发电机励磁控制要求、运转状态及特性实验

摘要：作为发电机励磁装置的两大结构部分，励磁调整器的详细任务是检修和综合系统运行状态的信息，发生相应的控制信号，经放大后控制励磁容量单元，以得到所要求的发电机励磁电流。而发电机励磁容量单元向同步发电机提供直流电流，除自并励励磁方法外，通常是由励磁机担当的。因此，对励磁装置的控制对发电机而言是至关重要的。康明斯公司在本文重点介绍了发电机对励磁控制的根本要求和运行状态，以及浅析了

电力装置中运转的同步发电机，其运转特性与空载电动势Eq密切相关，而空载电动势Eq是发电机励磁电流Ifd的函数（发电机的空载特性），故而改变励磁电流就可改变同步发电机在装置中的运转特点。因此，对同步发电机励磁电流进行调节是同步发电机运行中的一个重要内容。实际上，同步发电机在正常运转、装置产生故障情形下，励磁电流都要进行调整。发电机正常运行进行励磁电流调节，可维持机端电压或系统中某点电压水平，并使发电机组间无功容量达到合理分配；系统发生故障情况下的励磁电流调整柴油发电机一览表，可增强系统运转稳定性。因此，同步发电机励磁电流进行自动调节，不仅可提升电能质量，合理分配发电机组间无功容量，而且还可提升系统运转稳定性。励磁电流的自动调整是由同步发电机自动励磁调整装置实现的，励磁调整装置简称为aER（电压调节器）。

同步发电机的励磁调整系统是同步发电机的一个重要构成部分，它一般由两部分结构：第一部分是励磁容量单元，它向同步发电机的励磁绕组供应可靠的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器（电压板），它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调整控制励磁功率单元输出的励磁电流。整个励磁装置是由励磁调整器、励磁容量单元和发电系统成的一个反馈控制装置，如图1所示康明斯发电机型号参数。现代同步发电机一般采用永磁发电机来代替传统励磁发电机，机理如图2所示。

（2）励磁调整器应能合理分配发电机组的无功功率，为此，励磁调整器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10％以内进行调节。

（3）励磁调节器应能迅速反应装置故障，具备强行励磁等控制功用以提升暂态稳定和改进装置运转条件。

在电力装置运转中，发电机依靠励磁电流的变化进行装置的电压和本身无功功率的控制。因此，励磁装置应具有足够的调节容量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。

从改良电力装置的运转因素和提高电力装置暂态稳定性来看，希望励磁容量单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。强励倍数与励磁电压响应比是反映励磁系统强励性能的两项重要技术规格。

发电机的励磁控制系统均应有强励功能，即当机端电压减少到一定程度时，为了增备用发电机力系统暂态稳定性，以较快的转速将发电机的励磁电压升高到顶值。

励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁期间可能供应的较高输出电压值Ufd.max。该值与额定工况下励磁电压Ufd.N之比为强励倍数。

强励倍数高，可使Eq升高，使输出功率增加，从而增大减速转矩，使功角δ摆动较大幅度减轻，有利于暂态稳定。强励倍数通常取1.6～2，它具体受到造价和组成的制约。

励磁电压响应比是说明发电机转子磁场建立过程的粗略参数，反映了励磁机磁场建立速度的快慢。

早期直流励磁机励磁系统将励磁电压在较初0.5s内上升的平均转速定义为励磁电压响应比，如图3所示。即使图中阴影部分的面积和Δacb面积相等所确定的ac线的斜率。图中取额定工况下的励磁电压值Ufd.N为强行励磁初始值，所以励磁电压响应比可以定义为

现在一般大功率发电机组往往采用快速励磁装置，用响应时间作为动态性能评定指标。励磁装置电压响应时间是指：发电机励磁电压为额定励磁电压Ufd.N，从施加阶跃信号起至励磁电压达到0.95（Ufd.max-Ufd.N）所花费的时间，该时间通常要小于0.1s。快速励磁装置励磁电压变化曲线所示。

励磁装置电压响应时间小于或等于0.1s的励磁系统，称为高起始响应的励磁装置。静止晶闸管励磁系统属于高起始响应的励磁系统。另外，对励磁装置还要求应有足够的强励持续时间，采用晶闸管励磁时，通常为10～20s；应有足够的电压调整精度与电压调节范围，应能保证同步发电机端电压静差率小于1％；当发电机内部故障或停机时，快速动作的灭磁性能可迅速将磁场减轻到较低，**发电机的安全。

图3 发电机励磁装置电压变化曲线 快速励磁装置电压变化曲线图

与其它发电机一样，同步发电机也是可逆的，既可作发电机运行，亦可作发电机运行。设一台隐极同步发电机并车运转于无穷大大电，处于发电机状态，示意图如图5所示，相量图如图6所示。

em变为负值，表明发电机要从大电吸收一部分电容量，与柴油发电机输入功率一起与空载损耗平衡，以维持转子的同步旋转。如果再拆去柴油发电机，就变成了空转的同步发电机，空载损耗必须全部由市电输入的电功率供给。如果在发电机轴上再加上机械负荷，则负值的θ角和Pem会更大，θi亦为负值。主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质、拖动轴上机械负载一道旋转，发电机进入发电机运转状态，将大电输入的电能切换成机械能。此时发电机的相量图如图6（c）所示。

从上解析可知，从发电机状态进入发电机状态的程序中，功率角θ和电磁容量Pem均由正值变为负值，电磁转矩由制动性质变为驱动性质，机电能量转换程序也产生了逆变。

国家标准GB1029对三相同步发电机的实验途径作了具体规定，适用于普通三相同步发电机的型式实验或检测实验。通过实验可以确定该电机各性能指标。各种电机的效率和电压调整率均在部颁标准的相应技术因素中有主要规定，将实验结果与标准规定参数比较即可确定某同步发电机的质量和性能了。

根据开路特点曲线，并在图上作F点，F点的纵坐标为额定电压，横坐标为零功率因数特征上对应于于额定电枢电压.额定电枢电流的励磁电流通过通过F点作平行于横轴的直线CF，取CF的长度等于三相稳态短特点曲线上对应于额定枢电流的励磁电流Ifk康明斯发电机参数表，自点C作直线平行于开路特征的直线部分于开路特征交于H，自CF作的垂线HK交CF于K，线段

HK的长度即为额定电枢电流时在保梯电流电抗Xp上的压降△Up，则保梯电抗Xp，可按下式计算：

（公式3） 若用标么值绘制开路特征曲线时，则，即可直接得出线段的长度代表励磁电流。

通过以上试验，可以得出三相同步发电机的试验结论。该结论可作为三相同步发电机出厂前的质量评定依据，也可以用于现场检测和故障分析。总之，GB/T1029-2021标准中关于三相同步发电机试验措施的规定十分具体，试验人员在进行试验时应严格按照标准要求执行，以确保试验结果的正确性和可靠性。