电机励磁方式

旋转电机中产生磁场的方式
旋转电机中产生磁场的方式。现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。
磁路
图1电机励磁方式
用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈（或励磁绕组），励磁线圈中的电流称为励磁电流（或激磁电流）。若励磁电流为直流，磁路中的磁通是恒定的，不随时间而变化，这种磁路称为直流磁路；直流电机的磁路就属于这一类。若励磁电流为交流，磁路中的磁通随时间交变变化，这种磁路称为交流磁路；交流铁心线圈、变压器和感应电机的磁路都属于这一类。
分类
一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。
他励
图2电机励磁方式
由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。
他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。
自励
图3双频励磁方式的特性
利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自励时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。但如果原先电机内部没有磁场,它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。所以实现自励的条件是电机内部必须有剩磁。
自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。并励发电机进行自励的条件和起励过程如图1和图2所示。图1是并励直流发电机的原理接线图。图2为其起励过程。其中曲线1为发电机的磁化曲线Φ=f(If)。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E 0=f(If)，即电机的感应电动势与励磁电流If 之间的关系。而曲线2为励磁回路的电阻特性U=If·∑R,它表示励磁电流与电机电压之间的关系。它实际是一条斜率为ΣR的直线。其中∑R 为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。
过程
图4电机励磁方式
电机以某一速度п旋转时,由于电机中有剩磁，会在电枢绕组中感应电动势Er。在此电动势作用下，在励磁回路中会产生一个励磁电流If1。如励磁绕组接法正确，If1所产生的磁通势将使电机中的磁场加强，电枢绕组中感应电动势进一步增加到E1，使励磁电流又将增大到If2。如此相互促进，直至电机空载特性和电阻特性的交点A。在这一点上,电机的端电压为U0，它所产生的励磁电流为If1，而在这个励磁电流If1下，电机产生的电动势正好为U0，电机就稳定工作在这一点。如果增大励磁回路的电阻 ∑R，电阻特性的斜率将增大，它与空载特性的交点下移，发电机的输出电压就下降。当电阻增大到某一临界值∑Rcr时，电阻特性3与发电机空载特性几乎相重合。此时电机电压将不确定。若电机温度和运行条件有一点变化，电压就会大幅度变化。如进一步增大电阻，发电机就不能自励建立电压。在要求电压能大范围调节的场合，如同步发电机的励磁机，可在磁极钢片中开一个小槽，使磁路中出现狭窄区域。这些区域在比较小的磁通下就开始饱和，使电机的空载特性变得比较弯曲（图3）,这样励磁回路电阻特性能在较大范围内和空载特性确定相交，从而获得较广的调压范围。
发电机在带负载时，负载电流在电机内阻上的电压降会使端电压下降。对于自并励电机，端电压的下降使励磁电流减少而导致电机端电压的进一步下降,如图4曲线1所示。为了克服这个缺点,发电机常采用复励，即除了并励绕组以外，再加一个串励绕组，串励绕组和负载电路串联。随着负载的增加，串励绕组的磁通势增大，使电机的感应电动势相应地增加，以补偿负载电流在内阻上的电压降，从而使电机的端电压能基本保持平稳，如图4曲线2所示。
异步电机
异步发电机的自励
图5电机励磁方式
交流励磁的异步发电机也可以进行自励。其交流励磁电流须由电容器供给,利用LC 并联谐振的原理建立电压。与直流发电机一样，要实现自励，电机铁心中必须有剩磁，利用剩磁在电枢绕组中产生电动势对电容负载供电，输出容性电流。由于输出相位超前的容性电流，相当于输入滞后的感性电流，它具有助磁作用，使电机气隙磁场加强，从而增大电机的感应电动势和容性电流。最后由于磁路饱和的影响，电机的电压稳定在空载特性和电容特性的交点上（图5）。它建立电压的过程与自励直流发电机十分相似。只是用电容特性代替了电阻特性。电容特性的斜率为。为保证异步发电机能自励建压，需要有足够的电容，当电容小到临界值Ccr 时,电容特性与无载特性重合，电机就不能稳定发电。再减小电容，电机就不能自励建立电压。
同步电机
同步电机励磁
励磁系统除了应该能维持电机电压以外,还有其他一系列要求,如在调节系统的无功功率和在电力系统发生突然短路、突加负载及甩负载时，能对电机强行励磁或强行减磁，以提高电力系统运行的稳定性和可靠性，当电机内部发生短路事故时能对电机快速灭磁，以防止事故扩大，避免电机进一步损坏等。所以同步电机的励磁系统比较复杂，种类繁多，其分类列于表。
励磁系统分类
同步电机励磁系统的分类如下：
同步电机的励磁系统
图6电机励磁方式
由励磁电源、手动调节装置、自动励磁调节器和灭磁装置等组成。励磁电源也分为自励式和他励式两大类。他励式设备比较庞大，但调节性能较好，而自励式电源比较简单，但是当电力系统发生故障，电网电压严重下降时，其励磁电流可能反而减少，使电网电压情况更为恶化。励磁电压影响电机运行的稳定性，为此必须采取适当的设备保护措施。
自励式励磁电源
取自同步电机内部的辅助绕组或直接取自同步电机本身的出线端。同步电机自励式励磁系统中，自动励磁调节器是重要部件。它的作用是当同步电机的端电压和无功功率发生变化时，能根据电压量测比较单元和无功补偿（调差）单元送回的反馈信号，自动地控制励磁机或其他励磁供电电源的输出电流，达到自动调节端电压和无功功率的目的。此外，调节器中还有一些辅助调节装置，例如用以限制发电机某些运行量（如转子电流，定子电流等）的限制单元；通过引入转速或频率等附加信号来改善电子系统动态性能的稳定单元和其他补偿单元等。此外，还有灭磁装置，它是在电机内部发生短路时,使电机的励磁电流迅速衰减到零,从而使电机的感应电动势降到很低，以避免进一步损坏。