专题三十三 同步电机的励磁系统（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十三 同步电机的励磁系统（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.清晰掌握同步电机励磁系统的核心概念，明确励磁系统的功能及在同步电机运行中的作用。

2.准确描述四类典型励磁系统的基本结构，能识别各系统的关键组成部件。

3.掌握同轴直流发电机励磁系统中 “同轴传动” 的实现方式及励磁电流的调节逻辑。

二、知识点梳理

一、同步电机的励磁系统

同步电机运行时,必须在励磁绕组中通人直流电,以便建立磁场,这个电流称为励磁电流，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统是同步电机的一个重要组成部分,它对电机运行有很大影响,如运行的可靠性、经济性以及同步电机的某些主要特性等都直接与励磁系统有关。

目前采用的励磁系统可分为两大类:一类是直流发电机励磁系统;另一类是交流整流励磁系统。但不论何种励磁系统,都应满足下列要求:

(1)励磁系统要有足够的功率,电流与电压均应留有一定的裕度

(2)当负载变化时,要有足够的励磁调节范围及调节的稳定性。

(3)励磁系统要简单可靠、调节方便和便于检修。

二、同轴直流发电机励磁系统

直流发电机励磁法是将一台较小的直流并励发电机与主机同装在一个轴上,直流发电机发出的直流电,直接供给交流发电机的励磁绕组,如图6-16(a)所示。直流电首先经过直流发电机的电刷流出,然后又经过一对电刷流入交流发电机的励磁绕组。当需要改变并励直流发电机的励磁电流时,直流发电机的端电压改变,主机的励磁电流就发生改变,于是主机的输出电压或输出功率发生了变化。

当电网发生故障,电网电压突然下降时,继电器保护装置动作,立即闭合短路开关S而切除电阻R,使直流励磁机输出电压迅速大幅度升高,以适应系统对同步发电机的强励要求,如图 6-16(a)所示。

对容量稍大的发电机,采用他励直流发电机作为主励磁机,主励磁机的励磁电流再由另外一台功率更小的直流励磁机供给,如图 6-16(b)所示。此种励磁方法,可以使励磁电压增长速度加快,且在低压调节时很方便,电压也较稳定。但多了一台励磁机,使设备复杂,降低了运行可靠性。

三、晶闸管整流励磁系统

晶闸管整流励磁系统也称静止交流整流励磁系统。可分为自励式和他励式两种。

1.晶闸管自励恒压励磁系统

直流励磁电流由二极管整流桥供给,与同步发电机同轴的交流主励磁机(复励变流器)是整流装置的交流电源。自励式静止晶闸管励磁系统原理图如图6-17所示。

当发电机空载时,单独由晶闸管整流桥供给励磁电流;当发电机负载时,复励变流器经硅整流桥又给发电机提供复励电流,有了复励电流,就可以在一定程度上对发电机随负载而变化的电压进行自动调节。在电网发生短路故障的情况下,电网电压突然下降时,由复励部分单独提供励磁电流,并能得到一定的强磁效果。

除此以外,图中还简要地画出了电压自动调整系统的控制线路。它由电压互感器和电流互感器分别测得电压和电流的变化,通过自动电压调整器进行比较后,输出控制信号,送至品闸管整流桥进行自动控制。

自励式晶闸管整流励磁法,是利用品闸管整流特性,把同步发电机发出的交流电用品闸管整流后供给同步机自身的励磁电流。因为晶闸管整流的输出电压是可以调整的,而且很方便,所以同步发电机的输出电压也可以方便地得到调整。这种方法的优点是不需要小型同轴发电机。缺点是需要使用一对电刷。另外,同步发电机必须有足够的剩磁。

2.晶闸管他励恒压励磁系统

他励式静止硅整流励磁系统原理图如图6-18所示,它由交流励磁机、交流副励磁机、硅整流装置和自动电压调整器等部分构成。其作用原理如下:同步发电机的励磁电流,是由与它同轴的交流励磁机经静止的硅整流器整流后供给,而交流励磁机的励磁电流则由副励磁机(国内多采用1000Hz的中频发电机)通过晶闸管整流器整流后供给。至于副磁机的磁电流,开始可由外部直流电源供给,待电压建立后,则改由自励恒压装置供给(即转为自励方式),并保持电压恒定。自动调压器跟晶闸管自励恒压系统完全一样。

为了使主发电机的励磁电流波形良好,反应速度快和减小励磁机的体积,常采用频率为100Hz的三相同步发电机作励磁机。励磁机的定子绕组为三相星形(Y)联结,通过三相硅整流桥装置对主发电机励磁绕组供电。

这种励磁系统目前在国内外大容量机组上已广泛采用,它没有直流励磁机的电流换向问题运行维护方便,技术性能良好,交流副励磁机也可采用永磁发电机,此时无需自励恒压装置。其主要缺点是整个装置较为复杂,

且启动时有时需要另外的直流电源供电。

四、同轴交流发电机励磁系统

上述静止的晶闸管整流励磁系统,虽然未采用直流励磁机,解决了换向器上可能出现的火花问题,但是主发电机还存在着滑环和电刷,不适合防腐、防爆或励磁电流过大的场合。如果我们将交流励磁机制做成旋转电枢式的三相同步发电机,使交流励磁机的电枢与主发电机同轴旋转,硅整流装置也安装在主发电机的转轴上,省去了电刷与滑环,无刷励磁系统原理图如图 6-19 所示。

这种方法是把同轴的直流发电机换成同轴的单相或三相交流发电机,此交流发电机发出的电,经硅整流装置整流后直接供给同步发电机的励磁绕组。硅整流管也固定在轴上,这就使励磁电流不经过电刷,所以称为无刷励磁。这种励磁方法的优点是无需使用电刷,消除了电刷故障,从而提高了工作的可靠性,使维护容易了。其缺点是转动部分的电压、电流难于测量。

其中,自动电压调整器系统是根据主发电机的电压偏差和电流变化自动调整交流励磁机的励磁电流,以保证主发电机输出端电压的恒定。

近年来,在较大容量汽轮发电机中,同轴交流发电机励磁系统正逐渐被推广使用。

五、三次谐波励磁系统

所谓谐波励磁,实际上是利用发电机气隙磁场中的三次及其整数倍次谐波进行自励磁,通常简称谐波励磁。

凸极式同步电机主磁极的励磁绕组大多为集中式的,因而在空载时,其主磁极在空间的磁场分布为一矩形。更由于极靴下气隙不均等,所以主磁场呈现的波形为一平顶波,或称矩形波。

这平顶波可分解为一个正弦基波和一系列奇次谐波,其中以三次谐波含量最大。凸极电机主磁极磁场的波形如图6-20所示。

在发电机的定子槽中专门嵌放一套谐波绕组,其绕组元件的节距取极距的1/3,每极下三个绕组元件串联在一起成为一个元件组。因为谐波绕组各元件间相隔60°电角度,发电机在额定转速下,基波在谐波绕组中的电动势之和为0,而谐波绕组产生3/的交流电动势,经整流后,供给发电机励磁绕组,如图6-21所示。

这种方法的优点是,提高了发电机的效率,利用三次谐波,节约了设备投资。当发电机负载发生变化时,三次谐波的电动势也随之发生变化,能起到自动稳定电压的作用。三次谐波绕组是静止的,整流设备的安装和维修比较容易,所以这种励磁方法在小容量的机组上多被采用。

同步电动机是用电设备,常用的励磁方式为直流发电机励磁和晶闸管整流励磁(无刷励磁)。

三、真题练讲

1.（2021年河北省统一考试）晶闸管整流励磁系统中，晶闸管的导通角越大，意味着（ ）

A. 整流输出的直流电压越高，励磁电流越大