励磁系统——柴油发电机组总体构造与维修基础

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。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机的供电质量及运行的可靠与稳定性。

2.3.1 励磁系统的组成与要求

1.励磁系统的组成

同步发电机运行时，励磁绕组需要直流电源提供直流电流方能建立恒定的磁场。要维持发电机在运行过程中输出电压恒定，还必须随着负载变化及时地调节励磁电流的大小。以上是同步发电机的励磁系统应执行的基本任务。因此，励磁系统由两部分组成：励磁功率源(单元)——向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流;励磁调节器——根据发电机组的运行状态，手动或自动调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小，以满足发电机运行的要求。励磁系统组成方框图如图2-22所示。由同步发电机和励磁系统共同组成励磁控制系统，根据同步发电机的电压、电流或其它参数的变化，对励磁系统的励磁功率源施加控制作用。

图2-22 同步发电机励磁系统组成方框图

文章出自《柴油发电机组实用技术技能》

作者：杨贵恒、张海呈、张寿珍、钟进 化学工业出版社出版

老式励磁系统的励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机。励磁调节多采用机电型或电磁型调节器。随着同步发电机单机容量的增大以及大功率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元和由半导体元件构成的励磁调节器共同组成的励磁系统，即所谓半导体励磁系统，应用非常普遍。

近年来，随着计算机及其控制技术的发展，同步发电机励磁系统也逐步向集成化方向发展，国内外许多公司和单位都在积极研制以微型计算机为核心构成的励磁调节器(以下简称微机励磁调节器)，并且在柴油发电机组上成功地得到了应用。由于微机励磁调节器的硬件简单、软件丰富、性能优良、运行调试方便并能方便地实现现代控制规律和多种功能，再加之价格逐年降低，微机励磁调节器将具有广阔的发展和应用前景。

2.励磁系统的要求

同步发电机及其励磁系统与电子技术的发展是紧密联系在一起的。为了满足用户对同步发电机提出的标准和要求，励磁系统应具备如下性能：

(1)具有足够的励磁功率，在发电机空载和满载时能提供所需的励磁电流;

(2)具有良好的反应特性，励磁系统应保证同步发电机系统在静态时有高的稳态电压精确度，励磁系统的输出特性与发电机本身的调节特性应力求一致，在发电机负载变化或发生短路时，能及时调节励磁电流以维持发电机输出电压基本不变，并使保护装置可靠动作;

(3)具有一定的强励能力，因某种原因造成发电机输出电压严重下降或起动相近容量的异步电动机时，能在短时间内快速提供足够大的励磁电流，使电压迅速回升到给定值;

(4)励磁装置应运行可靠、体积小、重量轻、使用维护方便。

2.3.2 励磁系统的分类

同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供给，也可由交流励磁机、同步发电机的辅助绕组(付绕组)或发电机输出端等的交流电压经可控或不可控整流器整流后供给。按励磁功率供电方式可分为他励式和自励式两大类：由同步发电机本身以外的电源提供其励磁功率的，称他励式励磁系统;由发电机本身提供励磁功率的，称自励式励磁系统。因此，凡是由励磁机供电的，都属于他励式，凡由发电机输出端或发电机的辅组绕组供电的，都属于自励式。如图2-23所示列出了中小型同步发电机常用的励磁系统分类。下面我们对各种励磁系统的主要特点和接线图分别进行介绍。

图2-23 中小型同步发电机常用励磁系统分类

1.他励式励磁系统

(1)直流励磁机励磁系统

这是交流同步发电机采用的传统励磁系统。直流励磁机一般又有同轴式和背包式两种型式。如图2-24所示为手动调节的直流励磁系统接线图，励磁机为并励直流发电机，通过手动调节磁场变阻器，改变励磁机的输出电压，以调节同步发电机励磁绕组中的电流，从而改变同步发电机的输出电压。

图2-24 手动调节的直流励磁系统接线图

GS-同步发电机;L-同步发电机励磁绕组;G-直流发电机;rpf-手调电阻;F-直流励磁机励磁绕组

如图2-25所示为具有半导体自动调节器的直流励磁机励磁系统。自动工作时，同步发电机的励磁电流由自动调节器按同步发电机运行情况自动调节，调节信号由同步发电机的输出端取得。过去在直流励磁机的励磁回路中串入碳阻式调节器代替手调电阻，现在已被可控硅半导体自动调节器所代替。

图2-25 具有半导体自动调节器的直流励磁机励磁系统

ZLT-半导体自动调节器;KGZ-可控硅整流器;LB-励磁变压器(其它符号同前)

直流励磁机励磁系统的主要优点是：励磁电源独立，接线简单，在合理使用和细心维护下，运行比较可靠。但因直流励磁机体积大，制造成本高，容易产生故障，而且调节反应速度慢，目前已逐渐被半导体整流励磁所取代。

(2)交流励磁机励磁方式(采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源)

交流励磁机是一个小容量的同步发电机，这种励磁系统，其同步发电机的励磁功率由交流励磁机供给。交流励磁机发出的交流电经硅二极管或可控硅进行整流，供给同步发电机励磁绕组励磁电流。这类励磁系统由于交流励磁电源取自主机之外的其他独立电源，故也称为他励整流器励磁系统(包括他励硅整流励磁系统和他励可控硅整流器励磁系统)，简称他励系统。同轴的用作励磁电源的交流发电机称为交流励磁机(也称同轴辅助发电机)。

这类励磁系统，按整流器是静止还是旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：

①交流励磁机(磁场旋转式)加静止硅整流器;

②交流励磁机(磁场旋转式)加静止可控硅;

③交流励磁机(电枢旋转式)加旋转硅整流器;

④交流励磁机(电枢旋转式)加旋转可控硅。

上述③、④两种方式，硅整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主机转子励磁绕组供励磁电流，不但取消了直流励磁机系统中的换向器-电刷结构，而且取消了与同步发电机励磁绕组相连的集电环-电刷结构，故称为无刷励磁(又称无触点励磁或旋转半导体励磁)方式。交流励磁机的励磁绕组固定不动，其接线如图2-26所示。有的发电机在定子上设置一个没有励磁绕组的磁极，它是用优质的永磁材料制成，作为初始磁场起励建压。图2-26所示的接线图是目前小型机组常用的一种接线方式。

图2-26 无刷励磁系统接线图

1-交流励磁机;F-交流励磁机励磁绕组;GZ-硅整流器(其它符号同前)

无刷励磁由于取消了滑环、电刷，消除了电气上最易发生故障的滑动接触，从而大大提高了运行可靠性，并使维护工作显著减小，同时整机的体积小，总长度缩短。因此，它是励磁系统的发展方向之一。现阶段有很大部分的柴油发电机组采用无刷励磁系统。

上述①、②两种方式为交流励磁机电枢和整流器不动，交流励磁机的磁极旋转的励磁方式，在柴油发电机组上很少采用，这里不再介绍。

2.自励式励磁系统(采用变压器作为交流励磁电源)

励磁功率由同步发电机本身供给的励磁系统称自励式励磁系统(或称为自励整流励磁系统)。在他励式励磁系统中，交流励磁机是旋转机械，而在自励式励磁系统中，励磁变压器和整流器等都是静止元件，故自励式励磁系统又称为全静态励磁系统。

自励式励磁系统可分为下列几种形式。

(1)自并励系统

仅由同步发电机电压取得励磁功率的自励系统，称自并励励磁系统(或简称自并励)。如图2-27所示为自并励励磁系统的接线图。同步发电机发出的交流电，经励磁变压器变换到所需电压后(低压小容量机组有的直接从机端引入;有的由同步发电机的辅助绕组发出的交流电)，由可控硅或电力二极管整流变成直流，供给励磁绕组建立磁场。自动调节器按发电机输出电压变化情况自动调节励磁电流。

图2-27 自并励励磁系统接线图

图2-28 交流侧并联复合不可控励磁系统

LH-励磁变流器;DK-电抗器(其它符号同前)

(2)自复励励磁系统

由同步发电机的电压和电流两者取得励磁功率的自励系统，称为自复励励磁系统。按励磁电流复合位置又有直流侧复合方式和交流侧复合方式。中小容量柴油发电机组主要是交流侧并联复合不可控励磁系统，如图2-28所示。励磁变压器串接一个电抗器后与励磁变流器并联，两者的输出先复合叠加，然后经硅整流器整流后供给同步发电机励磁。这种励磁系统由于能反应发电机的电压、电流及功率因数，亦称不可控相复励系统。

如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁交流器(或串联变压器)，二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有四种：

①直流侧并联自复励方式;

②直流侧串联自复励方式;

③交流侧并联自复励方式;

④交流侧串联自复励方式。

3.谐波励磁系统

除了他励和自励两类主要的半导体励磁方式外，还有一种介乎两者之间的所谓谐波励磁系统。在主发电机定子槽中嵌有单独的附加绕组，称为谐波绕组。利用发电机气隙磁场中的谐波分量，通常是利用三次谐波分量，在附加绕组中感应谐波电势作为励磁装置的电源，经半导体整流后供给发电机励磁。如图2-29所示。谐波励磁方式有一个重要的有益的特性，即谐波绕组电势随发电机负载变动而改变。当发电机负载增加或功率因数降低时，谐波绕组电势随之增高;反之，当发电机负载减小或功率因数增高时，谐波绕组电势随之降低。因此谐波励磁系统具有自调节特性。当电力系统中发生短路时，谐波绕组电势增大，对发电机进行强励磁。这种励磁方式的特点是简单、可靠、快速。

图2-29 三次谐波励磁接线图(图中的1为三次谐波绕组)

4.各种励磁方式的性能比较

各种励磁方式的性能比较见表2-4所示。

表2-4 各种励磁方式的性能比较

2.3.3 半导体励磁调节器

在半导体励磁系统中，励磁功率单元为半导体整流装置及其交流电源，励磁调节器则采用半导体元件、固体组件及电子线路组成。早期的调节器只反应发电机电压偏差，进行电压校正，通常称其为电压调节器(简称调压器)。现在的调节器可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制信号，进行励磁调节，故称为励磁调节器。显然，励磁调节器包括了电压调节器的功能。下面对半导体励磁调节器作一简要介绍。

1.励磁控制系统

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它控制发电机的电压及无功功率。另外，调速系统控制原动机及同步发电机的转速(频率)和有功功率。励磁系统和调速系统是发电机组的主要控制系统，如图2-30(a)所示。励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统，其框图如图2-30(b)所示。

励磁调节器是励磁控制系统的主要部分，一般由它感受发电机电压的变化，然后对励磁功率单元施加控制作用。在励磁调节器没有改变给出的控制命令以前，励磁功率单元不会改变其输出的励磁电压。

图2-30 发电机组的控制系统

2.对励磁调节器的要求

(1)励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定。这在电路设计、元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施。