发电机励磁系统作用与原理？

 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。

      励磁系统是同步发电机的稳定运行的重要组成部分,其主要任务是通过调节励磁绕组的电流来调节发电机转子电流电压来控制发电机机端电压,满足发电机正常发电的需要,同时控制发电机组间无功功率的合理分配,提高同步发电机并列运行的稳定性,可靠性。

       同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。如下图所示

同步发电机的励磁系统重要组成

1.维持发电机机端电压在给定水平；

2.控制无功功率的分配；

3.提高同步发电机并联运行的稳定性；

4.提高电力系统继电保护装置动作准确性；

5.快速灭磁。

在发电机正常运行情况下,励磁调节装置应维持发电机端电压或主变压器高压侧电压在给定水平。当发电机负荷变化时,要保证发电机的端电压为给定值则必须调节励磁。由发电机的简化相量图如下图所示：

发电机简化相量图

从发电机简化相量图可知：

Eq=Uf+jLXd

其中，Eq-发电机空载电势；

           Uf-发电机机端电压；

            If-发电机定子电流；

            Xd-发电机同步电抗。

        由上式可知,在发电机空载电势Eq恒定的情况下,发电机机端电压Uf会随发电机定子电流 If增加而降低,随发电机定子电流 If降低而增加。要保证发电机的机端电压Uf恒定,必须随发电机负荷电流的增加或减小而增加或减小发电机的空载电势Eq。而Eq是发电机励磁电流IL的函数,若不考虑饱和,则空载电势Eq和励磁电流IL成正比。故在发电机运行中,随着发电机负荷电流变化,发电机的端电压也将随之变化,要使发电机的机端电压维持在给定水平,需要通过励磁装置的调节作用,自动增加或减少励磁电流。

       当发电机并列于电力系统运行时,它输出的有功取决于原动机输入的机械功率,而输出的无功则与发电机的励磁电流有关,实际运行中,发电机并列运行的母线不会是无穷大母线,这时改变发电机励磁会使发电机机端电压和无功功率都发生变化,但端电压变化较小,而无功功率会有较大的变化。控制并列运行的发电机之间的合理无功分配是励磁调节装置的一个重要功能。并列运行的发电机机组之间是如何合理分配无功功率的呢这与发电机机端电压的调差率有关。发电机机端电压的调差率是这样来定义的励磁装置调差功能投入,发电机给定电压不变,发电机功率因数为零的条件下,当发电机的无功负荷从零增加至额定时,用发电机额定电压百分数表示的机端电压变化率K,即公式二：

K(%)=(UF0-UFR)/UFE

式中，K-发电机调差率；

          UFO-发电机空载机端电压；

          UFE-发电机额定电压；

          UER-发电机无功电流为定子额定电流时的机端电压。

发电机机端电压的调差率反映了在励磁调节装置作用下发电机机端电压UFR随无功输出的变化率。发电机端电压UF可能随发电机输出无功电流IR的加大而降低,即UF UFO,则称发电机有负的电压调差;若发电机端电压UF不随发电机输出无功电流IR的变化而变化,即UF=UFO称发电机没有电压调差,为无差调节。如下图所示有三种调差特性。

发电机调差特性图

       当多台发电机机端直接并联在一起工作时,为了使并联机组间有稳定的无功分配,这些发电机都必须有正的电压调差,且要求调差率K=3%~5%。若发电机是单元接线,即它是通过升压变压器在高压母线上并联,则要求发电机有负的调差,负调差的作用是部分补偿无功电流在升压变压器上形成的压降,从而使电厂高压母线更加稳定。

       电力系统的稳定性问题分为三类,即静态稳定、暂态稳定及动态稳定问题。所谓静态稳定是指电力系统受到小干扰作用是的稳定性,即受到小干扰作用后恢复原平衡状态的能力而暂态稳定是指电力系统受到大干扰主要是短路作用是的稳定性,即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状态下稳定工作而动态稳定是指电力系统受到干扰后包括小干扰和大干扰,在考虑了各种自动控制装置作用的情况下,长过程的稳定性问题。

   运行的基本要求是并入系统的所有发电机要保持同步运行。系统运行中,随时会遭受到各种扰动,要求自动励磁系统对电力系统的三类稳定运行的改善都有显著的作用。

一、静态稳定性

       若发电机的空载电动势Eq恒定,则发电机的有功功率Pf将随功率角δ变化,通常将如△P/△t作为电力系统静态稳定的判据,当如△P/△t时,系统是稳定的,反之是不稳定的。对于无自动励磁调节的发电机来说,在△δ<90°占的情况下,系统是不稳定的。即稳定极限角为90°。

   若发电机在运行中可自动调节励磁,则此时Eq为变化的值,当由于的增加引发的发电机定子电流增加使发电机机端电压减小时,励磁调节装置将调节励磁电流使Eq增加,使发电机电压稳定在一定水平,从而实现了静态调节的功能。

二、暂态稳定性

       当发电机受到大的扰动时,能否继续保持同步运行,是暂态稳定研究的问题。而提高励磁系统的强行励磁能力提高电压强励倍数及电压上升速度通常被认为是提高电力系统暂态稳定的最经济及最有效的手段之一。与励磁系统的强行励磁关，主要以励磁顶值电压倍数、励磁系统电压响应时间、励磁电压响应比为考量。

三、动态稳定性

       态稳定是研究电力系统受到扰动后,恢复到原始平衡点或过渡到新的平衡点过程的稳定性。可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。当阻尼为正时,动态是稳定的当阻尼为负时,动态是不稳定的阻尼为零时,是临界状态。对于零阻尼或很小的正阻尼,都是电力系统运行的不安全因素,应采取措施提高阻尼。

        励磁控制系统中的自动电压调节作用,是造成电力系统机电振荡的阻尼变弱甚至变负的最重要的原因之一,在正常应用的范围内,励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强,而提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是矛盾的。目前采用PPS（电力胸膛稳定器）来提高电力系统的动态稳定性。

       当电力系统发生短路时,发电机的短路电流衰减较快,可能使发电机后备保护无法动作,此时由于励磁自动调节系统对发电机进行强励作用,使发电机的短路电流甚至略有上升,这样,使电力系统的短路电流大大加大,从而使继电保护装置动作的灵敏度得到提高。

       当发电机或者升压变压器采用单元式接线内部故障时,为了降低故障所造成的损害,要求发电机能够快速灭磁,这样防止转子过压,保证发电机在事故情况下的安全。

       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，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。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。

       现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。

        交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。

       这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

       在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。

       自复励磁方式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

       在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流的目的。常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻，改变励磁机的附加励磁电流，改变可控硅的导通角等。

       这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发电机的励磁电流便跟着改变。这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成，具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。

       在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。

       同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。

       稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元。励磁系统稳定单元用于改善励磁系统的稳定性。限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。

        自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用 DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。　　

        励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。

        近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适应最佳调节。