用作勵磁電源的交流發電機稱為交流勵磁機（也稱同軸輔助發電機）。 

      這類勵磁系統，按整流器是靜止還是旋轉，以及交流勵磁機是磁場旋轉或電樞旋轉的不同，又可分為下列四種勵磁方式：

（1）交流勵磁機（磁場旋轉式）加靜止硅整流器；

（2）交流勵磁機（磁場旋轉式）加靜止晶閘管；

（3）交流勵磁機（電樞旋轉式）加旋轉硅整流器；

（4）交流勵磁機（電樞旋轉式）加旋轉晶閘管。

      上述（3）、（4）兩種方式，硅整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉，直接給主機轉子勵磁繞組供勵磁電流，不但取消了直流勵磁機系統中的換向器一電刷結構，而且取消了與同步發電機勵磁繞組相連的集電環一電刷結構，故稱為無刷勵磁（又稱無觸點勵磁或旋轉半導體勵磁）方式。交流勵磁機的勵磁繞組固定不動。有的發電機在定子上設置一個沒有勵磁繞組的磁極，它是用優質的永磁材料制成，作為初始磁場起勵建壓。

      無刷勵磁由于取消了滑環、電刷，消除了電氣上最易發生故障的滑動接觸，從而大大提高了運行可靠性，并使維護工作顯著減小，同時整機的體積小，總長度縮短。因此，它是勵磁系統的發展方向之一。現階段有很大部分的發電機組采用無刷勵磁系統。

      上述（1）、（2）兩種方式為交流勵磁機電樞和整流器不動，交流勵磁機的磁極旋轉的勵磁方式，在發電機組上很少采用，這里不再介紹。

3、靜止勵磁系統

      靜止勵磁系統（PME）是一種采用電氣方式對發電機進行勵磁的方法，其控制原理如圖4所示。

      首先，需要明確靜止勵磁系統的基本結構。它主要由調速器（AVR）、勵磁繞組、電壓傳感器、勵磁開關和勵磁旁通控制器等組成。其中，調速器是整個系統的核心部分，通過對勵磁繞組的控制，使發電機的電磁感應強度達到一定的目標值。

      當發電機開始運轉時，電動機的轉子通過轉子端，將電磁能轉換成機械能，使發電機的轉子開始旋轉。在發電機的轉子上，通過勵磁繞組通電，產生磁場。接著，通過轉子的旋轉，在轉子上形成了一個磁場旋轉的感應線圈，即轉子上的“感應圈”。

      隨著轉子的旋轉，感應線圈上出現了一種頻率、振幅、相位與轉速相關的感應電勢（即感應電動勢），這個感應電勢通過轉子兩端的轉子線圈（也稱為勵磁繞組）傳遞到外部。感應電勢的振幅與轉子感應線圈上的有效磁通變化速率成正比，轉速愈大磁通變化速度愈大，感應電勢振幅就愈大。

      在這個過程中，轉子上的感應電勢和勵磁繞組的電阻、電感以及負載電壓之間存在一個很高的耦合。當感應電勢的振幅達到或超過一定閾值時，這個電路就會關閉。通過控制電路的開關器件的開合情況，可以控制勵磁電流的大小和方向，從而實現對發電機電磁感應強度的調節。

 

圖1  發電機勵磁系統類別框圖	圖2  發電機直流勵磁控制系統電路圖
圖3  發電機交流勵磁機系統原理圖	圖4  發電機靜止可控硅勵磁系統原理接線圖

 

二、三相交流發電機勵磁原理

 

1、相復勵勵磁原理

      由線形電抗器DK把電樞繞組抽頭電壓移相約90°、和電流互感器LH提供的電壓幾何疊加，經過橋式整流器ZL整流，供給發電機勵磁繞組。負載時由電流互感器LH供給所需的復勵電流，進行電流補償，由線形電抗器DK移相進行相位補償。

2、三次諧波原理

      對一般發電機來源，我們需要的是工頻正弦波，稱為基波，比基波高的正弦波都稱為諧波、其中三次諧波的含量最大，在諧波發電機定子槽中，安放有主繞組和諧波勵磁繞組（s1、s2），而這個繞組之間沒有電的聯系。諧波繞組將繞組中150HZ諧波感應出來，經過ZL橋式整流器整流，送到主發電機轉子繞組LE中進行勵磁。

3、可控硅直接勵磁原理

      可控硅直接勵磁是采用可控硅整流器直接將發電機輸出的任一相一部分能量，經整流后送入勵磁繞組去的勵磁方式，它是由自動電壓調節器（AVR），控制可控硅的導通角來調節勵磁電流大小而維持發電機端電壓的穩定。

4、無刷勵磁原理

      以康明斯公司生產的斯坦福發電機為例，無刷勵磁是利用交流勵磁機，其定子上的剩磁或永久磁鐵（帶永磁機）建立電壓，該交流電壓經旋轉整流起整流后，送入主發電機的勵磁繞組（端面如圖5所示，截面如圖6所示），使發電機建壓。自動電壓調節器（AVR）能根據輸出電壓的微小偏差迅速地減小或增加勵磁電流，維持發電機的所設定電壓近似不變。

 

圖5  發電機勵磁繞組端面圖

圖6  發電機勵磁繞組橫截面圖

 

三、勵磁系統的調節方法和特性

 

1、自動調節勵磁電流的方法

      在改變發電機的勵磁電流中，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，通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流，以達到調節發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，它是根據發電機電壓、電流或功率因數的變化，相應地改變可控硅整流器的導通角，于是發電機的勵磁電流便跟著改變。在事故情況下能有效地抑制發電機的過電壓和實現快速滅磁。

      自動調節勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調差單元、穩定單元、限制單元及一些輔助單元構成，電路如圖7所示。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，以達到調節發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。調差單元的作用是為了使并聯運行的發電機能穩定和合理地分配無功負荷。穩定單元是為了改善電力系統的穩定而引進的單元。勵磁系統穩定單元用于改善勵磁系統的穩定性。限制單元是為了使發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勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調節器裝置所具有的單元與其擔負的具體任務有關。

2、發電機與勵磁電流的有關特性

（1）電壓的調節

      自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發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，發電機的端電壓應基本保持不變，實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。

（2）無功功率的調節：

      發電機與系統并聯運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發電機的無功電流也跟著變化。當發電機與無限大容量系統并聯運行時，為了改變發電機的無功功率，必須調節發電機的勵磁電流，其調節曲線如圖8所示。此時改變的發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的無功功率。

（3）無功負荷的分配：

      并聯運行的發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。為了實現無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調節的勵磁裝置，改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整，以實現并聯運行發電機無功負荷的合理分配。

 

圖7  發電機自動勵磁調節裝置原理

圖8  發電機無功功率調節曲線

 

四、勵磁系統的日常維護和預防措施

 

      根據康明斯公司多年維修數據統計，柴油發電機組上配套使用的發電機，在運行中的故障屬勵磁線圈和繞組燒壞的電氣故障約85%，機構及其他故障約15%，勵磁線圈和繞組燒壞的原因多為缺相運行或過載運行、繞組接地及繞組相間或匝間短路。其次是定、轉子摩擦、斷條等機械方面的原因。其日常維護和預防方法如下：

（1）嚴格控制發電機溫升（以氣溫40℃為基準）不超過50℃。運行中經常以觸摸感覺、溫度計檢測的方式，當發現軸承外圈溫度超過95℃、潤滑脂有稀釋流出現象，或軸承有沙沙磨擦聲時，均應立即停車查明原因，排除故障后方可運行。

（2）保持調速器良好，穩定發電機轉速在1500r/min，使周波達50Hz，運行中發現周波有變化，應及時調整柴油機油門穩定周波，并檢查調速器是否運行正常。

（3）發電機二級保養時斟情更換潤滑脂，潤滑脂數量應為軸承空隙的1/2～2/3左右。應按使用說明書規定仔細檢查軸承，如果滾珠或軸承內、外圈等處出現藍紫色時，說明軸承受熱退火，應注意使用或更換。更換軸承時，軸承內外孔和軸及機體配合應符合規定的過盈量，太松時應在軸承內外圈掛錫，精磨后裝配；過緊時應用00號砂紙細心打磨后裝配，既防止軸承配合過松打滑、磨擦生熱，又防止過緊時減小軸承游隙，增大磨損，增加溫升。

（4）發電機使用時應盡量使用電設備合理分配，三相功率平衡（其中整流勵磁的A相已消耗電力2kW），三相不平衡不應超過20%。盡量使用三相電焊機，使用兩相對焊機時應停用其它設備，并間歇對焊。工作中密切注視機體溫度，如果溫升過高，應立即停機降溫。

（5）斯坦福發電機在高溫、高濕環境下作業應采取降溫和除濕措施，如采用吹風機改善通風條件、間歇運行，使之冷卻，控制機體溫度不超過90℃，或減輕負載不超過發電機容量的85%，作好發電機頂部密封，防止雨淋。

（6）原則上禁止發電機過載使用，特殊情況過載使用時，如使用發電機進行鋼筋對焊時，應間歇作業，并嚴格控制發電機溫升，一旦溫升過高，應立即停機采用吹風機冷卻，待降溫后再投入使用。負載發電機最大容量不應超過發電機容量的40%，間斷起動發電機間隔時間不應低于1mi n，盡量避免頻繁起動。

（7）發電機運行中應密切觀察勵磁電流，若超過額定值時應減輕負載。若調整無效應停機檢查勵磁繞組是否因絕緣下降（發電機冷態低于2M，熱穩定狀態低于0.5M）而嚴重漏電或短路接地，不可強制運行以免造成機器損壞。

（8）發電機若長期不用，使用前應將定子采用穩態短路電流法對繞組進行烘干驅潮，當絕緣大于2M以后方可使用。

 

總結：

      總的來說，發電機勵磁系統的工作原理與分類主要可以從直流勵磁系統和交流勵磁系統兩個方面來考慮。每一種勵磁系統都有不同的優缺點，在不同的場合下可以選擇合適的勵磁方式來滿足發電機的工作要求。此外，發電機勵磁系統需要具有良好的調節特性，即在不同的負載環境下能夠保持較小的電壓波動和頻率偏差。這樣可以保證電源的可靠性和可靠性，滿足用戶對電源質量的要求。

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