新聞主題	同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的特點

 

摘要：同步發(fā)電機的勵磁電流可由直流勵磁機直接供給，也可由交流勵磁機、同步發(fā)電機的輔助繞組（副繞組）或發(fā)電機輸出端等的交流電壓經(jīng)可控或不可控整流器整流后供給。按勵磁功率供電方式可分為他勵式和自勵式兩大類：由同步發(fā)電機本身以外的電源提供其勵磁功率的，稱他勵式勵磁系統(tǒng)；由發(fā)電機本身提供勵磁功率的，稱自勵式勵磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵磁機供電的，都屬于他勵式，凡由發(fā)電機輸出端或發(fā)電機的輔助繞組供電的，都屬于自勵式。

 

圖1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理接線圖

 

 

一、直流勵磁機

 

      勵磁系統(tǒng)這是交流同步發(fā)電機采用的傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)。直流勵磁機一般又有同軸式和背包式兩種形式。勵磁機為并勵直流發(fā)電機，通過手動調(diào)節(jié)磁場變阻器，改變勵磁機的輸出電壓，以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機勵磁繞組中的電流，從而改變同步發(fā)電機的輸出電壓。

      直流勵磁機勵磁系統(tǒng)自動工作時，同步發(fā)電機的勵磁電流由自動調(diào)節(jié)器按同步發(fā)電機運行情況自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號由同步發(fā)電機的輸出端取得。過去在直流勵磁機的勵磁回路中串入碳阻式調(diào)節(jié)器代替手調(diào)電阻，現(xiàn)在已被晶閘管導體自動調(diào)節(jié)器所代替。

      直流勵磁機勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：勵磁電源獨立，接線簡單，在合理使用和細心維護下，運行比較可靠。但因直流勵磁機體積大，制造成本高，機械整流易產(chǎn)生故障，而且調(diào)節(jié)反應速度慢，目前已逐漸被半導體整流勵磁所取代。

 

二、交流勵磁機

 

勵磁方式（采用與主機同軸的交流發(fā)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(fā)電機，這種勵磁系統(tǒng)，其同步發(fā)電機的勵磁功率由交流勵磁機供給。交流勵磁機發(fā)出的交流電經(jīng)硅二極管或晶閘管進行整流，供給同步發(fā)電機勵磁繞組勵磁電流。這類勵磁系統(tǒng)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(tǒng)（包括他勵硅整流勵磁系統(tǒng)和他勵晶閘管整流器勵磁系統(tǒng)），簡稱他勵系統(tǒng)。同軸的用作勵磁電源的交流發(fā)電機稱為交流勵磁機（也稱同軸輔助發(fā)電機）。

這類勵磁系統(tǒng)，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

（1）組成。

      交流勵磁機靜止整流器勵磁方式與交流勵磁機旋轉整流器勵磁方式（無刷勵磁系統(tǒng)）的組成部件有些類同，主要由與發(fā)電機轉子同軸的副勵磁機、自動電壓調(diào)節(jié)器、交流主勵磁機和靜止硅整流裝置、滅磁開關等組成。副勵磁機通常亦是一永磁機，副勵磁機的磁極裝在發(fā)電機轉子軸上。

      中勵磁機一般采用100Hz交流發(fā)電機，而其直流勵磁繞組裝在轉子軸上，三相交流申樞繞組則裝在定子上。這樣，正常運行時，副勵磁機的磁極、主勵磁機直流勵磁繞組、發(fā)電機轉子上磁場繞組均和主機轉子同軸，以同步速旋轉，副勵磁機電樞（定子）的交流中頻（如：400Hz）申源輸出，通過自動電壓調(diào)節(jié)器、三相全控橋式整流，經(jīng)電刷及滑環(huán)引入主勵磁機磁場繞組；通過由調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)和控制的主勵磁機磁場電流來調(diào)節(jié)和控制主勵磁機的交流輸出；而主勵磁機定子繞組的三相交流輸出（如100Hz）經(jīng)三相橋式全波整流裝置整流后，其正、負極經(jīng)滅磁開關、電刷、轉子集電環(huán)連接到發(fā)電機轉子繞組，供給發(fā)電機勵磁。

（2）優(yōu)點

      在發(fā)電機啟動時，無需起勵設備；當電力系統(tǒng)，尤其是機端附近發(fā)生短路故障時，盡管此時電壓迅速下降，但該勵磁系統(tǒng)的強勵能力不受影響。

 

（3）缺點

      本勵磁系統(tǒng)屬三機勵磁方式，勵磁環(huán)節(jié)的增多勢必引起系統(tǒng)慣性增大，勵磁響應特性差些；需解決大機組勵磁電流大，滑動接觸的集電環(huán)和電刷運行維護的工作要求。

② 交流勵磁機（磁場旋轉式）加靜止晶閘管

      晶閘管勵磁系統(tǒng)，利用晶閘管對交流勵磁電源進行整流和調(diào)節(jié)的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。包括交流勵磁電源、整流電路、調(diào)節(jié)電路、保護電路。調(diào)節(jié)電路控制整流電路內(nèi)晶閘管的導通角，以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電流。不用直流發(fā)電機作為勵磁電源，調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)性能好。

③ 交流勵磁機（電樞旋轉式）加旋轉硅整流器

（1）組成

      交流勵磁機旋轉整流器勵磁方式通常簡稱無刷勵磁系統(tǒng)，主要由與發(fā)電機轉子同軸的副勵磁機、自動電壓調(diào)節(jié)器、滅磁開關、交流主勵磁機和與裝在轉子軸上隨主軸一起旋轉的硅整流裝置等組成。副勵磁機通常是-一永磁機，副勵磁機的磁極裝在發(fā)電機轉子軸上。主勵磁機一般采用中頻（如250Hz）電樞旋轉式交流發(fā)電機，三相交流電樞繞組裝在轉子軸上，而其直流勵磁繞組則裝在主勵磁的定子上。這樣，正常運行時，副勵磁機的磁極、主勵磁機三相交流電樞繞組、勵磁主回路的硅整流裝置、發(fā)電機轉子上勵磁繞組均與主機轉子同軸、以同步速旋轉，之間無相對運動。

（2）優(yōu)點

      由于無刷勵磁系統(tǒng)中，主勵磁機產(chǎn)出的交流經(jīng)三相橋式全波旋轉整流裝置整流后的直流輸出，與主發(fā)電機勵磁回路的連接，不需要電刷和轉子集電環(huán)等設備，解決了大容量機組勵磁系統(tǒng)中，大電流滑動接觸的集電環(huán)制造和電刷的維護問題，避免了因炭粉和銅末引起的電機繞組的絕緣污染，結構簡單、維護方便、因而可靠性高；在發(fā)電機啟動時，無需起勵設備；當電力系統(tǒng)，尤其是機端附近發(fā)生短路故障時，盡管機端電壓迅速下降，但不影響該勵磁系統(tǒng)的強勵能力。

 

（3）缺點

      無刷勵磁方式取消了發(fā)電機主勵磁回路的滑環(huán)和電刷后，高速旋轉的勵磁設備亦相應帶來了監(jiān)測、滅磁、強度設計等新的問題。如發(fā)電機勵磁回路的監(jiān)測問題，無法用常規(guī)的方法直接測量轉子電流、轉子溫度；監(jiān)視轉子回路對地絕緣；監(jiān)視旋轉整流橋上的熔斷器等，需采用特殊的測量和監(jiān)視手段。又如，無法采用發(fā)電機磁場回路裝設快速滅磁開關和滅磁電阻的傳統(tǒng)滅磁方式，而只能間接地在交流主勵磁機的磁場回路內(nèi)裝設滅磁開關，因此滅磁時間相對較長。勵磁環(huán)節(jié)的增多勢必引起系統(tǒng)慣性的增大，相對勵磁響應特性差些。

 

圖2 旋轉式交流發(fā)電機整流勵磁系統(tǒng)原理圖

 

 

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(tǒng)中的換向器一電刷結構，而且取消了與同步發(fā)電機勵磁繞組相連的集電環(huán)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(fā)電機在定子上設置一個沒有勵磁繞組的磁極，它是用優(yōu)質(zhì)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(huán)、電刷，消除了電氣上最易發(fā)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(tǒng)的發(fā)展方向之一?，F(xiàn)階段有很大部分的發(fā)電機組采用無刷勵磁系統(tǒng)。

      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(fā)電機組上很少采用，這里不再介紹。勵磁系統(tǒng)的分類

      同步發(fā)電機的勵磁電流可由直流勵磁機直接供給，也可由交流勵磁機、同步發(fā)電機的輔助繞組（副繞組）或發(fā)電機輸出端等的交流電壓經(jīng)可控或不可控整流器整流后供給。按勵磁功率供電方式可分為他勵式和自勵式兩大類：由同步發(fā)電機本身以外的電源提供其勵磁功率的，稱他勵式勵磁系統(tǒng)；由發(fā)電機本身提供勵磁功率的，稱自勵式勵磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵磁機供電的，都屬于他勵式，凡由發(fā)電機輸出端或發(fā)電機的輔助繞組供電的，都屬于自勵式。

 

圖3 自勵式發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理圖

圖4 他勵式發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理圖

三、同步發(fā)電機的額定值

 

（1）額定容量SN或額定功率PN同步發(fā)電機的額定容量指出線端的額定視在功率，單位為kVA或MVA；而額定功率是指發(fā)發(fā)電機輸出的額定有功功率，或指電動機軸上輸出的額定有效機械功率，單位為kW或MW。對于調(diào)相機用額定視在功率表示。

（2）額定電壓UN指額定運行時定子的線電壓，以V或kV為單位。

（3）額定電流IN指額定運行時定子的線電流，以A為單位。

（4）額定功率因數(shù)cosφN指額定運行時發(fā)電機的功率因數(shù)。

（5）額定頻率fN指額定運行時的頻率。我國標準工頻規(guī)定為50Hz。

（6）額定轉速nN指同步發(fā)電機的同步轉速。

（7）額定效率ηN指額定運行時發(fā)電機效率。

 

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