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发电机励磁系统的励磁方式 |
摘要：顾名思义，向同步发电机及其附属设备提供电源和工作磁场的装置统称为励磁系统。电磁场是发电机工作的基础，没有电磁场就无法产生电能。而励磁系统正是通过激励电磁场线圈来产生电磁场，从而使发电机能够正常工作。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。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。康明斯公司在本文中针对发电机励磁系统的分类、工作原理以及条件方法进行了简要阐述，并提供了励磁系统的日常维护和预防措施的方法，以供参考。
一、发电机励磁系统的分类
励磁系统就是提供发电机磁场电流的装置包括励磁变压器、调节与控制元件、灭磁装置、起励装置、保护装置等。根据励磁方式不同分为直流励磁系统、交流励磁系统和静止励磁系统三种，如图1所示。
1、直流励磁系统
直流励磁系统是指通过外部直流电源为发电机提供直流电源进行励磁的一种方式，电路如图2所示。根据外部直流电源的不同，直流励磁系统可以分为恒定电流励磁、恒定电压励磁和恒定磁通励磁三种类型。
（1）恒定电流励磁
恒定电流励磁是指通过恒定电流激励线圈，使发电机产生固定的电磁场，从而实现稳定的发电功率输出。该励磁方式适用于低容量的发电机，因为其在负载变化时，会出现电流无法稳定的问题。
（2）恒定电压励磁
恒定电压励磁是指通过恒定电压激励线圈，控制发电机输出电压的一种方式。该励磁方式适用于大容量的发电机，因为其可以根据负载变化自动调节电流。当负载增加时，发电机电流增大，电压保持不变；当负载减小时，电流减小，电压保持不变。
（6）恒定磁通励磁
恒定磁通励磁是指通过恒定磁通激励线圈，控制发电机输出电压的一种方式，也是较为常用的励磁方式。通过调节磁通大小，可以实现对电压的调节。当负载增加时，电压下降，调节磁通以增加输出电压；当负载减小时，电压上升，调节磁通以减小输出电压。
2、交流励磁系统
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，原理如图3所示。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；
（2）交流励磁机（磁场旋转式）加静止晶闸管；
（3）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转硅整流器；
（4）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转晶闸管。
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。
无刷励磁由于取消了滑环、电刷，消除了电气上最易发生故障的滑动接触，从而大大提高了运行可靠性，并使维护工作显著减小，同时整机的体积小，总长度缩短。因此，它是励磁系统的发展方向之一。现阶段有很大部分的发电机组采用无刷励磁系统。
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。
3、静止励磁系统
静止励磁系统（PME）是一种采用电气方式对发电机进行励磁的方法，其控制原理如图4所示。
首先，需要明确静止励磁系统的基本结构。它主要由调速器（AVR）、励磁绕组、电压传感器、励磁开关和励磁旁通控制器等组成。其中，调速器是整个系统的核心部分，通过对励磁绕组的控制，使发电机的电磁感应强度达到一定的目标值。
当发电机开始运转时，电动机的转子通过转子端，将电磁能转换成机械能，使发电机的转子开始旋转。在发电机的转子上，通过励磁绕组通电，产生磁场。接着，通过转子的旋转，在转子上形成了一个磁场旋转的感应线圈，即转子上的“感应圈”。
随着转子的旋转，感应线圈上出现了一种频率、振幅、相位与转速相关的感应电势（即感应电动势），这个感应电势通过转子两端的转子线圈（也称为励磁绕组）传递到外部。感应电势的振幅与转子感应线圈上的有效磁通变化速率成正比，转速愈大磁通变化速度愈大，感应电势振幅就愈大。
在这个过程中，转子上的感应电势和励磁绕组的电阻、电感以及负载电压之间存在一个很高的耦合。当感应电势的振幅达到或超过一定阈值时，这个电路就会关闭。通过控制电路的开关器件的开合情况，可以控制励磁电流的大小和方向，从而实现对发电机电磁感应强度的调节。
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图1 发电机励磁系统类别框图 |
图2 发电机直流励磁控制系统电路图 |
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图3 发电机交流励磁机系统原理图 |
图4 发电机静止可控硅励磁系统原理接线图 |
二、三相交流发电机励磁原理
1、相复励励磁原理
由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK移相进行相位补偿。
2、三次谐波原理
对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。
3、可控硅直接励磁原理
可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（AVR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。
4、无刷励磁原理
以康明斯公司生产的斯坦福发电机为例，无刷励磁是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组（端面如图5所示，截面如图6所示），使发电机建压。自动电压调节器（AVR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。
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图5 发电机励磁绕组端面图 |
图6 发电机励磁绕组横截面图 |
三、励磁系统的调节方法和特性
1、自动调节励磁电流的方法
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。常用的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。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。
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，电路如图7所示。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。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。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。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。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。
2、发电机与励磁电流的有关特性
（1）电压的调节
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。
（2）无功功率的调节：
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，其调节曲线如图8所示。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。
（3）无功负荷的分配：
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。
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图7 发电机自动励磁调节装置原理 |
图8 发电机无功功率调节曲线 |
四、励磁系统的日常维护和预防措施
根据康明斯公司多年维修数据统计，柴油发电机组上配套使用的发电机，在运行中的故障属励磁线圈和绕组烧坏的电气故障约85%，机构及其他故障约15%，励磁线圈和绕组烧坏的原因多为缺相运行或过载运行、绕组接地及绕组相间或匝间短路。其次是定、转子摩擦、断条等机械方面的原因。其日常维护和预防方法如下：
（1）严格控制发电机温升（以气温40℃为基准）不超过50℃。运行中经常以触摸感觉、温度计检测的方式，当发现轴承外圈温度超过95℃、润滑脂有稀释流出现象，或轴承有沙沙磨擦声时，均应立即停车查明原因，排除故障后方可运行。
（2）保持调速器良好，稳定发电机转速在1500r/min，使周波达50Hz，运行中发现周波有变化，应及时调整柴油机油门稳定周波，并检查调速器是否运行正常。
（3）发电机二级保养时斟情更换润滑脂，润滑脂数量应为轴承空隙的1/2～2/3左右。应按使用说明书规定仔细检查轴承，如果滚珠或轴承内、外圈等处出现蓝紫色时，说明轴承受热退火，应注意使用或更换。更换轴承时，轴承内外孔和轴及机体配合应符合规定的过盈量，太松时应在轴承内外圈挂锡，精磨后装配；过紧时应用00号砂纸细心打磨后装配，既防止轴承配合过松打滑、磨擦生热，又防止过紧时减小轴承游隙，增大磨损，增加温升。
（4）发电机使用时应尽量使用电设备合理分配，三相功率平衡（其中整流励磁的A相已消耗电力2kW），三相不平衡不应超过20%。尽量使用三相电焊机，使用两相对焊机时应停用其它设备，并间歇对焊。工作中密切注视机体温度，如果温升过高，应立即停机降温。
（5）斯坦福发电机在高温、高湿环境下作业应采取降温和除湿措施，如采用吹风机改善通风条件、间歇运行，使之冷却，控制机体温度不超过90℃，或减轻负载不超过发电机容量的85%，作好发电机顶部密封，防止雨淋。
（6）原则上禁止发电机过载使用，特殊情况过载使用时，如使用发电机进行钢筋对焊时，应间歇作业，并严格控制发电机温升，一旦温升过高，应立即停机采用吹风机冷却，待降温后再投入使用。负载发电机最大容量不应超过发电机容量的40%，间断起动发电机间隔时间不应低于1mi n，尽量避免频繁起动。
（7）发电机运行中应密切观察励磁电流，若超过额定值时应减轻负载。若调整无效应停机检查励磁绕组是否因绝缘下降（发电机冷态低于2M，热稳定状态低于0.5M）而严重漏电或短路接地，不可强制运行以免造成机器损坏。
（8）发电机若长期不用，使用前应将定子采用稳态短路电流法对绕组进行烘干驱潮，当绝缘大于2M以后方可使用。
总结：
总的来说，发电机励磁系统的工作原理与分类主要可以从直流励磁系统和交流励磁系统两个方面来考虑。每一种励磁系统都有不同的优缺点，在不同的场合下可以选择合适的励磁方式来满足发电机的工作要求。此外，发电机励磁系统需要具有良好的调节特性，即在不同的负载环境下能够保持较小的电压波动和频率偏差。这样可以保证电源的可靠性和可靠性，满足用户对电源质量的要求。
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