发电机励磁

为确保网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的设备能得到不间断的电源供电，这些部门通常采用“市电供电+柴油发电机组备用+UPS 电源”所组成的电源供电系统。

UPS 作为自市电停电到备用柴油发电机组供电的中间段的电源设备可以将蓄电池的电能无延时地逆变向重要负载供电，从而保证在柴油发电机组启动供电前负载不断电，而当柴油发电机组投入使用时，UPS 就作为机组的负载，为电池进行充电。

整流滤波器件是UPS 的主要部件之一，这种非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以 5 次和7 次谐波危害最严重，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显，主要表现在以下几种故障现象：
1.发电机组的输出电压突然增高到440V 以上，其后果是造成UPS 损坏。

2.发电机组输出频率到50～60Hz，致使UPS 保护动作。

3.发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR。

4.UPS 因检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组向负载放电或从旁路直接向负载供电。

二、故障出现的原因
1.发电机组的瞬态调压特性由于发电机组的内阻比市电电网大得多，其输出容量非常有限，当负载突变时，发电机组的电压瞬态变化很大而且所需的恢复时间较长，在GB2820-90 中用瞬态电压调整率（标准要求≤±20%）和电压恢复时间（标准要求±
2.4S）两个指标来衡量。

有些用户主要只注重看发电机的稳态电压调整率（标准要求±1%），其实后者在当今大多数发电机的指标相差不大，而前两个指标却与发电机的瞬态电抗和励磁系统的特性有较大关系。

2.发电机的励磁特性小容量三相同步发电机主要有以下几种励磁方式：
⑴无刷永磁式（PMG）
⑵无刷自励式
⑶三次谐波励磁
⑷相复励
其中以无刷永磁式励磁方式性能最好。

永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕组（转子），永磁发电机（PMG），自动电压调节器（AVR），励磁机和旋转二极管。

励磁系统的工作原理是：当发电机旋转时，永磁发电机（PMG）的永磁转子同轴旋转，切割PMG 的定子绕组而产生三相正弦电势，引入发电机自动电压调节器（AVR）作为AVR 的输入电源，AVR 通过检测发电机的三相输出电压自动调节励磁机磁场的励磁电流，从而调节励磁机转子的三相输出电压，经旋转二极管整流后输送至发电机主转子的励磁回路。

由此可见，输出电压的调节，其实是通过AVR 对励磁机磁场的调节来实现的（如附图所示）。

在这个系统中有以下几个特点：
①由于PMG 系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源，因而能提供较高的电动机起动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干扰性，可提高发电机带非线性负载能力。

②AVR 检测三相输出电压（三相方均根检测），具有精度极高的稳态电压调整率（通常可达±0.5%）。

③更强的抗无线电干扰能力。

永磁机励磁
AVR电源输入
电力输出
参考值设定
检测输出
摘要：励磁系统是同步电机运行的重要环节。

本文从励磁交流电源、旋转整流器、励磁机控制系统和不平衡保护系统等方面，分析了引进的同步电机无刷励磁系统的特点；针对二极管无刷励磁方式的缺点，在低压供电电源上采取了措施，解决了低压电源可靠性
问题。

关键词：同步电机；无刷励磁系统；特点；分析；低压电源可靠性
中图分类号：TM341 文献标识码：B
励磁系统是同步电机运行的重要环节，良好的励磁系统不仅可以保证电机运行的可靠性，而且可有效提高电机及电力系统运行的稳定性。

在国内引进的大型同步电机中励磁系统各有特色。

本文就引进的同步电机无刷励磁系统的特点进行分析。

一、励磁机交流电源
原理结构见图1。

励磁主回路是一个晶闸管三相全波调压电路，其输出电压为0~265V连续可调。

设置了含有跳闸继电器的偏差电流装置T01。

其作用是，正常运行时偏差电流装置内累计变流器电流总合为零。

如果电源负载发生绝缘故障，就会产生接地漏电流，跳闸继电器动作，断开交流电源。

Q01是具有监测功能的熔断器，合上时，晶闸管的工作方式严格遵守如下规则：(1)三相电路中有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通；(2)晶闸管触发电路采用宽脉冲触发电路，触发方式采用脉冲列；(3)各触发脉冲之间严格保持一定的相位关系，即R、S、T三相电路中正向晶闸管的触发相位互差120°，反向晶闸管的触发相位也互差120°。

同一相反并联的两个正反向晶闸管的触发脉冲相位互差180°，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。

触发脉冲顺序见图2。

二、旋转整流器
图3为40MW 同步电动机旋转整流器电路。

无刷励磁系统由三相励磁机的转子二极管整流桥及保护装置组成。

双绕组构成两个并联的整流器，运行时若某个二极管发生故障仍可继续运行，从而提高了系统可靠性。

由于整流器负载为感性，故在励磁绕组两端并联RC 过电压吸收回路。

由晶闸管P1、P2和A1（触发装置）组成的保护电路防止电机作异步启动或励磁电源中断，电机异步运行时
励磁绕组产生极高过电压。

电压控制触发装置中两个由齐纳二极管组成的支路与内部晶闸管的阳极直接连到整流器的输出端（正极）。

内部晶闸管导通时刻决定于并联在其门极和阳极间的齐纳二极管数量和电压等级。

一旦励磁绕组上过电压超过齐纳二极管的极限值，内部晶闸管门极上可得到触发信号而导通，输出正极性的触发脉冲，该脉冲加到与励磁绕组并联的晶闸管上，将励磁绕组短路，这样在反向过电压瞬间所产生的能量由于并联回路的开通而释放了，从而起到了保护整流二极管和励磁绕组的目的。

而另外半波由整流二极管本身提供保护通
路。

三、励磁机控制系统
图4为励磁闭环控制方框图。

励磁机控制系统为具有电流内环和功率因数外环的双闭环系统。

电机启动投入励磁时，由计算机控制场效应开关断开功率因数控制环，仅电流环起作用，励磁电流控制器由“启动电流基准值”输入作恒电流运行。

一旦电机同步并网后，计算机发出信号，在基准值的基础上再加上并网后的励磁电流设定信号（本系统空载启动励磁电流设定在66A，并网后的设定值是1 2A），这样电机在线运行时励磁机运行电流增加到近70A。

经过数秒钟延时，功率因数控制环受计算机控制投入运行。

电流控制器和功
率因数控制器都是带可调极限和封锁输入的PI型控制器。

同步电机负载变化时，无功电流Iq的变化信号即与设定值+Iq比较，由无功功率控制器放大后输入励磁电流控制器，其输出是产生控制角α移相。

由此引起脉冲发生器中触发脉冲变化，达到改变晶闸管导通状态，实现调整励磁机励磁电流，控制同步电动机无功功率的目的。

对于同步电动机端电压，本系统也能够实现控制，其控制原理相同。

可根据系统情况在计算机键盘上作出运行方式的
选择。

1fe8; 四、不平衡保护系统
励磁旋转部分出现故障时的输入阻抗比正常运行情况要低。

当出现故障时，监控模块产生信号给计算机，计算机一方面向系统发出故障显示信号，另一方面使励磁电流控制器输出被封锁，从而避免故障扩大，保护励磁机。

这种二极管无刷励磁方式，由于无电刷装置，故具有响应快、安全、维护方便的特点。

其缺点是：(1)不能中断低压供电电源，否则失去励磁，突然瞬间停电，将使励磁系统的稳定性受影响；(2)由于无刷，一旦发生故障则电机无法励磁，同步电动机将从同步运行方式转入异步运行方式，这时电机的功率因数从0.85超前变成0.3滞后，并使电机的出力和效率下降。

针对上述两个问题，我们在低压供电电源上采取完好预防措施，解决了低压电源可靠性问题。

当励磁控制系统发生故障使励磁中断时，本系统允许减少电机额定负载（40MW）的50％长期异步运行，待故障解除后仍可再次投入励磁（前提条件是网络电压UN>90%，滑差S<2%)，使电机重新进入同
步运行。

否则需要对系统进行调整以满足再次同步的条件。

励磁系统的概念：
1、励磁系统是向同步电机的磁场线圈提供直流励磁电流的系统及装置。

(1)同步电机包括发电机、电动机、抽水蓄能机组。

(2)励磁系统是一种直流电源装置——简单概念
(3)磁场线圈即励磁绕组——使用场合
2、励磁系统是同步电机的重要组成部分。

(1)同步电机没有励磁无法工作；
(2)励磁系统故障将严重影响机电设备的安全。

3、励磁系统可以是励磁机，也有可控硅整流装置型式多样。

励磁系统的作用：
（1）提高电力系统运行稳定的能力
（2）维持电力系统的电压水平
（3）提高同步电机功率极限和电力系统传输功率的能力
（4）改善电力系统及同步电机的运行状态
a 提高继电保护装置的可靠性
b 平衡并网时各电机间的无功
c 当系统发适中故障消除时，能加快系统电压的恢复，保证供电的可靠性
d 通过控制励磁，除保持同步电机的恒电压运行外，还可以让系统作恒无功或恒功率因数运行，提高电力系统运行的经济性。

现代励磁调节器的特点：
（1）调节器的功能比较完善，除具有维持电压恒定、强励、强减这些基本功能外，还有其它功能，如：防止系统产生低频振荡的电力系统稳定器、过励限制、欠励限制、最大励磁限制、最小励磁限制、手动／自动切换跟踪、双通道控制、并联运行发电机的联合控制、低频限制等等。

由于调节器功能齐全，可以挖掘发电机的无功潜力，因而取得了一定的经济效益。

（2）采用新器件。

如，一些大功率器件。

（3）微型计算机在励磁系统中的应用，已逐渐广泛，采用微机励磁调节器后，使励磁控制的功能扩展，调节精度提高，励磁
装置的电路简化，可靠性也提高。

（4）设计制造考虑周到。

根据调节功能和用户要求，做了很多模块和标准器件，配套较灵活，另外设计裕度也较大。

半导体励磁系统的概念：
所谓半导体励磁系统就是采用大功率的硅整流器或可控硅组成的整流电路，用电子整流方式将交流变换成直流，以取代直流励
磁机用机械整流方式获得直流励磁电源。

励磁系统的组成：
（1）励磁系统主回路：励磁电源、主整流器、灭磁电路、过压过流保护电路等
（2）励磁调节器：测量和比较、综合放大、移相和触发、CPU等
（3）另：辅助单元,如：限制器、补偿器、稳定器以及起励单元等
自励系统的共同特点：
励磁电源取自发电机自身，用励磁变压（流）器供给整流装置。

整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统。

以后将主要介绍自并励方式，因为用的比较多。

自并励属于自励的一种。

自并励方式的特点：
设备和接线比较简单；由于励磁系统无转动部分，具有较高的可靠性；造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快，是一种高起始响应的励磁系统；当主整流器采用三相全控桥时，可用逆变来灭磁，使灭磁时间短；自并励系统的发电机电压和转速成一次方关系，对抑制甩负荷后的过电压，要比采用同轴式交流励磁机的他励系统有利。

自并励方式的缺点：
整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路故障形式（三相、两相或单相短路）和故障点远近等因素的影响；需要起
励电源；存在滑环和碳刷。

励磁调节器的组成：
一、基本调节电路：电压测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元等。

二、辅助电路：附加信号等。

电压测量比较单元
作用：对同步电机端电压进行测量并与给定电压作比较。

组成：电压测量、电压整定和无功补偿（电流调差）等环节组成。

调差环节：除补偿发电机端电压至某一固定点的电压降外，还可人为的改变调差系数，以保证并列运行各机组间无功功率的稳定
合理分配。

正序电压过滤器：为了提高电压测量精度，当发电机电压不对称时，使送到电压测量环节的电压仍是对称的正序电压，提高强励
能力。