发电机励磁系统简介讲解

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1、发电机 励磁系统简介 安徽凯立科技股份有限公司 上海合凯电力保护设备有限公司 黄冬华 1.1. 发电机基本原理及励磁系统发电机基本原理及励磁系统 中学物理学告诉我们：导体在磁场中运 动、并切割磁场的磁力线时，导体中将会产 生电流 这就是最基本的发电机原理。 这说明，要发电必须同时满足两个条件 ： 1.） 要有产生磁力线的磁场； 2.） 运动的导体必须切割磁力线。 励磁系统就是产生发电机磁场的控制系统 。 2. 2. 发电机的转子和定子发电机的转子和定子 发电机由两大部分组成。 1.） 转子 转子绕组通以直流电流 ，用以产生发电机的磁场； 2.）定子 定子绕组被旋转的磁场 之磁力线切割，在定子绕

2、组中产生（发 出）电流。 发电机转子被原动机（水轮机、汽轮机 、柴油机等）拖动转动，因而转子绕组产生 的磁场也是旋转的，与静止的定子及定子绕 组产生相对运动。 3. 3. 励磁系统的最基本功用励磁系统的最基本功用 产生可以任意控制其大小的直流 电流（称为“励磁电流” ） 向 发电机转子绕组输送，这就是励磁系 统的最基本功用。 实际上的发电机励磁系统比这复杂得 多，是综合了多门学科 电力系统及其 自动化、电机学、模拟电子技术、数字电 子技术、半导体变流技术、自动控制原理 、电工技术、工业自动化、微机原理及接 口技术、C程序语言、继电保护 等的高科 技产品。 4. 4. 同步发电机现代励磁系统的功

3、能同步发电机现代励磁系统的功能 1. 发电机并网前，调节发电机输出的端电压 ； 2. 发电机并网后，调节发电机承担的无功功 率； 3. 提高同步发电机并列运行的静、动态稳定 3.1 静态稳定: 采用灵敏快速的励磁调节系统， 可以提高发电机在小干扰下的稳定性（静态稳定 ）； 3.2 动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的 励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的 稳定性（动态稳定、暂态稳定）； 4. 发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以 保护发电机的安全。 5. 5. 励磁系统的技术标准励磁系统的技术标准 1 国际电工委员会标准 IEC2A（秘13-1978）汽轮发电机励磁系统技术要求 IEC

4、（秘593-1982） 关于同步发电机励磁系统的若干 规定 2 中华人民共和国国家标准 GB755-87 旋转电机基本技术要求 GB/T 7409.3-1997 大、中型同步发电机励磁系统技 术要求 3 中国电力行业标准 SD271-88 汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件 （“三机”系统） DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统 技术条件 （“自并激”系统） 6. 6. 励磁系统的主要技术参数励磁系统的主要技术参数 1 当发电机的励磁电压和电流不超过额定励磁电压和 电流的1.1倍时，励磁系统保证连续运行。 2 励磁系统顶值电压倍数 1.61.8 （2.0） 3 励磁系统

5、允许强励时间 10s （20） 4 励磁系统电压响应比（电压上升速度） “ “自并激自并激” ”系统系统 3.5 “ “三机三机” ”系统系统 1.61.8 （2.0） 5 电压调整范围 70110% 6 电压调整精度 0.5 % （0.25%） 7 调差范围 10 % （15%） 8 励磁系统强行切除率 0.1 % 蓝色数字为对一般励磁系统的要求, 红色数字为对 大型机组和优质励磁系统的要求。 7 . 7 . 励磁系统的主要构成励磁系统的主要构成 励磁电源装置 如直流励磁机、交流励磁机、励磁变压器、 硅二极管整流装置、可控硅整流装置等。 自动励磁调节装置 手动励磁调节装置（可不设置） 自动灭

6、磁装置 发电机转子绕组过电压保护装置（小机组不 设） 备用励磁系统 （可不设置） 上述 装置的控制系统、信号系统和测量仪 表 8. 8. 目前国内常用的励磁系统目前国内常用的励磁系统 1. 直流励磁机励磁系统 多用于七十年代以前的中小型机组。 2. 具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机- 静止整流器励磁系统（“三机”励磁系统） 多用于六十年代以后100MW以上的大型火电机组。 3. 具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机- 旋转整流器励磁系统（“无刷”励磁系统） 用于八十年代以后的大中小型机组（用量较少）。 4. 静止可控硅自并激励磁系统（“自并激”励磁 系统） 多用于七十年代以后的水电机组、以

7、及九十年代以后 的大中小型火电机组，系优质励磁系统。 9. 9. “ “三机三机” ”励磁系统励磁系统 发电机 交流励磁机-静止整流器励磁系 统 （“三机”励磁系统） 简 介 10. “10. “三机三机” ”励磁系统慨述励磁系统慨述 主励磁机的交流输出，经硅二极管整流器整 流后，供给汽轮发电机励磁。 主励磁机的励磁，由永磁副励磁机之中频输 出经可控硅整流器整流后供给。 自动电压调节器根据汽轮发电机之端电压互 感器、电流互感器取得的调节信号，控制可控硅 整流器输出的大小，实现机组励磁的自动调节。 11. “11. “三机三机” ”励磁系统的优点励磁系统的优点 发电机的励磁电源取自同轴的交流主

8、励磁机，不受电力系统运行的情况影响， 工作可靠。 高速大容量交流主励磁机的设计制造 、运行维护比直流励磁机容易。 直流励磁机电枢产生的是交流电势，经过整 流子（换向器）的机械整流作用，变成直流电输 出，供给发电机励磁。“三机”励磁系统用静止硅 整流器代替旋转的机械整流子。 永磁式副励磁机PMG工作可靠，只 要机组转动，即可为主励磁机提供励磁电 流。 12. “12. “三机三机” ”励磁系统的缺点励磁系统的缺点 交流主励磁机是一“时滞”环节 要调节发电机励磁电流，必须先调节 交流主励磁机的励磁电流，有“时滞”存在 。 副励磁机波形畸变 可控硅整流桥的负载是交流主励磁机转 子绕组这一电感性负载。

9、因此，励磁电源 副励磁机的输出电压波形将产生畸变，容 易出现发电机调节不稳定、无功功率跳动 或摆动的情况。 13. “13. “三机三机” ”励磁系统原理框图励磁系统原理框图 14. “14. “三机三机” ”励磁系统设备成套范围励磁系统设备成套范围 1. 交流主励磁机（发电机生产厂家制造） 1 台 2. 永磁副励磁机（发电机生产厂家制造） 1 台 3. 硅二极管整流装置 1 套 4. 微机励磁调节装置 1 套 5. 灭磁及转子绕组过电压保护装置 1 套 6. 主励磁机手动备用励磁装置（可不设置） 1 套 15. 15. 交流主励磁机交流主励磁机 额定容量 根据发电机参数和强励磁电压顶 值倍数

10、确定 额定电压 根据发电机参数和强励磁电压顶 值倍数确定 额定电流 根据发电机参数和强励磁电压顶 值倍数确定 相数 三相 频率 100 Hz（用以减小发电机转子绕 组的电感及时间常数） 额定转速 与同轴发电机相同 16. 16. 永励副励磁机永励副励磁机 额定容量 根据发电机、交流主励磁机 参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电压 根据发电机、交流主励磁机 参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电流 根据发电机、交流主励磁机 参数和强励磁电压顶值倍数确定 相数 三相 频率 400 或 500 Hz（中频） 额定转速 与同轴发电机相同 励磁方式 永磁式 17. 17. 硅整流装置硅整流装置 整流方式

11、三相全波桥式不可控整流 整流元件 大功率硅二极管 整流桥数量 1 2（并联）个 单个整流桥输出电压 2 倍发电机额定励磁电压 单个整流桥输出电流 2 倍发电机额定励磁电流 只需单个整流桥即可满足发电机强励需要 硅二极管参数： 额定电流 额定电压 反向电压 18. 18. 微机励磁调节装置微机励磁调节装置 内有单通道或双通道容错型数字式（微机 型）自动励磁调节器（AER）。 可最大限度地允许调节器内线路和元件故 障。 任一AER皆可单独满足包括强励在内的所 有运行工况。 可减少因调节器故障引起的机组强迫停机 率。 可使发电机工作于恒端电压的P、PI、PID ，恒电流，恒无功，恒功率因素四种模式。

12、正 常或无特殊要求时，首选恒端电压的运行方式 。 软件采用C语言编写。 19. 19. 灭磁及转子绕组过电压保护装置灭磁及转子绕组过电压保护装置 1. “三机”励磁系统灭磁方式 发电机正常停机 主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：通过硅二极管整流桥近似自然灭磁 发电机事故停机 主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：通过氧化锌（ZnO）非线性电阻灭磁 2. 灭磁装置：双断口磁场断路器+ZnO非线性电阻 3. 过电压保护装置 发电机转子绕组： ZnO非线性电阻 硅二极管整流桥： ZnO非线性电阻 20. “20. “三机三机” ”励磁系统的限制和保护功能励磁系统的限制和保护功能 低励

13、磁限制/低励磁保护 反时限过励磁限制/过励磁保护 V/Hz限制 /V/Hz保护 电力系统稳定器PSS （小机组可不设） 发电机PT断线检测和保护 误强励检测和限制 发电机空载过电压保护 可控硅失脉冲检测 硅二极管整流柜（桥）故障的强励限制 21. 21. “ “自并激自并激” ”励磁系统励磁系统 发电机 静止可控硅自并激励磁系统 （“自并激”励磁系统） 简 介 22. 22. 自并激励磁系统概述自并激励磁系统概述 接自汽轮发电机机端的励磁变压器之副边电压 ，经可控硅整流器整流后，供给汽轮发电机励磁。 自动励磁调节器（AER）控制可控硅整流器输 出的励磁电流之大小。 自并激励磁系统没有旋转部分，

14、属静态励磁系 统。 23. 23. 自并激励磁系统的优点自并激励磁系统的优点 n n 运行可靠性高运行可靠性高 n n 可提高机组轴系的稳定性可提高机组轴系的稳定性 n n 励磁系统响应快励磁系统响应快 n n 可提高电力系统的稳定水平可提高电力系统的稳定水平 n n 可提高电厂的经济效益可提高电厂的经济效益 n n 可节约电厂的基建投资可节约电厂的基建投资 24. 24. 自并激励磁系统的优点（续）自并激励磁系统的优点（续） 运行可靠性高 自并激励磁系统为静态励磁，没有旋转部分 ，运行可靠性高。随着电力电子技术的发展，大 功率可控整流装置的可靠性已与不可控整流装置 大致相当。 可提高机组轴系

15、的稳定性 由于取消了主、副励磁机，缩短了汽轮机 发电机组的轴系长度（例如300MW汽轮发电机轴 长由原“三机”系统的14922mm缩短至11220mm ，减少了3.7m ），提高了机组轴系的稳定性、改 善了轴系的振动，从而提高了机组安全运行的水 平。 励磁系统响应快 因为没有主励磁机这一时滞环节，所以自并 激励系统是一种高起始的快速响应励磁系统。因 而技术指标高，性能参数好。 25. 25. 自并激励磁系统的优点（续）自并激励磁系统的优点（续） 可提高电力系统的稳定水平 在小干扰稳定方面，自并激励磁系统配置PSS （电力系统稳定器）后，小干扰稳定水平较交流励 磁机励磁系统有明显的提高； 在大干扰稳定方面，电力系统的计算表明，自 并激励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机励磁系 统相近或略有提高。 可提高电厂的经济效益 自并激励磁