简明易懂的同步发电机励磁系统分类及电路结构

同步发电机早期的直流励磁电源都是在同步发电机轴上装设一个直流发电机提供主发电机的直流励磁电流。现代同步发电机的直流励磁电源都是由交流励磁电源经半导体整流器变为直流后向转子直流励磁绕组提供直流电流。根据励磁电源种类的不同，同步发电机的励磁系统可分为他励系统和自励系统。

1.他励系统

他励系统是采用与主发电机同轴的另一个小容量交流发电机的交流电源，经不控整流器或晶闸管相控整流后供给直流励磁。这类励磁系统由于励磁电源来自主发电机之外的另一独立交流电源，故称为他励整流器励磁系统，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（也称为同轴辅助发电机）。

他励系统按整流器是静止的还是整流器装在转子上随转子旋转，以及交流励磁机是磁场旋转还是电枢绕组旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：

1）磁场旋转式交流励磁机加静止不控整流器，如图3-2所示。

2）磁场旋转式交流励磁机加静止晶闸管相控整流，如图3-3所示。

3）电枢旋转式交流励磁机加旋转不控整流器，如图3-4所示。

4）电枢旋转式交流励磁机加旋转晶闸管相控整流，如图3-5所示。

图3-2 交流励磁机、磁场旋转（他励）、静止不控整流器励磁方式原理图

图3-3 交流励磁机、磁场旋转、（他励）、静止相控整流励磁方式原理图

图3-4 交流励磁机（电枢旋转）带旋转不控整流器的无刷励磁系统

图3-5 交流励磁机（电枢旋转）带旋转相控整流器的无刷励磁系统

图3-2、图3-3所示的两种励磁系统中的半导体整流元件VD或V是处于静止状态的，故称为他励静止半导体励磁方式。图3-4、图3-5所示的两种方式，整流元件和交流励磁机JL的电枢与主轴一同旋转，直接给主发电机转子励磁绕组供励磁电流，不需要经过转子集电环及电刷引入，故称为无刷励磁方式，或称为他励旋转半导体整流器励磁方式。

图3-2～图3-5他励励磁系统的共同特点是，采用与主发电机同轴的交流励磁机JL作为励磁整流器的交流电源。

（1）磁场旋转交流励磁机带静止二极管不控整流励磁系统

在图3-2中，同步发电机G的励磁电流i_f，由一个与主发电机同轴的交流励磁发电机JL的三相定子绕组电势（通常频率为400Hz）经二极管不控整流器VD，再经集电环（电刷）送入G的励磁绕组，交流励磁机的转子励磁电流i_fj由一个同轴的永磁同步发电机PG的定子绕组电势E_PG，经晶闸管相控整流器V变成直流，再经集电环向其励磁绕组提供励磁电流i_fj。同步发电机G的电压、电流，由电压、电流检测环节TV、TA送至自动电压调节器AVR，AVR根据发电机的输出电压是否满足运行要求，改变晶闸管VT的触发相位角，调控i_fj，进而调控同步发电机G的励磁电流i_f，改变同步发电机的电势E，满足电力系统运行要求。

（2）磁场旋转交流励磁机带静止晶闸管相控整流励磁系统

图3-3与图3-2不同的是，同步发电机的直流励磁电流i_f由交流励磁机JL的输出电压E_j经相控整流器V₁供电，而交流励磁机JL的直流励磁电流i_fj由交流励磁机自身的交流电压E_j经晶闸管V₂相控整流后，再经集电环向其转子上直流励磁绕组输入直流励磁电流i_fj，同时i_fj又受其电流调节器LT控制。图3-3所示电路结构在我国一些中型水轮发电机和汽轮发电机上早已采用，并已在新建的20万kW水轮发电机上采用。

（3）电枢旋转交流励磁机带旋转不控整流器的无刷励磁系统

图3-4中交流励磁机JL的电枢三相绕组和三相不控整流器及同步发电机G的直流励磁绕组都在同步发电机转子上，与转子一道被原动机驱动旋转，另一个交流永磁式副励磁机JFL的永磁体磁极P也在转子上随同步发电机转子一起旋转，在其静止的定子绕组上感应的交流电势E_p，经相控整流器V后给交流励磁机JL提供励磁电流i_fj。图3-4所示励磁系统中采用了电枢旋转的交流励磁机和整流器，没有转子集电环和电刷接触部分，因此是无刷励磁方式。这种无刷励磁系统在几十万kW的机组上已得到广泛应用，国外在135万kW的一台汽轮发电机组上也得到应用（励磁功率达到5300kW），我国生产这种无刷励磁系统已装备60万kW的汽轮发电机。

（4）电枢旋转交流励磁机带旋转相控整流器的无刷励磁系统

图3-5与图3-4不同之处是，旋转整流器是三相桥晶闸管半控型整流电路（图3-4为三相桥不控整流）。此外，交流励磁机JL的直流励磁绕组电流i_fj由同步发电机的交流输出电压V经降压、二极管VD不控整流后提供。图3-5中自动电压调整器AVR输出的三路脉冲触发信号经旋转变压器RT触发三个晶闸管，改变晶闸管的触发延迟角，调控主发电机的励磁电流i_f。图中S为装在旋转部分上的测速、位置传感器，它配合旋转变压器RT给晶闸管提供所需触发延迟角的脉冲信号。

无刷励磁没有机械式换向器（集电环和电刷），励磁系统运行可靠性高，维修工作量少；没有电刷炭粉和铜末引起电机绕组污染，故绝缘的寿命较长。即使周围环境中有易燃气体存在，也不会因集电环和电刷间产生火花而造成事故，因此，适于在条件较恶劣的环境中运行。

在图3-4所示无刷励磁方式中，由于是控制交流励磁机的励磁电流，而不是直接控制同步发电机的励磁电流，所以励磁电压响应的快速性差些；图3-5所示相控整流直接控制同步发电机励磁电压，励磁电流响应更快，并为无触头快速灭磁提供了有利条件。晶闸管的控制信号，可由旋转变压器输入，也可利用光电耦合方式输入。

2.自励系统

自励系统是采用一个励磁变压器LB作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，这种励磁方式称为自励整流器系统，简称自励系统。在他励系统中，交流励磁机是旋转机械，而自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励系统又称为全静态励磁系统。

自励系统有两类不同的励磁系统：自并励系统和自复励系统。如果只用一台励磁变压器并联在发电机端，则称为自并励系统，如图3-6所示。除了并励的励磁变压器BV外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器BI（或串联变压器），两者组合形成励磁电流I_f，则称为自复励系统，如图3-8a，图3-9，图3-10，图3-11所示。

自励励磁系统的共同特点是，同步发电机直流励磁的交流励磁电源取自发电机自身，用励磁变压器（或励磁变流器）供电给励磁整流装置。另外，整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统。这类全静态的励磁系统又分下列几种方式：

（1）自并励系统(www.xing528.com)

自并励系统是自励系统中接线最简单的一种励磁系统，其典型原理图如图3-6所示。只用一台接在同步发电机端口的励磁变压器LB作为励磁电源，通过晶闸管相控整流装置KZ直接控制交流发电机的直流励磁。这种励磁系统又称为简单自并励系统或晶闸管相控自并励系统。自并励系统的优点是，设备和电路比较简单，由于无图3-2～图3-5中的交流励磁发电机JL的转动部分，具有较高的可靠性，且造价低，励磁变压器可放置在任意空间位置，缩短了机组长度或高度，励磁调节速度快。自并励系统越来越多地得到采用。国外某些公司甚至把这种励磁系统列为大型机组的定型励磁系统。我国一些中小型机组以及引进的一些大型机组，也采用这种自励系统。

图3-6 自并励系统原理图

图3-7 发电机有独立变流励磁 电源的相控自并励系统

图3-6中自并励的交流电源取自发电机的输出电压，这就会受负载变化时端电压随之改变的影响。图3-7给出美国通用电气公司的Generrex-Pss励磁系统，它的交流励磁电源由发电机内部另一组定子绕组P供给。电压V_P经降压和三相桥半控整流后再经集电环为主同步发电机提供直流励磁电流i_f，由于主发电机的交流励磁电源V_P和电流i_f是独立于主发电机定子输出电压V和负载电流I，即V_P与主发电机的运行工况（V，I）无直接关系，不受电力系统工况变化的影响，故改善了图3-6中自并励磁的缺点。

（2）自复励系统

自复励系统的励磁电流由并联在发电机端点的并联变压器BV和串联在定子（线路）中的电流变流器BI两部分组合而成，按两者结合情况的不同，又可有图3-8～图3-11所示四种不同的自复励系统。

图3-8 交流侧电流并联叠加的相复励系统原理图

①交流侧电流并联叠加的相复励励磁系统。图3-8a所示为交流侧电流并联叠加的相复励励磁系统原理图。E是发电机G的电势，X是定子绕子电抗，电流互感器BI输出电流，电压互感器BV输出电压，假设发电机G的电势E正比于直流励磁电流I_f，E=KI_f，K=E/I_f称为电势系数，负载电流I·在发电机定子绕组电抗X上的电压降为，母线节点电压为V。由图3-8a，励磁电流I_f产生的发电机电势为

如果要求发电机电压为，当负载电流相量为时所需的励磁电流为

图3-8a～图3-8e和式（3-2）表明，要维持发电机输出电压为V，在负载电流相量不同（数值I和/或负载功率因数cosφ_L不同时）时，发电机的电势E及其对应的直流励磁电流I_f应有所不同，发电机所需的E或I_f应由两个相量分量组成，一个与同相，另一个与同相（即超前）。因此同步发电机带负载时所需的励磁电流I_f及其产生的电势E不仅应与所需的输出电压V有关，还应与负载电流I的大小及相位（cosφ_L）有关。这就要求同步发电机的励磁电流应为“相复励”。在图3-8a中，发电机电压V经变压器BV降压后得到V/K₁（K1为降压比），再经一个大电抗X₁向A点输出电流正比于V/K₁，同时发电机输出的负载电流经电流互感器BI向A点输出与成正比的电流（K₂为比例系数），两个交流电流与相加得到交流励磁电流，从A点流入三相整流器VD，整流后得到直流励磁电流I_f∗供同步发电机的励磁绕组励磁，产生所需的电势E∗=KI_f∗。若比值K₃=I_fA/I_f为交流-直流电流变流系数（三相整流电路i_fA为120°方波时，三相交流电流基波有效值I_fA与直流电流I_f∗的比值），（参见式（2-13）），因此有。图3-8a中，分别是电流源和电压源产生的I·_fv之和。由叠加原理，时i_fA=K₂I·；I·=0时的I·_fv是经jX₁和整流后的直流励磁绕组（电阻为R_f）形成的电流。由于交流电感X₁阻抗远大于直流励磁绕组电阻R_f，忽略R_f，则。上式表明：X₁的作用是由产生移相90°的感性励磁电流，故X₁称为移相电抗。由此得到：

因此相复励系统能提供的励磁电流为

相复励系统能产生的发电机电势为

对比式（3-2A）和式（3-3B）可知，只要设计励磁系统使K₁K₃X₁=K（发电机电势系数K=E/I_f），且KK₂/K₃=X（X为发电机定子绕组电抗），则相复励系统在任何所要求的发电机输出电压下，任何负载电流幅值和相位时，它提供的励磁电流I_f∗能产生的电势E∗正好是发电机在该电压V、电流运行工况下所需的励磁电流I_f及相应的发电机电势E（E∗=E，I_f∗=I_f）。

相复励不仅能满足不同性质负载的励磁要求，在电力系统突增大量感性负载时，其快速（负载电流增大时励磁电流也同时成比例增大）的强复励功能对维系电力系统的电压稳定和安全运行具有重大意义。

②交流侧电压串联叠加的相复励励磁系统。图3-9是交流侧励磁电压串联相加的相复励系统。励磁变压器BV输出的交流电压V·_fv，与励磁变流器BI输出的交流电压串联后，经可控整流器VT输出同步发电机的励磁电流I_f，I_f的大小受自动电压调节器AVR控制。

图3-9 交流侧电压串联叠加的相复励系统原理图

③直流侧电流并联叠加的自复励系统。与图3-8（交流侧电流并联叠加）、图3-9（交流侧电压串联叠加）不同，图3-10为直流侧电流并联叠加的自复励系统。图中发电机G的转子励磁电流I_f由不控整流桥GZ与相控整流桥KZ并联供给。不控整流桥GZ由励磁变流器BI供电，相控桥KZ由励磁变压器BV供电。BV并接于机端，BI串接于发电机输出线路中或中性点侧。发电机空载时由相控桥KZ单独供给励磁电流，发电机带负载时，由相控桥KZ与不控整流GZ共同供给励磁电流。其中不控整流桥的输出电流与发电机定子电流成正比，相控桥的输出电压受励磁调节器AVR的控制，起电压校正作用。这种直流侧电流并联叠加的自复励方式，在我国一些中小型汽轮发电机和水轮发电机上采用较早，有一定的运行经验，但未得到推广，因为其复励部分无按负载功率因数不同的相复励作用。

④直流侧电压串联叠加的自复励系统。图3-11为我国引进的中型水轮发电机采用的直流侧电压串联叠加的自复励系统，图中与发电机电流有关的不控整流器GZ输出的直流电压V_GZ和与发电机电压V有关的相控整流器KZ的输出电压V_KZ相加，共同产生发电机励磁电流i_f。这种励磁方式是直流侧电压串联相加，BI是铁心带空气隙的电流-电压变换器。

图3-10 直流侧电流并联叠加自复励方式原理图

图3-11 直流侧电压串联自复励方式原理图