新聞主題	同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)

 

摘要：同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可由直流勵(lì)磁機(jī)直接供給，也可由交流勵(lì)磁機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的輔助繞組（副繞組）或發(fā)電機(jī)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(lì)磁功率供電方式可分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩大類：由同步發(fā)電機(jī)本身以外的電源提供其勵(lì)磁功率的，稱他勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)；由發(fā)電機(jī)本身提供勵(lì)磁功率的，稱自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵(lì)磁機(jī)供電的，都屬于他勵(lì)式，凡由發(fā)電機(jī)輸出端或發(fā)電機(jī)的輔助繞組供電的，都屬于自勵(lì)式。

 

圖1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖

 

 

一、直流勵(lì)磁機(jī)

 

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

      直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)工作時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由自動(dòng)調(diào)節(jié)器按同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)由同步發(fā)電機(jī)的輸出端取得。過去在直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)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(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)器所代替。

      直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：勵(lì)磁電源獨(dú)立，接線簡(jiǎn)單，在合理使用和細(xì)心維護(hù)下，運(yùn)行比較可靠。但因直流勵(lì)磁機(jī)體積大，制造成本高，機(jī)械整流易產(chǎn)生故障，而且調(diào)節(jié)反應(yīng)速度慢，目前已逐漸被半導(dǎo)體整流勵(lì)磁所取代。

 

二、交流勵(lì)磁機(jī)

 

勵(lì)磁方式（采用與主機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)作為交流勵(lì)磁電源）交流勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)小容量的同步發(fā)電機(jī)，這種勵(lì)磁系統(tǒng)，其同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率由交流勵(lì)磁機(jī)供給。交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)硅二極管或晶閘管進(jìn)行整流，供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流。這類勵(lì)磁系統(tǒng)由于交流勵(lì)磁電源取自主機(jī)之外的其他獨(dú)立電源，故也稱為他勵(lì)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（包括他勵(lì)硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)和他勵(lì)晶閘管整流器勵(lì)磁系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱他勵(lì)系統(tǒng)。同軸的用作勵(lì)磁電源的交流發(fā)電機(jī)稱為交流勵(lì)磁機(jī)（也稱同軸輔助發(fā)電機(jī)）。

這類勵(lì)磁系統(tǒng)，按整流器是靜止還是旋轉(zhuǎn)，以及交流勵(lì)磁機(jī)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)或電樞旋轉(zhuǎn)的不同，又可分為下列四種勵(lì)磁方式：

① 交流勵(lì)磁機(jī)（磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式）加靜止硅整流器

（1）組成。

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

      中勵(lì)磁機(jī)一般采用100Hz交流發(fā)電機(jī)，而其直流勵(lì)磁繞組裝在轉(zhuǎn)子軸上，三相交流申樞繞組則裝在定子上。這樣，正常運(yùn)行時(shí)，副勵(lì)磁機(jī)的磁極、主勵(lì)磁機(jī)直流勵(lì)磁繞組、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上磁場(chǎng)繞組均和主機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，以同步速旋轉(zhuǎn)，副勵(lì)磁機(jī)電樞（定子）的交流中頻（如：400Hz）申源輸出，通過自動(dòng)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(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)繞組；通過由調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)和控制的主勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電流來調(diào)節(jié)和控制主勵(lì)磁機(jī)的交流輸出；而主勵(lì)磁機(jī)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(fù)極經(jīng)滅磁開關(guān)、電刷、轉(zhuǎn)子集電環(huán)連接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。

（2）優(yōu)點(diǎn)

      在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，無需起勵(lì)設(shè)備；當(dāng)電力系統(tǒng)，尤其是機(jī)端附近發(fā)生短路故障時(shí)，盡管此時(shí)電壓迅速下降，但該勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力不受影響。

 

（3）缺點(diǎn)

      本勵(lì)磁系統(tǒng)屬三機(jī)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁環(huán)節(jié)的增多勢(shì)必引起系統(tǒng)慣性增大，勵(lì)磁響應(yīng)特性差些；需解決大機(jī)組勵(lì)磁電流大，滑動(dòng)接觸的集電環(huán)和電刷運(yùn)行維護(hù)的工作要求。

② 交流勵(lì)磁機(jī)（磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式）加靜止晶閘管

      晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)，利用晶閘管對(duì)交流勵(lì)磁電源進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。包括交流勵(lì)磁電源、整流電路、調(diào)節(jié)電路、保護(hù)電路。調(diào)節(jié)電路控制整流電路內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通角，以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。不用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)性能好。

③ 交流勵(lì)磁機(jī)（電樞旋轉(zhuǎn)式）加旋轉(zhuǎn)硅整流器

（1）組成

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

（2）優(yōu)點(diǎn)

      由于無刷勵(lì)磁系統(tǒng)中，主勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)出的交流經(jīng)三相橋式全波旋轉(zhuǎn)整流裝置整流后的直流輸出，與主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的連接，不需要電刷和轉(zhuǎn)子集電環(huán)等設(shè)備，解決了大容量機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中，大電流滑動(dòng)接觸的集電環(huán)制造和電刷的維護(hù)問題，避免了因炭粉和銅末引起的電機(jī)繞組的絕緣污染，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、因而可靠性高；在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，無需起勵(lì)設(shè)備；當(dāng)電力系統(tǒng)，尤其是機(jī)端附近發(fā)生短路故障時(shí)，盡管機(jī)端電壓迅速下降，但不影響該勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力。

 

（3）缺點(diǎn)

      無刷勵(lì)磁方式取消了發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁回路的滑環(huán)和電刷后，高速旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁設(shè)備亦相應(yīng)帶來了監(jiān)測(cè)、滅磁、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等新的問題。如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的監(jiān)測(cè)問題，無法用常規(guī)的方法直接測(cè)量轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子溫度；監(jiān)視轉(zhuǎn)子回路對(duì)地絕緣；監(jiān)視旋轉(zhuǎn)整流橋上的熔斷器等，需采用特殊的測(cè)量和監(jiān)視手段。又如，無法采用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路裝設(shè)快速滅磁開關(guān)和滅磁電阻的傳統(tǒng)滅磁方式，而只能間接地在交流主勵(lì)磁機(jī)的磁場(chǎng)回路內(nèi)裝設(shè)滅磁開關(guān)，因此滅磁時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。勵(lì)磁環(huán)節(jié)的增多勢(shì)必引起系統(tǒng)慣性的增大，相對(duì)勵(lì)磁響應(yīng)特性差些。

 

圖2 旋轉(zhuǎn)式交流發(fā)電機(jī)整流勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

 

 

④ 交流勵(lì)磁機(jī)（電樞旋轉(zhuǎn)式）加旋轉(zhuǎn)晶閘管

      上述③、④兩種方式，硅整流元件和交流勵(lì)磁機(jī)電樞與主軸一同旋轉(zhuǎn)，直接給主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組供勵(lì)磁電流，不但取消了直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)中的換向器一電刷結(jié)構(gòu)，而且取消了與同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組相連的集電環(huán)一電刷結(jié)構(gòu)，故稱為無刷勵(lì)磁（又稱無觸點(diǎn)勵(lì)磁或旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體勵(lì)磁）方式。交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組固定不動(dòng)。有的發(fā)電機(jī)在定子上設(shè)置一個(gè)沒有勵(lì)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(chǎng)起勵(lì)建壓。無刷勵(lì)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(dòng)接觸，從而大大提高了運(yùn)行可靠性，并使維護(hù)工作顯著減小，同時(shí)整機(jī)的體積小，總長(zhǎng)度縮短。因此，它是勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。現(xiàn)階段有很大部分的發(fā)電機(jī)組采用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

      上述①、②兩種方式為交流勵(lì)磁機(jī)電樞和整流器不動(dòng)，交流勵(lì)磁機(jī)的磁極旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁方式，在發(fā)電機(jī)組上很少采用，這里不再介紹。勵(lì)磁系統(tǒng)的分類

      同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可由直流勵(lì)磁機(jī)直接供給，也可由交流勵(lì)磁機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的輔助繞組（副繞組）或發(fā)電機(jī)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(lì)磁功率供電方式可分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩大類：由同步發(fā)電機(jī)本身以外的電源提供其勵(lì)磁功率的，稱他勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)；由發(fā)電機(jī)本身提供勵(lì)磁功率的，稱自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵(lì)磁機(jī)供電的，都屬于他勵(lì)式，凡由發(fā)電機(jī)輸出端或發(fā)電機(jī)的輔助繞組供電的，都屬于自勵(lì)式。

 

圖3 自勵(lì)式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

圖4 他勵(lì)式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

三、同步發(fā)電機(jī)的額定值

 

（1）額定容量SN或額定功率PN同步發(fā)電機(jī)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(jī)輸出的額定有功功率，或指電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定有效機(jī)械功率，單位為kW或MW。對(duì)于調(diào)相機(jī)用額定視在功率表示。

（2）額定電壓UN指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓，以V或kV為單位。

（3）額定電流IN指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流，以A為單位。

（4）額定功率因數(shù)cosφN指額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。

（5）額定頻率fN指額定運(yùn)行時(shí)的頻率。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為50Hz。

（6）額定轉(zhuǎn)速nN指同步發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

（7）額定效率ηN指額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)效率。

 

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