勵磁系統分類

概述

發電機勵磁系统

在電⼒系統發展初期，同步發電機的容量不⼤，勵磁電流由與發電機組同軸的直流發電機供給，即所謂直流勵磁機勵磁系統。隨著發電機容量的提⾼，所需勵磁電流也相應增⼤，機械整流在換流⽅⾯遇到了困難，⽽⼤功率半導體整流元件制造技術卻⽇益成熟，於是⼤容量機組的勵磁功率單元，就採⽤了交流發電機和半導體整流元件組成的交流勵磁機勵磁系統。

不論是直流勵磁機勵磁系統還是交流勵磁機勵磁系統，⼀般是與主機同軸旋轉。為了縮短主軸長度、降低造價、減少環節，⼜出現⽤發電機⾃⾝作爲勵磁電源的⽅法，即發電機⾃並勵系統，⼜稱為靜⽌勵磁系統。這種勵磁系統對於⼀般發電機尤為適⽤。下⾯對機種常⽤的勵磁系統作簡要介紹。

一、複勵式(自激)系統

複勵磁系統：運用兩組勵磁繞組，一組電源來自定子繞組R、S、T經三相電抗X及三相整流器得到一場電流 IF，當發電機運轉於額定電壓時此勵磁電流 IF為一固定值。另一組勵磁電源受控於自動電壓調整器AVR，是一組跟隨負載變動的場電流 IFR。
兩組繞組在同一時空中互相影響使總勵磁電流增大或减小，藉以調整發電機端電壓。
複勵磁系統
圖1、複勵磁系統
  • 在複勵磁系統中又可分為積複勵與差複勵。
  • 積複勵：固定勵磁電流IF與調整器勵磁電流IFR 同相位所以總合勵磁場為兩者相加。 IFT = IF+IRF
  • 差複勵：固定勵磁電流IF與調整器勵磁電流IFR 反相位所以總合勵磁場為兩者相減。IFT=IF-IRF
積複勵場電流合成
圖1-1、積複勵場電流合成
差複勵場電流合成
圖1-2、差複勵場電流合成

二、自勵式系統

自勵式系統中可分爲場電流分流與場電流補償兩大類。
  1. 場電流分流
    圖2為一典型場電分流回路，其勵磁電流If 來自發電機端電壓R、S、 T，經三相電抗器X與比流器 CT 電流合成，再予以三相全波整流得到一直流勵磁電流IRF。此勵磁電流作用所產生之交流電壓如大於或小於AVR 設定點時，AVR 經調整內部閘流體(SCR)之導通角度，使J與W間形成短暫「短路」狀態 IR。 控制「短路」之時脈長短即可控制勵磁電流IF 大小。 IF=IRF-IR 當負載電流增大時比流器CT所感應之二次電流隨之增大，而所合成後之三相電壓U、V、W也被提高自然的IF也增大。
    此類型之勵磁回路在負載電流變化越大時，愈能表現其優越的暫態電壓調整率，缺點為體積大、成本高。
    2. 場電流抑制回路
    圖2、場電流抑制回路
  2. 電流補償
    圖3為最廣為運用之場電流補償回路，勵磁電流IF系由發電機所輸出之端電壓R、S、T(或較小電壓繞組)取得，經AVR 內部閘流體 SCR 做導通角度調整而得一直流電源IF。優點為體積小、成本低，暫態電壓調整率較差、波形失真大為其主要缺點。
場電流補償回路
圖3、場電流補償回路
場電流抑制回路
圖3-1、場電流補償VF波型

三、諧波勵磁

在自激式系統中為補償發電機的暫態性能一種如圖2的發電機被改良如圖4中 FU、FV、FW為定子繞組的一部份，其電壓與發電機端電壓成比例關係，一般稱之為輔助電源。S1、S2為一組跟隨三相R、S、T 負載電流變動的電源其頻率為基本波的三倍，一般稱之為諧波電源。

AVR運用輔助電源與諧波電源的合成做為提供勵磁電源，其基本原理與圖2相同但減少了龐大的電抗、CT 及整流元件。

諧波勵磁回路
圖4、諧波勵磁回路

四、他激式系統

利用發電機本體以外之電源作為勵磁電流。常見於帶永磁發電機(PMG)之機組或由另一較小發電機所產生(大型系統發電機)。如圖5帶PMG發電機組

由於其勵磁電源由永磁發電機 PMG(或其他電源)提供，當負載使發電機端電壓發生變化時，勵磁電源仍能提供一穩定電壓使磁系統能即時得到所須之補償空間。故在暫態性能甚至承受暫態短路等方面而言均優於他類型系統。

永磁式勵磁回路
圖5、永磁式勵磁回路