谐波励磁同步发电机具有自励恒压、经济性好的特点,得到了广泛重视和发展。本文通过有限元计算的方法,对谐波励磁同步发电机的磁场进行了分析和研究,并由此分析发电机的自励恒压过程,在此基础上研究了谐波励磁同步发电机的励磁控制系统,主要包括以下内容：首先,介绍了谐波励磁同步发电机的基本结构和工作原理,并对三次谐波励磁在同步发电机中的应用进行了分析,同时对定子上主绕组、三次谐波绕组和附加基波绕组的绕线方式以及其在定子槽中的摆放位置进行了研究。根据谐波输出功率最大的原则,给出了三次谐波绕组匝数的计算方法,最后利用二维有限元方法对谐波励磁同步发电机的空载磁场进行了分析,给出了主绕组电压和谐波绕组电压的波形。其次,推导出了励磁磁势、电枢基波磁势在气隙中产生的基波磁密和三次谐波磁密的函数表达式,并利用瞬态有限元的方法对谐波励磁同步发电机的空载励磁磁场和负载电枢反应磁场进行了深入研究,给出了有限元计算的结果和相应的关系曲线,磁场分析结果与理论分析结果相符,为谐波励磁同步发电机的设计提供了依据。再次,针对谐波励磁同步发电机在有限元分析软件中难以考虑剩磁而无法自励建压的问题,本文提出了一种解决该问题的新方法,并通过有限元计算验证了该方法的可行性。利用该方法,分析了不同负载、不同功率因数情况下的谐波励磁同步发电机的外特性,并与普通的小型同步发电机的外特性进行了比较研究。最后,根据以上对谐波励磁同步发电机磁场的分析结果,基于单片机PIC16F877A设计了一款与之相匹配的数字式励磁调节器(数字AVR)。采用分段增量式PID控制算法,结合硬件电路对设计的励磁调节器进行了实验室调试和现场试验,试验结果表明,该励磁调节器能较好的对谐波励磁同步发电机的励磁进行调节,使发电机的端电压稳定在1%以内,能够满足设计要求。