发电机励磁装置的功能、特性和故障检测

　　励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，它直接影响发电机的运转特点。励磁系统作用是维持电压水平、提供无功容量，并可以保证发电机的正常运转，并且对于电力系统的稳定性和可靠性也有着重要的影响。康明斯公司在本文中着重讲解了励磁装置的功能和其作业原理及易损损坏的消除，希望能够对读者有所帮助。 

　　      同步发电机励磁电源一般采用直流电，励磁装置的用途详细就是供给发电机转子绕组的直流电源。同步发电机励磁系统一般由励磁容量单元和励磁调节器两部分构成。励磁容量单元包括整流装备及其交流电源，它向发电机的励磁绕组供应直流励磁功率；励磁调整器，感受发电机电压及运转工况的变化，自动地调节励磁容量单元输出励磁电流的大小，以满足系统运转要求。整个励磁自动控制装置是由励磁调整器、励磁功率单元和发电装置成的一个反馈控制系统。执行具体任务如下：

　　      当发电机负载产生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。维持电压水平是励磁控制装置的最主要的任务，有以下3个详细起因：

　　      电力装置中的运转设备都有其额定运转电压和最高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力装置装备安全运行的基本因素之一，这就要求发电机励磁装置不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。  发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110％。

　　      发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降，则输出相同的功率所需的定子电流将增加，从而使损耗增加。规程规定大型发电机运转电压不得低于额定值的90％；当发电机电压低于95％时，发电机应限负载运行。其他电力装备也有此问题。

　　      励磁控制装置对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改进，都有显着的功用，而且是最为大概、经济而高效的举措。

　　      发电机励磁系统还需要根据实际负荷需求来调节发电机输出电压，以确保满足当前负载要点。这样既能保证负荷设备正常运行，也能确保电力装置的安全运行。

　　      发电机励磁装置可以通过调节发电机的励磁电流，优化发电机输出的电压和电流波形，从而提高发电效率。这不仅有助于减轻能源消耗，还能减轻发电机的损耗和维护成本。

　　     发电机励磁系统不仅可以保证发电机的稳定输出电压，还能提升电力系统的稳定性。这是因为，发电机励磁系统可以帮助控制电力系统的电压和频率，并抵消负载波动对电力装置稳定性的危害。

　　      励磁是指在电力系统中对发电机进行电磁激励以使其产生电能的流程。励磁系统的工作原理如下：

　　      如图3所示，在励磁机上通过电源施加直流电流，这些电流通过励磁机的线圈，在励磁机中产生磁场。这个磁场产生的磁通量通过气隙和转子，进入发电机的定子线圈。定子线圈中的磁通量和转子上的感应电动势相互功能，发生电流。这个电流在电力系统中循环，推动电机发电。

　　      如图4所示，使用静止的励磁变压器和整流器来完成励磁。交流电源输入励磁变压器，变压器将高电压降低并提供给整流器，整流器将交流电切换为直流电。直流电流通过励磁变压器的次级线圈和发电机的励磁线圈，产生磁场。励磁线圈中的磁通量和转子上的感应电动势相互功能，使发电机产生电流。

　　      通过控制励磁电流的大小和方向，可以调节发电机产生的电能的性质，例如电压和频率等。这样就能满足电力系统中对电能的不一样需求。

　　      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，如图5所示。无功负载电流是造成发电机端电压下降的详细原由，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减轻。但是为了满足用户对电能品质的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要点的举措是随无功电流的变化调整发电机的励磁电流。

　　      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转，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。当发电机与无限大功率系统并列运行时，为了改变发电机的无功容量，必须调整发电机的励磁电流。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装置的无功容量。

　　      并联运行发电机组无功容量合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特点：无调差、负调差和正调差，如图6所示。两台或多台有差调节的发电机并列运行时，按调差率大小分配无功容量。调差率小的分配的无功多，调差率大的分配到的无功少。

　　      如果发电机变压器单元在高压侧并列，由于变压器有较大的电抗，如果采用无差特性，经变压器到高压侧后，该单元就成了有差调整了。若变压器电抗较大，为使高压母线电压稳定，就要使高压母线上的调差率不至太大，这时发电机可选择负调差特点，其用途是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落，这也称为负荷补偿。 调差特点由自动电压调整器中附加的调差环节整定。与大系统联网的发电机组，调差率Ku在土(3%～10%)之间调节。

　　      并列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。大功率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。为了实现无功负载能自动分配，可以通过自动高压调整的励磁装置，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整特点的倾斜度进行调整，以实现并联运转发电机无功负载的合理分配。

　　      基于探测线圈的检测方法是通过监检测、转子之间气隙磁场的变化情形来估测运行状态或判定损坏，已经应用于三相无刷励磁机中。图7所示为在传统的内转子型三相无刷励磁机上装配的q轴探测线圈，一般将工字形组成的线圈支架安装在定子相邻的磁极之间，支架上有两根沿励磁机轴向分布的平行细柱。在这两根细柱之间绕制的多匝线圈就是q轴探测线圈。励磁机电枢绕组发生的（非同步）空间谐波磁场会在静止的q轴探测线圈中感应出电动势，通过测定q轴探测线圈电压可估测主发电机的励磁电流，清除励磁机旋转整流器输出电流（即供应给主发电机的励磁电流）不能直接检测的问题；还可以用q轴探测线圈感应电动势的幅频特性作为故障优势量，对旋转整流器的各类故障进行检查与辨识。

　　      励磁装置电路如图8所示。模拟调整器开关量输出，检验信号是否准确。给调整器发“开机”信号时，PT电压在8S内未达到30%时，发“起励失败”信号；当手动、PT断线、过励限制、强励限制、低频保护、低励限制等信号产生时，均有异样信号发出，并在面板上有相应的指示灯亮调整器功用模拟试验。

　　      在端子排上短接励磁PT（LPT）和仪表PT（YPT）（分相端接）以及系统PT（XPT）（有些设备上没有选取）。加入三相正相序的0~120V电压，以额定机组电压为基准值，每隔10V记录检测显示值。修改参数或调节测量回路的电位器，使显示值与实际值（PT二次电压）折算到侧的电压值一致。

　　      在端子排上加入三相正相序的0~5A（或0~1A）电流环保发电机组，以额定的定子电流为基准，记录测定显示值。修改数据或者调整测定回路的电位器，使显示值与实际值（CT二次电流）折算到侧的电流值一致。

　　      按照电流探头的输出电压值或电流值，在端子排上加入的0~20mA（4~20mA）的电流或0~5V的电压信号。按照电流探头的变比折算到励磁电流的实际值。修改参数或调节测定回路的电位器，使显示值与所加电压或电流折算的实际值（按照电流传感器的变比折算到励磁电流的值）折算到侧的电压值一致。

　　      斯坦福发电机励磁方式为无刷励磁式（系统接线方式如下），升压时给起励电流后，发电机电压变化不大，多次实验结果一样，用三相调压器直接加电压至励磁功率回路进行整流，输出至额定电流时发电机电压仍只到30%.励磁装备输出电流正常，达到额定电流后发电机电压仍然升不起来基本可以解除励磁损坏。经检修发现励磁机整流部分输出异样，经检测为整流二极管有损坏，消除后升压正常。

　　      国产发电机可控硅自并激励磁装置，发电机到额定转速后，运转人员在励磁调节柜上使用“开机”开关，发电机开机起励后，发电机电压表指针不动，励磁变副边电压表很快满表，随即保护动作，灭磁开关跳开，检验发现灭磁开关两个触头烧熔，灭磁开关正上方的-C相可控硅散热器被严重熏黑，继续检查发现励磁变压器高压保险（10A）三相因为来不及熔断，本体均被炸飞掉，高压保险柜被验证熏黑。

　　      经检查造成损坏的具体起因是PT电压没投入，就以“自动”方式开机升压。因为自动励磁调整器是以PT电压作为反馈量，没有检验到反馈电压，控制角一直保持在角度。励磁电流会一直上升，发电机电压一直会上升到饱和点，此时励磁电流继续增加，由于电流的增加率很大，电压会达到1.5倍以上，励磁变压器高压保险的电流和电压均超过额定值，高压保险来不及熔断南川康明斯发电机，熔断时的能量很大，超过了保险管内部吸收的极限，被炸飞掉。保险炸飞后三相之间相互拉弧造成发电机三相短路北京康明斯发电机，发电机差动保护动作，跳开灭磁开关。

　　     励磁系统作为发电机的重要构成部分，通过维持励磁电流、调节发电机的输出电压和供应短路电流等用途，保证了发电机的正常运行和电力系统的稳定性。其作业原理具体包括励磁电路的搭建、励磁调节和励磁稳定等方面。通过深入知晓励磁装置的用途和工作机理，可以更好地理解电力系统的运行原理，并且对于电力系统的运行和维保有着重要的指导目的。