一、 勵磁系統的工作原理
同步發電機是電力系統的主要裝置，它是將旋轉形式的機械功率轉換成電磁功率的裝置，為完成這一轉換，它本身需要乙個直流磁場，產生這個磁場的直流電流稱為同步發電機的勵磁電流。專門為同步發電機提供勵磁電流的有關裝置，即勵磁電壓的建立、調整和使其電壓消失的有關裝置統稱為勵磁系統。同步發電機的勵磁系統是由勵磁調節器aer和勵磁功率系統組成。
勵磁功率系統向同步發電機轉子勵磁繞組提供直流勵磁電流。調節器根據發電機端電壓變化控制勵磁功率系統的輸出，從而達到調節勵磁電流的目的。
根據我國國家標準gb／t7409.1－2008「同步電機勵磁系統」的規定的定義，同步電機勵磁系統是「提供同步電機磁場電流的裝置，包括所有調節與控制項、勵磁功率單元、磁場過電壓抑制和滅磁裝置以及其它保護裝置。」
1、 勵磁調節系統的主要作用
1) 調節電壓以維持機端電壓為給定值
電力系統正常執行時，負荷隨機波動，隨著負荷的波動，需要對勵磁電流進行調節，以維持機端或系統中某點電壓在給定水平，所以勵磁系統擔負著維持電壓水平的任務。為便於分析，這裡討論單機執行系統，如圖1－1所示。
圖圖1－1 單機執行系統
（a）一次電路； （b）等值電路；（c）相量圖；（d）同步發電機的外特性；
（e）具有調節器的外特性； gle－同步發電機的勵磁繞組
發電機感應電動勢eg與定子電壓ug關係為：
eg ＝ug＋jigxd1－1）
式中 ig－－發電機定子電流；
xd－－發電機直軸同步電抗。
由圖1－1（c）可將eg與ug的幅值關係表示為：
egcosδ＝ug＋
式中 δ－－eg與ug間的相角，即發電機的功率角；
發電機的無功電流。
在δ值很小時，可近似認為cosδ≈1，則：
eg≈ug＋
式（l－3）表明，在勵磁電流不變的情況下（即δeg=0），無功負荷的變化是造成機端電壓變化的主要原因。由式（1－3）可作出發電機的外特性如圖1－1（d）所示，外特性的斜率為：
δug／δ
式（1－4）中的負號表示無功電流增加時，發電機端電壓下降。當從增大到時，相應的機端電壓ug從ugl降低到ug2。如果要維持ug1值不變，則應手動增加勵磁，使外特性向上平移。
當利用調節器自動調節勵磁電流［如圖1－1（e）］時，當機端電壓下降到ug2後，調節器自動調節勵磁電流，使ug2回公升到ug2′穩定執行。圖1－1（e）中虛線為調節器動作前的外特性，同圖1－1（d）曲線；實線2為調節器動作後的外特性，其斜率為：
ug／δ ／（1+k1－5）
式中 kς－－勵磁控制系統開環放大倍數
綜上所述，對於單機執行的發電機，引起機端電壓變化的主要原因是無功負荷的變化，要保持機端電壓不變，必須相應的調節發電機的勵磁電流。
2) 調節並列執行各發電機間的無功功率分配
為了便於分析，設同步發電機與無限大容量母線併聯執行。如圖1－2所示，發電機端電壓不隨負荷變化，是乙個恆定值，系統等值電抗為零。
由於發電機輸出的有功功率只受調速器控制，與勵磁電流的大小無關。所以，當勵磁電流變化，並忽略定子電阻損失時，發電機輸出的有功功率等於發電機的電磁功率p，即：
p＝ugigcosφ＝常數1－6）
式中 φ－－功率因數角
發電機輸出的有功功率又可表式為：
p＝egug／xd×sinδ＝常數1－7）
由式（1－6）、（1－7）和圖1－2可知，當ug為常數，p為常數，xd不變時，勵磁電流變化，將引起eg、δ、ig、φ、q等電氣量的變化。
圖1－2示出四種不同勵磁電流值時的相應各電氣量。當勵磁電流變化時，在p為常數的條件下， eg終端變化軌跡為平行於 ug的a1a4線段，相應定子電流的變化軌跡為d＇d線段。
圖1－2 同步發電機接於無限大容量母線執行
（a）一次電路；（b）相量圖（p＝常數）
同時，由圖4－2－2 看出，電壓降相量 igxx在ds和qs軸上的投影分別正比於發電機輸出的有功功率和無功功率，即a1c在ds和qs 軸上的投影分別為a1b和bc線段。
由上式可知，在p為定值而勵磁電流變化時，電抗xd上的壓降（igxd）相量在ds軸上投影a1b等於kp不變。所以，eg終端變化軌跡是平行於ug且與ug距離為kp的直線。
可見，bc線段正比於發電機輸出的無功功率，它隨勵磁電流if的變化而變化。
發電機接於無限大容量系統時，調節它的勵磁電流只能改變其輸出的無功功率。勵磁電流過小，發電機將從系統吸收無功功率。在實際執行中，發電機併聯的母線並不是無窮大系統，系統電壓隨著負荷波動而變化，改變其中一台發電機的勵磁電流不但影響其本身的電壓和無功功率，而且也影響與其併聯執行機組的無功功率，影響程度與系統情況有關。
因此，同步發電機勵磁系統還擔負著併聯執行機組間無功功率合理分配的任務。
3) 提高電力系統的穩定性（靜態穩定，暫態穩定）
同步發電機穩定執行是保證電力系統可靠供電的首要條件，電力系統在執行中隨時都可能遭受各種干擾，在這些擾動後，發電機組能夠恢復到原來的執行狀態，或者過渡到另乙個新的穩定執行狀態，則系統是穩定的。電力系統穩定通常分為靜態穩定和暫態穩定兩種。
（一）勵磁對靜態穩定的影響
靜態穩定是指電力系統在正常執行狀態下，經受微小擾動後恢復到原來執行狀態的能力。圖1－3 為單機經連線電抗xs向無限大容量母線送電，母線電壓us恆定不變。
圖1－3 單機經連線電抗xs向無限大容量母線送電
（a）一次電路； （b）等值電路； （c）進相執行向量圖
δ－功率角； δg－內功率角； φ－功率因數角； ψ－eg與 ig夾角
發電機經連線電抗xs向無限大容量母線送電的功角特性：
p＝egug／xς×sin1－8）
其中 xς＝xd+xs
式中 xs－－聯絡電抗，即變壓器和輸電線路電抗。
對應於某個固定的電動勢eg時，輸出的有功功率p是功率角δ的正弦函式。如圖1－4所示，稱之為同步發電機的功率特性或功角特性。
當δ小於90°時（圖中a點），發電機是穩定的；當δ大於90°時（圖中b點），發電機是不穩定的；當δ等於90°時，為穩定的極限。所以，輸出功率極限為：
pmax=egug／x1－9）
實際執行中，為了留有一定的裕度，δ總是小於90
靜態穩定極限pmax與發電機電動勢eg成正比，而eg與勵磁電流成正比，改變勵磁電動勢又能改變發電機輸出的無功功率。所以，eg的大小又能反應無功功率的大小。
圖1－4 單機經連線電抗xs向無限大容量母線送電
經過相關推導（略）可以得出發電機視在功率靜態穩定極限為：
從上式可以看出，視在功率靜態穩定極限的軌跡是乙個圓，圓心o＇在q軸上，距圓點為ug2／2（1／xs－1／xd），半徑r為ug2／2（1／xs＋1／xd）。發電機執行點只要落在圓內，就能穩定執行。
在無功功率qa保持不變時： b＇點對應的有功功率是靜穩極限功率pma，a點是穩定執行點（因為 pa＜pma＝；b點是不穩定執行點（因為 pb＞pma）。同理，有功功率pa保持不變時，減小勵磁，發電機由於電動勢下降將吸收系統的無功功率，工作點沿ac線段向下移動，c＇點是靜穩極限點，c點是不穩定執行點。
所以，圓外是不穩定的失步區。所謂失步，就是當勵磁減小到某值時，使功率角δ增大到大於90°，發電機轉子被加速而超出同步轉速執行。
圖1－5中圓1是在發電機沒有調節器，靜穩極限角δss＝90°情況下得到的。
圖1－5 功率極限圖
1－無aer靜態穩定極限圓；
2－有aer靜態穩定極限圓；3－低勵限制圓
當發電機裝有調節器，δss＞90°使功率極限軌跡擴大，如圖1－5中圓2所示，所以調節器能有效地提高電力系統靜態穩定的功率極限。
綜上所述，發電機勵磁電流不能任意減小，必須受靜態穩定條件的約束，此外還受發電機定子端部發熱條件的限制，也就是說執行中進相不能太多，其限制值與p的大小有關。為此，在大型發電機自動勵磁調節器中，設定低勵限制功能，往往按進相執行功率曲線進行整定，如圖1－5中虛線圓3所示。
綜上所述，發電機勵磁電流不能任意減小，必須受靜態穩定條件的約束，此外還受發電機定子端部發熱條件的限制，也就是說執行中進相不能太多，其限制值與p的大小有關。為此，在大型發電機自動勵磁調節器中，設定低勵限制功能，往往按進相執行功率曲線進行整定，如圖1－5中虛線圓3所示。
圖1－6所示的發電機功角特性，是對應某乙個eg值，稱之為內功角特性曲線。發電機安裝有調節器就意味著隨著負載的變化，勵磁電流可以自動調節，此時電動勢eg為變值。假定調節器無慣性，並在負載變化時可保持機端電壓ug恆定，則隨著負載的增加，自動增大勵磁電流使eg值公升高，此時功角特性已不是一條正弦曲線，而是由一組eg等於不同恆定值的正弦曲線族上相應工作點所組成，如圖1－6曲線ⅵ所示，稱之為外功角特性。
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