一、發(fā)電機(jī)對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本要求

      電力系統(tǒng)中運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，其運(yùn)行特性與空載電動(dòng)勢(shì)E_q密切相關(guān)，而空載電動(dòng)勢(shì)E_q是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流I_fd的函數(shù)（發(fā)電機(jī)的空載特性），所以改變勵(lì)磁電流就可改變同步發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)中的運(yùn)行特性。因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)是同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的一個(gè)重要內(nèi)容。實(shí)際上，同步發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行、系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，勵(lì)磁電流都要進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行進(jìn)行勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)，可維持機(jī)端電壓或系統(tǒng)中某點(diǎn)電壓水平，并使發(fā)電機(jī)組間無(wú)功功率達(dá)到合理分配；系統(tǒng)發(fā)生故障情況下的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)，可提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，不僅可提高電能質(zhì)量，合理分配發(fā)電機(jī)組間無(wú)功功率，而且還可提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。勵(lì)磁電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)是由同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)的，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為AER（AVR）。

      同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它通常由兩部分組成：第一部分是勵(lì)磁功率單元，它向同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供可靠的直流勵(lì)磁電流；第二部分是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR），它根據(jù)發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制勵(lì)磁功率單元輸出的勵(lì)磁電流。整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，如圖1所示?，F(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)通常采用永磁發(fā)電機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，原理如圖2所示。

1、對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本要求

（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映發(fā)電機(jī)電壓高低以維持發(fā)電機(jī)電壓在給定水平。

（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率，為此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差系數(shù)可以在10％以?xún)?nèi)進(jìn)行調(diào)整。

（3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。

（4）具有較小的時(shí)間常數(shù)，能迅速響應(yīng)輸入信息的變化。

（5）能正確反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)過(guò)大勵(lì)磁和過(guò)小勵(lì)磁、過(guò)高電壓和過(guò)低頻率進(jìn)行限制與控制。

2、對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求

（1）要求勵(lì)磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量

      在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)依靠勵(lì)磁電流的變化進(jìn)行系統(tǒng)的電壓和本身無(wú)功功率的控制。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的調(diào)節(jié)容量，以適應(yīng)電力系統(tǒng)中各種運(yùn)行工況的要求。

（2）具有足夠的勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度

      從改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來(lái)看，希望勵(lì)磁功率單元具有較大的強(qiáng)勵(lì)能力和快速的響應(yīng)能力。強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)與勵(lì)磁電壓響應(yīng)比是反映勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)性能的兩項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

① 勵(lì)磁頂值電壓（強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)）

      發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)均應(yīng)有強(qiáng)勵(lì)作用，即當(dāng)機(jī)端電壓降低到一定程度時(shí)，為了提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，以最快的速度將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓升高到頂值。

      勵(lì)磁頂值電壓是勵(lì)磁功率單元在強(qiáng)行勵(lì)磁期間可能提供的最高輸出電壓值U_fd.max。該值與額定工況下勵(lì)磁電壓U_fd.N之比為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。

 K_Q=U_fd.max / U_{fd.N..................................} （公式1）

      強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)高，可使E_q升高，使輸出功率增加，從而增大減速轉(zhuǎn)矩，使功角δ擺動(dòng)最大幅度減小，有利于暫態(tài)穩(wěn)定。強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)一般取1.6～2，它主要受到造價(jià)和結(jié)構(gòu)的制約。

② 勵(lì)磁電壓響應(yīng)比

      勵(lì)磁電壓響應(yīng)比是說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)建立過(guò)程的粗略參數(shù)，反映了勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)建立速度的快慢。

      早期直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)將勵(lì)磁電壓在最初0.5s內(nèi)上升的平均速度定義為勵(lì)磁電壓響應(yīng)比，如圖3所示。即使圖中陰影部分的面積和Δacb面積相等所確定的ac線的斜率。圖中取額定工況下的勵(lì)磁電壓值U_fd.N為強(qiáng)行勵(lì)磁初始值，于是勵(lì)磁電壓響應(yīng)比可以定義為

R_p=（U_c－U_b） / U_fd.N/0.5=2U_cb*（1/s） _{..................................}  （公式2）

      現(xiàn)在一般大容量發(fā)電機(jī)組往往采用快速勵(lì)磁系統(tǒng)，用響應(yīng)時(shí)間作為動(dòng)態(tài)性能評(píng)定指標(biāo)。勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間是指：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓為額定勵(lì)磁電壓U_fd.N，從施加階躍信號(hào)起至勵(lì)磁電壓達(dá)到0.95（U_fd.max-U_fd.N）所花費(fèi)的時(shí)間，該時(shí)間一般要小于0.1s?？焖賱?lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電壓變化曲線如圖4所示。 

      勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間小于或等于0.1s的勵(lì)磁系統(tǒng)，稱(chēng)為高起始響應(yīng)的勵(lì)磁系統(tǒng)。靜止晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)屬于高起始響應(yīng)的勵(lì)磁系統(tǒng)。另外，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)還要求應(yīng)有足夠的強(qiáng)勵(lì)持續(xù)時(shí)間，采用晶閘管勵(lì)磁時(shí)，一般為10～20s；應(yīng)有足夠的電壓調(diào)節(jié)精度與電壓調(diào)節(jié)范圍，應(yīng)能保證同步發(fā)電機(jī)端電壓靜差率小于1％；當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障或停機(jī)時(shí)，快速動(dòng)作的滅磁性能可迅速將磁場(chǎng)減小到最低，保障發(fā)電機(jī)的安全。

二、同步發(fā)電機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)

      與其它發(fā)電機(jī)一樣，同步發(fā)電機(jī)也是可逆的，既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，亦可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。設(shè)一臺(tái)隱極同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行于無(wú)窮大電網(wǎng)，處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，示意圖如圖5所示，相量圖如圖6所示。

（1）從圖6（a）可以看出，此時(shí)E?超前U，功率角θ和相應(yīng)的電磁功率Pem都是正值，θi≈θ也為正值，即轉(zhuǎn)子主極軸線沿轉(zhuǎn)向超前于氣隙合成磁場(chǎng)軸線，因而作用于轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)。柴油機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩克服起制動(dòng)作用的電磁轉(zhuǎn)矩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/span>

（2）逐步減少柴油機(jī)輸入功率，使轉(zhuǎn)子瞬時(shí)減速，θ角和電磁功率相應(yīng)減小。當(dāng)θ角減至零時(shí)，發(fā)電機(jī)變?yōu)榭蛰d，其輸入功率正好抵償空載損耗，相量圖如圖6（b）所示。

（3）繼續(xù)減少柴油機(jī)輸入功率，則θ和P_em變?yōu)樨?fù)值，表明發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收一部分電功率，與柴油機(jī)輸入功率一起與空載損耗平衡，以維持轉(zhuǎn)子的同步旋轉(zhuǎn)。如果再拆去柴油機(jī)，就變成了空轉(zhuǎn)的同步電動(dòng)機(jī)，空載損耗必須全部由電網(wǎng)輸入的電功率供給。如果在發(fā)電機(jī)軸上再加上機(jī)械負(fù)載，則負(fù)值的θ角和Pem會(huì)更大，θi亦為負(fù)值。主極磁場(chǎng)落后于氣隙合成磁場(chǎng)，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)、拖動(dòng)軸上機(jī)械負(fù)載一道旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將電網(wǎng)輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。此時(shí)發(fā)電機(jī)的相量圖如圖6（c）所示。

      從上分析可知，從發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的過(guò)程中，功率角θ和電磁功率Pem均由正值變?yōu)樨?fù)值，電磁轉(zhuǎn)矩由制動(dòng)性質(zhì)變?yōu)轵?qū)動(dòng)性質(zhì)，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程也發(fā)生了逆變。

三、同步發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)方法

      國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)"GB1029"對(duì)三相同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)方法作了具體規(guī)定，適用于普通三相同步發(fā)電機(jī)的型式實(shí)驗(yàn)或檢查實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定該電機(jī)各性能指標(biāo)。各種電機(jī)的效率和電壓調(diào)整率均在部頒標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)技術(shù)條件中有具體規(guī)定，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)比較即可確定某同步發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和性能了。若求取額定勵(lì)磁電流和電壓變化率，一般用作圖法，跟國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1029介紹，其具體步驟如下：

（1）繪制開(kāi)路特性曲線，并沿縱軸額定相電壓相量UN。

（2）自原點(diǎn)O作額定電樞電流相量IN，與縱軸成ΦN角（cosΦN為額定功率因數(shù)）。

（3）從相量UN終端作出電樞繞組電阻壓降INRa平行與相量，IN,Ra為基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的繞組電阻（對(duì)大型電機(jī)的Ra可忽略不計(jì)，對(duì)小型電機(jī)可進(jìn)可行實(shí)際測(cè)量），從INRa終端作一垂直于相量IN的保梯電抗壓降相量INXp。

（5）UN和INRa及和INRa及INXp的相量和為相量Ep,Ep和UN的夾角δ。

（4）由開(kāi)路特性確定的對(duì)應(yīng)于Ep的勵(lì)磁電流為Ifp在相量終端上與縱與縱軸成δ+ΦN角做相量Ifa。

（5）額定電樞電流時(shí)電樞反應(yīng)的勵(lì)磁電流Ifa和保梯電抗Xp的確定。

       根據(jù)開(kāi)路特性曲線，并在圖上作F點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)的縱坐標(biāo)為額定電壓，橫坐標(biāo)為零功率因數(shù)特性上對(duì)應(yīng)于于額定電樞電壓.額定電樞電流的勵(lì)磁電流通過(guò)通過(guò)F點(diǎn)作平行于橫軸的直線CF，取CF的長(zhǎng)度等于三相穩(wěn)態(tài)短特性曲線上對(duì)應(yīng)于額定樞電流的勵(lì)磁電流Ifk，自點(diǎn)C作直線平行于開(kāi)路特性的直線部分于開(kāi)路特性交于H，自CF作的垂線HK交CF于K，線段HK的長(zhǎng)度即為額定電樞電流時(shí)在保梯電流電抗Xp上的壓降△Up，則保梯電抗Xp，可按下式計(jì)算：

Xp＝△Up／IN _{..................................}  （公式3）

      若用標(biāo)么值繪制開(kāi)路特性曲線時(shí),則,即可直接得出線段的長(zhǎng)度代表勵(lì)磁電流。

（6）由開(kāi)路特性曲線求出對(duì)應(yīng)與開(kāi)路電壓。電壓變化率按下式計(jì)算：

△U=（U0-UN)/UN*100 _{..................................}  （公式4）

總結(jié)：

      通過(guò)以上試驗(yàn)，可以得出三相同步電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)論。該結(jié)論可作為三相同步電機(jī)出廠前的質(zhì)量評(píng)定依據(jù)，也可以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和故障分析?？傊珿B/T1029-2021標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法的規(guī)定十分詳細(xì)，試驗(yàn)人員在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。