几种典型的励磁方式

同步发电机的励磁系统中，起主导作用的往往是励磁功率单元。

励磁功率单元的工作方式即励磁系统的励磁方式。

励磁方式按照励磁电源的性质可分为直流

励磁机励磁方式和交流励磁机励磁方式；

按照整流装置是否旋转可分为静止整流器

励磁方式和旋转整流器励磁方式；

按照励磁机励磁绕组的供电方式可分为

自励式励磁方式和他励式励磁方式；

按照有无励磁机可分为励磁机励磁方式和无励磁机励磁方式。

一、直流励磁机励磁系统

电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，

励磁电流由与发电机同轴的直流发电机供给，

即所谓直流励磁机励磁系统。

按照励磁机励磁绕组供电方式的不同，

励磁机可分为自励式和他励式两种。

图 3-4 (a)为自励直流励磁机系统，

同步发电机G的励磁绕组GLE由同轴的

直流励磁机(直流发电机)GE供电，

励磁机的励磁绕组除有由励磁机GE通过磁场电阻R供给的自励电流外，

还有由自动调节励磁装置AER供给的励磁调节电流IAER。

前者可通过R人工调整，后者按预定要求自动调整。

图 3-4(b)为他励直流励磁机励磁系统，

励磁机GE1的励磁电流除有可以自动调整的IAER，

还有与发电机、主励磁机GE1同轴旋转的

副励磁机GE2供给的他励电流。

后者可通过手动调整GE2的磁场电阻R来改变。

他励直流励磁机励磁系统有较快的响应速度，

一般用于水轮发电机上。

图 3-4 直流励磁机系统

(a)自励直流励磁机励磁系统; (b)他励直流励磁机励磁系统

直流励磁机有电刷、换向整流子等转动接触部件，

运行维护工作量大，另外转速为3000r/min的

直流发电机最大功率为600kW，

励磁容量有限，所以这种励磁方式只能用在中、小容量发电机中。

二、交流励磁机励磁系统

随着发电机容量的增大，所需励磁电流也相应增大，

直流励磁机励磁系统已无法满足励磁容量的要求，

所以大容量发电机的励磁功率单元就采用了

交流励磁机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。

考虑到整流器的类型以及整流器是旋转还是静止，

交流励磁机励磁系统分为以下几种。

1.静止硅整流励磁系统。

静止硅整流励磁系统是一种有刷励磁，

适用于励磁(滑环)电流小于8000~10000A的同步发电机。

(1)交流励磁机带静止二极管整流励磁系统

图 3-5示出了交流励磁机带静止二极

管整流励磁系统的三种典型方框图。

发电机的励磁电流均由与之同轴的交流

主励磁机GE1经二极管整流装置U1通过转子滑环(炭刷)供给，

图3-5 (a)、(b)中主励磁机GE1的励磁电流

由副励磁机GE2经晶闸管整流装置供给。

图 3-5(a)中副励磁机GE2采用永磁发电机;

图3-5(b)中副励磁机采用自励中频发电机，

用自励恒压调节保持其端电压稳定。

图3-5(c)中取消了副励磁机，

励磁机的励磁电源采用自励恒压方式。

图3-5交流励磁机带静止二极管整流励磁系统

(a)GE2为永磁发电机;

(b)GE2采用自励方式;

(c)GE1采用自励方式A、B一转子滑环

在此励磁系统中，自动调节励磁装置AER通过控制晶闸管的导通角，

来改变交流主励磁机的励磁电流，达到控制发电机励磁的目的。

由于调节作用必须通过交流主励磁机来实现，

而交流主励磁机有较大的时滞作用，

故这种励磁方式的励磁响应速度是较慢的。

尽管如此，在一般电力系统中仍然获得广泛的应用。

某电厂300MW机组的励磁方式采用图

3-5(a)的交流副励磁机一交流主励磁机一

发电机的三机同轴他励静止二极管整流励磁方式

(2)交流励磁机带静止晶闸管整流励磁系统。

励磁系统构成如图 3-6所示。

交流主励磁机输出电压经晶闸管整流装置后，

通过炭刷供给发电机励磁电流。

主励磁机GE1可以采用他励方式，

如图 3-6(a)、 (b)所示，

或者采用自励方式，如图3-6(c)所示。

图3-6交流励磁机带静止晶闸管整流的励磁系统(A、B一转子滑环)

由于这种励磁系统的励磁调节直接作用于发电机主磁场回路，

与图2-3相比，有较快的励磁响应速度，

但要求励磁机容量大一些。同时，

利用主磁场回路的晶闸管还可以实现对发电机的逆变灭磁。

一般用于对稳定性要求较高的电力系统中。

2.旋转硅整流励磁系统

在上述静止硅整流励磁系统中，

同步发电机的励磁电流必须通过转子滑环与炭刷引入转子励磁绕组。

目前由于炭刷材料和压力的限制，

当励磁(滑环)电流超过8000~10000A时，

此种方式也不适应，需要取消滑环与炭刷的滑动连接，

即需采用无刷励磁系统。为此，

交流磁机的交流绕组和整流设备应随同主轴旋转，

而其直流绕组则是静止的，这就构成了旋转硅整流励磁系统。

其优点是省去了炭刷维护工作，在现代大型同步发电机中，

该励磁系统逐步获得较广泛的应用。

图 3-7 (a)示出交流励磁机带旋转二极管整流励磁系统。

图中副励磁机GE2可采用永磁发电机或自励恒压。

该系统中励磁调节要通过时滞较大的交流主励磁机GE1，

其励磁响应速度与图3-5相当。

图 3-7(b)示出交流励磁机带旋转晶闸管整流励磁系统，

其特点是将晶闸管的控制触发脉冲以无触点

方式可靠且准确地传送到转子上，不仅响应速度快，

且具有无刷的优点，是一种理想的励磁系统。

图3-7旋转硅整流励磁系统，

(a)交流励磁机带旋转二极管整流励磁系统

图3-7旋转硅整流励磁系统，

(b)交流励磁机带旋转晶闸管整流励磁系统

三、静止励磁系统

静止励磁系统，其励磁功率取自发电机本身，

采用励磁变压器作为电压源，励磁变流器作为电流源。

由电压源或电流源构成的励磁系统，统称为自励静止励磁系统。

由电压源和电流源复合构成的励磁系统，

称为自复励静止励磁系统。

静止励磁系统取消了励磁机，结构简单，

运行维护方便，提高了可靠性，同时励磁调节速度高，

对电力系统稳定性有利。

(1)自励静止励磁系统(自并励静止可控硅励磁系统)。

见图 3-8所示，

同步发电机励磁电流由励磁变压器TVE经过可控整流电路后供给，

这是一种最简单的励磁系统。

但人们曾提出两点疑虑：

第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否会失磁；

第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限继电保护是否会拒绝动作。

国内外分析研究和试验表明，

这种励磁系统的缺点并非想象那么严重，

只要配置适当保护，并适当提高强励倍数，

这种励磁系统是可以采用的。

近年来，我国已在某些机组上或一些引进的

大型机组上采用了自励静止励磁系统。

图3-8自励静止励磁系统

(2)自复励静止励磁系统。

按励磁变流器TAE和励磁变压器TVE在交流侧和直流侧的不同连接，

这种励磁系统有多种形式，可以在交流侧串联或并联，

也可以在直流侧串联或并联。

图 3-9(a)所示为交流侧串联自复励励磁系统，

图 3-9(b)为直流侧并联自复励励磁系统。

这种励磁系统由于引入了励磁变流器，

具有相复励作用，减轻了调节器负担，

提高了励磁响应速度，且励磁可靠，

但设备和电路变得复杂，只适合于中、小型发电机。

图3-9自复励静止励磁系统，

(a)交流侧串联自复励励磁系统

图3-9自复励静止励磁系统，

(b)直流侧并联自复励励磁系统