发电机的励磁系统专题讲解，零基础，一文全明白
众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。发电机的基本原理就是：旋转磁场掠过绕组，在绕组中产生电动势，从而发出电力。而旋转磁场就是励磁电流通过转子而产生的，所以励磁对于发电机非常重要，对于一般发电机而言，没有励磁就不能发出电力，无论励磁是永磁还是电磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。
一、发电机的原理及励磁系统的由来
1、发电机的工作原理
大家都知道发电机的工作原理是利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。同步发电机由定子和转子两部分组成。定子是发出电力的电枢，转子是磁极。定子由电枢铁芯，均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。转子通常为隐极式，由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心环等组成。
转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内感应出三相交流电势。发电机带对称负载运行时，三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用，会产生制动转矩。从汽轮机输入的机械转矩克服制动转矩而作功。
发电机可发出有功功率和无功功率。所以，调整有功功率就得调节汽机的进汽量。转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压，所以，调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率。有功功率和视在功率之比称为发电机的功率因数（力率），发电机的额定功率因数一般为0.85。供给发电机转子直流建立转子励磁的系统称为发电机励磁系统。
2、发电机励磁系统由来
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。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。
同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。如图所示：其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。
二、发电机励磁系统的作用
励磁系统的主要作用有：
1、维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。
2、合理分配并列运行机组之间的无功。
3、提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。
4、提高发电机并列运行的暂态稳定性；
5、在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；
6、根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
7、根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；
8、控制并列运行各发电机间无功功率分配；
9、提高发电机并列运行的静态稳定性；
三、励磁系统发分类
近年来发电机自动调节技术的不断更新与进步，先后出现了多种形式的励磁装置。形成了多种励磁方式，但归纳起来，不外乎他励和自励两种方式：
1、他励式励磁方式
他励式励磁方式是由与同步发电机同轴安装；或经皮带传动的不同轴安装的直流励磁机发出的直流电；以及交流励磁机经半导体整流后的直流电等，通过电刷、集电环向同步发电机励磁组提供励磁电流。直流励磁机是一台结构完整的直流发电机，它多采用并励式或复励式自励直流发电机。
2、自励式励磁方式
自励式励磁方式就是利用整流器将同步发电机所发的交流电（或附加绕组、或谐波绕组产生的交流电）经过整流后送入励磁绕组。常见的自励式励磁方式有以下几种类型：三相同步发电机、单相同步发电机。上述各种自励式励磁同步发电机均具有一定的恒压能力，如果对发电机还有更高的恒压要求时，还可以在以上各种励磁方式基础上增加晶闸管自动调压器或功率三极管自动调压器，使同步发电机在额定负载范围内，电压调整率达到±3％的精度。
四、发电机励磁系统的电气调节特性
经过上面的阐述大家对发电机的原理、为什么要励磁系统、励磁系统的原理和作用有了初步的认识，但是要想彻底理解发电机励磁系统的精髓，知道这些是远远不够的。我们要从励磁系统的电气调节原理来进一步了解励磁系统。
说道励磁系统电气调节原理无非三个参数：励磁电流、电压、无功和无功负荷。也就是说发电机正常工作，单机或并网都需要对励磁系统进行调节以便完成电压、无功和无功负荷的动态调整。详细说明如下：
1、电压的调节
自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。
2、励磁电流
励磁电流就是同步电机转子中流过的电流（有了这个电流，使转子相当于一个电磁铁，有N极和S极），在正常运行时，这个电流是由外部加在转子上的直流电压产生的。当发电机单机运行时，励磁调节器通过调整发电机的励磁电流来调整发电机的端电压，当电力系统中有多台发电机并联运行时，励磁调节器通过调整励磁电流来合理分配并联运行发电机组间的无功功率，从而提高电力系统的静态和动态稳定性。
3、无功负荷
并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的负则提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。
4、无功功率
发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。
小编总结：
总之发电机励磁系统是发电机非常核心的装置，通过励磁系统的调节可以使发电机的输出电压、无功功率、无功负荷得到很好的调控。在发电机并网和解列过程中，励磁系统的调节也起到非常关键的作用。作为搞电的你是否明白了发电机励磁的电气原理，希望通过本文的学习大家能够对发电机励磁系统有一个系统性的知识框架。
