新聞主題	發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的勵磁方式

 

摘要：顧名思義，向同步發(fā)電機及其附屬設備提供電源和工作磁場的裝置統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。電磁場是發(fā)電機工作的基礎，沒有電磁場就無法產(chǎn)生電能。而勵磁系統(tǒng)正是通過激勵電磁場線圈來產(chǎn)生電磁場，從而使發(fā)電機能夠正常工作。它一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個主要部分組成。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出?？得魉构驹诒疚闹嗅槍?a href="http://www.km-robot.com">發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類、工作原理以及條件方法進行了簡要闡述，并提供了勵磁系統(tǒng)的日常維護和預防措施的方法，以供參考。

 

一、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類

 

      勵磁系統(tǒng)就是提供發(fā)電機磁場電流的裝置包括勵磁變壓器、調(diào)節(jié)與控制元件、滅磁裝置、起勵裝置、保護裝置等。根據(jù)勵磁方式不同分為直流勵磁系統(tǒng)、交流勵磁系統(tǒng)和靜止勵磁系統(tǒng)三種，如圖1所示。

1、直流勵磁系統(tǒng)

      直流勵磁系統(tǒng)是指通過外部直流電源為發(fā)電機提供直流電源進行勵磁的一種方式，電路如圖2所示。根據(jù)外部直流電源的不同，直流勵磁系統(tǒng)可以分為恒定電流勵磁、恒定電壓勵磁和恒定磁通勵磁三種類型。

（1）恒定電流勵磁

      恒定電流勵磁是指通過恒定電流激勵線圈，使發(fā)電機產(chǎn)生固定的電磁場，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電功率輸出。該勵磁方式適用于低容量的發(fā)電機，因為其在負載變化時，會出現(xiàn)電流無法穩(wěn)定的問題。

（2）恒定電壓勵磁

      恒定電壓勵磁是指通過恒定電壓激勵線圈，控制發(fā)電機輸出電壓的一種方式。該勵磁方式適用于大容量的發(fā)電機，因為其可以根據(jù)負載變化自動調(diào)節(jié)電流。當負載增加時，發(fā)電機電流增大，電壓保持不變；當負載減小時，電流減小，電壓保持不變。

（6）恒定磁通勵磁

      恒定磁通勵磁是指通過恒定磁通激勵線圈，控制發(fā)電機輸出電壓的一種方式，也是較為常用的勵磁方式。通過調(diào)節(jié)磁通大小，可以實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。當負載增加時，電壓下降，調(diào)節(jié)磁通以增加輸出電壓；當負載減小時，電壓上升，調(diào)節(jié)磁通以減小輸出電壓。

2、交流勵磁系統(tǒng)

      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，原理如圖3所示。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(zhuǎn)，以及交流勵磁機是磁場旋轉(zhuǎn)或電樞旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式）加靜止硅整流器；

（2）交流勵磁機（磁場旋轉(zhuǎn)式）加靜止晶閘管；

（3）交流勵磁機（電樞旋轉(zhuǎn)式）加旋轉(zhuǎn)硅整流器；

（4）交流勵磁機（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磁機電樞與主軸一同旋轉(zhuǎn)，直接給主機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，故稱為無刷勵磁（又稱無觸點勵磁或旋轉(zhuǎn)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。現(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(zhuǎn)的勵磁方式，在發(fā)電機組上很少采用，這里不再介紹。

3、靜止勵磁系統(tǒng)

      靜止勵磁系統(tǒng)（PME）是一種采用電氣方式對發(fā)電機進行勵磁的方法，其控制原理如圖4所示。

      首先，需要明確靜止勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。它主要由調(diào)速器（AVR）、勵磁繞組、電壓傳感器、勵磁開關(guān)和勵磁旁通控制器等組成。其中，調(diào)速器是整個系統(tǒng)的核心部分，通過對勵磁繞組的控制，使發(fā)電機的電磁感應強度達到一定的目標值。

      當發(fā)電機開始運轉(zhuǎn)時，電動機的轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子端，將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上，通過勵磁繞組通電，產(chǎn)生磁場。接著，通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子上形成了一個磁場旋轉(zhuǎn)的感應線圈，即轉(zhuǎn)子上的“感應圈”。

      隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，感應線圈上出現(xiàn)了一種頻率、振幅、相位與轉(zhuǎn)速相關(guān)的感應電勢（即感應電動勢），這個感應電勢通過轉(zhuǎn)子兩端的轉(zhuǎn)子線圈（也稱為勵磁繞組）傳遞到外部。感應電勢的振幅與轉(zhuǎn)子感應線圈上的有效磁通變化速率成正比，轉(zhuǎn)速愈大磁通變化速度愈大，感應電勢振幅就愈大。

      在這個過程中，轉(zhuǎn)子上的感應電勢和勵磁繞組的電阻、電感以及負載電壓之間存在一個很高的耦合。當感應電勢的振幅達到或超過一定閾值時，這個電路就會關(guān)閉。通過控制電路的開關(guān)器件的開合情況，可以控制勵磁電流的大小和方向，從而實現(xiàn)對發(fā)電機電磁感應強度的調(diào)節(jié)。

 

圖1  發(fā)電機勵磁系統(tǒng)類別框圖	圖2  發(fā)電機直流勵磁控制系統(tǒng)電路圖
圖3  發(fā)電機交流勵磁機系統(tǒng)原理圖	圖4  發(fā)電機靜止可控硅勵磁系統(tǒng)原理接線圖

 

二、三相交流發(fā)電機勵磁原理

 

1、相復勵勵磁原理

      由線形電抗器DK把電樞繞組抽頭電壓移相約90°、和電流互感器LH提供的電壓幾何疊加，經(jīng)過橋式整流器ZL整流，供給發(fā)電機勵磁繞組。負載時由電流互感器LH供給所需的復勵電流，進行電流補償，由線形電抗器DK移相進行相位補償。

2、三次諧波原理

      對一般發(fā)電機來源，我們需要的是工頻正弦波，稱為基波，比基波高的正弦波都稱為諧波、其中三次諧波的含量最大，在諧波發(fā)電機定子槽中，安放有主繞組和諧波勵磁繞組（s1、s2），而這個繞組之間沒有電的聯(lián)系。諧波繞組將繞組中150HZ諧波感應出來，經(jīng)過ZL橋式整流器整流，送到主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組LE中進行勵磁。

3、可控硅直接勵磁原理

      可控硅直接勵磁是采用可控硅整流器直接將發(fā)電機輸出的任一相一部分能量，經(jīng)整流后送入勵磁繞組去的勵磁方式，它是由自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），控制可控硅的導通角來調(diào)節(jié)勵磁電流大小而維持發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定。

4、無刷勵磁原理

      以康明斯公司生產(chǎn)的斯坦福發(fā)電機為例，無刷勵磁是利用交流勵磁機，其定子上的剩磁或永久磁鐵（帶永磁機）建立電壓，該交流電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流起整流后，送入主發(fā)電機的勵磁繞組（端面如圖5所示，截面如圖6所示），使發(fā)電機建壓。自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）能根據(jù)輸出電壓的微小偏差迅速地減小或增加勵磁電流，維持發(fā)電機的所設定電壓近似不變。

 

圖5  發(fā)電機勵磁繞組端面圖

圖6  發(fā)電機勵磁繞組橫截面圖

 

三、勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法和特性

 

1、自動調(diào)節(jié)勵磁電流的方法

      在改變發(fā)電機的勵磁電流中，一般不直接在其轉(zhuǎn)子回路中進行，因為該回路中電流很大，不便于進行直接調(diào)節(jié)，通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機勵磁回路的電阻，改變勵磁機的附加勵磁電流，改變可控硅的導通角等。

      這里主要講改變可控硅導通角的方法，它是根據(jù)發(fā)電機電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應地改變可控硅整流器的導通角，于是發(fā)電機的勵磁電流便跟著改變。在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機的過電壓和實現(xiàn)快速滅磁。

      自動調(diào)節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成，電路如圖7所示。被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導通角，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。調(diào)差單元的作用是為了使并聯(lián)運行的發(fā)電機能穩(wěn)定和合理地分配無功負荷。穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進的單元。勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。限制單元是為了使發(fā)電機不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運行而設置的。必須指出并不是每一種自動調(diào)節(jié)勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調(diào)節(jié)器裝置所具有的單元與其擔負的具體任務有關(guān)。

2、發(fā)電機與勵磁電流的有關(guān)特性

（1）電壓的調(diào)節(jié)

      自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調(diào)量的負反饋控制系統(tǒng)。無功負荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發(fā)電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機的端電壓應基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。

（2）無功功率的調(diào)節(jié)：

      發(fā)電機與系統(tǒng)并聯(lián)運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發(fā)電機勵磁電流，感應電勢和定子電流也跟著變化，此時發(fā)電機的無功電流也跟著變化。當發(fā)電機與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，為了改變發(fā)電機的無功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，其調(diào)節(jié)曲線如圖8所示。此時改變的發(fā)電機勵磁電流并不是通常所說的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。

（3）無功負荷的分配：

      并聯(lián)運行的發(fā)電機根據(jù)各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發(fā)電機應負擔較多無功負荷，而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現(xiàn)無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調(diào)節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進行調(diào)整，以實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機無功負荷的合理分配。

 

圖7  發(fā)電機自動勵磁調(diào)節(jié)裝置原理

圖8  發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)曲線

 

四、勵磁系統(tǒng)的日常維護和預防措施

 

      根據(jù)康明斯公司多年維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計，柴油發(fā)電機組上配套使用的發(fā)電機，在運行中的故障屬勵磁線圈和繞組燒壞的電氣故障約85%，機構(gòu)及其他故障約15%，勵磁線圈和繞組燒壞的原因多為缺相運行或過載運行、繞組接地及繞組相間或匝間短路。其次是定、轉(zhuǎn)子摩擦、斷條等機械方面的原因。其日常維護和預防方法如下：

（1）嚴格控制發(fā)電機溫升（以氣溫40℃為基準）不超過50℃。運行中經(jīng)常以觸摸感覺、溫度計檢測的方式，當發(fā)現(xiàn)軸承外圈溫度超過95℃、潤滑脂有稀釋流出現(xiàn)象，或軸承有沙沙磨擦聲時，均應立即停車查明原因，排除故障后方可運行。

（2）保持調(diào)速器良好，穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速在1500r/min，使周波達50Hz，運行中發(fā)現(xiàn)周波有變化，應及時調(diào)整柴油機油門穩(wěn)定周波，并檢查調(diào)速器是否運行正常。

（3）發(fā)電機二級保養(yǎng)時斟情更換潤滑脂，潤滑脂數(shù)量應為軸承空隙的1/2～2/3左右。應按使用說明書規(guī)定仔細檢查軸承，如果滾珠或軸承內(nèi)、外圈等處出現(xiàn)藍紫色時，說明軸承受熱退火，應注意使用或更換。更換軸承時，軸承內(nèi)外孔和軸及機體配合應符合規(guī)定的過盈量，太松時應在軸承內(nèi)外圈掛錫，精磨后裝配；過緊時應用00號砂紙細心打磨后裝配，既防止軸承配合過松打滑、磨擦生熱，又防止過緊時減小軸承游隙，增大磨損，增加溫升。

（4）發(fā)電機使用時應盡量使用電設備合理分配，三相功率平衡（其中整流勵磁的A相已消耗電力2kW），三相不平衡不應超過20%。盡量使用三相電焊機，使用兩相對焊機時應停用其它設備，并間歇對焊。工作中密切注視機體溫度，如果溫升過高，應立即停機降溫。

（5）斯坦福發(fā)電機在高溫、高濕環(huán)境下作業(yè)應采取降溫和除濕措施，如采用吹風機改善通風條件、間歇運行，使之冷卻，控制機體溫度不超過90℃，或減輕負載不超過發(fā)電機容量的85%，作好發(fā)電機頂部密封，防止雨淋。

（6）原則上禁止發(fā)電機過載使用，特殊情況過載使用時，如使用發(fā)電機進行鋼筋對焊時，應間歇作業(yè)，并嚴格控制發(fā)電機溫升，一旦溫升過高，應立即停機采用吹風機冷卻，待降溫后再投入使用。負載發(fā)電機最大容量不應超過發(fā)電機容量的40%，間斷起動發(fā)電機間隔時間不應低于1mi n，盡量避免頻繁起動。

（7）發(fā)電機運行中應密切觀察勵磁電流，若超過額定值時應減輕負載。若調(diào)整無效應停機檢查勵磁繞組是否因絕緣下降（發(fā)電機冷態(tài)低于2M，熱穩(wěn)定狀態(tài)低于0.5M）而嚴重漏電或短路接地，不可強制運行以免造成機器損壞。

（8）發(fā)電機若長期不用，使用前應將定子采用穩(wěn)態(tài)短路電流法對繞組進行烘干驅(qū)潮，當絕緣大于2M以后方可使用。

 

總結(jié)：

      總的來說，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的工作原理與分類主要可以從直流勵磁系統(tǒng)和交流勵磁系統(tǒng)兩個方面來考慮。每一種勵磁系統(tǒng)都有不同的優(yōu)缺點，在不同的場合下可以選擇合適的勵磁方式來滿足發(fā)電機的工作要求。此外，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)需要具有良好的調(diào)節(jié)特性，即在不同的負載環(huán)境下能夠保持較小的電壓波動和頻率偏差。這樣可以保證電源的可靠性和可靠性，滿足用戶對電源質(zhì)量的要求。

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