供給同步發電機勵磁電流的電源及其附屬裝置統稱為勵磁系統。勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，主要任務是向同步發電機轉子提供乙個可調的勵磁直流電源，從而達到控制同步發電機機端電壓恆定的目的，同時，還具有合理分配併聯機組無功功率和提高電力系統穩定性的重要作用，以滿足同步發電機正常發電的需要。因此，保證勵磁系統安全穩定執行也是保證同步發電機正常發電的基礎，而提高勵磁裝置的檢修、試驗和維護技術具有重要意義。
第1章同步發電機勵磁系統基礎知識
1.1三相同步發電機的工作原理
三相同步發電機是利用電磁感應現象的原理製成的，它是把機械能轉化為電能的裝置。交流發電機主要由轉子和定子兩部分組成，另外還有滑環、電刷等。三相同步發電機的勵磁繞組通入直流電流後建立恆定磁場，原動機拖動轉子以轉速n旋轉時，其磁場切割定子繞組而產生感應交流電勢，定子繞阻若接入用電負載，就有交流電能輸出。
因為它提供的是方向做週期性變化的交流電，故稱為交流發電機。
感應電勢：e1 ＝4.441n11-1
式中：e1 定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的方均根值 (v)
1 定子頻率（hz）
n1 定子相繞組有效匝數
φ 每極磁通量 (wb)
速度：n＝60 f 1 / p1-2
式中 p 發電機極對數
f1 電源頻率
s 轉差率
頻率：f1＝pn/601-3
現代汽輪發電機均為2極，隱極式，轉速為3000轉/分鐘，水輪發電機採用凸極式，極數多，轉速低。
1、同步發電機的執行分析
同步發電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路執行稱為空載執行。
同步發電機帶上負載後，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發生變化, 這種影響稱為電樞反應。電樞反應的性質，取決於電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波之間的相對位置，即與空載電動勢和電樞電流之間的夾角有關。電樞反應是同步電機在負載執行時的重要物理現象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現機電能量轉換的樞紐。
同步發電機的模型如圖1-1所示。
圖1-1同步發電機的模型
d軸通常稱為直軸分量，直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用,在勵磁繞組上產生電磁力,但不能形成電磁轉矩。q軸通常稱為交軸分量，交軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用,在轉軸上產生電磁轉矩tem，輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應越強，tem越大，這就要求原動機輸入更大的驅動轉矩，維持電機的轉速不變。但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上公升）。
為維持電壓恆定也需要相應增加（或減小）所需的勵磁電流。為了保持發電機的頻率和電壓的穩定，必須隨負載變化及時調節發電機的輸入功率和勵磁電流。而交軸電樞反應是實現機電能量轉換的關鍵。
隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恆定。
同步發電機的執行特性與它的空載電勢eq值的大小有關，而eq值是發電機勵磁電流的函式，改變勵磁電流就可影響發電機在電力系統中的執行特性。電力系統在正常執行時，發電機勵磁電流的變化主要影響電網的電壓水平和併聯執行機組間無功功率的分配；在某些故障情況下，要求發電機迅速增大勵磁電流，維持電網的電壓水平及穩定性。因此，對同步發電機的勵磁進行控制，是對發電機的執行進行控制的重要內容之一。
2、同步發電機功角特性
同步發電機穩態執行時，當空載電勢e0和端電壓u保持不變，在恆定勵磁和恆定電網電壓下（即e0 =常值，u =常值），發電機發出的電磁功率pem與功率角δ之間的關係曲線pem=f（δ），稱為同步發電機的功角特性。併聯於無窮大電網的同步發電機要調節有功功率輸出，只需調節原動機轉矩。在功率極限角δ範圍內，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。
同步發電機功角特性曲線如圖1-2所示。
圖1-2同步發電機功角特性
從發電機功角特性上可見，當功角δ從零逐漸增加到90時，發電機輸出的有功功率隨著功角的增大而增大，到90時，輸出功率達到了最大值，稱發電機功率極限值。如果勵磁電流不變，發電機向外輸出的功率就不可能超過這個數值。當δ從90繼續增大，輸出功率反而隨δ的增大而減小。
當δ=180時輸出功率為0。如果原動機的功率保持不變，而轉子受到外力作用，使功角發生微小變化，如果原來的工作點在功角從0~90之間，則發電機會通過若干個擺動回到原來的工作點，稱此區間為靜態穩定區間；而在功角δ從90~180變化時，則不會達到穩定，稱為非穩定區。事實上，不可能在這個區間工作。
若功角δ繼續增大，超過180，則輸出負功率，也就是從電網吸收功率，進入電動機執行狀態。所以，功率角δ是同步發電機執行狀態的乙個重要的變數，它不僅決定了發電機輸出功率的大小，而且說明發電機轉子運動的空間位置。通過它把同步發電機的電磁變化關係和機械運動狀態緊密地聯絡起來。
轉子空間位置的變化,引起同步機有功功率的變化，反過來，轉子的空間位置，即與氣隙合成磁場的相對位置，要受到電磁過程的制約。
（1）有功功率調節
增大原動機轉矩（開大汽門），發電機輸入功率p1增大，t1＞tem，δ逐漸變大，發電機輸出的電磁功率pem和電磁轉矩tem逐漸增大，直到t1=tem為止，如圖a點。
若小擾動使功角δ增大到a′點，pem和tem增大，迫使電機減速，功角δ變小，電機回到a點。小擾動使功角δ減小時，有同樣結論。所以a點稱為穩定執行點。而b點為不穩定執行點。
可見，併聯於無窮大電網的同步發電機要調節有功功率輸出，只需調節原動轉矩。在功率極限角範圍內，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。
（2）無功功率調節
併聯於無窮大電網的同步發電機當電網電壓和頻率恆定、引數（xd、xq、xt）為常數、空載電勢e0不變（即 if 不變）時，q=f (δ)為無功功率功角特性。汽輪發電機無功功率的功角特性曲線如圖1-3所示。
圖1-3汽輪發電機無功功率的功角特性曲線
對於無功功率的調節，可以通過對勵磁電流的調節實現。併網執行同步發電機調節無功功率，只需改變勵磁電流if。調節if不影響發電機的有功功率輸出,但影響發電機的穩定性能。
調節無功功率時不影響有功功率的輸出,但調節有功功率時影響無功功率輸出。無功功率調節相量圖如圖1-4所示。
圖1-4無功功率調節相量圖
空載電動勢e0在cd直線上變化，相應的電樞電流i的變化在ab線上。
1）正常勵磁
φ=0°，cosφ=1，p≥0，q=0，正常發電機狀態，相位角在0～90°之間。
當i1與u1同相，即 cosφ=1。此時發電機向電網輸出的全部功率都是有功功率，無功功率為零，此時的電樞電流為最小值，所對應的勵磁電流即正常勵磁電流，此時組成的是乙個直角三角形。
2）過勵磁
φ＞0°，cosφ滯後，p≥0，＋q≥0，向系統發出感性無功感性或吸收容性無功感性。
增加勵磁電流，則空載電動勢e0相應增加，看圖可見，電樞電流由i1變化到i2，電動勢變化到e01，此時整個系統出現了滯後無功電流，即發電機將向外輸出感性無功功率，這個狀態稱為過勵。
＋p，＋q：正常發電機狀態，相位角在0°～90°之間。
－p，＋q：調相狀態。相位角在90°～180°之間。
＋q,p=0（電容器狀態），相位角為90°。
3）欠勵磁
φ＜0°，cosφ超前，p≥0，－q≥0，向系統發出容性無功感性或吸收感性無功感性。
減小勵磁電流，則電動勢亦減小（在正常勵磁電流對應的情況下），由圖1-4可見，此時電流i2超前u1，即向外輸出超前無功功率的電流，這個狀態稱為欠勵。
＋p，－q：進相狀態。相位角在270°～360°之間。
－p，－q：電動機狀態。相位角在180°～270°之間。
－q，p=0（電抗器狀態）。相位角為270°。
過勵和欠勵是相對無功而言，與有功功率無關。三種狀態相比，欠勵狀態下功率角δ較大，同步電機穩定性差，δ＞90°時為不穩定區，欠勵區域靠近不穩定區，因此同步電機一般不宜在欠勵狀態下執行。
發電機執行時，定子電流和勵磁電流是執行人員主要監視的兩個物理量，這兩個量關係到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數的超前或滯後以及執行的穩定性問題。
3、同步發電機的調整特性
在同步轉速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數為常值時，勵磁電流if與電樞電流i的關係曲線if= f (i ) ，稱為同步發電機的調整特性。即n =ns，u = un，cos 常值時，if = f (i )曲線。
cos =1時的勵磁電流 if稱為正常勵磁電流。正常勵磁狀態：只輸出有功功率；
if ＞if ，過勵狀態：輸出有功功率和感性無功功率；if ＜if ，欠勵狀態： 輸出有功功率和容性無功功率。
可見，調節勵磁電流就可以調節同步發電機的無功功率。不同功率因數時同步發電機的調整特性如圖1-5所示。
圖1-5 if = f (i )曲線
4、「v」形曲線
併聯於無窮大電網的同步發電機，發電機在輸出功率恆定、電網電壓恆定時，電樞電流i和勵磁電流if的關係曲線i=f (if )，形狀如「v」，稱為「v」形曲線。對於乙個給定的有功功率輸出就有一條v形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇「v」形曲線。如圖1-6所示。
圖1-6 「v」形曲線
v形曲線的特點：
1）每條曲線的最低點cosφ=1,相應的勵磁狀態為正常勵磁。定子電流最小，且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜，表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。
2）正常勵磁左邊為欠勵區，功率因數超前；右邊為過勵區，功率因數滯後。不穩定區域邊緣：δ=900，對應靜態穩定極限。
連線向右傾斜，表明輸出有功功率越多，維持穩定所需的勵磁電流也越大。
同步發電機勵磁系統概述
勵磁系統是同步發電機的重要組成部分,直接影響發電機的執行特性。勵磁系統一般由兩部分構成 第一部分是勵磁功率單元，它向同步發電機的勵磁繞組提供直流勵磁電流 第二部分是勵磁調節器，它根據發電機的執行狀態，自動調節功率單元輸出的勵磁電流，以滿足發電機遠行的要求。無論在穩態執行或暫態過程中，同步發電機的執行...
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