勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)勵磁

一般我們把根據(jù)電磁感應(yīng)原理使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場的過程稱為勵磁。此外，為發(fā)電機(jī)等“利用電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備”提供工作磁場也叫勵磁 。有時(shí)，向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)子電源的裝置也叫勵磁。

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，中國電力系統(tǒng)行業(yè)已進(jìn)入大網(wǎng)絡(luò)、高電壓、大機(jī)組的階段。大容量機(jī)組運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性對于整體電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全至關(guān)重要。然而，影響發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性最大的是電機(jī)勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)對于電網(wǎng)安全起到了非常重要的作用，它不僅是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的保證，也是整個(gè)電網(wǎng)中無功以及電壓調(diào)節(jié)的杠桿。

勵磁系統(tǒng)主要作用

1、維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定值，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱來恒定機(jī)端電壓。

2、合理分配并列運(yùn)行機(jī)組之間的無功分配。

2、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及動態(tài)穩(wěn)定性。

勵磁系統(tǒng)組成

同步發(fā)電機(jī)（synchronization dynamo）的勵磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。　其中勵磁功率單元是指向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機(jī)本身一起組成的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。

勵磁系統(tǒng)直流分類

直流電機(jī)的勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵、復(fù)勵四類。

勵磁系統(tǒng)整流分類

1.旋轉(zhuǎn)式勵磁

旋轉(zhuǎn)式勵磁又包括直流交流和無刷勵磁。

2.靜止式勵磁

靜止式勵磁包括電勢源靜止勵磁機(jī)和復(fù)合電源靜止勵磁機(jī)。

按發(fā)電機(jī)勵磁的交流電源供給方式

1.交流勵磁(他勵)系統(tǒng)

由與發(fā)電機(jī)同軸的交流勵磁機(jī)供電。系統(tǒng)又可分為四種方式:

1）交流勵磁機(jī)(磁場旋轉(zhuǎn))加靜止硅整流器(有刷).

2）交流勵磁機(jī)(磁場旋轉(zhuǎn))加靜止可控硅整流器(有刷).

3）交流勵磁機(jī)(電樞旋轉(zhuǎn))加硅整流器(無刷).

4）交流勵磁機(jī)(電樞旋轉(zhuǎn))加可控硅整流器(無刷).。

2.全靜態(tài)勵磁(自勵)系統(tǒng)

采用變壓器供電，當(dāng)勵磁變壓器接在發(fā)電機(jī)的機(jī)端或接在單元式發(fā)電機(jī)組的廠用電母線上,稱為自勵勵磁方式,把機(jī)端勵磁變壓器與發(fā)電機(jī)定子串聯(lián)的勵磁變流器結(jié)合起來向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子供電的稱為自復(fù)勵勵磁方式。這種結(jié)合方法也有四種:

1）直流側(cè)并聯(lián)

2）直流側(cè)串聯(lián)

3）交流側(cè)并聯(lián)

4）交流側(cè)串聯(lián)

勵磁系統(tǒng)作用

1.根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值；

2.控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無功功率分配；

3.提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性；

4.提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性；

5.在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度；

6.根據(jù)運(yùn)行要求對發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

勵磁系統(tǒng)直流發(fā)電機(jī)

這種勵磁方式的發(fā)電機(jī)具有專用的直流發(fā)電機(jī)，這種專用的直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵磁機(jī)，勵磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機(jī)獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨(dú)立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點(diǎn)，是過去幾十年間發(fā)電機(jī)主要勵磁方式，具有較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。缺點(diǎn)是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)工作量大，故在10MW以上的機(jī)組中很少采用。

勵磁系統(tǒng)交流勵磁機(jī)

現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)有的采用交流勵磁機(jī)提供勵磁電流。交流勵磁機(jī)也裝在發(fā)電機(jī)大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁，此時(shí)，發(fā)電機(jī)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(jī)提供勵磁電流。交流副勵磁機(jī)可以是永磁機(jī)或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機(jī)。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機(jī)通常采用100-200HZ的中頻發(fā)電機(jī)，而交流副勵磁機(jī)則采用400-500HZ的中頻發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個(gè)齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

勵磁系統(tǒng)無勵磁機(jī)

在勵磁方式中不設(shè)置專門的勵磁機(jī)，而從發(fā)電機(jī)本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機(jī)本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復(fù)勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機(jī)出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)勵磁，這種勵磁方式具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備少，投資省和維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。自復(fù)勵磁方式除設(shè)有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機(jī)定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時(shí)，給發(fā)電機(jī)提供較大的勵磁電流，以彌補(bǔ)整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。

勵磁系統(tǒng)方法

在改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流中，一般不直接在其轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行，因?yàn)樵摶芈分须娏骱艽?，不便于進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，通常采用的方法是改變勵磁機(jī)的勵磁電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。

常用方法有：改變勵磁機(jī)勵磁回路的電阻，改變勵磁機(jī)的附加勵磁電流，改變可控硅的導(dǎo)通角等。

這里主要講改變可控硅導(dǎo)通角的方法，它是根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應(yīng)地改變可控硅整流器的導(dǎo)通角，于是發(fā)電機(jī)的勵磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管，可控硅電子元件構(gòu)成，具有靈敏、快速、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機(jī)的過電壓和實(shí)現(xiàn)快速滅磁。

勵磁系統(tǒng)組成單元

自動調(diào)節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。

1.測量單元

被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的目的。

2.同步單元

同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。

3.調(diào)差單元

調(diào)差單元的作用是為了使并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定和合理地分配無功負(fù)荷。

4.穩(wěn)定單元

穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進(jìn)的單元 。勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元 用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.限制單元

限制單元是為了使發(fā)電機(jī)不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運(yùn)行而設(shè)置的。

必須指出并不是每一種自動調(diào)節(jié)勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調(diào)節(jié)器裝置所具有的單元與其擔(dān)負(fù)的具體任務(wù)有關(guān)。

勵磁系統(tǒng)組成部件

自動調(diào)節(jié)勵磁的組成部件有機(jī)端電壓互感器、機(jī)端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點(diǎn)，自動開機(jī).自動停機(jī).并網(wǎng)（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓100V，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點(diǎn)信號；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。

勵磁控制、保護(hù)及信號回路由滅磁開關(guān)，助磁電路、風(fēng)機(jī)、滅磁開關(guān)偷跳、勵磁變過流、調(diào)節(jié)器故障、發(fā)電機(jī)工況異常、電量變送器等組成。在同步發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)除了必須解列外，還必須滅磁，把轉(zhuǎn)子磁場盡快地減弱到最小程度，保證轉(zhuǎn)子不過的情況下，使滅磁時(shí)間盡可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據(jù)額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。

數(shù)字自動調(diào)節(jié)勵磁裝置

近十多年來，由于新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，使得發(fā)電機(jī)的勵磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動調(diào)節(jié)勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調(diào)節(jié)裝置。由于采用微機(jī)計(jì)算機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置有顯著優(yōu)點(diǎn)，很多國家都在研制和試驗(yàn)用微型機(jī)計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的外部設(shè)備構(gòu)成的數(shù)字自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，這種調(diào)節(jié)裝置將能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

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勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)

自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個(gè)以電壓為被調(diào)量的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。無功負(fù)荷電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓下降的主要原因，當(dāng)勵磁電流不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變，實(shí)現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。

勵磁系統(tǒng)無功功率

發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為是與無限大容量電源的母線運(yùn)行，要改變發(fā)電機(jī)勵磁電流，感應(yīng)電勢和定子電流也跟著變化，此時(shí)發(fā)電機(jī)的無功電流也跟著變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了改變發(fā)電機(jī)的無功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。此時(shí)改變的發(fā)電機(jī)勵磁電流并不是通常所說的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。

勵磁系統(tǒng)無功負(fù)荷

并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)根據(jù)各自的額定容量，按比例進(jìn)行無功電流的分配。大容量發(fā)電機(jī)應(yīng)負(fù)擔(dān)較多無功負(fù)荷，而容量較小的則負(fù)提供較少的無功負(fù)荷。為了實(shí)現(xiàn)無功負(fù)荷能自動分配，可以通過自動高壓調(diào)節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機(jī)勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)無功負(fù)荷的合理分配。

采用直流勵磁機(jī)供電的勵磁系統(tǒng)，在過去的十幾年間，是同步發(fā)電機(jī)的主要勵磁系統(tǒng)。長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，這種勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：具有獨(dú)立的不受外系統(tǒng)干擾的勵磁電源，調(diào)節(jié)方便。

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)系統(tǒng)組成

勵磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統(tǒng)的自動勵磁調(diào)節(jié)器對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術(shù)不斷發(fā)展。同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。如圖發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)所示：

其中勵磁功率單元是指向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機(jī)本身一起組成的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)主要作用

勵磁系統(tǒng)的主要作用有：1）根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值；2）控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無功功率分配；3）提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性；4）提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性；5）在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度；6）根據(jù)運(yùn)行要求對發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

勵磁系統(tǒng)故障時(shí)有發(fā)生，主要存在如下問題：

（1）由于原勵磁裝置運(yùn)行時(shí)間久、機(jī)件老化、缺陷漸多，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

（2）調(diào)節(jié)器元器件老化、板件損壞時(shí)有發(fā)生，備品供應(yīng)困難。

（3）改變工況運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)性能差，特別是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，強(qiáng)勵經(jīng)常不能滿足電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

（4）換向器和電刷的維護(hù)工作量大，運(yùn)行中更換碳刷時(shí)需要帶電作業(yè)，且檢修勵磁機(jī)時(shí)必須停主機(jī)，很不方便；另外粉塵、噪音等對作業(yè)人員有一定的危害。

（5） 運(yùn)行時(shí)整流子與電刷之間火花嚴(yán)重并伴有跳動，整流子換相工況惡化，曾經(jīng)出現(xiàn)過環(huán)火，使機(jī)組被迫停機(jī)。整流子發(fā)生換相故障時(shí)又會對整流子表面產(chǎn)生灼傷和損壞，絕緣性能下降。

（6） 勵磁繞組出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象，電氣性能下降，引起勵磁接地等故障，直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行。勵磁回路絕緣下降，出現(xiàn)接地故障無法消除被迫停機(jī)，切換到備用勵磁機(jī)運(yùn)行。

總之，這種同軸直流勵磁機(jī)勵磁方式，由于直流勵磁機(jī)碳刷的使用，導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)量增大，相復(fù)勵勵磁調(diào)節(jié)器由于制造工藝及其技術(shù)原因，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵磁電流調(diào)節(jié)的時(shí)候，存在調(diào)節(jié)速度慢、不夠穩(wěn)定及調(diào)節(jié)精度低等缺點(diǎn) 。