励磁系统

励磁系统励磁

一般我们把根据电磁感应原理使发电机转子形成旋转磁场的过程称为励磁。此外，为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场也叫励磁 。有时，向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。

随着电力建设的发展，中国电力系统行业已进入大网络、高电压、大机组的阶段。大容量机组运行时的稳定性对于整体电网的稳定性和安全至关重要。然而，影响发电机稳定性最大的是电机励磁系统。励磁系统对于电网安全起到了非常重要的作用，它不仅是机组稳定运行的保证，也是整个电网中无功以及电压调节的杠杆。

励磁系统主要作用

1、维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。

2、合理分配并列运行机组之间的无功分配。

2、提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性、暂态稳定性及动态稳定性。

励磁系统组成

同步发电机（synchronization dynamo）的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。　其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

励磁系统直流分类

直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四类。

励磁系统整流分类

1.旋转式励磁

旋转式励磁又包括直流交流和无刷励磁。

2.静止式励磁

静止式励磁包括电势源静止励磁机和复合电源静止励磁机。

按发电机励磁的交流电源供给方式

1.交流励磁(他励)系统

由与发电机同轴的交流励磁机供电。系统又可分为四种方式:

1）交流励磁机(磁场旋转)加静止硅整流器(有刷).

2）交流励磁机(磁场旋转)加静止可控硅整流器(有刷).

3）交流励磁机(电枢旋转)加硅整流器(无刷).

4）交流励磁机(电枢旋转)加可控硅整流器(无刷).。

2.全静态励磁(自励)系统

采用变压器供电，当励磁变压器接在发电机的机端或接在单元式发电机组的厂用电母线上,称为自励励磁方式,把机端励磁变压器与发电机定子串联的励磁变流器结合起来向发电机转子供电的称为自复励励磁方式。这种结合方法也有四种:

1）直流侧并联

2）直流侧串联

3）交流侧并联

4）交流侧串联

励磁系统作用

1.根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；

2.控制并列运行各发电机间无功功率分配；

3.提高发电机并列运行的静态稳定性；

4.提高发电机并列运行的暂态稳定性；

5.在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；

6.根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

励磁系统直流发电机

这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。

励磁系统交流励磁机

现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100-200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400-500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

励磁系统无励磁机

在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结构简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

励磁系统方法

在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流的目的。

常用方法有：改变励磁机励磁回路的电阻，改变励磁机的附加励磁电流，改变可控硅的导通角等。

这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发电机的励磁电流便跟着改变。这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成，具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。

励磁系统组成单元

自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。

1.测量单元

被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。

2.同步单元

同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。

3.调差单元

调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。

4.稳定单元

稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元 。励磁系统稳定单元 用于改善励磁系统的稳定性。

5.限制单元

限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。

必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。

励磁系统组成部件

自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。

励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。

数字自动调节励磁装置

近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适应调节。

2100433B

励磁系统电压调节

自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。

励磁系统无功功率

发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。

励磁系统无功负荷

并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。

采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便。

发电机励磁系统系统组成

励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。如图发电机励磁系统所示：

其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

发电机励磁系统主要作用

励磁系统的主要作用有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

励磁系统故障时有发生，主要存在如下问题：

（1）由于原励磁装置运行时间久、机件老化、缺陷渐多，严重影响机组的安全运行。

（2）调节器元器件老化、板件损坏时有发生，备品供应困难。

（3）改变工况运行时的调节性能差，特别是在系统发生故障时，强励经常不能满足电网电压和系统运行的要求。

（4）换向器和电刷的维护工作量大，运行中更换碳刷时需要带电作业，且检修励磁机时必须停主机，很不方便；另外粉尘、噪音等对作业人员有一定的危害。

（5） 运行时整流子与电刷之间火花严重并伴有跳动，整流子换相工况恶化，曾经出现过环火，使机组被迫停机。整流子发生换相故障时又会对整流子表面产生灼伤和损坏，绝缘性能下降。

（6） 励磁绕组出现绝缘老化现象，电气性能下降，引起励磁接地等故障，直接影响机组的正常运行。励磁回路绝缘下降，出现接地故障无法消除被迫停机，切换到备用励磁机运行。

总之，这种同轴直流励磁机励磁方式，由于直流励磁机碳刷的使用，导致运行维护量增大，相复励励磁调节器由于制造工艺及其技术原因，在进行发电机励磁电流调节的时候，存在调节速度慢、不够稳定及调节精度低等缺点 。