1 概述
向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組供給勵(lì)磁電流的整套裝置叫做勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)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(duì)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(jì)表明發(fā)電機(jī)事故中約1/3為勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，而根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的勵(lì)磁方式是保證勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性的前提和關(guān)鍵。我國(guó)電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要有兩大類，一類是直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，另一類是半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)。
2 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)
直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是采用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵(lì)磁電流。其中直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵(lì)磁機(jī)。直流勵(lì)磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，勵(lì)磁電流通過(guò)換向器和電刷供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，形成有碳刷勵(lì)磁。直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)又可分為自勵(lì)式和它勵(lì)式。自勵(lì)與他勵(lì)的區(qū)別是對(duì)主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式而言的，他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)比自勵(lì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)多用了一臺(tái)副勵(lì)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(lì)磁機(jī)的電壓增長(zhǎng)速度，因而減小了勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一般只用在水輪發(fā)電機(jī)組上。
圖1自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(lì)磁線圈
L——直流勵(lì)磁機(jī)
LLQ——直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁線圈
Rc——可調(diào)電阻
采用直流勵(lì)磁機(jī)供電的勵(lì)磁系統(tǒng)，在過(guò)去的十幾年間，是同步發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)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(lì)磁系統(tǒng)。長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，這種勵(lì)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(lì)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(shí)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(lì)磁機(jī)時(shí)必須停主機(jī)，很不方便。近年來(lái)，隨著電力生產(chǎn)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)的容量愈來(lái)愈大，要求勵(lì)磁功率也相應(yīng)增大，而大容量的直流勵(lì)磁機(jī)無(wú)論在換向問(wèn)題或電機(jī)的結(jié)構(gòu)上都受到限制。因此，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)愈來(lái)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(lì)磁系統(tǒng)
半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)是把交流電經(jīng)過(guò)硅元件或可控硅整流后，作為供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的直流電源。半導(dǎo)體勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)
靜止式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)又分為自勵(lì)式和它勵(lì)式兩種。
3.1.1自勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)
自勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源直接由發(fā)電機(jī)端電壓獲得，經(jīng)過(guò)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(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定的勵(lì)磁系統(tǒng)，是無(wú)勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電機(jī)自勵(lì)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)自勵(lì)系統(tǒng)是直接使用發(fā)電機(jī)的端電壓作勵(lì)磁電流的電源，由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制勵(lì)磁電流的大小，稱為自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱自并勵(lì)系統(tǒng)。自并勵(lì)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(méi)有因供應(yīng)勵(lì)磁電流而采用的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或機(jī)械接觸類元件，所以又稱為全靜止式勵(lì)磁系統(tǒng)。下圖為無(wú)勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)框圖，其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)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(lì)磁電流，可控硅元件SCR由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。系統(tǒng)起勵(lì)時(shí)需要另加一個(gè)起勵(lì)電源。
圖2無(wú)勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)原理接線圖
無(wú)勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：不需要同軸勵(lì)磁機(jī)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高；縮短了機(jī)組的長(zhǎng)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(lì)磁電壓響應(yīng)速度；由發(fā)電機(jī)機(jī)端獲取勵(lì)磁能量，與同軸勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)相比，發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的過(guò)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，缺乏足夠的強(qiáng)行勵(lì)磁能力對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響不如其它勵(lì)磁方式有利。由于以上特點(diǎn)，使得無(wú)勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)中受到相當(dāng)重視。
3.1.2它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)
它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)包括一臺(tái)交流主勵(lì)磁機(jī)JL和一臺(tái)交流副勵(lì)磁機(jī)FL，三套整流裝置。兩臺(tái)交流勵(lì)磁機(jī)都和同步發(fā)電機(jī)同軸，主勵(lì)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(guò)硅整流裝置向同步發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁電流。副勵(lì)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(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，另一方面又經(jīng)過(guò)硅整流裝置供給它自己所需要的勵(lì)磁電流。自動(dòng)調(diào)勵(lì)的裝置也是根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓和電流來(lái)改變可控硅的控制角，以改變勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓。圖3它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖
它勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)容量可以做得很大，勵(lì)磁機(jī)是交流發(fā)電機(jī)沒(méi)有換向問(wèn)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(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)，啟動(dòng)時(shí)還需要另外的直流電源向副勵(lì)磁機(jī)供給勵(lì)磁電流。這種勵(lì)磁系統(tǒng)多用于10萬(wàn)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(lì)磁系統(tǒng)
在它勵(lì)和自勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(lì)磁。在靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中要經(jīng)過(guò)滑環(huán)才能向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流�；h(huán)是一種轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(gè)別滑環(huán)過(guò)熱，每個(gè)滑環(huán)必須分擔(dān)同樣大小的電流。為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)都無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)接觸的元件，就產(chǎn)生了無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖4所示。
圖4無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖
副勵(lì)磁機(jī)FL是一個(gè)永磁式中頻發(fā)電機(jī)，其永磁部分畫(huà)在旋轉(zhuǎn)部分的虛線框內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁，主勵(lì)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(guò)二極管整流后，直接送到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路作勵(lì)磁電源，因?yàn)閯?lì)磁機(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(dòng)接觸元件，這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷勵(lì)磁。主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組JLLQ是靜止的，即主勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。靜止的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組便于自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)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(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：取消了滑環(huán)和碳刷等轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)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(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(lì)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(lì)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。
