发电机励磁系统检修

    励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，其主要任务是向发电机的转子提供一个可调的励磁直流电源，从而达到控制发电机机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要。同时，励磁系统还具有合理分配并联机组无功功率和提高电力系统稳定性的重要作用。因此，保证励磁系统的安全稳定运行至关重要，提高励磁设备的检修试验技术也至关重要。

    目前我国励磁系统的种类很多，设备五花八门，技术水平参差不齐，给励磁设备的检修试验带来难度。为了规范和提高我国水电励磁系统的检修试验技术水平，特编写本篇作为电气二次设备检修技术的一部分。

    本篇主要指导常规直流励磁系统的检修，对于交流励磁系统，可以作为检修参考。目前，风力发电机一般采用交流励磁系统，通过控制三相转子绕组的励磁电流幅度、频率和相位，即可以控制发电机的无功和有功功率输出，从而实现风力发电机组的变速恒频运行。

    编写发电机励磁系统检修试验，以国内大中型励磁系统的A修为主线，适当介绍一些运行维护和常见故障的处理方法。按照励磁系统的主要部件来编写检修内容，按照励磁系统整体来编写试验内容，其编排顺序尽量与实际检修试验顺序一致。

{dy}章  概述

    {dy}节  发电机励磁系统的分类

    按照励磁电源的不同，将励磁系统分为直流励磁机系统、交流励磁机系统、无刷（旋转）励磁系统和静态励磁系统。这种分类，基本反映了励磁系统的发展进程。从直流励磁机发展到交流励磁机，从交流励磁机又发展成两个方向，小方向发展为无刷励磁系统，大方向发展为自并励静止励磁系统。本励磁检修试验技术主要针对自并励静止励磁系统。

    另外，发电机灭磁技术发展迅速，我国正在使用的灭磁类型和设备种类也很多，对此进行简单分类，有助于励磁系统的检修试验技术的学习。

    下面对发电机各种励磁系统和灭磁设备类型作一简单介绍。

    一、直流励磁机系统

    在电力系统发展初期，同步发电机容量较小，励磁电流通常由与发电机组同轴的直流发电机供给，用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励磁电流，即直流励磁机系统。

    直流励磁机系统又分为自励与他励两种方式。所谓自励，就是励磁电源取自发电机本身，而他励的励磁电源取自其他发电机或厂用电等。自励直流励磁系统原理图如图1－1所示。

    发电机（F）的转子绕组（FLQ）由专门的自励式直流励磁机（L）供电， Rc为励磁机磁场调节电阻。该励磁系统可以手动调节Rc的大小，也可以由自动励磁调节器改变励磁机磁场电流，达到自动调节发电机端电压的目的。

    直流励磁机励磁系统在我国老式机组上使用，其数量在不断减少。原配用的机械式或电磁式自动调节器都已逐步淘汰，取而代之的是主要以绝缘栅极双极晶体管IGBT为功率元件的半导体自动调节器。这种将IGBT串入直流励磁机的磁场回路内，通过改变IGBT导通时间与关断时间的比例，来控制磁场电流的大小，称作“开关式励磁系统或开关式励磁调节器”，其接线原理图如图1－2所示。这里，IGBT控制励磁机（EL）的励磁绕组（L2）电流，DXL是续流二极管，Rx是限流电阻，L1是发电机G的转子绕组。图1－2中的照片采用直流励磁机的小型水电站厂房，在直流励磁机下面才是发电机和水轮机，三者同轴。

    开关式励磁调节器的优点是：可利用直流机本身实现自并激，无需另配电源，因此，结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。
   二、交流励磁机系统

    20世纪60年代初，国外开始在中型发电机上采用交流发电机加半导体整流器的励磁方式，即交流励磁机系统。交流励磁机系统是汽轮发电机组较为主要的励磁方式。

    交流励磁机系统的具体接线方式很多，但究其整流器的区别可以归纳为：同步发电机采用二极管整流励磁，交流发电机（交流励磁机）采用晶闸管整流励磁。下面给出几种典型的接线方式。

    1．他励交流励磁机系统（三机他励励磁系统）

    他励交流励磁机系统原理一如图1－3所示。图1－3中的照片是一个采用三机他励方式的大型汽轮发电机，从左到右排列的设备是：汽轮机、发电机、交流主励磁机、交流副励磁机，四者同轴。

    交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都是交流发电机，均与同步发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经自动恒压装置控制。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机他励励磁系统。主励磁机磁场绕组由自动励磁调节器控制，采用晶闸管整流电路。主励磁机定子绕组经过二极管整流器向发电机转子提供励磁电流。

    2．自励交流励磁机系统

    自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机（ACL）的出口电压直接获得。交流主励磁机经过二极管整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制晶闸管的触发角，调整其输出电流，控制主励磁机的出口电压。其原理接线二见图1－4所示。

    图1－5也是自励交流励磁机励磁系统，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制晶闸管的触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。

    三、无刷励磁系统

    上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或晶闸管代替了机械式换向器，但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。图1－6是某大型水轮发电机碳炭刷和滑环照片。随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火花的现象（俗称碳刷打火现象）。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励磁方式整个系统没有任何转动接触元件，故无刷励磁系统也称为旋转励磁系统，其原理图见图1－6所示，虚线框内的设备安装在发电机转子内，定子与转子的能量传递通过磁感应方式进行，因而省去了发电机滑环和碳刷。

    无刷励磁系统中，主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。

    无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是不同于其他励磁系统类型的新问题。尽管无刷励磁系统也是采用交流励磁机，很多人也将无刷励磁系统归纳于交流励磁机类型。但是，鉴于无刷励磁系统的特殊性，这里单独归纳为一种励磁系统。