摘要：晶闸管直接励磁系统（又称静止晶闸管自并励系统）是现代同步发电机稳定运行的心脏和控制中枢，它是一个集建压、调压、稳压、保护和优化于一体的高性能自动控制系统。简单来说，就是以晶闸管为快速执行机构，以自动控制理论为核心，不仅为发电机提供“聪明”的直流励磁，更使其从一个被动的能量转换装置，转变为一个主动参与电压调节、稳定控制和安全保护的智能动态设备。

 

一、系统概述

 

  发电机晶闸管直接励磁系统的原理（如图1所示）是将发电机机端电压经变压器降压后，通过晶闸管可控整流电路，直接转换为可控的直流电，供给发电机自身的励磁绕组，从而实现对机端电压的自动调节。

1、名词解释

（1）直接：励磁电源直接取自发电机自身，无需另外的励磁机。

（2）静止：所有功率部件（变压器、晶闸管）都是静止的，没有旋转部件，可靠性高。

（3）自并励：励磁装置与发电机定子绕组并联连接。

2、基本构成

（1）励磁变压器：从发电机机端取电，隔离并降压至适合整流电路的电压等级。

（2）晶闸管可控整流桥：系统的核心执行机构，将交流电变成可控的直流电。通常为全控或半控桥。

（3）自动电压调节器：系统的大脑，包含测量、比较、放大、控制等环节。

（4）灭磁与过电压保护装置：保证系统安全。

（5）发电机转子（励磁）绕组：负载。

3、技术特点与优势

（1）响应速度快：晶闸管的开关时间在毫秒级，配合快速的AVR，动态性能远优于传统的直流励磁机或交流励磁机系统。

（2）调节精度高：PID控制结合高精度测量，稳态电压调整率可达±0.5%以内。

（3）可靠性高：全静止元件，无电刷、换向器等机械磨损部件，维护工作量小。

（4）效率高：功率电路损耗小，系统效率高。

（5）控制功能强大：易于实现多种附加功能，如恒功率因数控制、强励限制、欠励限制、电力系统稳定器（PSS）信号输入等，提升与电网交互的性能。

（6）良好的起励特性：可利用发电机残磁或外加起励电源，通过晶闸管逐步建立电压。

 

图1 静止晶闸管自并励系统原理图

二、自动调压环节（按信号流程）

 

  发电机晶闸管直接励磁系统控制电路的各个环节是整个励磁系统的“大脑”和“神经系统”，负责将微弱的测量信号转换为强大的晶闸管触发脉冲，实现精确、快速的电压调节。控制电路是一个完整的闭环负反馈控制系统，主要包括以下四个核心环节：

1、测量与比较单元（系统的“眼睛”和“基准”）

（1）功能：实时感知发电机运行状态，并与期望值进行比较，产生误差信号。

（2）原理：测量比较环节中的测量部分用于测量发电机的端电压。一般采用三相降压变压器、整流、滤波获得发电机端电压信号，也有直接取自发电机端电压经电阻分压、整流、滤波后得到端电压信号的。由于电子电路形式的多样性，测量比较环节中的比较部分，有的采用双稳压管桥式比较电路；有的采用单稳压管桥式比较电路；有的则采用运算放大器构成比较电路等。

2、调节单元（系统的“大脑”和“决策中心”）

（1）功能：对微弱的偏差信号进行整形、放大和运算，生成具有良好动态性能的控制指令。

（2）原理：误差信号调节环节的功能是对微弱的误差信号放大，且对其进行微分、积分运算，使之能满足及时快速控制要求。通常采用比例、积分、微分（PID）调节方式，经PID调节后的信号再去控制触发脉冲的产生时刻，以获得较好的调节特性。

3、脉冲触发单元（系统的“手臂”和“执行翻译器”）

（1）功能：将控制电路输出的模拟量控制电压UcUc​，精确地转换为对应相位角的晶闸管门极触发脉冲。这是连接弱电控制与强电功率的关键桥梁。

（2）原理：触发脉冲形成环节的形式多样。有的采用单结晶体管组成弛张振荡器，有的采用阻容移相桥触发电路，有的采用阻塞振荡电路，有的采用模拟集成触发器等多种形式。对于晶闸管整流电路需要注意的一个问题是触发电路必须与主电路电压保持同步，触发电路要保证在主电路电压每一周期中都要在相同的相角处送出触发脉冲。触发信号电压的形式有正弦波、尖脉冲、方脉冲、强触发脉冲及脉冲列等。

4、保护单元（系统的“安全员”和“优化器”）

（1）功能：确保发电机和励磁系统在安全极限内运行，并优化系统动态性能。

（2）主要组成：

① 强励（顶值）限制器：当系统故障电压急剧下降时，AVR会命令晶闸管全导通（α≈0∘α≈0∘）以提供强励电流，帮助维持电网稳定。但强励电流和时间必须被限制，以防转子过热。该单元在达到预设的电流上限或时间后，会强制减小励磁。

② 低励（欠励）限制器：防止发电机因励磁电流过小而进入不稳定运行区（失步），或导致定子端部过热。

③ V/Hz（伏赫比）限制器：防止发电机在转速（频率）过低时，过高的电压导致发电机或主变压器铁芯磁路饱和而过热。

④ 电力系统稳定器：输入电网频率或功率振荡信号，产生一个正阻尼转矩信号叠加到AVR中，用于抑制电力系统的低频振荡，提高大电网稳定性。

⑤ 过电压和过电流保护：监测各种异常状态，并执行跳闸或切至备用通道等操作。

 

三、晶闸管可控整流桥的分类

 

1、单相可控整流电路

（1）单相半波可控整流（电路如图2（a）所示）

① 结构：只用1个晶闸管，与负载串联在交流回路中。

② 特点：最简单，但性能最差。输出脉动大，变压器有直流磁化。仅用于小功率或教学。

（2）单相半控桥式整流（电路如图2（b）所示）

① 结构：由2个晶闸管和2个二极管组成桥臂，负载端常并联续流二极管。

② 特点：性价比高。只能整流，不能逆变。必须接续流二极管防止失控。广泛用于中小功率直流调压（如调速、充电）。

2、三相可控整流电路

（1）三相半波可控整流（电路如图2（c）所示）

① 结构：3个晶闸管阴极或阳极相连，另一端接三相电源。

② 特点：比单相电路脉动小，但变压器利用率仍不高，存在直流磁化。是理解三相电路的基础。

（2）三相半控桥式整流（电路如图2（d）所示）

① 结构：共阴极组为3个晶闸管，共阳极组为3个二极管。

② 特点：性能优于三相半波，成本低于三相全控。只能整流，不能逆变。同样需注意失控问题，有时需加续流二极管。用于中等功率调压。

 

图2 发电机晶闸管可控整流桥的类型

总结：

发电机晶闸管直接励磁系统的调压原理，核心在于一个以“晶闸管可控整流桥”为快速执行机构的闭环负反馈自动控制系统。它通过实时、连续地改变晶闸管的触发控制角 αα，来线性调节励磁电流，并且无论外部负载如何扰动，都能维持发电机输出电压恒定在期望值。这种系统完美结合了电力电子技术（晶闸管）和自动控制理论（PID闭环反馈），是现代同步发电机实现高性能、高可靠电压调节的典范。

-------------------------------
维修与技术支持：
康明斯（Cummins）作为全球知名品牌，其柴油发电机组故障诊断技术结合了机械、电子和智能系统的综合分析方法，能够快速定位问题并减少停机时间。