同步发电机的励磁控制系统原理与维修技术介绍
供稿：宁波日昕动力科技有限公司
- 关键词：同步发电机的励磁系统,励磁系统的主要作用,励磁系统分类,同步发电机的自动调节激磁系统,自动励磁调节器基本构成
- 作者：日兴动力科技
- 摘要：一、同步发电机的励磁系统 二、励磁系统的主要作用 三、励磁系统分类 四、同步发电机的自动调节激磁系统 五、自动励磁调节器基本构成 六、发电机电刷的检查与维护
一、同步发电机的励磁系统
二、励磁系统的主要作用
三、励磁系统分类
四、同步发电机的自动调节激磁系统
五、自动励磁调节器基本构成
六、发电机电刷的检查与维护
同步发电机的励磁系统
励磁电流：由直流电源供给的直流电流，通入同步发电机的转子绕组建立磁场。
励磁系统：与发电机转子回路电压的建立、调整及其控制的有关元件和设备。包括发电机励磁绕组、励磁电源、自动调压器和手动控制等部分，此外，还有强行励磁、强行减磁、励磁保护、灭磁等部件。
在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维持发电机端电压为规定的水平。
合理分配并列运行发电机间的无功负荷。
发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系统的运行条件，提高系统的稳定性和可靠性。
直流励磁机励磁系统。励磁机直接与发电机的轴相连接，采用有换向器和电刷的直流发电机作为主励磁机（备用励磁机则由电动机拖动）。
同轴直流励磁机自励接线
半导体励磁系统。利用交流电源经降压整流后供给发电机励磁称为半导体励磁系统。
同轴他励静止半导体励磁接线
运行可靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，设备及接线简单，与交流励磁机励磁系统相比，没有旋转部件，减少了励磁系统故障，提高了运行可靠性。
改善发电机轴系稳定性。自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，减少轴承座数量，提高了轴系的稳定性，改善了轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。
提高电力系统稳定水平。自并励励磁系统响应速度快，可提高电力系统稳定水平。
经济性好，可降低投资。自并励励磁系统设备简单，降低了造价；缩短了轴系长度，减少了厂房和基础造价；调整容易，维护简单，故障后修复时间较短，可提高发电效益。
运行中同步发电机的激磁电流（转子电流），无论在正常或是事故情况下，都要进行调节。一般说来，手动调节已不能满足运行要求。现代大、中型发电机上都装有自动调节激磁装置（AER或AVR）。发电机的激磁电流按预定要求作自动调整。
在正常情况下，维持发电机端或系统中某一点电压在给定水平。
稳定地分配发电机之间的无功功率。
在正常运行及系统事故情况下，提高电力系统的稳定性。
改善电力系统的运行条件。
在正常运行时，自动调节激磁装置应能维持发电机的电压在给定水平，并稳定地分配发电机之间的无功功率。因此应有足够的调节容量。
从提高电力系统运行的稳定性观点出发。要求自动装置没有失灵区，动作快速。当发电机电压事故性降低时，应尽快地加大发电机的激磁电流，进行强行激磁，所以也应具有足够的功率输出。
自动调节激磁装置本身应简单可靠，取用的功率应尽可能小些，调节过程稳定，品质良好。
自动调节指的是发电机的激磁电流根据端电压的变化按预定要求进行调节，以维持端电压为给定值。如要求端电压为恒定值，则当机端电压升高时应减小激磁，机端电压降低时应增加激磁，以维持机端电压为给定值。
自动调节激磁系统可以看成是一个以电压为被调量的负反馈控制系统。
自动励磁调节器由调差、测量比较、综合放大、同步与移相触发及可控整流环节组成。这些主要环节起到实现电压调节和无功功率分配等最基本的功能。
辅助控制是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性和改善励磁系统动态特性而设置的单元。
自动励磁调节装置退出后，由自动切换装置将手控单元投入。
自动励磁调节器由调差、测量比较、综合放大、同步与移相触发及可控整流环节组成。这些主要环节起到实现电压调节和无功功率分配等最基本的功能。
辅助控制是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性和改善励磁系统动态特性而设置的单元。
自动励磁调节装置退出后，由自动切换装置将手控单元投入。
同步发电机进相运行（欠励磁运行）：功率因数由滞后变为超前，发电机从系统吸收无功功率的运行方式。
吸收的无功功率随励磁电流的减小而增加。
发电机进相运行受静态稳定极限和发电机定子端部发热限制。
发电机由滞相转进相运行时，转子电流减少，吸收无功增加，使定子端部合成漏磁通越来越大，造成端部发热。
现代大型汽轮发电机定子铁心采用氢冷，并在端部采取了防止局部发热的措施，进相运行时定子端部铁心及金属件温升一般不再是限制低励磁运行的主要因素。
1 正常运行中应投入自动调节励磁，并检查出口电压在20�1kV范围内。
2 当发电机出口电压高于或低于上述范围时，可调整发电机无功功率。当降低无功时，注意不致于进相。增加无功时，不至于引起励磁系统过负荷。
3 若系统或发电机故障引起电压降低时，发电机的励磁由自动调节装置强行励磁作用增加到额定电压的两倍，强励动作时，定子电流，转子电流突增，20秒种内不得干涉强励动作，不得调整切换。
1 正常运行时，应使发电机功率维持在允许范围内。
2 发电机必须进相运行时，应不超过由试验确定的最大进相深度。
3 特殊情况下，发电机的负荷可根据系统周波、电压的变化及时进行调整。
4发电机负荷受发电机各部温度限制，当各部温度超过允许值且调整无效时，应申请降低出力。
由于电力系统稳定的要求，大容量机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能。交流励磁机、旋转整流器励磁系统在通常情况下很难满足这一要求。惟有采用高励磁顶值电压的方法才能提高励磁机输出电压的增长速度。
加在励磁机励磁绕组上的励磁顶值电压越高，励磁机输出电压的起始值增长速度越快。这样励磁系统的响应速度得到了改善。
高顶值励磁电压危及励磁机及发电机的安全。当励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时，应立即对励磁机的励磁电流加以限制，以防止危及发电机的安全运行。
励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流，一旦该值超过发电机允许的强励顶值，限制器输出立即由正变负。
瞬时电流限制器与信号综合放大器构成调节器，使励磁机强励顶值电流自动限制在发电机允许的范围内。
最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。
按规程要求，当发电机端电压下降至80%~85%额定电压时，发电机励磁应迅速强励到顶值电流，一般为1.6~2倍额定励磁电流。由于受发电机转子绕组发热的限制，强励时间不允许超过规定值。
V/Hz（伏/赫）限制器，用于防止发电机的端电压与频率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热。
发电机解列运行时，其端电压可能升得较高，频率也有可能较低，例如机组启动期间，频率较低；甩负荷时，电压较高。
如果机端电压与其频率的比值过高，发电机及与之相连接的变压器等的磁密会过大，同步发电机与其相连的主变压器的铁心就会饱和，使发电机的同步电抗、变压器的励磁电抗变小，则发电机的无功电流及变压器的励磁电流加大，造成铁心过热。
发电机“失磁”：发电机在运行中全部或部分失去励磁电流，使转子磁场减弱或消失。
造成发电机失磁的原因可能是由于励磁开关误跳闸、励磁机或晶闸管励磁系统组件损坏或发生故障、自动灭磁开关误跳闸、转子回路某处断线及误操作等。
发电机正常运行时，定子磁场和转子磁场同步运转。
失磁后，励磁电流逐渐衰减到零，原动机的驱动转矩使发电机加速，导致功角加大，发电机失步，进入异步发电运行状态。
发电机在异步运行状态下，在向系统送出有功的同时，还从系统吸收无功功率，对系统和发电机本身产生如下不良影响：
在转子和励磁回路中产生差频电流，使转子铁心、转子绕组及其它励磁回路产生附加损耗，引起过热。转差越大，过热越严重。
如果系统无功储备不足，将引起系统电压下降，甚至造成因电压崩溃而使系统瓦解。
其它发电机力图补偿以上无功差额，容易造成过电流。如果失磁是一台大容量发电机，则承担补偿无功的发电机过电流就更严重。
汽轮发电机组异步功率比较大，调速器也较灵敏，因此，当发电机超速时，调速器会立即关小汽门，使汽轮机的输出功率和发电机的异步功率很快达到平衡，可在较小的转差下稳定运行。
发电机灭磁，就是把转子励磁绕组中的磁场储能通过某种方式尽快地减弱到可能小的程度。最简单的方式就是将励磁回路断开，但因励磁绕组电感很大，突然断开将会在绕组两端造成危险的过电压。因此，实用方法是在断开励磁绕组与励磁电源回路的同时，将一个电阻接入励磁绕组，让磁场储能迅速耗尽。整个过程由自动灭磁装置来实现。
灭磁 当保护继电器检出发电机内部故障时，为保护发电机，必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放。灭磁功能由灭磁开关，跨接器Crowbar和灭磁电阻实现。 灭磁开关设计用于在任何故障情况下安全切断励磁电流。灭磁开关开断后，还在励磁变压器和磁场绕组之间形成明确的电气隔离。
自动灭磁装置装在励磁回路直流侧。灭磁开关的额定参数按励磁系统强励工况（机端电压为80%额定电压时，强励倍数2倍额定励磁电压）选择。
1）、灭磁作用：当发电机内部、引出线、厂高变等发生故障时，虽然保护装置动作迅速切除故障，但励磁电流产生的感应电动势会继续维持故障电流，为了迅速排除故障，减小其损坏程度，必须安全迅速地将储存在磁场中的能量泄放（实验表明，只要剩磁电压小于500V，电弧变不能维持一般剩磁电压不大于100-300V）即把励磁绕组的电流建立的磁场迅速降低到最小。
2）、灭磁要求:a.灭磁时间尽可能的短（发电机端电压由额定值Un降至5% Un所需的时间称灭磁时间）b.励磁绕组两端的过电压不超过允许值（通过跨接器来实现过压保护的要求）。
3）、灭磁方式：按励磁系统的不同，主要有两种自然灭磁（一般是对采用旋转二极管整流方式的励磁系统用如无刷励磁系统，通过整流二极管的续流作用实现自然灭磁，时间较长10S左右）和逆变灭磁（对采用可控硅整流方式的励磁系统用如自并励励磁）。
4）、灭磁回路：由灭磁开关，跨接器Crowbar和灭磁电阻组成。
灭磁电阻用于实现发电机的快速灭磁。
a、非线性电阻Ｒ02（共五个）并联固定接在发电机励磁绕组回路中，不受直流回路中的灭磁开关控制。励磁电流的衰减过程取决于灭磁电阻的特性。非线形电阻的灭磁特性比线性的好，励磁电流的衰减比较快。
b 、当灭磁开关断开时，通过触发跨接器的可控硅将励磁电流瞬时导入灭磁回路。灭磁过程开始，灭磁开关触头可以无负荷断开。
c 、发电机正常运行时，跨接器的可控硅不导通，非线性电阻上不通过电流；灭磁开关跳开后，跨接器的可控硅接受触发脉冲导通，将励磁电流瞬时导入灭磁回路，直至磁场能量释放完。
d 、跨接器作为励磁绕组和可控硅整流器过电压保护。逆变灭磁是将能量释放在励磁变低压绕组上，逆变灭磁在灭磁开关分闸时间内完成的，一般是在毫秒内完成。磁场开关跳开后通过非线性电阻实现灭磁，灭磁时间较短2-3S左右。
1对滑环和电刷的维护，运行中每班应检查1～2次，如发现异常，及时处理，并做好汇报和记录。
2 发电机滑环和电刷的检查维护应做到以下几方面：
2.1检查滑环上电刷是否冒火，火花大小状况并及时调整、消除。
2.2电刷在刷框内应活动自如，不应有跳动、摇动、碎裂及卡涩、焊附状况。
2.3检查中及时调整压簧压力，使电刷受力均匀．若压簧失去弹性或变形，应及时更换。
2.4检查电刷刷辫是否完整，与电刷的连接是否紧密良好，有无发热、脱辫、烧断股线和触碰机构件的情况。
2.5检查电刷边缘是否有剥落的情况。
2.6检查电刷的磨损情况，电刷长度不应小于1/3，以避免铜辫磨出损坏滑环，长度不足时应及时更换，但每次更换不得超过总数的1/4。
2.7检查各电刷的电流分担是否均匀(差别不超过10%)，有无过热现象，对分担电流少的电刷应予更换。
2.8检查滑环表面温度，不应超过120℃，滑环应光亮整洁，若发现白色则为过热。
2.9检查刷架情况，刷握、刷框和刷架上应整洁无积垢，刷框不应与滑环相碰。
2.10检查滑环及电刷的温升和噪声以及振动无异常。
2.11发电机停运时，应检查滑环的通风沟是否堵塞，电刷接触面是否光亮
若电刷研磨不良与滑环接触不完全，应更换研磨好的电刷。
若电刷间负荷分配不均匀，应使电刷与刷辫，刷辫与刷框的接触良好。
若电刷压簧失去弹性，应更换好的压簧。
若电刷压力不均匀，应及时调整；
若电刷过短，不能维持压力时必须予以更换；
若电刷接触面不洁，应取下电刷用不掉纤维的干净布擦拭，如无效可在布上浸沾微量四氯化碳擦拭；
若电刷摇动或卡涩，应使之在刷框内活动自如，与刷框之间有0.1～0.2mm的间隙；
若电刷间负荷分配不均匀，应检查电流分布情况，调整处理；
若滑环表面不平，应进行打磨处理。
若冒火情况比较严重，处理后无效，应减小励磁电流，严重时减负荷再处理。
1一般情况下，同一时间内,每个刷架上只允许更换一组电刷，且必须使用相同厂家、同一型号、同一时期内生产的电刷，电刷的刷辫完整，连接牢固．禁止在同一极性上使用不同型号的电刷；
2更换的电刷在使用前必须研磨良好，研磨的表面应与滑环相吻合，接触面不小于70%，接触长度(旋转方向)不低于80%。
3安装电刷时，应先将刷辫固定好，然后将其放入刷握内，并用压簧压好，且调整好压簧压力，使电刷灵活无卡涩现象．拆除电刷时步骤相反；
4更换的压簧必须为相同厂家、同一型号、同一时期的产品，压簧应弹力良好，表面光滑，连接点牢固．弹片及压簧正常受压，压力消失后能完全恢复弹性．压簧的卡口不能太浅，应足够余度；
5更换电刷后，应先观察其运行状况，做好记录．并加强对其监视，发现异常及时处理。
1在运行中的发电机滑环及励磁装置上工作时，工作应穿工作服，禁止穿短袖或将衣袖卷，应将工作服袖口及下摆扣好，防止被旋转部件挂住造成事故；应穿绝缘鞋并站在绝缘垫上，禁止戴手套工作。
2禁止同时用双手触碰发电机励磁回路和接地部分；也不能双手触及两个不同极的带电部分，或一手触及带电部分，一手触及接地部分；也不得两人同时接触带电部分；
3使用的工具必须绝缘良好，并采取防止短路和接地的措施；
4在调整电刷工作时，应特别仔细，并有监护人现场监护。