供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机的供电质量及运行的可靠与稳定性。
2.3.1 励磁系统的组成与要求
1.励磁系统的组成
同步发电机运行时，励磁绕组需要直流电源提供直流电流方能建立恒定的磁场。要维持发电机在运行过程中输出电压恒定，还必须随着负载变化及时地调节励磁电流的大小。以上是同步发电机的励磁系统应执行的基本任务。因此，励磁系统由两部分组成：励磁功率源(单元)——向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流;励磁调节器——根据发电机组的运行状态，手动或自动调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小，以满足发电机运行的要求。励磁系统组成方框图如图2-22所示。由同步发电机和励磁系统共同组成励磁控制系统，根据同步发电机的电压、电流或其它参数的变化，对励磁系统的励磁功率源施加控制作用。
图2-22 同步发电机励磁系统组成方框图
文章出自《柴油发电机组实用技术技能》
作者：杨贵恒、张海呈、张寿珍、钟进 化学工业出版社出版
老式励磁系统的励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机。励磁调节多采用机电型或电磁型调节器。随着同步发电机单机容量的增大以及大功率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元和由半导体元件构成的励磁调节器共同组成的励磁系统，即所谓半导体励磁系统，应用非常普遍。
近年来，随着计算机及其控制技术的发展，同步发电机励磁系统也逐步向集成化方向发展，国内外许多公司和单位都在积极研制以微型计算机为核心构成的励磁调节器(以下简称微机励磁调节器)，并且在柴油发电机组上成功地得到了应用。由于微机励磁调节器的硬件简单、软件丰富、性能优良、运行调试方便并能方便地实现现代控制规律和多种功能，再加之价格逐年降低，微机励磁调节器将具有广阔的发展和应用前景。
2.励磁系统的要求
同步发电机及其励磁系统与电子技术的发展是紧密联系在一起的。为了满足用户对同步发电机提出的标准和要求，励磁系统应具备如下性能：
(1)具有足够的励磁功率，在发电机空载和满载时能提供所需的励磁电流;
(2)具有良好的反应特性，励磁系统应保证同步发电机系统在静态时有高的稳态电压精确度，励磁系统的输出特性与发电机本身的调节特性应力求一致，在发电机负载变化或发生短路时，能及时调节励磁电流以维持发电机输出电压基本不变，并使保护装置可靠动作;
(3)具有一定的强励能力，因某种原因造成发电机输出电压严重下降或起动相近容量的异步电动机时，能在短时间内快速提供足够大的励磁电流，使电压迅速回升到给定值;
(4)励磁装置应运行可靠、体积小、重量轻、使用维护方便。
2.3.2 励磁系统的分类
同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供给，也可由交流励磁机、同步发电机的辅助绕组(付绕组)或发电机输出端等的交流电压经可控或不可控整流器整流后供给。按励磁功率供电方式可分为他励式和自励式两大类：由同步发电机本身以外的电源提供其励磁功率的，称他励式励磁系统;由发电机本身提供励磁功率的，称自励式励磁系统。因此，凡是由励磁机供电的，都属于他励式，凡由发电机输出端或发电机的辅组绕组供电的，都属于自励式。如图2-23所示列出了中小型同步发电机常用的励磁系统分类。下面我们对各种励磁系统的主要特点和接线图分别进行介绍。
图2-23 中小型同步发电机常用励磁系统分类
1.他励式励磁系统
(1)直流励磁机励磁系统
这是交流同步发电机采用的传统励磁系统。直流励磁机一般又有同轴式和背包式两种型式。如图2-24所示为手动调节的直流励磁系统接线图，励磁机为并励直流发电机，通过手动调节磁场变阻器，改变励磁机的输出电压，以调节同步发电机励磁绕组中的电流，从而改变同步发电机的输出电压。
图2-24 手动调节的直流励磁系统接线图
GS-同步发电机;L-同步发电机励磁绕组;G-直流发电机;rpf-手调电阻;F-直流励磁机励磁绕组
如图2-25所示为具有半导体自动调节器的直流励磁机励磁系统。自动工作时，同步发电机的励磁电流由自动调节器按同步发电机运行情况自动调节，调节信号由同步发电机的输出端取得。过去在直流励磁机的励磁回路中串入碳阻式调节器代替手调电阻，现在已被可控硅半导体自动调节器所代替。
图2-25 具有半导体自动调节器的直流励磁机励磁系统
ZLT-半导体自动调节器;KGZ-可控硅整流器;LB-励磁变压器(其它符号同前)
直流励磁机励磁系统的主要优点是：励磁电源独立，接线简单，在合理使用和细心维护下，运行比较可靠。但因直流励磁机体积大，制造成本高，容易产生故障，而且调节反应速度慢，目前已逐渐被半导体整流励磁所取代。
(2)交流励磁机励磁方式(采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源)
交流励磁机是一个小容量的同步发电机，这种励磁系统，其同步发电机的励磁功率由交流励磁机供给。交流励磁机发出的交流电经硅二极管或可控硅进行整流，供给同步发电机励磁绕组励磁电流。这类励磁系统由于交流励磁电源取自主机之外的其他独立电源，故也称为他励整流器励磁系统(包括他励硅整流励磁系统和他励可控硅整流器励磁系统)，简称他励系统。同轴的用作励磁电源的交流发电机称为交流励磁机(也称同轴辅助发电机)。
这类励磁系统，按整流器是静止还是旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：
①交流励磁机(磁场旋转式)加静止硅整流器;
②交流励磁机(磁场旋转式)加静止可控硅;
③交流励磁机(电枢旋转式)加旋转硅整流器;
④交流励磁机(电枢旋转式)加旋转可控硅。
上述③、④两种方式，硅整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主机转子励磁绕组供励磁电流，不但取消了直流励磁机系统中的换向器-电刷结构，而且取消了与同步发电机励磁绕组相连的集电环-电刷结构，故称为无刷励磁(又称无触点励磁或旋转半导体励磁)方式。交流励磁机的励磁绕组固定不动，其接线如图2-26所示。有的发电机在定子上设置一个没有励磁绕组的磁极，它是用优质的永磁材料制成，作为初始磁场起励建压。图2-26所示的接线图是目前小型机组常用的一种接线方式。
图2-26 无刷励磁系统接线图
1-交流励磁机;F-交流励磁机励磁绕组;GZ-硅整流器(其它符号同前)
无刷励磁由于取消了滑环、电刷，消除了电气上最易发生故障的滑动接触，从而大大提高了运行可靠性，并使维护工作显著减小，同时整机的体积小，总长度缩短。因此，它是励磁系统的发展方向之一。现阶段有很大部分的柴油发电机组采用无刷励磁系统。
上述①、②两种方式为交流励磁机电枢和整流器不动，交流励磁机的磁极旋转的励磁方式，在柴油发电机组上很少采用，这里不再介绍。
2.自励式励磁系统(采用变压器作为交流励磁电源)
励磁功率由同步发电机本身供给的励磁系统称自励式励磁系统(或称为自励整流励磁系统)。在他励式励磁系统中，交流励磁机是旋转机械，而在自励式励磁系统中，励磁变压器和整流器等都是静止元件，故自励式励磁系统又称为全静态励磁系统。
自励式励磁系统可分为下列几种形式。
(1)自并励系统
仅由同步发电机电压取得励磁功率的自励系统，称自并励励磁系统(或简称自并励)。如图2-27所示为自并励励磁系统的接线图。同步发电机发出的交流电，经励磁变压器变换到所需电压后(低压小容量机组有的直接从机端引入;有的由同步发电机的辅助绕组发出的交流电)，由可控硅或电力二极管整流变成直流，供给励磁绕组建立磁场。自动调节器按发电机输出电压变化情况自动调节励磁电流。
图2-27 自并励励磁系统接线图
图2-28 交流侧并联复合不可控励磁系统
LH-励磁变流器;DK-电抗器(其它符号同前)
(2)自复励励磁系统
由同步发电机的电压和电流两者取得励磁功率的自励系统，称为自复励励磁系统。按励磁电流复合位置又有直流侧复合方式和交流侧复合方式。中小容量柴油发电机组主要是交流侧并联复合不可控励磁系统，如图2-28所示。励磁变压器串接一个电抗器后与励磁变流器并联，两者的输出先复合叠加，然后经硅整流器整流后供给同步发电机励磁。这种励磁系统由于能反应发电机的电压、电流及功率因数，亦称不可控相复励系统。
如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁交流器(或串联变压器)，二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有四种：
①直流侧并联自复励方式;
②直流侧串联自复励方式;
③交流侧并联自复励方式;
④交流侧串联自复励方式。
3.谐波励磁系统
除了他励和自励两类主要的半导体励磁方式外，还有一种介乎两者之间的所谓谐波励磁系统。在主发电机定子槽中嵌有单独的附加绕组，称为谐波绕组。利用发电机气隙磁场中的谐波分量，通常是利用三次谐波分量，在附加绕组中感应谐波电势作为励磁装置的电源，经半导体整流后供给发电机励磁。如图2-29所示。谐波励磁方式有一个重要的有益的特性，即谐波绕组电势随发电机负载变动而改变。当发电机负载增加或功率因数降低时，谐波绕组电势随之增高;反之，当发电机负载减小或功率因数增高时，谐波绕组电势随之降低。因此谐波励磁系统具有自调节特性。当电力系统中发生短路时，谐波绕组电势增大，对发电机进行强励磁。这种励磁方式的特点是简单、可靠、快速。
图2-29 三次谐波励磁接线图(图中的1为三次谐波绕组)
4.各种励磁方式的性能比较
各种励磁方式的性能比较见表2-4所示。
表2-4 各种励磁方式的性能比较
2.3.3 半导体励磁调节器
在半导体励磁系统中，励磁功率单元为半导体整流装置及其交流电源，励磁调节器则采用半导体元件、固体组件及电子线路组成。早期的调节器只反应发电机电压偏差，进行电压校正，通常称其为电压调节器(简称调压器)。现在的调节器可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制信号，进行励磁调节，故称为励磁调节器。显然，励磁调节器包括了电压调节器的功能。下面对半导体励磁调节器作一简要介绍。
1.励磁控制系统
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它控制发电机的电压及无功功率。另外，调速系统控制原动机及同步发电机的转速(频率)和有功功率。励磁系统和调速系统是发电机组的主要控制系统，如图2-30(a)所示。励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统，其框图如图2-30(b)所示。
励磁调节器是励磁控制系统的主要部分，一般由它感受发电机电压的变化，然后对励磁功率单元施加控制作用。在励磁调节器没有改变给出的控制命令以前，励磁功率单元不会改变其输出的励磁电压。
图2-30 发电机组的控制系统
2.对励磁调节器的要求
(1)励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定。这在电路设计、元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施。
(2)励磁调节器应具有良好的稳态特性和动态特性。
(3)励磁调节器的时间常数应尽可能小。
(4)励磁调节器应结构简单，检修维护方便，并逐步做到系统化、标准化、通用化。
3.励磁调节器的构成
半导体励磁调节器主要由测量比较、综合放大和移相触发三个基本单元构成，每个单元再由若干环节组成。三个单元的相互作用如图2-31所示。
图2-31 励磁调节器的组成
(1)测量比较单元
测量比较单元由电压测量、比较整定和调差环节组成，如图2-32所示。电压测量环节包括测量整流和滤波电路，有的还有正序电压滤过器。测量比较单元用来测量经过变换的与发电机端电压成比例的直流电压，并与相应于发电机额定电压的基准电压相比较，得到发电机端电压与其给定值的偏差。电压偏差信号输入到综合放大单元，正序电压滤过器在发电机不对称运行时可提高调节器调节的准确度，在发生不对称短路时可提高强励能力。调差环节的作用在于改变调节器的调差系数，以保证并列运行机组间无功功率稳定合理地分配。
图2-32 测量比较单元的组成
(2)综合放大单元
综合放大单元对测量等信号起综合和放大作用，为了得到调节系统良好的静态特性和动态特性，并满足运行要求，除了由基本装置来的电压偏差信号外，有时还须根据要求综合由辅助装置来的稳定、限制、补偿等其它信号。综合放大单元的组成如图2-33所示。综合放大后的控制信号输入到移相触发单元。
图2-33 综合放大单元的组成
(3)移相触发单元
移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节，如图2-34所示。移相触发单元根据输入的控制信号的变化，改变输出到可控硅的触发脉冲相位，即改变控制角 (或称移相角)，从而控制可控硅整流电路的输出电压，以调节发电机的励磁电流。为了触发脉冲能可靠地触发可控硅，往往需要采用脉冲放大环节进行功率放大。
同步信号取自可控硅整流装置的主回路，保证触发脉冲在可控硅阳极电压在正半周时发出，使触发脉冲与主回路同步。
图3-34 移相触发单元的组成
励磁系统中通常还有手动部分，如图2-30(b)中所示，当励磁调节器自动部分发生故障时，可切换到手动方式运行。
2.3.4 微机励磁调节器
1.微机励磁调节器的配置及其工作原理
在可控硅励磁系统中，如果用微机励磁调节器代替常规的半导体励磁调节器，便构成微机励磁调节系统，如图2-35所示。
图2-35 微机励磁调节系统框图
图2-36 励磁调节器硬件框图
微机励磁调节器本身由微型计算机(或微处理器)、外围硬件及系统软件和应用软件等组成。图2-36为微机励磁调节器硬件框图。图中虚线框内为微型计算机。ADA接口板中的A/D转换电路用来采集有关的模拟量并将其变为数字量，送入微型计算机进行计算和处理。某些数字量可经D/A转换电路变为模拟量送出。I/O接口板可输入、输出数字/开关量信号。ADA接口板及I/O接口板是CPU主机板必需的外围部件，除这些外还需要其它一些外围硬件。图2-36中所示的可控整流桥KZ是受微机励磁调节器控制的励磁功率单元。
与模拟式半导体励磁调节器的构成相似，微机励磁调节器由图2-37所示的几个基本部分组成，虚线框的功能由微型计算机实现。
微机励磁调节器的工作原理可由图2-35、图2-36和2-37看出，A/D转换电路对被调节量(如机端电压)定时采样，送入CPU后按调节规律计算出控制量。如沿用模拟触发器，则将控制量经D/A转换电路输出控制电压，作用于模拟式移相触发器，发出触发脉冲。如采用数字触发器，则直接将这些控制量转换为控制角，由并行口送出控制角为 的触发脉冲，经脉冲放大后，触发相应的可控硅，形成闭环控制的微机励磁调节器系统。
图2-37 微机励磁调节器组成框图
微机励磁调节器与同步发电机的励磁系统相联系，有下列两种方案：
(1)微机-模拟双通道型
微机-模拟双通道型简化框图如图2-38所示，微机励磁调节器与模拟式励磁调节器构成双通道，由开关K进行切换，当K切换到模拟式调节器，则发电机按常规励磁调节器方式运行，当K切换到微机励磁调节器，则发电机按微机励磁调节方式运行，若微机励磁调节器发生故障，能自动切换到模拟式调节器，而不影响同步发电机的运行工况。
图2-38 微机-模拟双通道型框图
(2)全数字化微机型
全数字化微机型简化框图如图2-39(a)(b)所示。图2-39(b)方案还设置了两套微机励磁调节器，平时一套微机调节器运行，另一套处于热备用，双微机之间可手动或自动切换。这种方案提高了微机励磁调节器运行的可靠性。
(a) 单套微机励磁调节器模式
(b) 两套微机励磁调节器模式
图2-39 全数字化微机型框图
微机励磁调节器具有如下优点：
①结构简单、软件丰富、功能多、性能好、运行操作方便。
②调节器的各参数可以在线整定或修改，并可显示出来，使调试工作简单方便。
③灵活性大，对不同发电机组的励磁要求，可在不更改硬件的情况下，修改软件来满足，励磁调节规律可根据需要灵活改变，利用软件也易于实现多种励磁限制功能。
④能实现复杂的现代控制技术，如最优控制、自适应控制等。
⑤可以与计算机通信、传送数据、接受指令，是电站(电厂)实现计算机控制所必不可少的一种基础控制。计算机可直接改变机组给定电压值Ug，能非常简便地实现电站(电厂)机组的无功功率成组调节及母线电压的实时控制。毋需像模拟式励磁调节器那样，另外增设电子电位器(无功负荷设定器)等硬件。
2.测量部分
微机励磁调节器为了实现调节控制、运行限制、人工调差和运行参数显示等功能，发电机组的状态变量及有关运行参数必须通过测量部件由微型计算机定时采集。其测量部件主要有下列几种：
(1)模拟式电量变送器
对于同步发电机端电压 、定子电流 、有功功率 、无功功率 和转子电流 等电量，可采用一般模拟式电量变送器作为测量部件。变送器输出与其输入量成比例的直流电压供微型计算机采样。目前国内外研制的微机励磁调节器，大多采用模拟式电量变换器，因为这样容易实现，测量精度也可保证。
(2)交流接口
另一种不同的测量方法是采用交流接口把发电机的电压互感器副边电压以及电流互感器副边电流转换为成比例的、较低的交流电压，微型计算机对这些电压采样，并计算出当时发电机的端电压 、定子电流 、有功功率 、无功功率 和转子电流 等电量。
交流接口分为交流电压接口和交流电流接口两种，它们均为前置模拟通道，由信号幅度变换、隔离屏蔽、模拟式低通滤波等部分组成，如图2-40所示。
图2-40 交流接口电路
这种测量方法所使用硬件少，运行可靠，但采用了低通滤波，将引起其输出电压的相位移。在设计交流接口时，要求交流电压接口与交流电流接口具有相同的相位移，以保证计算P和Q的精度。除在硬件设计中予以注意外，有时还需辅以软件补偿相位的措施。
采用交流接口只能对交流电量进行采样和计算。对于转子励磁电流的测量，一般采用直流电流变送器。另一做法是对转子回路整流桥交流侧的电流通过交流接口进行采样，间接算出直流侧的励磁电流值。
(3)转速测量
微机励磁调节器如果需要附加PSS(电力系统稳定器)或采用最优控制，一般要测量机组的转速。转速测量通常采用数字测量方法。测转速的做法是测频率，而测频率的基本方法是测周期，即测交流电压每个周波的时间T。把微型计算机中的晶振频率ƒo适当分频后作为计数频率ƒc，其对应的脉冲串为φ，用 的一个脉冲(周期l/ƒc)作为标准计时单位，去度量周期 。设测出T的宽度相当于m个标准计时脉冲，则：
T=m/ƒc
于是被测频率：ƒ=ƒc/m
角频率： ω=2πƒ
如果测量频率的交流电压信号取自同步发电机的定子电压，则所测出的ω为同步发电机电压的角频率。如果测量频率的交流电压信号取自发电机组大轴上的交流测速发电机，则所测出的ω为机组的角速度。
3.计算及综合部分
这一部分是微机励磁调节器的核心，它担负的任务是在微型计算机硬件支持下由应用软件实现的。其主要任务如下：
(1)数据采集。定时采样、相应计算、对测量数据正确性的检查、标度变换和选择显示相应数据等。
(2)调节算法。按所用的调节规律进行计算。
(3)控制输出。把调节算法的计算结果进行转换并限幅输出。通过移相触发环节对可控硅整流桥进行控制。
(4)其他处理。输入整定值、修改参数、改变运行方式、声光报警和利用计算机软件可以实现多种运行模式、多种励磁限制以及软件调差等功能。
4.数字移相触发器
数字移相触发器与模拟式移相触发器类似，也是由同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节组成。其中同步电压整形电路及脉冲放大电路用硬件构成，移相和脉冲形成由计算机软件实现。下面分述各环节的工作原理。
(1)同步电压整形电路
同步电压整形电路的任务是：将同步变压器的副边电压整形成为方波送入微机，产生中断。同步电压整形电路的作用有二：一是指明控制角 的计时起点;二是确定送出的脉冲应触发哪一臂的可控硅(定相)。同步电压整形电路分三相及单相两类。三相同步电压整形方案的优点是能准确地确定六个自然换流点，程序设计简单，但中断源较多。而单相同步电压整形电路可以简化硬件，减少中断源。
(2)数字移相及脉冲形成
数字移相是把已定的控制角α折算成对应的延时ta，再折算成对应的计数脉冲个数Na。 α折算成ta的公式为：
式中T——阳极电压周期。
设计数脉冲的频率为ƒc，周期为Tc，则与tc对应的计数脉冲个数：
当同步方波上升沿引起CPU响应中断后，将Na送入计数器/定时器的某一通道，作为时间常数开始定时，当该通道的减1计数器减到零时，其输出端变为高电平，申请中断。CPU响应此中断后，立即从并行接口输出相应的触发脉冲(尚未经脉冲功率放大)。
(3)脉冲功率放大
此环节与模拟式触发器基本相同。只是由微型计算机并行接口输出的触发脉冲须经一级前置功率放大作为基本部分，再送到脉冲功率放大部分。这样，根据机组容量大小和功率柜的不同要求，只改变后面的脉冲功率放大部分，而前面的基本部分是通用的。
