同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司
利用三次谐波分量，在附加绕组中感应出的谐波电势，作为励磁装置的电源，经半导体整流后供给发电机本身的励磁。谐波励磁方式有一个重要的有益的特性，即谐波绕组电势随发电机负载变动而改变。当发电机负载增加或功率因数降低时，谐波绕组电势随之增高；反之，当发电机负载减小或功率因数增高时，谐波绕组电势随之降低。因此，这种谐波励磁系统具有自调节特性，与发电机具有复励的作用相似。当电力系统中发生短路时，谐波绕组电势增大，对发电机进行强励。这种励磁方式的特点是，简单、可靠、快速。国内一些制造单位曾分别在2.5万KW及以下的小容量机组上进行研究试验。有些问题，例如不同的发电机三次谐波绕组及发电机参数应如何合理选择等，还待进一步研究。谐波励磁方式，在我国一些小容量发电机上已经采用。
另外，励磁系统方式还包括P棒励磁，直流励磁机励磁等其他方式。
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第二章 发电机励磁系统的组成原理 §2-1 励磁系统的配置 2.1.1、自并激励磁系统的基本配置 自并激静止励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压保护与灭磁装置等组成。图2-1为南瑞电气控制公司FWL/B型静止励磁系统的接线原理框图。 初励控制部分 AC380V励磁变压器机端电压机端电压仪用PT励磁PT定子CT定子电流湛江奥里油600MW汽轮发电机励磁系统图转子电流CT同步电压同步电压 图2-1FWL/B型静止励磁系统接线原理图 - 10 - 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司
1) 励磁变压器
励磁变压器为励磁系统提供励磁能源。对于自并激励磁系统的励磁变压器，通常不设自动开关。高压侧可加装高压熔断器，也可不加。
励磁变压器可设置过电流保护、温度保护。容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。大多小容量励磁变压器一般自己不设保护。变压器高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内。
早期的励磁变压器一般都采用油浸式变压器。近年来，随着干式变压器制造技术的进步及考虑防火、维护等因素的影响，一般采用干式变压器。对于大容量的励磁变压器，往往采用三个单相干式变压器组合而成。励磁变压器的联接组别，通常采用Y/△组别，Y/Y—12组别通常不用。与普通配电变压器一样，励磁变压器的短路压降为4%～8%。 2) 可控硅整流桥
自并激励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法。这种接法的优点是半导体
元件承受的电压低，励磁变压器的利用率高。三相桥式电路可采用半控或全控桥方式。这两者增强励磁的能力相同，但在减磁时，半控桥只能把励磁电压控制到零，而全控桥在逆变运行时可产生负的励磁电压，把励磁电流急速下降到零，把能量反馈到电网。在当今的自并激励磁系统中几乎全部采用全控桥。
可控硅整流桥采用相控方式。对三相全控桥，当负载为感性负载时，控制角在0～90
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之间为整流状态（产生正向电压与正向电流）；控制角在90～150（理论上控制角可以达到180考虑到实际存在换流重叠角，以及触发脉冲有一定的宽度，所以一般最大控制角取150）之间为逆流状态（产生负向电压与正向电流）。因此当发电机负载发生变化时，通过改变可控硅的控制角来调整励磁电流的大小，以保证发电机的机端电压恒定。
对于大型励磁系统，为保证足够的励磁电流，多采用数个整流桥并联。整流桥并联支路数的选取原则为：（N+1）（也有采用N+2的，但考虑到现在可控硅以及可控硅整流桥制造技术的日益成熟，采用2桥冗余似乎已经没有必要）。N为保证发电机正常励磁的整流桥个数。即当一个整流桥因故障退出时，不影响励磁系统的正常励磁能力。 3) 励磁控制装置
励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路。对于大型机组的自并激励磁系统中的自动电压调节器，多采用基于微处理器的微机型数字电压调节器。励磁调节器测量发电机机端电压，并与给定值进行比较，当机端电压高于给定值时，增大可控硅的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值。当机端电压低于给定值时，减小可控硅的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。
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4) 灭磁及转子过电压保护
对于采用线性电阻或采用灭弧栅方式灭磁时，须设单独的转子过电压保护装置。而采用非线性电阻灭磁时，可以同时兼顾转子的过电压保护。因此，非线性电阻灭磁方式在大型发电机组，特别是水轮发电机组中得到了大量应用。国内使用较多的为高能氧化锌阀片；而国外使用较多的为碳化硅电阻。
§2-2 励磁调节器基本组成原理
2.2.1、 微机励磁调节器的基本工作原理
早期的励磁调节器无论是银针式、碳阻式还是磁盘式，都属于电磁反馈式的控制器，都是通过引入发电机机端电压和电流的方式实现电磁式反馈，从而改变发电机磁场回路电阻的大小，进而改变发电机的励磁电流，以保持发电机机端电压在设定值附近。
随着计算机的快速发展，发电机励磁调节器在不断发展和完善，当今的励磁调节器大多已经采用微机作为硬件的载体，它已经不再单纯地提供自动调节功能，在励磁调节器的内部同时提供了手动调节功能、开环控制功能或称纯手动功能。励磁调节器运行在自动方式和手动方式的基本工作原理相同，即通过比较测量反馈值与参考值（有别于设定值）的误差，计算出控制电压（自动方式下还经过一个欠励限制环节），再经过转子电压反馈产生可控硅的控制角，输出相对于同步电压理想自然换流点有一定相位滞后的触发脉冲。 2.2.2、微机励磁调节器的自动调节功能
励磁调节器自动方式的闭环控制对象为机端电压。当调节器运行在自动方式且没有发生欠励限制时，如果发电机的机端电压高于参考值，则调节器减小控制电压，进而增大可控硅的控制角，使得发电机转子电压下降，减小发电机励磁电流，使发电机机端电压回到参考值；如果发电机机端电压低于参考值时，调节器增大控制电压，进而减小可控硅的控制角，使得发电机转子电压上升，增大发电机励磁电流，维持发电机机端电压为参考值。其控制简图如图2-2所示。图中Ugset为发电机机端电压设定值，Ugact为发电机端电压实际值，Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T c为发电机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间常数，PI为比例-积分控制，TSCR、Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和发电机等效时间常数。
Ugset定子电流限制器V/F限制器过励限制器11+T SF调差（无功电流补偿）-Uk欠励限制器-Ugact11+T SCVs电压控制器PIM11+T SSCR11+T SgUs
图2-2发电机励磁调节器自动控制原理简图
2.2.3、微机励磁调节器的手动调节功能
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励磁调节器手动调节的闭环控制对象为励磁电流。当调节器运行在手动方式时，如果发电机的励磁电流高于设定值，则调节器减小控制电压，既增大可控硅的控制角，进而减小发电机励磁电流，使发电机励磁电流回到设定值；如果发电机励磁电流低于设定值时，调节器增大控制电压，既减小可控硅的控制角，增大发电机励磁电流，维持发电机励磁电流为设定值。其控制简图如图2-3所示。图中Ifset和Ifact分别表示发电机转子电流的设定值和实际值。
11+T SF-IFsetUk励磁电流限制器-IFset11+T SC'Vs电流控制器PIM11+T SSCRUFD11+T SgUg
图2-3发电机励磁调节器手自动控制原理简图
当励磁调节器工作在自动方式时，还有许多辅助限制保护功能（如图2-2所示）。励磁控制的参考值已不再仅仅是励磁控制的设定值，而是综合考虑了发电机定子电流限制、V/F限制以及调差（无功电流补偿）等作用后的参考值。这一参考值与发电机端电压的误差再与发电机的欠励限制值做比较取其中的较大者（模型中的高值门）作为电压控制器的输入。
由于采用了微机作为励磁控制器的载体，早期的那些通过硬件才能够实现的比较、限制、保护等功能已经不再需要专门的硬件，都可以通过软件来方便灵活地实现，因此使得励磁控制器的硬件大为简化，可靠性得到大幅度提高。同时，由于采用软件代替硬件使原先半导体器件存在的零漂、电位器的不准确性、电容参数的变化等等问题不复存在，也使得励磁控制的调试维护工作变得方便、容易。 2.2.4、微机调节器的主要组成部分
随着微机技术的发展，除去因为接口等方面增加带来硬件复杂程度上升外，励磁调节器的硬件逐渐被简化，这主要因为，原先需要通过硬件来实现的许多功能已经完全可以由软件来实现，而只需要提供足够充分的模拟量信息接口，并把这些信息转换成计算机可以接受的模拟量信号并进行采样，然后把采样的信息存放在一些变量中，供计算机使用即可。
可见，当今的励磁调节器，除了电源模块、CPU模块、模拟量和开关量接口模块以及励磁调节器必要的脉冲放大电路几乎已不再需要特殊的外围电路。
调节器的核心硬件包括：模拟信号的数字化采样回路、CPU的控制运算和逻
辑判断回路以及数字式的移相触发回路。还有一些辅助的电源回路等，具体简介如下：
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