勵(lì)磁系統(tǒng)——柴油發(fā)電機(jī)組總體構(gòu)造與維修基礎(chǔ)

供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)性能的好壞和運(yùn)行的可靠性，直接影響同步發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量及運(yùn)行的可靠與穩(wěn)定性。

2.3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)的組成與要求

1.勵(lì)磁系統(tǒng)的組成

同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組需要直流電源提供直流電流方能建立恒定的磁場(chǎng)。要維持發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中輸出電壓恒定，還必須隨著負(fù)載變化及時(shí)地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小。以上是同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行的基本任務(wù)。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)由兩部分組成：勵(lì)磁功率源(單元)——向同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供直流勵(lì)磁電流;勵(lì)磁調(diào)節(jié)器——根據(jù)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元輸出的勵(lì)磁電流的大小，以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)運(yùn)行的要求。勵(lì)磁系統(tǒng)組成方框圖如圖2-22所示。由同步發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)共同組成勵(lì)磁控制系統(tǒng)，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的電壓、電流或其它參數(shù)的變化，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁功率源施加控制作用。

圖2-22 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成方框圖

文章出自《柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)用技術(shù)技能》

作者：楊貴恒、張海呈、張壽珍、鐘進(jìn) 化學(xué)工業(yè)出版社出版

老式勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁功率單元是直流發(fā)電機(jī)，稱(chēng)為直流勵(lì)磁機(jī)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)多采用機(jī)電型或電磁型調(diào)節(jié)器。隨著同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大以及大功率半導(dǎo)體元件的廣泛應(yīng)用，以半導(dǎo)體整流器為勵(lì)磁功率單元和由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器共同組成的勵(lì)磁系統(tǒng)，即所謂半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)，應(yīng)用非常普遍。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)也逐步向集成化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多公司和單位都在積極研制以微型計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器)，并且在柴油發(fā)電機(jī)組上成功地得到了應(yīng)用。由于微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件簡(jiǎn)單、軟件豐富、性能優(yōu)良、運(yùn)行調(diào)試方便并能方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制規(guī)律和多種功能，再加之價(jià)格逐年降低，微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

2.勵(lì)磁系統(tǒng)的要求

同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)與電子技術(shù)的發(fā)展是緊密聯(lián)系在一起的。為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)同步發(fā)電機(jī)提出的標(biāo)準(zhǔn)和要求，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)具備如下性能：

(1)具有足夠的勵(lì)磁功率，在發(fā)電機(jī)空載和滿(mǎn)載時(shí)能提供所需的勵(lì)磁電流;

(2)具有良好的反應(yīng)特性，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)有高的穩(wěn)態(tài)電壓精確度，勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出特性與發(fā)電機(jī)本身的調(diào)節(jié)特性應(yīng)力求一致，在發(fā)電機(jī)負(fù)載變化或發(fā)生短路時(shí)，能及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以維持發(fā)電機(jī)輸出電壓基本不變，并使保護(hù)裝置可靠動(dòng)作;

(3)具有一定的強(qiáng)勵(lì)能力，因某種原因造成發(fā)電機(jī)輸出電壓嚴(yán)重下降或起動(dòng)相近容量的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)快速提供足夠大的勵(lì)磁電流，使電壓迅速回升到給定值;

(4)勵(lì)磁裝置應(yīng)運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、使用維護(hù)方便。

2.3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類(lèi)

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可由直流勵(lì)磁機(jī)直接供給，也可由交流勵(lì)磁機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的輔助繞組(付繞組)或發(fā)電機(jī)輸出端等的交流電壓經(jīng)可控或不可控整流器整流后供給。按勵(lì)磁功率供電方式可分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩大類(lèi)：由同步發(fā)電機(jī)本身以外的電源提供其勵(lì)磁功率的，稱(chēng)他勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng);由發(fā)電機(jī)本身提供勵(lì)磁功率的，稱(chēng)自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)。因此，凡是由勵(lì)磁機(jī)供電的，都屬于他勵(lì)式，凡由發(fā)電機(jī)輸出端或發(fā)電機(jī)的輔組繞組供電的，都屬于自勵(lì)式。如圖2-23所示列出了中小型同步發(fā)電機(jī)常用的勵(lì)磁系統(tǒng)分類(lèi)。下面我們對(duì)各種勵(lì)磁系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和接線圖分別進(jìn)行介紹。

圖2-23 中小型同步發(fā)電機(jī)常用勵(lì)磁系統(tǒng)分類(lèi)

1.他勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)

(1)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

這是交流同步發(fā)電機(jī)采用的傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)。直流勵(lì)磁機(jī)一般又有同軸式和背包式兩種型式。如圖2-24所示為手動(dòng)調(diào)節(jié)的直流勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖，勵(lì)磁機(jī)為并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)變阻器，改變勵(lì)磁機(jī)的輸出電壓，以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流，從而改變同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

圖2-24 手動(dòng)調(diào)節(jié)的直流勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

GS-同步發(fā)電機(jī);L-同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組;G-直流發(fā)電機(jī);rpf-手調(diào)電阻;F-直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組

如圖2-25所示為具有半導(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)器的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。自動(dòng)工作時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由自動(dòng)調(diào)節(jié)器按同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)由同步發(fā)電機(jī)的輸出端取得。過(guò)去在直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁回路中串入碳阻式調(diào)節(jié)器代替手調(diào)電阻，現(xiàn)在已被可控硅半導(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)器所代替。

圖2-25 具有半導(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)器的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

ZLT-半導(dǎo)體自動(dòng)調(diào)節(jié)器;KGZ-可控硅整流器;LB-勵(lì)磁變壓器(其它符號(hào)同前)

直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：勵(lì)磁電源獨(dú)立，接線簡(jiǎn)單，在合理使用和細(xì)心維護(hù)下，運(yùn)行比較可靠。但因直流勵(lì)磁機(jī)體積大，制造成本高，容易產(chǎn)生故障，而且調(diào)節(jié)反應(yīng)速度慢，目前已逐漸被半導(dǎo)體整流勵(lì)磁所取代。

(2)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式(采用與主機(jī)同軸的交流發(fā)電機(jī)作為交流勵(lì)磁電源)

交流勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)小容量的同步發(fā)電機(jī)，這種勵(lì)磁系統(tǒng)，其同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率由交流勵(lì)磁機(jī)供給。交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)硅二極管或可控硅進(jìn)行整流，供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流。這類(lèi)勵(lì)磁系統(tǒng)由于交流勵(lì)磁電源取自主機(jī)之外的其他獨(dú)立電源，故也稱(chēng)為他勵(lì)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)(包括他勵(lì)硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)和他勵(lì)可控硅整流器勵(lì)磁系統(tǒng))，簡(jiǎn)稱(chēng)他勵(lì)系統(tǒng)。同軸的用作勵(lì)磁電源的交流發(fā)電機(jī)稱(chēng)為交流勵(lì)磁機(jī)(也稱(chēng)同軸輔助發(fā)電機(jī))。

這類(lèi)勵(lì)磁系統(tǒng)，按整流器是靜止還是旋轉(zhuǎn)，以及交流勵(lì)磁機(jī)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)或電樞旋轉(zhuǎn)的不同，又可分為下列四種勵(lì)磁方式：

①交流勵(lì)磁機(jī)(磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式)加靜止硅整流器;

②交流勵(lì)磁機(jī)(磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式)加靜止可控硅;

③交流勵(lì)磁機(jī)(電樞旋轉(zhuǎn)式)加旋轉(zhuǎn)硅整流器;

④交流勵(lì)磁機(jī)(電樞旋轉(zhuǎn)式)加旋轉(zhuǎn)可控硅。

上述③、④兩種方式，硅整流元件和交流勵(lì)磁機(jī)電樞與主軸一同旋轉(zhuǎn)，直接給主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組供勵(lì)磁電流，不但取消了直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)中的換向器-電刷結(jié)構(gòu)，而且取消了與同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組相連的集電環(huán)-電刷結(jié)構(gòu)，故稱(chēng)為無(wú)刷勵(lì)磁(又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)勵(lì)磁或旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體勵(lì)磁)方式。交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組固定不動(dòng)，其接線如圖2-26所示。有的發(fā)電機(jī)在定子上設(shè)置一個(gè)沒(méi)有勵(lì)磁繞組的磁極，它是用優(yōu)質(zhì)的永磁材料制成，作為初始磁場(chǎng)起勵(lì)建壓。圖2-26所示的接線圖是目前小型機(jī)組常用的一種接線方式。

圖2-26 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

1-交流勵(lì)磁機(jī);F-交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組;GZ-硅整流器(其它符號(hào)同前)

無(wú)刷勵(lì)磁由于取消了滑環(huán)、電刷，消除了電氣上最易發(fā)生故障的滑動(dòng)接觸，從而大大提高了運(yùn)行可靠性，并使維護(hù)工作顯著減小，同時(shí)整機(jī)的體積小，總長(zhǎng)度縮短。因此，它是勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展方向之一?，F(xiàn)階段有很大部分的柴油發(fā)電機(jī)組采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

上述①、②兩種方式為交流勵(lì)磁機(jī)電樞和整流器不動(dòng)，交流勵(lì)磁機(jī)的磁極旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁方式，在柴油發(fā)電機(jī)組上很少采用，這里不再介紹。

2.自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)(采用變壓器作為交流勵(lì)磁電源)

勵(lì)磁功率由同步發(fā)電機(jī)本身供給的勵(lì)磁系統(tǒng)稱(chēng)自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)(或稱(chēng)為自勵(lì)整流勵(lì)磁系統(tǒng))。在他勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)中，交流勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，而在自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁變壓器和整流器等都是靜止元件，故自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)又稱(chēng)為全靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。

自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)可分為下列幾種形式。

(1)自并勵(lì)系統(tǒng)

僅由同步發(fā)電機(jī)電壓取得勵(lì)磁功率的自勵(lì)系統(tǒng)，稱(chēng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)(或簡(jiǎn)稱(chēng)自并勵(lì))。如圖2-27所示為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的接線圖。同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，經(jīng)勵(lì)磁變壓器變換到所需電壓后(低壓小容量機(jī)組有的直接從機(jī)端引入;有的由同步發(fā)電機(jī)的輔助繞組發(fā)出的交流電)，由可控硅或電力二極管整流變成直流，供給勵(lì)磁繞組建立磁場(chǎng)。自動(dòng)調(diào)節(jié)器按發(fā)電機(jī)輸出電壓變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。

圖2-27 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

圖2-28 交流側(cè)并聯(lián)復(fù)合不可控勵(lì)磁系統(tǒng)

LH-勵(lì)磁變流器;DK-電抗器(其它符號(hào)同前)

(2)自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

由同步發(fā)電機(jī)的電壓和電流兩者取得勵(lì)磁功率的自勵(lì)系統(tǒng)，稱(chēng)為自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。按勵(lì)磁電流復(fù)合位置又有直流側(cè)復(fù)合方式和交流側(cè)復(fù)合方式。中小容量柴油發(fā)電機(jī)組主要是交流側(cè)并聯(lián)復(fù)合不可控勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖2-28所示。勵(lì)磁變壓器串接一個(gè)電抗器后與勵(lì)磁變流器并聯(lián)，兩者的輸出先復(fù)合疊加，然后經(jīng)硅整流器整流后供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。這種勵(lì)磁系統(tǒng)由于能反應(yīng)發(fā)電機(jī)的電壓、電流及功率因數(shù)，亦稱(chēng)不可控相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。

如果除了并聯(lián)的勵(lì)磁變壓器外還有與發(fā)電機(jī)定子電流回路串聯(lián)的勵(lì)磁交流器(或串聯(lián)變壓器)，二者結(jié)合起來(lái)，則構(gòu)成所謂自復(fù)勵(lì)方式。結(jié)合的方案有四種：

①直流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式;

②直流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式;

③交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式;

④交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式。

3.諧波勵(lì)磁系統(tǒng)

除了他勵(lì)和自勵(lì)兩類(lèi)主要的半導(dǎo)體勵(lì)磁方式外，還有一種介乎兩者之間的所謂諧波勵(lì)磁系統(tǒng)。在主發(fā)電機(jī)定子槽中嵌有單獨(dú)的附加繞組，稱(chēng)為諧波繞組。利用發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中的諧波分量，通常是利用三次諧波分量，在附加繞組中感應(yīng)諧波電勢(shì)作為勵(lì)磁裝置的電源，經(jīng)半導(dǎo)體整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。如圖2-29所示。諧波勵(lì)磁方式有一個(gè)重要的有益的特性，即諧波繞組電勢(shì)隨發(fā)電機(jī)負(fù)載變動(dòng)而改變。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增加或功率因數(shù)降低時(shí)，諧波繞組電勢(shì)隨之增高;反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載減小或功率因數(shù)增高時(shí)，諧波繞組電勢(shì)隨之降低。因此諧波勵(lì)磁系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)特性。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路時(shí)，諧波繞組電勢(shì)增大，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)磁。這種勵(lì)磁方式的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、快速。

圖2-29 三次諧波勵(lì)磁接線圖(圖中的1為三次諧波繞組)

4.各種勵(lì)磁方式的性能比較

各種勵(lì)磁方式的性能比較見(jiàn)表2-4所示。

表2-4 各種勵(lì)磁方式的性能比較

2.3.3 半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

在半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁功率單元為半導(dǎo)體整流裝置及其交流電源，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則采用半導(dǎo)體元件、固體組件及電子線路組成。早期的調(diào)節(jié)器只反應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓偏差，進(jìn)行電壓校正，通常稱(chēng)其為電壓調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)壓器)?，F(xiàn)在的調(diào)節(jié)器可綜合反應(yīng)包括電壓偏差信號(hào)在內(nèi)的多種控制信號(hào)，進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，故稱(chēng)為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。顯然，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器包括了電壓調(diào)節(jié)器的功能。下面對(duì)半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器作一簡(jiǎn)要介紹。

1.勵(lì)磁控制系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，它控制發(fā)電機(jī)的電壓及無(wú)功功率。另外，調(diào)速系統(tǒng)控制原動(dòng)機(jī)及同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(頻率)和有功功率。勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組的主要控制系統(tǒng)，如圖2-30(a)所示。勵(lì)磁控制系統(tǒng)是由同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)共同組成的反饋控制系統(tǒng)，其框圖如圖2-30(b)所示。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要部分，一般由它感受發(fā)電機(jī)電壓的變化，然后對(duì)勵(lì)磁功率單元施加控制作用。在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒(méi)有改變給出的控制命令以前，勵(lì)磁功率單元不會(huì)改變其輸出的勵(lì)磁電壓。

圖2-30 發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

2.對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求

(1)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)具有高度的可靠性，并且運(yùn)行穩(wěn)定。這在電路設(shè)計(jì)、元件選擇和裝配工藝等方面應(yīng)采取相應(yīng)的措施。