《小型水电站励磁设备讲课教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型水电站励磁设备讲课教案（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.,1,小型水电站励磁设备,全国农村水电自动化培训教材 （长江委陆水自动化研究所）,.,2,一.农村水电的概念,国内小水电装机及机组容量的发展 小水电系指装机容量25MW及一下的水力发电站和以小水电为主的地方小电网。 五十年代，一般称500kW一下的水电站为农村小水电站；到六十年代，小水电的容量界限到3MW ; 六十年代末期小水电站的容量界限上升到12MW; 八十年代以后小水电站的定义也扩大到25MW; 九十年代后，国家计委、水利部进一步明确装机容量50MW以下的水电站均可享受小水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至二十几万KVA的地方电网。,.,3,一.农村水电的概念, 各国小水电的容量定
2、义(kW),.,4,一.农村水电的概念, 相关标准界定（含同步电机和水轮发电机） GB 10585-89，GB/T7409-1997， SD299-88，DL/T583-2005。 中小型：10WM以下机组 大中型：10WM以上机组,.,6,旋转式,直流励磁机方式 D.C. exciter 一台使用换向器与电刷提供直流电流的旋转励磁机，通过与发电机同轴的直流励磁机所发出的直流电给主发电机励磁的方式，见图2.1.11。,.,7,图2.1.11 直流励磁机励磁,采用一个它励绕组的直流励磁机,.,8,旋转式,交流励磁机 A.C. exciter 使用整流器流器提供直流电流的旋转励磁机 带有静止整流器
3、的交流励磁机 A.C. exciter with stationary rectifiers 带有整流器的交流励磁机，其输出与同步电机励磁绕组滑环上的电刷相联结。见图2.1.12 带有旋转整流器的交流励磁机（无刷励磁机） A.C. exciter with rotating rectifiers ( brushless exciter) 带有励磁机及与同步电机同轴的旋转整流器的交流励磁机，其输出不经过滑环或电刷，而直接与同步电机的励磁绕组相联结。见图2.1.13,.,9,图2.1.12,带不可控静止整流器的交流励磁机,.,10,图2.1.13 带有旋转整流器的交流励磁机,.,11,静止式励磁
4、static exciter,从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器提供直流电流的励磁机。 电势源静止励磁机 potential source static exciter 仅从电势源（可以从同步电机出线端）取得功率并使用可控硅整流器的静止励磁机。见图2.2.11。 从复合电源静止励磁机 compound source-static exciter 从电流与电压两个电源（独立取自同步电机机端）取得功率的静止励磁机。从两个电源来的输入可以在整流器的交流侧或直流侧取得，并且可以并联或串联，整流器可以设计可控的或不可控的。图2.2.21、图2.2.22、和图2.2.23 。,.,12,图2.2
5、.11,电势源静止,.,13,图2.2.21,直流侧串联,.,14,图2.2.22,交流侧并联,.,15,图2.2.23,交流侧相加,.,16,三.励磁设备的技术要求（条件）,GB/T10585-89 中小型同步电机励磁系统基本技术要求 GB/T 7409.3-1997同步电机励磁系统大、中型同步电机励磁系统技术要求 DL/T 583-2005 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件 DL/T 489-92 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程,.,17,使用条件,环境要求 (1) 使用地点的海拔高度不大于3000m; (2) 环境最高温度+40; (3) 环境最低温度:采用
6、水冷者为+5,采用其它冷却方式者为-10; (4) 最湿月的平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度为+25; (5) 应能适应无爆炸危险的介质,无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体,以及周围较清洁和无剧烈振动的环境条件。,.,18,使用条件, 供电电源要求 (1) 交流380/220V系统,电压偏差范围为额定值的15%,频率偏差范围为-3+2HZ； (2) 直流系统220/110V系统，电压偏差范围为额定值的-20%+10%。,.,19, 系统性能要求,1. 励磁系统应保证当发电机励磁电流和电压不超过发电机额定负荷下励磁电流和电压的1.1倍时，能长期连续运行。 2. 励磁系统强励顶值电压
7、倍数的考虑，中小型机组的励磁系统一般不小于1.6倍，大中型机组的励磁系统一般不小于1.8倍，顶值电流倍数与顶值电压倍数相同。当系统稳定要求更高顶值电压倍数时,按计算要求确定。顶值电压倍数超过2时，顶值电流倍数仍取2。 3. 励磁系统在顶值电流情况下的允许持续时间：中小型机组的励磁系统不小于10s；大中型机组的励磁系统不小于20s。但不得大于50s,.,20, 系统性能要求,4. 励磁系统电压响应时间不大于0.1s。 5. 励磁系统应保证发电机机端调压精度：小型机组不大于1.5%；中大型机组不大于0.5%。 6. 励磁系统应保证发电机机端电压调差率在以下范围内可以调整： (1) 小型机组:采用半
8、导体型调节器时为10%;采用电磁型调节器时为5% (2) 中大型机组为15%,级差不大于1%。调差特性应有较好的线性度。,.,21, 系统性能要求,7. 励磁系统应保证在发电机空载运行情况下，频率值每变化1时，发电机端电压的变化率： (1)小型机组：采用半导体型调节器时为不大于0.5%；采用电磁型调节器时为不大于3% (2)中大型机组不大于0.25。 8. 励磁系统应满足下列要求： (1) 空载10%阶跃响应：发电机电压超调量不大于10额定值；调节时间不大于5s；振荡次数不超过3次。 (2) 发电机空载，转速为0.951.05额定转速范围内，突然投入励磁系统，使发电机机端电压从零上升到额定值时
9、，小型机组超调量不大于额定电压的15%,中大型机组不大于10%，调节时间不大于5秒，振荡次数不超过3次。 (3) 当发电机突然甩掉额定有功负荷和额定无功负荷后，发电机电压超调量不大于15额定值；调节时间不大于5s；振荡次数不超过3次。,.,22, 系统性能要求,9. 电压调节范围： 自动励磁调节器电压调整范围：10110%额定电压； 手动励磁调节器电压调整范围：10110%额定电压。 10. 在发电机空载运行状态下，自动控制单元和手动控制单元的整定电压变化速度，每秒应不大于额定电压的1%，不小于额定电压的0.3%。 11. 励磁系统功率整流器不应采用串联元件。当并联支路较多时应考虑均流措施。在
10、发电机额定励磁电流情况下，均流系数不应低于0.85。,.,23, 系统性能要求,12. 励磁系统的功率整流器在任何运行情况下，过电压保护器应使得整流器的输出电压瞬时值不超过绕组对地耐压试验电压幅值的70% 13. 励磁系统的灭磁装置，应满足： 灭磁过程中，励磁绕组反向电压应控制在不低于出厂试验时绕组对地耐压试验电压幅值的30%，不超过50% 14. 静止整流励磁系统的起励电流应不大于发电机空载励磁电流的10%20%。 15. 励磁系统的年强迫停运率不应大于0.1%。,.,24,四.励磁调节器,按调节器处理数据的的类型分，又可分为数字式、模拟式和数字模拟混合式三种 。 数字式励磁调节系统 随着电
11、子技术的发展，电力系统稳定性要求的提高，智能化的励磁系统运育而生。目前数字式励磁调节系统大多采用微控制器，因此又称为微机励磁 。,.,25, 数字式励磁调节系统, 微机励磁的分类 现代同步电机的励磁系统大多采用了微机控制技术，从目前国内已投运的水力发电机组来看，微机控制励磁主要有以下几种类型： 1）按CPU的总线宽度分：从理论上讲，在一定条件下（如主频相同）总线宽度越宽，CPU所能处理数据的容量越大，时间也少，速度就越快，因而性能也越好。但我们不能过份的追求性能指标，对产品的推广、普及和应用来讲，性价比和可靠性是更重要的指标,.,26, 微机励磁的分类 1）按CPU的总线宽度分,(a) 8位机
12、：如MCS51系列，带Flash的AT89、AT90系列（89c52、8515），Motorola公司的：M6805、M68HC05、M68HC11、M68HC12单片机， Micro-Chip公司的PIC 16C系列和17C系列8位单片机，Zilog公司的Z8单片机，Scenix公司的8位RISC结构SX系列单片机，及以8位微控制器为内核的PLC、工控机等产品。,.,27, 微机励磁的分类 1）按CPU的总线宽度分,(b) 16位机：如INTEL公司的96系列和部分80系列，ATMEL公司的AT91系列，Motorola公司的M68HC16系列，TI公司的 DSP89系列的单片机或单板机，及
13、以16位微控制为内核的PLC、工控机等产品 。 (c) 32位机：Motorola公司的M683XX.系列，TI公司的TMS320C28X系列等。,.,28, 微机励磁的分类 2）从结构型式上又可分为,(a) 单片机型：结构简单，易于开发，数字化程度低，在目前用得很少，多用于完成局部功能； (b) 单板机型：开发难度大，功能较强，智能化程度高，性价比高，是目前流行的方式； (c) 工控机型、PLC型等：只需要作软件开发，开发周期短，功能较强，性价比低，在目前较少采用。,.,29, 微机励磁的分类 3）单微机、双微机及多微机,从可靠性、降低风险、性价比等方面考虑，目前有单微机、双微机及多微机励磁
14、系统。 在单通道微机励磁调节器中，按调节计算、人机接口、与上位机通讯、操作控制、脉冲形成等功能化分，用两个或多个CPU来完成，可降低CPU的负担，同时又可分担风险，但CPU多了，系统变得复杂，可靠性反而会降低，有利有弊,.,30, 微机励磁的分类 4）单通道、双通道和多通道,为了解决以上矛盾，可用双通道或多通道的方案来解决。 所谓单通道、双通道是按独立调节的微机通道数划分的，象整流变压器、灭磁回路、励磁绕组是不可能也没有必要冗余的,.,31, 调节器模式的选择,从理论上讲，在一定条件下（如主频相同）总线宽度越宽，CPU所能处理数据的容量越大，时间也少，速度就越快，因而性能也越好。但我们不能过份
15、的追求性能指标，对产品的推广、普及和应用来讲，性价比和可靠性是更重要的指标。 国外的大公司具有较强的研发能力，一般都采用自主研发的专门适用于励磁控制的微机调节器，对于不具备硬件研发能力的励磁生产厂家，通常都采用标准的工控机作励磁的微机控制器。 采用标准的工控机可缩短开发周期，对可靠性有一定的保证，不足之处在于工控机的核心技术掌握在别人手上，可知性差。通用性强，专业性差，系统复杂，性价比低；关于PLC可编程序控制器在励磁上的运用，目前多用于完成局部功能，速度慢，性价比低,.,32, 调节器模式的选择,1) 在每个通道的设计上可选功能强大的（16位以上）微处理器（包括DSP），再辅以CPLD大规模
16、在线可编程逻辑器件，既满足了性能、功能的要求，又使系统尽可能的简单，这就是目前所谓的微机控制系统的两片技术的应用，既提高了性能又简单可靠 2) 为了提高调节器系统的可靠性，在通道数上采用冗余方案，构成双通道调节器，从通道上冗余来提高可靠性。目前有的厂家提出了三通道及以上的冗余方案，这是没有必要的，因为并不是通道数越多越可靠，通道数多了，同样会使系统变得复杂，从而会降低系统的可靠性。应该把着点放在提高单通道的可靠性上，用适当的冗余来提高我们最为担心的部位的可靠性，才是较为合理的方案,.,33, 调节器的基本功能,1) 信号的采集 a. 直流采样：对于发电机的各种电参量，经过隔离变换后，送入CPU进行采样计算。所谓直流采样主要是对于发电机的各种电参量经过隔离再变换为直流信号，送入A/D转换器（单元），主要有以下几个量：发电机端电压量Ui，定子电流量Ii，有功量Wi，无功量Qi，励磁电压ULi，励磁电流ILi。 b. 交流采样：对于同步电机的各种电参量经过隔离变换后为交流量，主要有以下几个参量：定子电压Ui，定子电流，励磁电压
