发电机的励磁系统

发电机原理及构造——发电机的励磁系统

众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二节管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。

下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。

一、相复励励磁原理

左图为常用的电抗移相相复励励磁系统线路图。由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK 移相进行相位补偿。

二、三次谐波原理

左图为三次谐波原理图，对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。

三、可控硅直接励磁原理

由左图可以看出，可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（A VR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。

四、无刷励磁原理

无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。自动电压调节器（A VR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。

中小型三相同步发电机的技术发展概况

一．概述

中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验电源、变频电源、计算机电源及新能源――风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。

我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完

成的TSN、TSWN系列农用水轮发电机。第二代产品是在进行了大量试验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平，为B级绝缘的有刷三相同步发电机。在这段时间还开发了ST系列有刷单相同步发电机，此系列电机出口量较大。1979年开始进行TFW系列三相无刷同步发电机和TFDW 系列单相无刷同步发电机的统一设计，1982年10月通过了样机鉴定工作,并推广生产,此两系列主要性能指标达到或接近当时的国际先进水平,此系列仍采用B级绝缘结构。

进入八十年代末、九十年代初，随着我国改革开放不断发展，我国的电机行业的部分企业开始引进先进工业国的中小型同步发电机，有的按生产许可证方式进行技术引进，有的引进软件技术（或生

产技术），有的按合作生产方式引进国外的先进技术，其先后有德国西门子公司的IFC5和IFC6系列、德国AEG公司的DKBH系列、英国彼特普公司E系列、美国马拉松公司的MP 系列发电机、英国的斯坦福公司BC、HC系列等发电机，这些发电机的绝缘等级为F级或H级，采用隐极式或整体凸级结

构，其技术经济指标较先进，可靠性较高，其制造工艺水平较先进，这些产品的引进，对提高我国的中小型发电机水平和制造工艺水平有较大的促进作用。比如，无锡电机厂、汾西机械厂、柳州电机厂

引进了德国西门子公司1FC5、1FC6系列无刷发电机，兰州电机有限责任公司（以下简称兰电）引进了德国AEG公司DKBH系列船用、陆用无刷发电机，福州发电设备厂引进了美国麦格乃泰克公司无刷发电机制造技术等等。近年无锡电机厂又引进了西门子公司最近开发的1FC2系列无刷三相同步发电机，该电机为整园凸极冲片，克服了原西门子公司1FC5、1FC6隐极结构体积偏大，重量偏重的不足。90年代，无锡电机厂与新时代公司、上海革新电机厂与马拉松公司合资办了企业，使我国中小型三相同步发电机水平又有了进一步的提高，使国内三相同步发电机生产的主要企业产品达到了国际先进水平。兰州电机厂在引进德国AEG公司DKBH系列基础上，90年代中期，又开发了自己的新一代产品：TZHW系列（陆用）、TFXW-H系列（船用）无刷三相同步发电机，使其性能有了进一步的提高，更加适合国情、厂情，提高了市场竞争力。

二．主要产品介绍

下面就兰电现生产的中小型三相同步发电机主要系列做一简要介绍。

1．DKBH系列（船用、陆用）无刷发电机

额定参数：

额定频率HZ 50 60

额定功率范围：4极12---1250KV A 14.4---1500KV A

6极190—910KV A 228---1090KV A

额定电压V 400 460

额定转速r/min 1500 、1000 同左

额定功率因数cosφ 0.8 (滞后) 同左

工作制S1 S1

中心高mm 160—400 同左

主要性能指标：

稳态电压调整率% ±0.5 、±1 同左

动态性能突加、突减60%IN 、cosφ≤0.4，电压变化在85-120%

额定电压范围内，稳定时间不超过1S。

短路特性可提供3 IN 持续短路电流，2S。

波形畸变率5% 同左

并联运行能可靠并联运行同左

调压指标较差，靠人工调节可达到额定输出。该系列电机具有调压精度高、效率高、体积小、重量轻等特点。该系列电机已取得中国船级社船检型试认可。

2．TZHW系列（陆用）无刷三相同步发电机

TFXW-H系列（船用）无刷三相同步发电机

TZHW系列（陆用）无刷三相同步发电机与TFXW-H系列（船用）无刷三相同步发电机基本结构型式相同。TFXW-H系列（船用）是在TZHW系列（陆用）无刷三相同步发电机的基础上作了适应船用的要求的改型而得来。

额定参数：

额定功率范围4极24---1000kW

6极160—700kW

额定电压400V

额定频率50HZ

额定转速1500 、1000 r/min

额定功率因数cosφ 0.8 (滞后)

工作制S1

中心高225—400 mm

主要性能指标：

稳态电压调整率±0.5% 、±1%

动态性能突加、突减60%IN 、cosφ≤0.4，电压变化在85-120%

额定电压范围内，稳定时间不超过1S。

短路特性可提供3 IN 持续短路电流，2S。

波形畸变率5%

并联运行能可靠并联运行

超速1.2nN

符合标准GB IEC

TZHW系列（陆用）、TFXW-H系列（船用）无刷同步发电机是兰电在引进德国AEG公司DKBH系列的基础上自行开好的新一代产品。该系列继承了AEG公司DKBH系列的优点，结合国情、厂情进行了

超速1.2nN

符合标准GB 、IEC 、VDE 同左

该系列电机为双轴承支承结构，根据用户需要，可制成单轴承结构。机座为钢板制造，转子冲片为整园凸极型式，在转子磁极下端装有付励磁机，这是一种磁复合的无刷励磁型式，它能随着负载的变化改变付励磁机的输出电压，强励性能好，当电压调节器损坏时，发电机还能供电，不过不可控时改进：

（1）励磁方式：DKBH系列采用付励磁机装在转子磁极下端磁复合的方式，使付励磁机输出电压随负载改变而变化，从而改善了发电机的动态性能、短路特性等。兰电集多年生产相复励励磁同步发电机的经验，改用相复励无刷励磁系统，这样既保持了强励性能好、当电压调节器损坏时，发电机还能供电的优点，且在电压调节器出现故障时，在不可控状态下，仍具有较好的调压性能，坚持正常工作。

（2）电磁方案从新进行了优化，定子冲片采用扇形片结构，节省了材料。

（3）机座采用铸铁制成，铸铁结构整体性好，刚性好、吸振性好。同时，有利于加工制造，适合批量生产，降低成本。但表观质量稍差，重量偏重。兰电为改进表观质量，设计制造了八角形（或园形）树脂砂铸造的铸件，表观质量得到了较大改善。

（4）产品结构重新进行了安排

该系列电机具有调压精度高、动态性能好、效率高、体积小等特点。TFXW-H系列无刷

三相同步发电机已取得中国船级社船检型式认可，

3．TZH系列（陆用）、TFX-H系列（船用）三相同步发电机

额定参数：

额定功率范围4极12---250kW

6极150—200kW

额定电压400V

额定频率50HZ

额定转速1500、1000 r/min

额定功率因数cosφ 0.8 (滞后)

工作制S1

中心高180--355 mm

主要性能指标：

稳态电压调整率±3%(陆用)、±2.5%(船用)

配上自动电压调节器可达±1%

动态性能突加、突减60%IN 、cosφ≤0.4，电压变化在85-120%

额定电压范围内，稳定时间不超过1S。

短路特性可提供3 IN 持续短路电流，2S。

波形畸变率5%

并联运行能可靠并联运行

超速1.2nN

符合标准GB、IEC

这两个系列三相同步发电机分别在80年代荣获国家银质奖，该电机结构简单、可靠性高、启动异步电动机能力强、使用维护方便。TFX-H系列已取得国家船级社船检型式认可。缺点：产品设计较早，采用有刷静止励磁方式，绝缘等级为B级，体积较大，但很多用户仍然非常欢喜使用该产品。

4．TFS系列三次谐励磁三相同步发电机

额定参数：

额定功率范围20—50kW

额定电压400V

额定频率50HZ

额定转速1500 r/min

额定功率因数cosφ 0.8 (滞后)

工作制S1

中心高200—225 mm

主要性能指标：

稳态电压调整率±2%

动态性能突加、突减60%IN 、cosφ≤0.4,电压变化在85-120%

额定电压范围内，稳定时间不超过1S。

短路特性可提供3 IN 持续短路电流，2S。

波形畸变率5%

并联运行能可靠并联运行

超速1.2nN

符合标准GB、IEC

三次谐波励磁三相同步发电机是兰电根据市场需要，90年代开发的价格低廉的有刷同步发电机，其价格约为兰电其它系列发电机的2/3，以满足不同层次的用户的需要。

5．特种、军工用发电机

兰电根据市场需求，开发了特种、军工用发电机，有工频、中频、双频、变频、变流、双流等特殊用途或军工用的发电机。例如涉水工频无刷三相同步发电机，可在电机涉水后，立即发电。各种中频发电机，在动态性能、电压波形畸变率、三相电压相角差等诸方面均有较大的提高，符合美国MIL军用标准和北大西洋公约组织标准。每年产值达3000—4000万元。近期开发了风力异步发电机，容量为300～1000kW。最近又分别与清华大学和沈阳工业大学合作开发了600、1000kW双馈风力发电机及其控制系统。

兰电还根据市场需求，开发了中、大型高压三相同步发电机，其电压等级为6.3kV、10.5kV，容量范围为400～5000kW，极数为4～12极。

兰州电机有限责任公司是西北地区最大的电机和发电设备制造企业、国家一级企业，1994年在全国同行业中率先通过了ISO9001质量体系认证，同年被列为“国家认定企业技术中心”。兰电1958年建厂，按照国家三线建设的部署，是从湘潭电机厂、上海革新电机厂、哈尔滨电机厂搬迁千余人发展起来的。兰电中小型三相同步发电机的发展是在上海革新电机厂搬迁的基础上，在上海电科所的指导下，经过兰电人的努力，从无到有，从小到大。已形成年产15000台，150万千瓦的生产能力。近年来电力紧张，兰电三相同步发电机也出现了供不应求的现象，预计今年产三相同步发电机产量将超过2亿元，船用三相同步发电机产量将超过3000台。

三．发展展望

中小型同步发电机行业的技术发展展望：

（１）全密封低噪声和低振动的精密轴承。

（２）先进的导磁材料（如以冷代热），导电材料及工程塑料和电子器件的应用，使发电机向小型、轻量、节能、智能化方向发展。

（３）全面推广F级和H级绝缘，采用无刷溶剂滚浸，真空压力浸漆工艺。

（４）采用钢板机壳制造技术及少切削无要削加工技术。

（５）计算机辅助设计（CAD）。

（６）机电一体化技术。

为满足各行业的需求，应改变同步电机品种规格少、派生及专用产品少的现象，同步发电机的开发和发展应考虑到新能源开发、船舶、运输、石油化工等的发展需要以及技术发展的潮流。预计可以得到发展的中小型同步电机产品有：发展安装结构派生的单轴承发电机，防护结构派生的IP44发电机，用途派生的多频多压发电机，发展专用、特殊用途的发电机系列（微型水力发电机、风力发电机、正弦波试验电源发电机），轴带发电机和变速恒频发电机，高效率永磁同步电动机，高压中小同步发电机和电动机。无级调速中小同步电动机、中频发电机、油田钻井电站发电机及海上石油平台专用发电机等。

发电机励磁系统概述

摘要：本文针对热电分厂所用的励磁方式，对各励磁系统的情况进行分析总结。

关键词：励磁方式励磁调节器电子开关放大器

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：（如图一所示）一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求：

图一

1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自

动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。

2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。

3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。我热电分厂现共有三期工程，5台同步发电机采用了3种励磁方式:

1、图二为一期两台QFG-6-2型发电机的励磁系统方框图。

图二

2、图三为二期两台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图。

图三

3、图四为三期一台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图

图四

一、三种发电机励磁系统的组成

一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。如图二所示，它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。二期是自励直流励磁机励磁系统。如图三

所示，发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。三期采用的是静止励磁系统。这类励磁系统不用励磁机，由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。

二、励磁电流的产生及输出

一期励磁系统原理图如图五所示。其中主励磁机的励磁

图五

励磁系统原理图

电源由永磁机的定子绕组经三相可控硅整流桥或三相不可控硅整流桥提供，同时直流稳压单元的交流电源也取自永磁机。发电机端电压的变化通过调差单元、放大单元后去控制可控硅的导通角，以此来调节主励磁机的磁场电流，达到是发电机稳定运行的目的。另外，为了提高主励磁机供电的可靠性还设有手动控制，通过调整调压器来调节整流桥的输出直流电压达到调整磁场电流的小的目的。两种控制方式通过DZA、DZB来进行切换。二期励磁系统如图六所示。整流励磁机与发电机同轴，由剩磁建立电压，通过整流子整流经电刷送出。手动状态下经磁场变阻器、KFD-3励磁调节器、碳刷、滑环给转子提供励磁电流。三期采用双微机单模拟的励磁控制系统，取消了励磁机。期励磁系统原理图如图七所示。发电机的励磁电流由机端励磁变压器经可控硅整流桥提供。其可控硅的导通角可由微机或模拟方式控制，在正常情况下，只有一台微机处于在线状态，能发出控制信号，其它则处于离线热备用状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状态，发出信号，当两套微机通道均出现故障，在正常运行情况下，只有一台微机处于在线状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状.可以参考西门子变频器https://www.360docs.net/doc/c011502006.html,/drives/cn/zh/topics/sinamics/Pages/default.aspx：