1 概述
向同步發(fā)電機的轉子勵磁繞組供給勵磁電流的整套裝置叫做勵磁系統。勵磁系統是同步發(fā)電機的重要組成部分，它的可靠性對于發(fā)電機的安全運行和電網的穩(wěn)定有很大影響。發(fā)電機事故統計表明發(fā)電機事故中約1/3為勵磁系統事故，這不但影響發(fā)電機組的正常運行而且也影響了電力系統的穩(wěn)定，因此必須要提高勵磁系統的可靠性，而根據實際情況選擇正確的勵磁方式是保證勵磁系統可靠性的前提和關鍵。我國電力系統同步發(fā)電機的勵磁系統主要有兩大類，一類是直流勵磁機勵磁系統，另一類是半導體勵磁系統。
2 直流勵磁機勵磁系統
直流勵磁機勵磁系統是采用直流發(fā)電機作為勵磁電源，供給發(fā)電機轉子回路的勵磁電流。其中直流發(fā)電機稱為直流勵磁機。直流勵磁機一般與發(fā)電機同軸，勵磁電流通過換向器和電刷供給發(fā)電機轉子勵磁電流，形成有碳刷勵磁。直流勵磁機勵磁系統又可分為自勵式和它勵式。自勵與他勵的區(qū)別是對主勵磁機的勵磁方式而言的，他勵直流勵磁機勵磁系統比自勵勵磁機勵磁系統多用了一臺副勵磁機，因此所用設備增多，占用空間大，投資大，但是提高了勵磁機的電壓增長速度，因而減小了勵磁機的時間常數，他勵直流勵磁機勵磁系統一般只用在水輪發(fā)電機組上。
圖1自勵直流勵磁機勵磁系統原理接線圖
上圖中LH——電流互感器
YH——電壓互感器
F——同步發(fā)電機
FLQ——同步發(fā)電機的勵磁線圈
L——直流勵磁機
LLQ——直流勵磁機的勵磁線圈
Rc——可調電阻
采用直流勵磁機供電的勵磁系統，在過去的十幾年間，是同步發(fā)電機的主要勵磁系統。目前大多數中小型同步發(fā)電機仍采用這種勵磁系統。長期的運行經驗證明，這種勵磁系統的優(yōu)點是：具有獨立的不受外系統干擾的勵磁電源，調節(jié)方便，設備投資及運行費用也比較少。缺點是：運行時整流子與電刷之間火花嚴重，事故多，性能差，運行維護困難，換向器和電刷的維護工作量大且檢修勵磁機時必須停主機，很不方便。近年來，隨著電力生產的發(fā)展，同步發(fā)電機的容量愈來愈大，要求勵磁功率也相應增大，而大容量的直流勵磁機無論在換向問題或電機的結構上都受到限制。因此，直流勵磁機勵磁系統愈來愈不能滿足要求。目前，在100MW及以上發(fā)電機上很少采用。
3 半導體勵磁系統
半導體勵磁系統是把交流電經過硅元件或可控硅整流后，作為供給同步發(fā)電機勵磁電流的直流電源。半導體勵磁系統分為靜止式和旋轉式兩種。
3.1靜止式半導體勵磁系統
靜止式半導體勵磁系統又分為自勵式和它勵式兩種。
3.1.1自勵式半導體勵磁系統
自勵式半導體勵磁系統中發(fā)電機的勵磁電源直接由發(fā)電機端電壓獲得，經過控制整流后，送至發(fā)電機轉子回路，作為發(fā)電機的勵磁電流，以維持發(fā)電機端電壓恒定的勵磁系統，是無勵磁機的發(fā)電機自勵系統。最簡單的發(fā)電機自勵系統是直接使用發(fā)電機的端電壓作勵磁電流的電源，由自動勵磁調節(jié)器控制勵磁電流的大小，稱為自并勵可控硅勵磁系統，簡稱自并勵系統。自并勵系統中，除去轉子本體極其滑環(huán)這些屬于發(fā)電機的部件外，沒有因供應勵磁電流而采用的機械轉動或機械接觸類元件，所以又稱為全靜止式勵磁系統。下圖為無勵磁機發(fā)電機自并勵系統框圖，其中發(fā)電機轉子勵磁電流電源由接于發(fā)電機機端的整流變壓器ZB提供，經可控硅整流向發(fā)電機轉子提供勵磁電流，可控硅元件SCR由自動勵磁調節(jié)器控制。系統起勵時需要另加一個起勵電源。
圖2無勵磁機發(fā)電機自并勵系統原理接線圖
無勵磁機發(fā)電機自并勵系統的優(yōu)點是：不需要同軸勵磁機，系統簡單，運行可靠性高；縮短了機組的長度，減少了基建投資及有利于主機的檢修維護；由可控硅元件直接控制轉子電壓，可以獲得較快的勵磁電壓響應速度；由發(fā)電機機端獲取勵磁能量，與同軸勵磁機勵磁系統相比，發(fā)電機組甩負荷時，機組的過電壓也低一些。其缺點是：發(fā)電機出口近端短路而故障切除時間較長時，缺乏足夠的強行勵磁能力對電力系統穩(wěn)定的影響不如其它勵磁方式有利。由于以上特點，使得無勵磁機發(fā)電機自并勵系統在國內外電力系統大型發(fā)電機組的勵磁系統中受到相當重視。
3.1.2它勵式半導體勵磁系統
它勵式半導體勵磁系統包括一臺交流主勵磁機JL和一臺交流副勵磁機FL，三套整流裝置。兩臺交流勵磁機都和同步發(fā)電機同軸，主勵磁機為100HZ中頻三相交流發(fā)電機，它的輸出電壓經過硅整流裝置向同步發(fā)電機供給勵磁電流。副勵磁機為500HZ中頻三相交流發(fā)電機，它的輸出一方面經可控硅整流后作為主勵磁機的勵磁電流，另一方面又經過硅整流裝置供給它自己所需要的勵磁電流。自動調勵的裝置也是根據發(fā)電機的電壓和電流來改變可控硅的控制角，以改變勵磁機的勵磁電流進行自動調壓。圖3它勵式半導體勵磁系統原理接線圖
它勵式半導體勵磁系統的優(yōu)點是：系統容量可以做得很大，勵磁機是交流發(fā)電機沒有換向問題而且不受電網運行狀態(tài)的影響。缺點是：接線復雜，有旋轉的主勵磁機和副勵磁機，啟動時還需要另外的直流電源向副勵磁機供給勵磁電流。這種勵磁系統多用于10萬千瓦左右的大容量同步發(fā)電機。
3.2旋轉式半導體勵磁系統
在它勵和自勵半導體勵磁系統中，發(fā)電機的勵磁電流全部由可控硅（或二極管）供給，而可控硅（或二極管）是靜止的故稱為靜止勵磁。在靜止勵磁系統中要經過滑環(huán)才能向旋轉的發(fā)電機轉子提供勵磁電流�；h(huán)是一種轉動接觸元件。隨著發(fā)電機容量的快速增大，巨型機組的出現，轉子電流大大增加，轉子滑環(huán)中通過如此大的電流，滑環(huán)的數量就要增加很多。為了防止機組運行當中個別滑環(huán)過熱，每個滑環(huán)必須分擔同樣大小的電流。為了提高勵磁系統的可靠性取消滑環(huán)這一薄弱環(huán)節(jié)，使整個勵磁系統都無轉動接觸的元件，就產生了無刷勵磁系統，如圖4所示。
圖4無刷勵磁系統原理接線圖
副勵磁機FL是一個永磁式中頻發(fā)電機，其永磁部分畫在旋轉部分的虛線框內。為實現無刷勵磁，主勵磁機與一般的同步發(fā)電機的工作原理基本相同，只是電樞是旋轉的。其發(fā)出的三相交流電經過二極管整流后，直接送到發(fā)電機的轉子回路作勵磁電源，因為勵磁機的電樞與發(fā)電機的轉子同軸旋轉，所以它們之間不需要任何滑環(huán)與電刷等轉動接觸元件，這就實現了無刷勵磁。主勵磁機的勵磁繞組JLLQ是靜止的，即主勵磁機是一個磁極靜止，電樞旋轉的同步發(fā)電機。靜止的勵磁機勵磁繞組便于自動勵磁調節(jié)器實現對勵磁機輸出電流的控制，以維持發(fā)電機端電壓保持恒定。無刷勵磁系統的優(yōu)點是：取消了滑環(huán)和碳刷等轉動接觸部分。缺點是：在監(jiān)視與維修上有其不方便之處。由于與轉子回路直接連接的元件都是旋轉的，因而轉子回路的電壓電流都不能用普通的直流電壓表、直流電流表直接進行監(jiān)視，轉子繞組的絕緣情況也不便監(jiān)視，二極管與可控硅的運行狀況，接線是否開脫，熔絲是否熔斷等等都不便監(jiān)視，因而在運行維護上不太方便。
4結語
隨著科學技術的不斷發(fā)展，同步發(fā)電機的勵磁系統在不斷地更新換代，也在不斷地進步和完善，而各種勵磁系統有其不同的特點，只有根據實際情況進行正確的選擇，才能保證勵磁系統的可靠性和穩(wěn)定性，從而保證發(fā)電機組的安全運行和電網的穩(wěn)定。
