浅谈发电机励磁系统

摘要：励磁系统的主要任务是根据发电机的运行状态，向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要。性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。

在电气运行工作中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。例如发电机的开机升压、停机降压及其日常发电机电压的调整都通过励磁系统完成。学习好励磁系统对于发电机的学习有着很大的帮助。

关键词：励磁系统；自并励励磁系统；带旋转整流器励磁系统；发电机端电压

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0022-02

汽轮发电机励磁系统概述：根据同步发电机工作的基本原理，必须在汽轮发电机转子绕组中通以直流电流才能建立起主磁场，当汽轮机拖动转子旋转时，就能在定子电枢绕组中产生感应电动势。励磁系统的主要任务就是根据发电机的运行状态，向发电机电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。励磁系统的作用：（1）维持发电机机端电压。（2）在并列运行的发电机间合理分配无功功率。（3）提高电力系统的静态.暂态稳定性。

励磁方式的分类：（1）直流发电机供电的励磁方式，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，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。（2）交流励磁电源加半导体整流器的励磁方式，这种励磁系统中的直流励磁电源是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的（简称半导体励磁方式）。根据交流励磁电源的不同种类，半导体励磁系统又可分为两大类。

1.他励励磁系统。这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励磁系统由于交流励磁电源取自主发电机之外的独立电源，故称为他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机称为交流励磁机，也可称为交流励磁机励磁系统。根据半导体整流器是静止的还是旋转的，又可分为交流励磁机静止整流器励磁系统和交流励磁机带旋转整流器励磁系统。其中后者由于半导体整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主发电机转子励磁绕组供给励磁电流，不需要经过转子滑环及碳刷引入，也称为无刷励磁系统。

2.自励励磁系统。这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统。自励励磁系统又可进一步细分为多种具体的实现方式，如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器或串联变压器，则构成自复励方式。根据励磁变压器和串联变压器结合的方式又可分为：直流侧并联自复励方式；直流侧串联自复励方式；交流侧并联自复励方式；交流侧串联自复励方式。

（1）自并励励磁系统，由励磁变压器、可控硅功率整流装置、自动励磁调节装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。从发电机的出口母线获得三相交流电，经过励磁变压器变为符合要求的电压较低的交流电，再经过可控硅整流装置后，通过直流刀闸到主备励切换柜，然后到灭磁及过电压保护柜，最后上发电机转子，完成了发电机的励磁过程。开机起励时起励电源经过起励元件到灭磁及过电压保护柜FLM。这种励磁系统的特点是：1）无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅整流器供给发电机励磁绕组励磁；2）无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少；2）励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快；4）可以提供较大的励磁功率。采用自并励励磁系统主要缺点有：1）在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的强励倍数。2）接于地区网络的发电机，由于短路电流的衰减快，继电保护的配合较复杂，给继电保护来了问题。同样是发电机近端发生三相短路时，自并励系统的强励能力将显著降低，在某些情况下不能使发电机的短路电流维持在使过电流保护动作的水平，带时限的继电保护可能会拒绝动作。

（2）交流励磁机带旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统），无刷励磁系统用交流励磁机作为主发电机的励磁电源，根据交流励磁机励磁绕组所取励磁电源的不同，无刷励磁系统又可分为有辅助励磁机和无辅助励磁机两种形式。

（3）无刷励磁系统，此系统中辅助励磁机采用的是永磁发电机。辅助励磁机发出的交流电经过可控硅整流器整流为直流电供给主励磁机的励磁绕组。主励磁机是一台旋转电枢式三相同步发电机，即它的电枢绕组是旋转的，励磁绕组则是静止的，发出的三相交流电经同轴旋转的三相旋转整流器整流为直流电，通入主发电机转子绕组，供给发电机励磁。其中两个整流器，在外部的为可控的整流器与励磁调节器连接，通过控制这个整流器达到控制发电机励磁。内部的为不可控整流器与主轴同轴旋转。无辅助励磁机的无刷励磁的励磁电源则是取自主发电机的端电压或者厂用电。这种励磁方式又可进一步分为端电压励磁、基波谐波混合励磁、谐波励磁和相复励励磁等几种方式，其中相复励励磁是一种较好的励磁方式。无刷励磁的优点：1）结构紧凑。2）没有滑环和碳刷，不需要进行这方面的维护工作，不会因此发生故障，运行的可靠性提高了。3）因为没有碳粉和铜末引起电机绕组污染，故绝缘的寿命较长，4）由于无滑环、碳刷，即使周围环境有易燃易爆气体存在，也不会因整流子、滑环和碳刷间产生火花而造成事故。

有刷励磁和无刷励磁的区别：

通过上面的介绍可以看出，取消了滑环和碳刷是无刷励磁与有刷励磁系统最大的区别。滑环和碳刷的作用就是将发电机励磁电流送到转子磁极上励磁绕组中的桥梁。发电机能够正常发电的两个必要条件：磁场、切割磁力线的运动。大容量发电机均采用旋转磁场，电枢绕组（线圈）安装在定子上，为了将磁场的励磁电流从发电机外部送到发电机转子上，通常采用滑环和碳刷进行电气连接。由于碳刷属于损耗性元件，平均3-4个月需要更换，那么在更换时就会有一定的安全隐患。在淮安热电分厂实习期间，通过工作中的观察，发现了更换时所存在的几点风险。1）碳刷属于带电元件，更换时工作人员有被电击的危险。2）工作人员在更换时需要接近旋转中的主轴，工作人员的衣物有被大轴挂住的危险。3）运行中的碳刷会有火花冒出，会有点燃易燃物的危险。4）在更换时如果操作不当，致使滑环损坏，那么发电机需要停机进行。因此滑环和碳刷的取消降低了运行维护的工作量，回避了由于更换所带来的风险。但是无刷励磁系统取消了滑环和碳刷后也带来了一些问题。由于不可控整流装置同轴旋转，对整流器的可靠性要求很高，并且不能直接控制主励磁电流，因此在调压和灭磁的速度上对技术提出了更高的要求。但是随着科技的发展，今后无刷励磁的一个发展方向是采用光控晶闸管，通过光脉冲触发调节光控晶闸管的导通角，就可调节主励磁电流的大小。由于是直接控制主励磁电流，消除了励磁机这一很大的惯性环节，励磁系统的动态性能有很明显的提高。

无刷励磁系统的整流装置、主励磁机的电枢绕组和发电机的转子绕组，在同一轴上旋转，也就是上图中的旋转元件，而在旋转体上的设备就存在着一定风险。因为旋转着的设备会受到较大的旋转力，并且转动的主轴上会产生振动，这都提高了设备损坏的可能性。无刷励磁的旋转元件当发生故障需要维修时，其维修时间较长，会影响到厂里的生产效益。那么我们要如何降低这种风险呢？我对这个问题进行自己的一个分析；由于设备是成套生产的，在出厂环节有厂家保证。在设备安装环节能最大程度降低旋转元件的损坏风险，对旋转元件在安装时的牢固程度和抗震能力必须要严格监督，要完全符合技术规范。在发电机运行时，由于设备旋转，无法对设备进行维护，我们运行人员可以保证发电机有一个良好的运行环境，在日常工作对发电机的温度要进行时刻的检测，保证发电机温度在规定范围。

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