淺談發電機勵磁系統

摘要：勵磁系統的主要任務是根據發電機的運行狀態，向發電機的勵磁繞組提供一個可調的直流電流，以滿足發電機各種運行方式下的需要。性能良好，可靠性高的勵磁系統是保證發電機安全發電，提高電力系統穩定性所必須的。

在電氣運行工作中，同步發電機的勵磁控制系統起著重要的作用，它不僅控制發電機的端電壓，而且還控制發電機無功功率、功率因數和電流等參數。例如發電機的開機升壓、停機降壓及其日常發電機電壓的調整都通過勵磁系統完成。學習好勵磁系統對于發電機的學習有著很大的幫助。

關鍵詞：勵磁系統；自并勵勵磁系統；帶旋轉整流器勵磁系統；發電機端電壓

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 10-0022-02

汽輪發電機勵磁系統概述：根據同步發電機工作的基本原理，必須在汽輪發電機轉子繞組中通以直流電流才能建立起主磁場，當汽輪機拖動轉子旋轉時，就能在定子電樞繞組中產生感應電動勢。勵磁系統的主要任務就是根據發電機的運行狀態，向發電機電機的勵磁繞組提供一個可調的直流電流，以滿足發電機各種運行方式下的需要性能良好，可靠性高的勵磁系統是保證發電機安全發電，提高電力系統穩定性所必須的。勵磁系統的作用：（1）維持發電機機端電壓。（2）在并列運行的發電機間合理分配無功功率。（3）提高電力系統的靜態.暫態穩定性。

勵磁方式的分類：（1）直流發電機供電的勵磁方式，這種勵磁方式的發電機具有專用的直流發電機，這種專用的直流發電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發電機同軸，發電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優點，缺點是勵磁調節速度較慢，維護工作量大故在10MW以上的機組中很少采用。（2）交流勵磁電源加半導體整流器的勵磁方式，這種勵磁系統中的直流勵磁電源是通過把交流勵磁電源經半導體整流后得到的（簡稱半導體勵磁方式）。根據交流勵磁電源的不同種類，半導體勵磁系統又可分為兩大類。

1.他勵勵磁系統。這類勵磁系統采用與主發電機同軸的交流發電機作為交流勵磁電源，經二極管、晶閘管或全控功率器件進行整流后，供給發電機勵磁；這類勵磁系統由于交流勵磁電源取自主發電機之外的獨立電源，故稱為他勵系統。用作勵磁電源的同軸交流發電機稱為交流勵磁機，也可稱為交流勵磁機勵磁系統。根據半導體整流器是靜止的還是旋轉的，又可分為交流勵磁機靜止整流器勵磁系統和交流勵磁機帶旋轉整流器勵磁系統。其中后者由于半導體整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉，直接給主發電機轉子勵磁繞組供給勵磁電流，不需要經過轉子滑環及碳刷引入，也稱為無刷勵磁系統。

2.自勵勵磁系統。這類勵磁系統通常采用變壓器提供交流勵磁電源，勵磁變壓器接在發電機機端或廠用電母線上。因勵磁電源取自發電機自身或發電機所在的電力系統，故這種勵磁方式稱為自勵勵磁系統。自勵勵磁系統又可進一步細分為多種具體的實現方式，如果只用一臺勵磁變壓器并聯在機端，則稱為自并勵方式。如果除了并聯的勵磁變壓器外，還有與發電機定子電流回路串聯的勵磁變流器或串聯變壓器，則構成自復勵方式。根據勵磁變壓器和串聯變壓器結合的方式又可分為：直流側并聯自復勵方式；直流側串聯自復勵方式；交流側并聯自復勵方式；交流側串聯自復勵方式。

（1）自并勵勵磁系統，由勵磁變壓器、可控硅功率整流裝置、自動勵磁調節裝置、發電機滅磁及過電壓保護裝置、起勵設備及勵磁操作設備等部分組成。從發電機的出口母線獲得三相交流電，經過勵磁變壓器變為符合要求的電壓較低的交流電，再經過可控硅整流裝置后，通過直流刀閘到主備勵切換柜，然后到滅磁及過電壓保護柜，最后上發電機轉子，完成了發電機的勵磁過程。開機起勵時起勵電源經過起勵元件到滅磁及過電壓保護柜FLM。這種勵磁系統的特點是：1）無主、副勵磁機，勵磁電源取自發電機機端，經整流變壓器及可控硅整流器供給發電機勵磁繞組勵磁；2）無旋轉部件，結構簡單，軸系短，軸承座少；2）勵磁回路中有滑環、碳刷、滅磁裝置，響應速度快；4）可以提供較大的勵磁功率。采用自并勵勵磁系統主要缺點有：1）在發電機近端三相短路而切除時間又較長的情況下，不能及時提供足夠的強勵倍數。2）接于地區網絡的發電機，由于短路電流的衰減快，繼電保護的配合較復雜，給繼電保護來了問題。同樣是發電機近端發生三相短路時，自并勵系統的強勵能力將顯著降低，在某些情況下不能使發電機的短路電流維持在使過電流保護動作的水平，帶時限的繼電保護可能會拒絕動作。

（2）交流勵磁機帶旋轉整流器勵磁系統（無刷勵磁系統），無刷勵磁系統用交流勵磁機作為主發電機的勵磁電源，根據交流勵磁機勵磁繞組所取勵磁電源的不同，無刷勵磁系統又可分為有輔助勵磁機和無輔助勵磁機兩種形式。

（3）無刷勵磁系統，此系統中輔助勵磁機采用的是永磁發電機。輔助勵磁機發出的交流電經過可控硅整流器整流為直流電供給主勵磁機的勵磁繞組。主勵磁機是一臺旋轉電樞式三相同步發電機，即它的電樞繞組是旋轉的，勵磁繞組則是靜止的，發出的三相交流電經同軸旋轉的三相旋轉整流器整流為直流電，通入主發電機轉子繞組，供給發電機勵磁。其中兩個整流器，在外部的為可控的整流器與勵磁調節器連接，通過控制這個整流器達到控制發電機勵磁。內部的為不可控整流器與主軸同軸旋轉。無輔助勵磁機的無刷勵磁的勵磁電源則是取自主發電機的端電壓或者廠用電。這種勵磁方式又可進一步分為端電壓勵磁、基波諧波混合勵磁、諧波勵磁和相復勵勵磁等幾種方式，其中相復勵勵磁是一種較好的勵磁方式。無刷勵磁的優點：1）結構緊湊。2）沒有滑環和碳刷，不需要進行這方面的維護工作，不會因此發生故障，運行的可靠性提高了。3）因為沒有碳粉和銅末引起電機繞組污染，故絕緣的壽命較長，4）由于無滑環、碳刷，即使周圍環境有易燃易爆氣體存在，也不會因整流子、滑環和碳刷間產生火花而造成事故。

有刷勵磁和無刷勵磁的區別：

通過上面的介紹可以看出，取消了滑環和碳刷是無刷勵磁與有刷勵磁系統最大的區別。滑環和碳刷的作用就是將發電機勵磁電流送到轉子磁極上勵磁繞組中的橋梁。發電機能夠正常發電的兩個必要條件：磁場、切割磁力線的運動。大容量發電機均采用旋轉磁場，電樞繞組（線圈）安裝在定子上，為了將磁場的勵磁電流從發電機外部送到發電機轉子上，通常采用滑環和碳刷進行電氣連接。由于碳刷屬于損耗性元件，平均3-4個月需要更換，那么在更換時就會有一定的安全隱患。在淮安熱電分廠實習期間，通過工作中的觀察，發現了更換時所存在的幾點風險。1）碳刷屬于帶電元件，更換時工作人員有被電擊的危險。2）工作人員在更換時需要接近旋轉中的主軸，工作人員的衣物有被大軸掛住的危險。3）運行中的碳刷會有火花冒出，會有點燃易燃物的危險。4）在更換時如果操作不當，致使滑環損壞，那么發電機需要停機進行。因此滑環和碳刷的取消降低了運行維護的工作量，回避了由于更換所帶來的風險。但是無刷勵磁系統取消了滑環和碳刷后也帶來了一些問題。由于不可控整流裝置同軸旋轉，對整流器的可靠性要求很高，并且不能直接控制主勵磁電流，因此在調壓和滅磁的速度上對技術提出了更高的要求。但是隨著科技的發展，今后無刷勵磁的一個發展方向是采用光控晶閘管，通過光脈沖觸發調節光控晶閘管的導通角，就可調節主勵磁電流的大小。由于是直接控制主勵磁電流，消除了勵磁機這一很大的慣性環節，勵磁系統的動態性能有很明顯的提高。

無刷勵磁系統的整流裝置、主勵磁機的電樞繞組和發電機的轉子繞組，在同一軸上旋轉，也就是上圖中的旋轉元件，而在旋轉體上的設備就存在著一定風險。因為旋轉著的設備會受到較大的旋轉力，并且轉動的主軸上會產生振動，這都提高了設備損壞的可能性。無刷勵磁的旋轉元件當發生故障需要維修時，其維修時間較長，會影響到廠里的生產效益。那么我們要如何降低這種風險呢？我對這個問題進行自己的一個分析；由于設備是成套生產的，在出廠環節有廠家保證。在設備安裝環節能最大程度降低旋轉元件的損壞風險，對旋轉元件在安裝時的牢固程度和抗震能力必須要嚴格監督，要完全符合技術規范。在發電機運行時，由于設備旋轉，無法對設備進行維護，我們運行人員可以保證發電機有一個良好的運行環境，在日常工作對發電機的溫度要進行時刻的檢測，保證發電機溫度在規定范圍。

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