1 概述
向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組供給勵磁電流的整套裝置叫做勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，它的可靠性對于發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定有很大影響。發(fā)電機(jī)事故統(tǒng)計表明發(fā)電機(jī)事故中約1/3為勵磁系統(tǒng)事故，這不但影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行而且也影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此必須要提高勵磁系統(tǒng)的可靠性，而根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的勵磁方式是保證勵磁系統(tǒng)可靠性的前提和關(guān)鍵。我國電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)主要有兩大類，一類是直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，另一類是半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)。
2 直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)
直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)是采用直流發(fā)電機(jī)作為勵磁電源，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵磁電流。其中直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵磁機(jī)。直流勵磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，勵磁電流通過換向器和電刷供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，形成有碳刷勵磁。直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)又可分為自勵式和它勵式。自勵與他勵的區(qū)別是對主勵磁機(jī)的勵磁方式而言的，他勵直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)比自勵勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)多用了一臺副勵磁機(jī)，因此所用設(shè)備增多，占用空間大，投資大，但是提高了勵磁機(jī)的電壓增長速度，因而減小了勵磁機(jī)的時間常數(shù)，他勵直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)一般只用在水輪發(fā)電機(jī)組上。
圖1自勵直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)原理接線圖
上圖中LH——電流互感器
YH——電壓互感器
F——同步發(fā)電機(jī)
FLQ——同步發(fā)電機(jī)的勵磁線圈
L——直流勵磁機(jī)
LLQ——直流勵磁機(jī)的勵磁線圈
Rc——可調(diào)電阻
采用直流勵磁機(jī)供電的勵磁系統(tǒng)，在過去的十幾年間，是同步發(fā)電機(jī)的主要勵磁系統(tǒng)。目前大多數(shù)中小型同步發(fā)電機(jī)仍采用這種勵磁系統(tǒng)。長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，這種勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：具有獨(dú)立的不受外系統(tǒng)干擾的勵磁電源，調(diào)節(jié)方便，設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用也比較少。缺點(diǎn)是：運(yùn)行時整流子與電刷之間火花嚴(yán)重，事故多，性能差，運(yùn)行維護(hù)困難，換向器和電刷的維護(hù)工作量大且檢修勵磁機(jī)時必須停主機(jī)，很不方便。近年來，隨著電力生產(chǎn)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)的容量愈來愈大，要求勵磁功率也相應(yīng)增大，而大容量的直流勵磁機(jī)無論在換向問題或電機(jī)的結(jié)構(gòu)上都受到限制。因此，直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)愈來愈不能滿足要求。目前，在100MW及以上發(fā)電機(jī)上很少采用。
3 半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)
半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)是把交流電經(jīng)過硅元件或可控硅整流后，作為供給同步發(fā)電機(jī)勵磁電流的直流電源。半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)分為靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種。
3.1靜止式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)
靜止式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)又分為自勵式和它勵式兩種。
3.1.1自勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)
自勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的勵磁電源直接由發(fā)電機(jī)端電壓獲得，經(jīng)過控制整流后，送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，作為發(fā)電機(jī)的勵磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定的勵磁系統(tǒng)，是無勵磁機(jī)的發(fā)電機(jī)自勵系統(tǒng)。最簡單的發(fā)電機(jī)自勵系統(tǒng)是直接使用發(fā)電機(jī)的端電壓作勵磁電流的電源，由自動勵磁調(diào)節(jié)器控制勵磁電流的大小，稱為自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)，簡稱自并勵系統(tǒng)。自并勵系統(tǒng)中，除去轉(zhuǎn)子本體極其滑環(huán)這些屬于發(fā)電機(jī)的部件外，沒有因供應(yīng)勵磁電流而采用的機(jī)械轉(zhuǎn)動或機(jī)械接觸類元件，所以又稱為全靜止式勵磁系統(tǒng)。下圖為無勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)框圖，其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流電源由接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的整流變壓器ZB提供，經(jīng)可控硅整流向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，可控硅元件SCR由自動勵磁調(diào)節(jié)器控制。系統(tǒng)起勵時需要另加一個起勵電源。
圖2無勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)原理接線圖
無勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：不需要同軸勵磁機(jī)，系統(tǒng)簡單，運(yùn)行可靠性高；縮短了機(jī)組的長度，減少了基建投資及有利于主機(jī)的檢修維護(hù)；由可控硅元件直接控制轉(zhuǎn)子電壓，可以獲得較快的勵磁電壓響應(yīng)速度；由發(fā)電機(jī)機(jī)端獲取勵磁能量，與同軸勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)相比，發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時，機(jī)組的過電壓也低一些。其缺點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)出口近端短路而故障切除時間較長時，缺乏足夠的強(qiáng)行勵磁能力對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響不如其它勵磁方式有利。由于以上特點(diǎn)，使得無勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)在國內(nèi)外電力系統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)組的勵磁系統(tǒng)中受到相當(dāng)重視。
3.1.2它勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)
它勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)包括一臺交流主勵磁機(jī)JL和一臺交流副勵磁機(jī)FL，三套整流裝置。兩臺交流勵磁機(jī)都和同步發(fā)電機(jī)同軸，主勵磁機(jī)為100HZ中頻三相交流發(fā)電機(jī)，它的輸出電壓經(jīng)過硅整流裝置向同步發(fā)電機(jī)供給勵磁電流。副勵磁機(jī)為500HZ中頻三相交流發(fā)電機(jī)，它的輸出一方面經(jīng)可控硅整流后作為主勵磁機(jī)的勵磁電流，另一方面又經(jīng)過硅整流裝置供給它自己所需要的勵磁電流。自動調(diào)勵的裝置也是根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓和電流來改變可控硅的控制角，以改變勵磁機(jī)的勵磁電流進(jìn)行自動調(diào)壓。圖3它勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)原理接線圖
它勵式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)容量可以做得很大，勵磁機(jī)是交流發(fā)電機(jī)沒有換向問題而且不受電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。缺點(diǎn)是：接線復(fù)雜，有旋轉(zhuǎn)的主勵磁機(jī)和副勵磁機(jī)，啟動時還需要另外的直流電源向副勵磁機(jī)供給勵磁電流。這種勵磁系統(tǒng)多用于10萬千瓦左右的大容量同步發(fā)電機(jī)。
3.2旋轉(zhuǎn)式半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)
在它勵和自勵半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵磁電流全部由可控硅（或二極管）供給，而可控硅（或二極管）是靜止的故稱為靜止勵磁。在靜止勵磁系統(tǒng)中要經(jīng)過滑環(huán)才能向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流�；h(huán)是一種轉(zhuǎn)動接觸元件。隨著發(fā)電機(jī)容量的快速增大，巨型機(jī)組的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子電流大大增加，轉(zhuǎn)子滑環(huán)中通過如此大的電流，滑環(huán)的數(shù)量就要增加很多。為了防止機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中個別滑環(huán)過熱，每個滑環(huán)必須分擔(dān)同樣大小的電流。為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個勵磁系統(tǒng)都無轉(zhuǎn)動接觸的元件，就產(chǎn)生了無刷勵磁系統(tǒng)，如圖4所示。
圖4無刷勵磁系統(tǒng)原理接線圖
副勵磁機(jī)FL是一個永磁式中頻發(fā)電機(jī)，其永磁部分畫在旋轉(zhuǎn)部分的虛線框內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)無刷勵磁，主勵磁機(jī)與一般的同步發(fā)電機(jī)的工作原理基本相同，只是電樞是旋轉(zhuǎn)的。其發(fā)出的三相交流電經(jīng)過二極管整流后，直接送到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路作勵磁電源，因?yàn)閯畲艡C(jī)的電樞與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，所以它們之間不需要任何滑環(huán)與電刷等轉(zhuǎn)動接觸元件，這就實(shí)現(xiàn)了無刷勵磁。主勵磁機(jī)的勵磁繞組JLLQ是靜止的，即主勵磁機(jī)是一個磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。靜止的勵磁機(jī)勵磁繞組便于自動勵磁調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對勵磁機(jī)輸出電流的控制，以維持發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定。無刷勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：取消了滑環(huán)和碳刷等轉(zhuǎn)動接觸部分。缺點(diǎn)是：在監(jiān)視與維修上有其不方便之處。由于與轉(zhuǎn)子回路直接連接的元件都是旋轉(zhuǎn)的，因而轉(zhuǎn)子回路的電壓電流都不能用普通的直流電壓表、直流電流表直接進(jìn)行監(jiān)視，轉(zhuǎn)子繞組的絕緣情況也不便監(jiān)視，二極管與可控硅的運(yùn)行狀況，接線是否開脫，熔絲是否熔斷等等都不便監(jiān)視，因而在運(yùn)行維護(hù)上不太方便。
4結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，也在不斷地進(jìn)步和完善，而各種勵磁系統(tǒng)有其不同的特點(diǎn)，只有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行正確的選擇，才能保證勵磁系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，從而保證發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。
