發電機自勵磁

自勵磁現象乃是同步電機內部電磁能量交換的一種不穩定工作狀態，可分為同步自勵磁和異步自勵磁。

發電機帶空載長線路自勵磁問題實質上是一種參數諧振現象。同步發電機的自勵磁現象是指無勵磁發電機在過大的電容性負荷下電壓自發上升的現象，建立的電壓值可能很高。當發電機空載帶長線路時，相當於帶了一個容性負載，如果發電機有剩磁，則機端會有一個幅值較小的電壓，此電壓加在容性負載上，系統將產生容性電流，該容性電流對發電機產生助磁效應。

隨着勵磁電流增大，機端電壓增高，系統中的容性電流也將增大，助磁效應增強，機端電壓又將上升。如此反覆，機端電壓將越來越高，但由於實際存在磁路的飽和特性，所以機端電壓不會無限增大，而會穩定在某個定值，即最後有一個穩態結果。

因此可以説，所謂的發電機自勵磁就是在電容性負荷條件下，發電機發出反應功率並建立了一個對應於某一飽和直軸同步電抗(飽和粕值)的穩態運行方式。所建立的電壓的大小和線路的長度和發電機參數有關。當發電機參數一定時，線路越長，電壓越高，甚至會達到非常大的數值，危及系統的正常運行和設備的安全。

自勵系統又可分為並勵和復勵兩種。並勵指僅由同步電機的電壓取得能量的自勵系統，復勵指由同步電機的電壓及電流兩者取得能量的自勵系統。並勵發電機進行自勵的條件和起勵過程如圖1和圖2所示。圖1是並勵直流發電機的原理接線圖。圖2為其起勵過程。其中曲線1為發電機的磁化曲線Φ=f(If)。由於在一定轉速下電機的感應電動勢與磁通成正比,所以曲線1同時也就是電機的空載特性曲線E0=f(If)，即電機的感應電動勢與勵磁電流If之間的關係。而曲線2為勵磁迴路的電阻特性U=If·∑R,它表示勵磁電流與電機電壓之間的關係。它實際是一條斜率為ΣR的直線。其中∑R為勵磁迴路的總電阻，它包括勵磁繞組的電阻和外加的調節電阻Rr。

電機自勵的過程如下：電機以某一速度п旋轉時,由於電機中有剩磁，會在電樞繞組中感應電動勢Er。在此電動勢作用下，在勵磁迴路中會產生一個勵磁電流If1。如勵磁繞組接法正確，If1所產生的磁通勢將使電機中的磁場加強，電樞繞組中感應電動勢進一步增加到E1，使勵磁電流又將增大到If2。如此相互促進，直至電機空載特性和電阻特性的交點A。在這一點上,電機的端電壓為U0，它所產生的勵磁電流為If1，而在這個勵磁電流If1下，電機產生的電動勢正好為U0，電機就穩定工作在這一點。如果增大勵磁迴路的電阻∑R，電阻特性的斜率將增大，它與空載特性的交點下移，發電機的輸出電壓就下降。當電阻增大到某一臨界值∑Rcr時，電阻特性3與發電機空載特性幾乎相重合。此時電機電壓將不確定。若電機温度和運行條件有一點變化，電壓就會大幅度變化。如進一步增大電阻，發電機就不能自勵建立電壓。在要求電壓能大範圍調節的場合，如同步發電機的勵磁機，可在磁極鋼片中開一個小槽，使磁路中出現狹窄區域。這些區域在比較小的磁通下就開始飽和，使電機的空載特性變得比較彎曲,這樣勵磁迴路電阻特性能在較大範圍內和空載特性確定相交，從而獲得較廣的調壓範圍。

發電機在帶負載時，負載電流在電機內阻上的電壓降會使端電壓下降。對於自並勵電機，端電壓的下降使勵磁電流減少而導致電機端電壓的進一步下降。為了克服這個缺點,發電機常採用復勵，即除了並勵繞組以外，再加一個串勵繞組，串勵繞組和負載電路串聯。隨着負載的增加，串勵繞組的磁通勢增大，使電機的感應電動勢相應地增加，以補償負載電流在內阻上的電壓降，從而使電機的端電壓能基本保持平穩。

異步發電機的自勵交流勵磁的異步發電機也可以進行自勵。其交流勵磁電流須由電容器供給,利用LC並聯諧振的原理建立電壓。與直流發電機一樣，要實現自勵，電機鐵心中必須有剩磁，利用剩磁在電樞繞組中產生電動勢對電容負載供電，輸出容性電流。由於輸出相位超前的容性電流，相當於輸入滯後的感性電流，它具有助磁作用，使電機氣隙磁場加強，從而增大電機的感應電動勢和容性電流。最後由於磁路飽和的影響，電機的電壓穩定在空載特性和電容特性的交點上。它建立電壓的過程與自勵直流發電機十分相似。只是用電容特性代替了電阻特性。電容特性的斜率為。為保證異步發電機能自勵建壓，需要有足夠的電容，當電容小到臨界值Ccr時,電容特性與無載特性重合，電機就不能穩定發電。再減小電容，電機就不能自勵建立電壓。

同步電機的勵磁勵磁系統除了應該能維持電機電壓以外,還有其他一系列要求,如在調節系統的無功功率和在電力系統發生突然短路、突加負載及甩負載時，能對電機強行勵磁或強行減磁，以提高電力系統運行的穩定性和可靠性，當電機內部發生短路事故時能對電機快速滅磁，以防止事故擴大，避免電機進一步損壞等。所以同步電機的勵磁系統比較複雜，種類繁多，其分類列於表。

發電機勵磁系統是供給同步發電機勵磁電流的電源及其附屬設備的統稱。它一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩個主要部分組成。

發電機勵磁系統包括直流勵磁機、無勵磁機、交流勵磁機等。近十多年來，由於新技術，新工藝和新器件的湧現和使用，使得發電機的勵磁方式得到了不斷的發展和完善。在自動調節勵磁裝置方面，也不斷研製和推廣使用了許多新型的調節裝置。

勵磁功率單元向同步發電機轉子提供勵磁電流；而勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統的自動勵磁調節器對提高電力系統並聯機組的穩定性具有相當大的作用。尤其是現代電力系統的發展導致機組穩定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術不斷髮展。同步發電機的勵磁系統主要由功率單元和調節器（裝置）兩大部分組成。如圖所示：

其中勵磁功率單元是指向同步發電機轉子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調節器則是根據控制要求的輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機本身一起組成的整個系統稱為勵磁系統控制系統。勵磁系統是發電機的重要組成部份，它對電力系統及發電機本身的安全穩定運行有很大的影響。[1]

勵磁系統的主要作用有：1）根據發電機負荷的變化相應的調節勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；2）控制並列運行各發電機間無功功率分配；3）提高發電機並列運行的靜態穩定性；4）提高發電機並列運行的暫態穩定性；5）在發電機內部出現故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度；6）根據運行要求對發電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制 ^[1]  。