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：发动机；励磁系统；他励励磁系统；自励励磁系统
随着电力工业的迅速发展，现代电力系统的规模越来越大，保证电力系统运行的稳定性和可靠性，提供优质的电能对国民经济和人民的生活水平的提高有着极为重要的作用和意义。发电机励磁系统是电力系统控制的重要组成部分，它除了维持发电机端电压的恒定和进行无功功率分配外，还必须保证电力系统的静态、暂态和动态稳定性。它的优化和发展对同步发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义。
一、励磁系统的组成
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它将直接影响发电机的运行特性。励磁系统一般由两部分构成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流；第二部分是励磁调节器，它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机的运行要求。
二、励磁系统的主要作用
1、对发电系统的电压进行合理控制
电网在工作过程中并非一直处于稳定不变的状态，实际的电路情况是不断波动的，发电机的功率也会随之发生变化，这给发电系统的稳定性带来了安全威胁，在相应的励磁系统的设计时应该考虑到电网的波动，并以电网的实际情况为依据，最大可能的将电网电压控制在合理的范围之内，防止由于电压波动幅度过大引起的电路故障，必要时需要对电路中过大的电压进行压制，将电压控制在限值以下。
2、对无功功率进行分配
如果发电系统由多台发电机组构成，且不同的发电机组之间具备互相调差参数的能力，则公共母线上就会出现一定大小的电压，整个系统运行中的无功负荷也会增大，这种无功负荷对于机组来说有着不利影响。发电机组对于无功功率的分配都是固定的，而励磁系统的存在则使得这种无功功率的分配更加合理和动态化，在一定程度上减少了能量损失。
3、提高并联系统发电机运行的稳定性
励磁系统出了能够提高电机组的静态稳定性外，还可以缓解机组的动态稳定性，当发电机与系统之间的联系较为微弱时，需要通过励磁调节器对控制信号进行调节，同时也能减少系统的震荡幅度，改善系统运行的稳定性。
三、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：
2.1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。
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2.2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。
2.2.1自并励励磁系统
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；（3）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。
2.2.2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。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。
四、总结
电力系统的稳定性对于电厂的正常运转有着重要意义，对电力系统稳定性的影响因素进行分析，能够深入了解发电系统的工作机理，提高电力系统的安全性和可靠性。励磁系统作为发电机组的配套系统，在工作过程中有合理控制电压、分配无功功率、提高电网稳定性的作用。同时，励磁系统对于电网的暂态稳定性和动态稳定性都有着较大的影响，合理利用励磁系统对电网系统进行辅助，能够有效缓解电网稳定性难题，提高电网工作效率。
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论文作者:周永强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/25
标签：励磁论文; 发电机论文; 系统论文; 绕组论文; 整流器论文; 方式论文; 稳定性论文; 《电力设备》2017年第13期论文;