电机励磁方式及原理

电机励磁方式

旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。

一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。

他励

由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。

他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。

自励利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自

励时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。但如果原先电机内部没有磁场,它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。所以实现自励的条件是电机内部必须有剩磁。

自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。并励发电机进行自励的条件和起励过程如图1和图2所示。图1是并励直流发电机的原理接线图。图2为其起励过程。其中曲线1为发电机的磁化曲线Φ＝f(If)。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E 0=f(If)，即电机的感应电动势与励磁电流If 之间的关系。而曲线2为励磁回路的电阻特性U＝If·∑R,它表示励磁电流与电机电压之间的关系。它实际是一条斜率为ΣR的直线。其中∑R 为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。

电机自励的过程如下：电机以某一速度п旋转时,由于电机中有剩磁，会在电枢绕组中感应电动势Er。在此电动势作用下，在励磁回路中会产生一个励磁电流If1。如励磁绕组接法正确，If1所产生的磁通势将使电机中的磁场加强，电枢绕组中感应电动势进一步增加到E1，使励磁电流又将增大到If2。如此相互促进，直至电机空载特性和电阻特性的交点A。在这一点上,电机的端电压为U0，它所产生的励磁电流为If1，而在这个励磁电流If1下，电机产生的电动势正好为U0，电机就稳定工作在这一点。如果增大励磁回路的电阻∑R，电阻特性的斜率将增大，它与空载特性的交点下移，发电机的输出电压就下降。当电阻增大到某一临界值∑Rcr时，电阻特性3与发电机空载特性几乎相重合。此时电机电压将不确定。若电机温度和运行条件有一点变化，电压就会大幅度变化。如进一步增大电阻，发电机就不能自励建立电压。在要求电压能大范围调节的场合，如同步发电机的励磁机，可在磁极钢片中开一个小槽，使磁路中出现狭窄区域。这些区域在比较小的磁通下就开始饱和，使电机的空载特性变得比较弯曲（图3）,这样励磁回路电阻特性能在较大范围内和空载特性确定相交，从而获得较广的调压范围。

发电机在带负载时，负载电流在电机内阻上的电压降会使端电压下降。对于自并励电机，端电压的下降使励磁电流减少而导致电机端电压的进一步下降,如

图4曲线1所示。为了克服这个缺点,发电机常采用复励，即除了并励绕组以外，再加一个串励绕组，串励绕组和负载电路串联。随着负载的增加，串励绕组的磁通势增大，使电机的感应电动势相应地增加，以补偿负载电流在内阻上的电压降，从而使电机的端电压能基本保持平稳，如图4曲线2所示。

异步发电机的自励

交流励磁的异步发电机也可以进行自励。其交流励磁电流须由电容器供给,利用LC 并联谐振的原理建立电压。与直流发电机一样，要实现自励，电机铁心中必须有剩磁，利用剩磁在电枢绕组中产生电动势对电容负载供电，输出容性电流。由于输出相位超前的容性电流，相当于输入滞后的感性电流，它具有助磁作用，使电机气隙磁场加强，从而增大电机的感应电动势和容性电流。最后由于磁路饱和的影响，电机的电压稳定在空载特性和电容特性的交点上（图5）。它建立电压的过程与自励直流发电机十分相似。只是用电容特性代替了电阻特性。电容特性的斜率为。为保证异步发电机能自励建压，需要有足够的电容，当电容小到临界值Ccr 时,电容特性与无载特性重合，电机就不能稳定发电。再减小电容，电机就不能自励建立电压。

同步电机的励磁励磁系统除了应该能维持电机电压以外,还有其他一系列要求,如在调节系统的无功功率和在电力系统发生突然短路、突加负载及甩负载时，能对电机强行励磁或强行减磁，以提高电力系统运行的稳定性和可靠性，当电机内部发生短路事故时能对电机快速灭磁，以防止事故扩大，避免电机进一步损坏等。所以同步电机的励磁系统比较复杂，种类繁多，其分类列于表。

同步电机励磁系统的分类如下：

同步电机的励磁系统由励磁电源、手动调节装置、自动励磁调节器和灭磁装置等组成。励磁电源也分为自励式和他励式两大类。他励式设备比较庞大，但调节性能较好，而自励式电源比较简单，但是当电力系统发生故障，电网电压严重下降时，其励磁电流可能反而减少，使电网电压情况更为恶化。励磁电压影响电机运行的稳定性，为此必须采取适当的设备保护措施。

自励式励磁电源取自同步电机内部的辅助绕组或直接取自同步电机本身的出线端。同步电机自励式励磁系统中，自动励磁调节器是重要部件。它的作用是当同步电机的端电压和无功功率发生变化时，能根据电压量测比较单元和无功补

偿（调差）单元送回的反馈信号，自动地控制励磁机或其他励磁供电电源的输出电流，达到自动调节端电压和无功功率的目的。此外，调节器中还有一些辅助调节装置，例如用以限制发电机某些运行量（如转子电流，定子电流等）的限制单元；通过引入转速或频率等附加信号来改善电子系统动态性能的稳定单元和其他补偿单元等。此外，还有灭磁装置，它是在电机内部发生短路时,使电机的励磁电流迅速衰减到零,从而使电机的感应电动势降到很低，以避免进一步损坏。

电动机的励磁原理

利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。同步发电机由定子和转子两部分组成。定子是发出电力的电枢，转子是磁极。定子由电枢铁芯，均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。转子通常为隐极式，由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心环等组成。汽轮发电机的极数多为两极的，也有四极的。

转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内感应出三相交流电势。发电机带对称负载运行时，三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用，会产生制动转矩。从汽轮机输入的机械转矩克服制动转矩而作功。发电机可发出有功功率和无功功率。所以，调整有功功率就得调节汽机的进汽量。转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压，所以，调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。

发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率。有功功率和视在功率之比称为发电机的功率因数（力率），发电机的额定功率因数一般为0.85。

供给发电机转子直流建立转子励磁的系统称为发电机励磁系统。大型发电机励磁方式分为：①它励励磁系统；②自并激励磁系统。它励励磁是由一台与发电机同轴的交流发电机产生交流电，经整流变成直流电，给发电机转子励磁。自并激励磁是将来自发电机机端的交流电经变压器降压，再整流变成直流电，作为发电机转子的励磁。

电磁调速异步电动机（滑差电机）电磁调速异步电动机又称滑差电机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。由于它具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点。

电磁调速异步电动机结构与工作原理

电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。电磁滑差离合器包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是：异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。1-原动机 2-工作气隙 3-主轴 4-输出轴 5-磁极 6-电枢电磁滑差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示： n=n0-KT2/I4f 式中：n0－离合器主动部分（鼠笼电动机）的转速； n－离合器从动部分（磁极）的转速； If－励磁电流； K－与离合器结构有关的系数； T－离合器的电磁转矩。当稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。