供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)性能的好壞和運行的可靠性，直接影響同步發(fā)電機的供電質(zhì)量及運行的可靠與穩(wěn)定性。

2.3.1 勵磁系統(tǒng)的組成與要求

1.勵磁系統(tǒng)的組成

同步發(fā)電機運行時，勵磁繞組需要直流電源提供直流電流方能建立恒定的磁場。要維持發(fā)電機在運行過程中輸出電壓恒定，還必須隨著負(fù)載變化及時地調(diào)節(jié)勵磁電流的大小。以上是同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行的基本任務(wù)。因此，勵磁系統(tǒng)由兩部分組成：勵磁功率源(單元)——向同步發(fā)電機的勵磁繞組提供直流勵磁電流;勵磁調(diào)節(jié)器——根據(jù)發(fā)電機組的運行狀態(tài)，手動或自動調(diào)節(jié)勵磁功率單元輸出的勵磁電流的大小，以滿足發(fā)電機運行的要求。勵磁系統(tǒng)組成方框圖如圖2-22所示。由同步發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)共同組成勵磁控制系統(tǒng)，根據(jù)同步發(fā)電機的電壓、電流或其它參數(shù)的變化，對勵磁系統(tǒng)的勵磁功率源施加控制作用。

圖2-22 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)組成方框圖

文章出自《柴油發(fā)電機組實用技術(shù)技能》

作者：楊貴恒、張海呈、張壽珍、鐘進 化學(xué)工業(yè)出版社出版

老式勵磁系統(tǒng)的勵磁功率單元是直流發(fā)電機，稱為直流勵磁機。勵磁調(diào)節(jié)多采用機電型或電磁型調(diào)節(jié)器。隨著同步發(fā)電機單機容量的增大以及大功率半導(dǎo)體元件的廣泛應(yīng)用，以半導(dǎo)體整流器為勵磁功率單元和由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的勵磁調(diào)節(jié)器共同組成的勵磁系統(tǒng)，即所謂半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)，應(yīng)用非常普遍。

近年來，隨著計算機及其控制技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)也逐步向集成化方向發(fā)展，國內(nèi)外許多公司和單位都在積極研制以微型計算機為核心構(gòu)成的勵磁調(diào)節(jié)器(以下簡稱微機勵磁調(diào)節(jié)器)，并且在柴油發(fā)電機組上成功地得到了應(yīng)用。由于微機勵磁調(diào)節(jié)器的硬件簡單、軟件豐富、性能優(yōu)良、運行調(diào)試方便并能方便地實現(xiàn)現(xiàn)代控制規(guī)律和多種功能，再加之價格逐年降低，微機勵磁調(diào)節(jié)器將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

2.勵磁系統(tǒng)的要求

同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)與電子技術(shù)的發(fā)展是緊密聯(lián)系在一起的。為了滿足用戶對同步發(fā)電機提出的標(biāo)準(zhǔn)和要求，勵磁系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：

(1)具有足夠的勵磁功率，在發(fā)電機空載和滿載時能提供所需的勵磁電流;

(2)具有良好的反應(yīng)特性，勵磁系統(tǒng)應(yīng)保證同步發(fā)電機系統(tǒng)在靜態(tài)時有高的穩(wěn)態(tài)電壓精確度，勵磁系統(tǒng)的輸出特性與發(fā)電機本身的調(diào)節(jié)特性應(yīng)力求一致，在發(fā)電機負(fù)載變化或發(fā)生短路時，能及時調(diào)節(jié)勵磁電流以維持發(fā)電機輸出電壓基本不變，并使保護裝置可靠動作;

(3)具有一定的強勵能力，因某種原因造成發(fā)電機輸出電壓嚴(yán)重下降或起動相近容量的異步電動機時，能在短時間內(nèi)快速提供足夠大的勵磁電流，使電壓迅速回升到給定值;

(4)勵磁裝置應(yīng)運行可靠、體積小、重量輕、使用維護方便。

2.3.2 勵磁系統(tǒng)的分類

同步發(fā)電機的勵磁電流可由直流勵磁機直接供給，也可由交流勵磁機、同步發(fā)電機的輔助繞組(付繞組)或發(fā)電機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。按勵磁功率供電方式可分為他勵式和自勵式兩大類：由同步發(fā)電機本身以外的電源提供其勵磁功率的，稱他勵式勵磁系統(tǒng);由發(fā)電機本身提供勵磁功率的，稱自勵式勵磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵磁機供電的，都屬于他勵式，凡由發(fā)電機輸出端或發(fā)電機的輔組繞組供電的，都屬于自勵式。如圖2-23所示列出了中小型同步發(fā)電機常用的勵磁系統(tǒng)分類。下面我們對各種勵磁系統(tǒng)的主要特點和接線圖分別進行介紹。

圖2-23 中小型同步發(fā)電機常用勵磁系統(tǒng)分類

1.他勵式勵磁系統(tǒng)

(1)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)

這是交流同步發(fā)電機采用的傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)。直流勵磁機一般又有同軸式和背包式兩種型式。如圖2-24所示為手動調(diào)節(jié)的直流勵磁系統(tǒng)接線圖，勵磁機為并勵直流發(fā)電機，通過手動調(diào)節(jié)磁場變阻器，改變勵磁機的輸出電壓，以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機勵磁繞組中的電流，從而改變同步發(fā)電機的輸出電壓。

圖2-24 手動調(diào)節(jié)的直流勵磁系統(tǒng)接線圖

GS-同步發(fā)電機;L-同步發(fā)電機勵磁繞組;G-直流發(fā)電機;rpf-手調(diào)電阻;F-直流勵磁機勵磁繞組

如圖2-25所示為具有半導(dǎo)體自動調(diào)節(jié)器的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。自動工作時，同步發(fā)電機的勵磁電流由自動調(diào)節(jié)器按同步發(fā)電機運行情況自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號由同步發(fā)電機的輸出端取得。過去在直流勵磁機的勵磁回路中串入碳阻式調(diào)節(jié)器代替手調(diào)電阻，現(xiàn)在已被可控硅半導(dǎo)體自動調(diào)節(jié)器所代替。

圖2-25 具有半導(dǎo)體自動調(diào)節(jié)器的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)

ZLT-半導(dǎo)體自動調(diào)節(jié)器;KGZ-可控硅整流器;LB-勵磁變壓器(其它符號同前)

直流勵磁機勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：勵磁電源獨立，接線簡單，在合理使用和細心維護下，運行比較可靠。但因直流勵磁機體積大，制造成本高，容易產(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)體整流勵磁所取代。

(2)交流勵磁機勵磁方式(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。交流勵磁機發(fā)出的交流電經(jīng)硅二極管或可控硅進行整流，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)和他勵可控硅整流器勵磁系統(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)加靜止可控硅;

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)可控硅。

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-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)-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(dǎo)體勵磁)方式。交流勵磁機的勵磁繞組固定不動，其接線如圖2-26所示。有的發(fā)電機在定子上設(shè)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。圖2-26所示的接線圖是目前小型機組常用的一種接線方式。

圖2-26 無刷勵磁系統(tǒng)接線圖

1-交流勵磁機;F-交流勵磁機勵磁繞組;GZ-硅整流器(其它符號同前)

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)階段有很大部分的柴油發(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，在柴油發(fā)電機組上很少采用，這里不再介紹。

2.自勵式勵磁系統(tǒng)(采用變壓器作為交流勵磁電源)

勵磁功率由同步發(fā)電機本身供給的勵磁系統(tǒng)稱自勵式勵磁系統(tǒng)(或稱為自勵整流勵磁系統(tǒng))。在他勵式勵磁系統(tǒng)中，交流勵磁機是旋轉(zhuǎn)機械，而在自勵式勵磁系統(tǒng)中，勵磁變壓器和整流器等都是靜止元件，故自勵式勵磁系統(tǒng)又稱為全靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。

自勵式勵磁系統(tǒng)可分為下列幾種形式。

(1)自并勵系統(tǒng)

僅由同步發(fā)電機電壓取得勵磁功率的自勵系統(tǒng)，稱自并勵勵磁系統(tǒng)(或簡稱自并勵)。如圖2-27所示為自并勵勵磁系統(tǒng)的接線圖。同步發(fā)電機發(fā)出的交流電，經(jīng)勵磁變壓器變換到所需電壓后(低壓小容量機組有的直接從機端引入;有的由同步發(fā)電機的輔助繞組發(fā)出的交流電)，由可控硅或電力二極管整流變成直流，供給勵磁繞組建立磁場。自動調(diào)節(jié)器按發(fā)電機輸出電壓變化情況自動調(diào)節(jié)勵磁電流。

圖2-27 自并勵勵磁系統(tǒng)接線圖

圖2-28 交流側(cè)并聯(lián)復(fù)合不可控勵磁系統(tǒng)

LH-勵磁變流器;DK-電抗器(其它符號同前)

(2)自復(fù)勵勵磁系統(tǒng)

由同步發(fā)電機的電壓和電流兩者取得勵磁功率的自勵系統(tǒng)，稱為自復(fù)勵勵磁系統(tǒng)。按勵磁電流復(fù)合位置又有直流側(cè)復(fù)合方式和交流側(cè)復(fù)合方式。中小容量柴油發(fā)電機組主要是交流側(cè)并聯(lián)復(fù)合不可控勵磁系統(tǒng)，如圖2-28所示。勵磁變壓器串接一個電抗器后與勵磁變流器并聯(lián)，兩者的輸出先復(fù)合疊加，然后經(jīng)硅整流器整流后供給同步發(fā)電機勵磁。這種勵磁系統(tǒng)由于能反應(yīng)發(fā)電機的電壓、電流及功率因數(shù)，亦稱不可控相復(fù)勵系統(tǒng)。

如果除了并聯(lián)的勵磁變壓器外還有與發(fā)電機定子電流回路串聯(lián)的勵磁交流器(或串聯(lián)變壓器)，二者結(jié)合起來，則構(gòu)成所謂自復(fù)勵方式。結(jié)合的方案有四種：

①直流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵方式;

②直流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵方式;

③交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵方式;

④交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵方式。

3.諧波勵磁系統(tǒng)

除了他勵和自勵兩類主要的半導(dǎo)體勵磁方式外，還有一種介乎兩者之間的所謂諧波勵磁系統(tǒng)。在主發(fā)電機定子槽中嵌有單獨的附加繞組，稱為諧波繞組。利用發(fā)電機氣隙磁場中的諧波分量，通常是利用三次諧波分量，在附加繞組中感應(yīng)諧波電勢作為勵磁裝置的電源，經(jīng)半導(dǎo)體整流后供給發(fā)電機勵磁。如圖2-29所示。諧波勵磁方式有一個重要的有益的特性，即諧波繞組電勢隨發(fā)電機負(fù)載變動而改變。當(dāng)發(fā)電機負(fù)載增加或功率因數(shù)降低時，諧波繞組電勢隨之增高;反之，當(dāng)發(fā)電機負(fù)載減小或功率因數(shù)增高時，諧波繞組電勢隨之降低。因此諧波勵磁系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)特性。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路時，諧波繞組電勢增大，對發(fā)電機進行強勵磁。這種勵磁方式的特點是簡單、可靠、快速。

圖2-29 三次諧波勵磁接線圖(圖中的1為三次諧波繞組)

4.各種勵磁方式的性能比較

各種勵磁方式的性能比較見表2-4所示。

表2-4 各種勵磁方式的性能比較

2.3.3 半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器

在半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中，勵磁功率單元為半導(dǎo)體整流裝置及其交流電源，勵磁調(diào)節(jié)器則采用半導(dǎo)體元件、固體組件及電子線路組成。早期的調(diào)節(jié)器只反應(yīng)發(fā)電機電壓偏差，進行電壓校正，通常稱其為電壓調(diào)節(jié)器(簡稱調(diào)壓器)。現(xiàn)在的調(diào)節(jié)器可綜合反應(yīng)包括電壓偏差信號在內(nèi)的多種控制信號，進行勵磁調(diào)節(jié)，故稱為勵磁調(diào)節(jié)器。顯然，勵磁調(diào)節(jié)器包括了電壓調(diào)節(jié)器的功能。下面對半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器作一簡要介紹。

1.勵磁控制系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，它控制發(fā)電機的電壓及無功功率。另外，調(diào)速系統(tǒng)控制原動機及同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(頻率)和有功功率。勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)是發(fā)電機組的主要控制系統(tǒng)，如圖2-30(a)所示。勵磁控制系統(tǒng)是由同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)共同組成的反饋控制系統(tǒng)，其框圖如圖2-30(b)所示。

勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁控制系統(tǒng)的主要部分，一般由它感受發(fā)電機電壓的變化，然后對勵磁功率單元施加控制作用。在勵磁調(diào)節(jié)器沒有改變給出的控制命令以前，勵磁功率單元不會改變其輸出的勵磁電壓。

圖2-30 發(fā)電機組的控制系統(tǒng)

2.對勵磁調(diào)節(jié)器的要求

(1)勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)具有高度的可靠性，并且運行穩(wěn)定。這在電路設(shè)計、元件選擇和裝配工藝等方面應(yīng)采取相應(yīng)的措施。