電機勵磁方式同步電機

電機勵磁方式同步電機的勵磁

勵磁系統(tǒng)除了應該能維持電機電壓以外,還有其他一系列要求,如在調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率和在電力系統(tǒng)發(fā)生突然短路、突加負載及甩負載時，能對電機強行勵磁或強行減磁，以提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，當電機內(nèi)部發(fā)生短路事故時能對電機快速滅磁，以防止事故擴大，避免電機進一步損壞等。所以同步電機的勵磁系統(tǒng)比較復雜，種類繁多，其分類列于表。

電機勵磁方式勵磁系統(tǒng)分類

同步電機勵磁系統(tǒng)的分類如下：

同步電機的勵磁系統(tǒng)

由勵磁電源、手動調(diào)節(jié)裝置、自動勵磁調(diào)節(jié)器和滅磁裝置等組成。勵磁電源也分為自勵式和他勵式兩大類。他勵式設備比較龐大，但調(diào)節(jié)性能較好，而自勵式電源比較簡單，但是當電力系統(tǒng)發(fā)生故障，電網(wǎng)電壓嚴重下降時，其勵磁電流可能反而減少，使電網(wǎng)電壓情況更為惡化。勵磁電壓影響電機運行的穩(wěn)定性，為此必須采取適當?shù)脑O備保護措施。

自勵式勵磁電源

取自同步電機內(nèi)部的輔助繞組或直接取自同步電機本身的出線端。同步電機自勵式勵磁系統(tǒng)中，自動勵磁調(diào)節(jié)器是重要部件。它的作用是當同步電機的端電壓和無功功率發(fā)生變化時，能根據(jù)電壓量測比較單元和無功補償（調(diào)差）單元送回的反饋信號，自動地控制勵磁機或其他勵磁供電電源的輸出電流，達到自動調(diào)節(jié)端電壓和無功功率的目的。此外，調(diào)節(jié)器中還有一些輔助調(diào)節(jié)裝置，例如用以限制發(fā)電機某些運行量（如轉子電流，定子電流等）的限制單元；通過引入轉速或頻率等附加信號來改善電子系統(tǒng)動態(tài)性能的穩(wěn)定單元和其他補償單元等。此外，還有滅磁裝置，它是在電機內(nèi)部發(fā)生短路時,使電機的勵磁電流迅速衰減到零,從而使電機的感應電動勢降到很低，以避免進一步損壞。

異步發(fā)電機的自勵

交流勵磁的異步發(fā)電機也可以進行自勵。其交流勵磁電流須由電容器供給,利用LC 并聯(lián)諧振的原理建立電壓。與直流發(fā)電機一樣，要實現(xiàn)自勵，電機鐵心中必須有剩磁，利用剩磁在電樞繞組中產(chǎn)生電動勢對電容負載供電，輸出容性電流。由于輸出相位超前的容性電流，相當于輸入滯后的感性電流，它具有助磁作用，使電機氣隙磁場加強，從而增大電機的感應電動勢和容性電流。最后由于磁路飽和的影響，電機的電壓穩(wěn)定在空載特性和電容特性的交點上（圖5）。它建立電壓的過程與自勵直流發(fā)電機十分相似。只是用電容特性代替了電阻特性。電容特性的斜率為。為保證異步發(fā)電機能自勵建壓，需要有足夠的電容，當電容小到臨界值Ccr 時,電容特性與無載特性重合，電機就不能穩(wěn)定發(fā)電。再減小電容，電機就不能自勵建立電壓。

一般的電機多采用電流勵磁。勵磁的方式分為他勵和自勵兩大類。

電機勵磁方式他勵

由獨立的電源為電機勵磁繞組提供所需的勵磁電流。例如用獨立的直流電源為直流發(fā)電機的勵磁繞組供電；由交流電源對異步電機的電樞繞組供電產(chǎn)生旋轉磁場等等。前者為直流勵磁，后者為交流勵磁。同步電機按電網(wǎng)的情況,可以是轉子的勵磁繞組直流勵磁,也可以定子上由電網(wǎng)提供交流勵磁，一般以直流勵磁為主。如直流勵磁不足，則從電網(wǎng)輸入滯后的無功電流對電機補充勵磁；如直流勵磁過強，則電機就向電網(wǎng)輸出滯后的無功電流,使電機內(nèi)部磁場削弱。采用直流勵磁時,勵磁回路中只有電阻引起的電壓降,所需勵磁電壓較低,勵磁電源的容量較小。采用交流勵磁時，由于勵磁線圈有很大的電感電抗，所需勵磁電壓要高得多，勵磁電源的容量也大得多。

他勵式勵磁電源，原來常用直流勵磁機。隨著電力電子技術的發(fā)展，已較多地采用交流勵磁機經(jīng)半導體整流后對勵磁繞組供電的方式勵磁。勵磁調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電流來實現(xiàn)；也可以在交流勵磁機輸出電壓基本保持不變的情況下，利用可控整流調(diào)節(jié)。后者調(diào)節(jié)比較快速，還可以方便地利用可控整流橋的逆變工作狀態(tài)達到快速滅磁和減磁，從而取消常用的滅磁開關。前一種方式，整流元件為二極管，如把它和交流勵磁機電樞繞組、同步電機勵磁繞組一起都裝在轉子上，則勵磁電流就可以直接由交流勵磁機經(jīng)整流橋輸入勵磁繞組,不再需要集電環(huán)和電刷，可構成無刷勵磁系統(tǒng),為電機的運行、維護帶來很多方便。當然整流元件、快速熔斷器等器件在運行中均處于高速旋轉狀態(tài)，要承受相當大的離心力，這在結構設計時必須加以考慮。

電機勵磁方式自勵

利用電機自身所發(fā)電功率的一部分供應本身的勵磁需要。電機采用自勵時，不需要外界單獨的勵磁電源,設備比較簡單。但如果原先電機內(nèi)部沒有磁場,它就不可能產(chǎn)生電動勢，也就不可能進行自勵。所以實現(xiàn)自勵的條件是電機內(nèi)部必須有剩磁。

自勵系統(tǒng)又可分為并勵和復勵兩種。并勵指僅由同步電機的電壓取得能量的自勵系統(tǒng)，復勵指由同步電機的電壓及電流兩者取得能量的自勵系統(tǒng)。并勵發(fā)電機進行自勵的條件和起勵過程如圖1和圖2所示。圖1是并勵直流發(fā)電機的原理接線圖。圖2為其起勵過程。其中曲線1為發(fā)電機的磁化曲線Φ=f(If)。由于在一定轉速下電機的感應電動勢與磁通成正比,所以曲線1同時也就是電機的空載特性曲線E 0=f(If)，即電機的感應電動勢與勵磁電流If 之間的關系。而曲線2為勵磁回路的電阻特性U=If·∑R,它表示勵磁電流與電機電壓之間的關系。它實際是一條斜率為ΣR的直線。其中∑R 為勵磁回路的總電阻，它包括勵磁繞組的電阻和外加的調(diào)節(jié)電阻Rr。

電機勵磁方式電機自勵過程

電機以某一速度п旋轉時,由于電機中有剩磁，會在電樞繞組中感應電動勢Er。在此電動勢作用下，在勵磁回路中會產(chǎn)生一個勵磁電流If1。如勵磁繞組接法正確，If1所產(chǎn)生的磁通勢將使電機中的磁場加強，電樞繞組中感應電動勢進一步增加到E1，使勵磁電流又將增大到If2。如此相互促進，直至電機空載特性和電阻特性的交點A。在這一點上,電機的端電壓為U0，它所產(chǎn)生的勵磁電流為If1，而在這個勵磁電流If1下，電機產(chǎn)生的電動勢正好為U0，電機就穩(wěn)定工作在這一點。如果增大勵磁回路的電阻 ∑R，電阻特性的斜率將增大，它與空載特性的交點下移，發(fā)電機的輸出電壓就下降。當電阻增大到某一臨界值∑Rcr時，電阻特性3與發(fā)電機空載特性幾乎相重合。此時電機電壓將不確定。若電機溫度和運行條件有一點變化，電壓就會大幅度變化。如進一步增大電阻，發(fā)電機就不能自勵建立電壓。在要求電壓能大范圍調(diào)節(jié)的場合，如同步發(fā)電機的勵磁機，可在磁極鋼片中開一個小槽，使磁路中出現(xiàn)狹窄區(qū)域。這些區(qū)域在比較小的磁通下就開始飽和，使電機的空載特性變得比較彎曲（圖3）,這樣勵磁回路電阻特性能在較大范圍內(nèi)和空載特性確定相交，從而獲得較廣的調(diào)壓范圍。

發(fā)電機在帶負載時，負載電流在電機內(nèi)阻上的電壓降會使端電壓下降。對于自并勵電機，端電壓的下降使勵磁電流減少而導致電機端電壓的進一步下降,如圖4曲線1所示。為了克服這個缺點,發(fā)電機常采用復勵，即除了并勵繞組以外，再加一個串勵繞組，串勵繞組和負載電路串聯(lián)。隨著負載的增加，串勵繞組的磁通勢增大，使電機的感應電動勢相應地增加，以補償負載電流在內(nèi)阻上的電壓降，從而使電機的端電壓能基本保持平穩(wěn)，如圖4曲線2所示。

用以激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁線圈（或勵磁繞組），勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流（或激磁電流）。若勵磁電流為直流，磁路中的磁通是恒定的，不隨時間而變化，這種磁路稱為直流磁路；直流電機的磁路就屬于這一類。若勵磁電流為交流，磁路中的磁通隨時間交變變化，這種磁路稱為交流磁路；交流鐵心線圈、變壓器和感應電機的磁路都屬于這一類。

現(xiàn)代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機轉子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機。這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉動接觸部件，具有工作可靠，結構簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

勵磁就是向發(fā)電機轉子提供轉子電源的裝置 根據(jù)直流電機勵磁方式的不同，可分為他勵磁，并勵磁，串勵磁，復勵磁等方式，直流電機的轉動過程中，勵磁就是控制定子的電壓使其產(chǎn)生的磁場變化，改變直流電機的轉速。