一、發電機對勵磁控制系統的基本要求

      電力系統中運行的同步發電機，其運行特性與空載電動勢E_q密切相關，而空載電動勢E_q是發電機勵磁電流I_fd的函數（發電機的空載特性），所以改變勵磁電流就可改變同步發電機在系統中的運行特性。因此，對同步發電機勵磁電流進行調節是同步發電機運行中的一個重要內容。實際上，同步發電機在正常運行、系統發生故障情況下，勵磁電流都要進行調節。發電機正常運行進行勵磁電流調節，可維持機端電壓或系統中某點電壓水平，并使發電機組間無功功率達到合理分配；系統發生故障情況下的勵磁電流調節，可提高系統運行穩定性。因此，同步發電機勵磁電流進行自動調節，不僅可提高電能質量，合理分配發電機組間無功功率，而且還可提高系統運行穩定性。勵磁電流的自動調節是由同步發電機自動勵磁調節裝置實現的，勵磁調節裝置簡稱為AER（AVR）。

      同步發電機的勵磁調節系統是同步發電機的一個重要組成部分，它通常由兩部分組成：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可靠的直流勵磁電流；第二部分是勵磁調節器（AVR），它根據發電機及電力系統運行的要求，自動調節控制勵磁功率單元輸出的勵磁電流。整個勵磁系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統，如圖1所示。現代同步發電機通常采用永磁發電機來代替傳統勵磁發電機，原理如圖2所示。

1、對勵磁調節器的基本要求

（1）系統正常運行時，勵磁調節器應能反映發電機電壓高低以維持發電機電壓在給定水平。

（2）勵磁調節器應能合理分配發電機組的無功功率，為此，勵磁調節器應保證同步發電機端電壓調差系數可以在10％以內進行調整。

（3）勵磁調節器應能迅速反應系統故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態穩定和改善系統運行條件。

（4）具有較小的時間常數，能迅速響應輸入信息的變化。

（5）能正確反映發電機運行狀態，對過大勵磁和過小勵磁、過高電壓和過低頻率進行限制與控制。

2、對勵磁功率單元的要求

（1）要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調節容量

      在電力系統運行中，發電機依靠勵磁電流的變化進行系統的電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁系統應具有足夠的調節容量，以適應電力系統中各種運行工況的要求。

（2）具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度

      從改善電力系統的運行條件和提高電力系統暫態穩定性來看，希望勵磁功率單元具有較大的強勵能力和快速的響應能力。強勵倍數與勵磁電壓響應比是反映勵磁系統強勵性能的兩項重要技術指標。

① 勵磁頂值電壓（強勵倍數）

      發電機的勵磁控制系統均應有強勵作用，即當機端電壓降低到一定程度時，為了提高電力系統暫態穩定性，以最快的速度將發電機的勵磁電壓升高到頂值。

      勵磁頂值電壓是勵磁功率單元在強行勵磁期間可能提供的最高輸出電壓值U_fd.max。該值與額定工況下勵磁電壓U_fd.N之比為強勵倍數。

 K_Q=U_fd.max / U_{fd.N..................................} （公式1）

      強勵倍數高，可使E_q升高，使輸出功率增加，從而增大減速轉矩，使功角δ擺動最大幅度減小，有利于暫態穩定。強勵倍數一般取1.6～2，它主要受到造價和結構的制約。

② 勵磁電壓響應比

      勵磁電壓響應比是說明發電機轉子磁場建立過程的粗略參數，反映了勵磁機磁場建立速度的快慢。

      早期直流勵磁機勵磁系統將勵磁電壓在最初0.5s內上升的平均速度定義為勵磁電壓響應比，如圖3所示。即使圖中陰影部分的面積和Δacb面積相等所確定的ac線的斜率。圖中取額定工況下的勵磁電壓值U_fd.N為強行勵磁初始值，于是勵磁電壓響應比可以定義為

R_p=（U_c－U_b） / U_fd.N/0.5=2U_cb*（1/s） _{..................................}  （公式2）

      現在一般大容量發電機組往往采用快速勵磁系統，用響應時間作為動態性能評定指標。勵磁系統電壓響應時間是指：發電機勵磁電壓為額定勵磁電壓U_fd.N，從施加階躍信號起至勵磁電壓達到0.95（U_fd.max-U_fd.N）所花費的時間，該時間一般要小于0.1s。快速勵磁系統勵磁電壓變化曲線如圖4所示。 

      勵磁系統電壓響應時間小于或等于0.1s的勵磁系統，稱為高起始響應的勵磁系統。靜止晶閘管勵磁系統屬于高起始響應的勵磁系統。另外，對勵磁系統還要求應有足夠的強勵持續時間，采用晶閘管勵磁時，一般為10～20s；應有足夠的電壓調節精度與電壓調節范圍，應能保證同步發電機端電壓靜差率小于1％；當發電機內部故障或停機時，快速動作的滅磁性能可迅速將磁場減小到最低，保障發電機的安全。

二、同步發電機三種運行狀態

      與其它發電機一樣，同步發電機也是可逆的，既可作發電機運行，亦可作電動機運行。設一臺隱極同步發電機并聯運行于無窮大電網，處于發電機狀態，示意圖如圖5所示，相量圖如圖6所示。

（1）從圖6（a）可以看出，此時E?超前U，功率角θ和相應的電磁功率Pem都是正值，θi≈θ也為正值，即轉子主極軸線沿轉向超前于氣隙合成磁場軸線，因而作用于轉子上的電磁轉矩為制動性質。柴油機輸入驅動性質的機械轉矩克服起制動作用的電磁轉矩，將機械能轉變為電能。

（2）逐步減少柴油機輸入功率，使轉子瞬時減速，θ角和電磁功率相應減小。當θ角減至零時，發電機變為空載，其輸入功率正好抵償空載損耗，相量圖如圖6（b）所示。

（3）繼續減少柴油機輸入功率，則θ和P_em變為負值，表明發電機要從電網吸收一部分電功率，與柴油機輸入功率一起與空載損耗平衡，以維持轉子的同步旋轉。如果再拆去柴油機，就變成了空轉的同步電動機，空載損耗必須全部由電網輸入的電功率供給。如果在發電機軸上再加上機械負載，則負值的θ角和Pem會更大，θi亦為負值。主極磁場落后于氣隙合成磁場，電磁轉矩為驅動性質、拖動軸上機械負載一道旋轉，發電機進入電動機運行狀態，將電網輸入的電能轉換成機械能。此時發電機的相量圖如圖6（c）所示。

      從上分析可知，從發電機狀態進入電動機狀態的過程中，功率角θ和電磁功率Pem均由正值變為負值，電磁轉矩由制動性質變為驅動性質，機電能量轉換過程也發生了逆變。

三、同步發電機的試驗方法

      國家標準"GB1029"對三相同步電機的實驗方法作了具體規定，適用于普通三相同步發電機的型式實驗或檢查實驗。通過實驗可以確定該電機各性能指標。各種電機的效率和電壓調整率均在部頒標準的相應技術條件中有具體規定，將實驗結果與標準規定數據比較即可確定某同步發電機的質量和性能了。若求取額定勵磁電流和電壓變化率，一般用作圖法，跟國家標準GB1029介紹，其具體步驟如下：

（1）繪制開路特性曲線，并沿縱軸額定相電壓相量UN。

（2）自原點O作額定電樞電流相量IN，與縱軸成ΦN角（cosΦN為額定功率因數）。

（3）從相量UN終端作出電樞繞組電阻壓降INRa平行與相量，IN,Ra為基準工作溫度時的繞組電阻（對大型電機的Ra可忽略不計，對小型電機可進可行實際測量），從INRa終端作一垂直于相量IN的保梯電抗壓降相量INXp。

（5）UN和INRa及和INRa及INXp的相量和為相量Ep,Ep和UN的夾角δ。

（4）由開路特性確定的對應于Ep的勵磁電流為Ifp在相量終端上與縱與縱軸成δ+ΦN角做相量Ifa。

（5）額定電樞電流時電樞反應的勵磁電流Ifa和保梯電抗Xp的確定。

       根據開路特性曲線，并在圖上作F點，F點的縱坐標為額定電壓，橫坐標為零功率因數特性上對應于于額定電樞電壓.額定電樞電流的勵磁電流通過通過F點作平行于橫軸的直線CF，取CF的長度等于三相穩態短特性曲線上對應于額定樞電流的勵磁電流Ifk，自點C作直線平行于開路特性的直線部分于開路特性交于H，自CF作的垂線HK交CF于K，線段HK的長度即為額定電樞電流時在保梯電流電抗Xp上的壓降△Up，則保梯電抗Xp，可按下式計算：

Xp＝△Up／IN _{..................................}  （公式3）

      若用標么值繪制開路特性曲線時,則,即可直接得出線段的長度代表勵磁電流。

（6）由開路特性曲線求出對應與開路電壓。電壓變化率按下式計算：

△U=（U0-UN)/UN*100 _{..................................}  （公式4）

總結：

      通過以上試驗，可以得出三相同步電機的試驗結論。該結論可作為三相同步電機出廠前的質量評定依據，也可以用于現場檢測和故障分析。總之，GB/T1029-2021標準中關于三相同步電機試驗方法的規定十分詳細，試驗人員在進行試驗時應嚴格按照標準要求執行，以確保試驗結果的準確性和可靠性。