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1、第二章 发电机励磁系统 邰能灵,上海交通大学 电气工程系 2006.8,对大型发电机励磁系统的要求 同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁功率形式的设备，为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流。同步发电机的励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器(装置)两大部分组成，其框图如图2-1-1所示。励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调分器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁控制系统。,一、
2、励磁系统的主要作用 同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而值是发电机励磁电流的函数，所以调节励磁电流就等于调节发电机的运行特性。在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁系统起着重要的作用，优良的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格的电能；还能改善电力系统的稳定条件。 励磁系统的主要作用有： 1根据发电机负荷变化相应地调节励磁电流，以维持机端电压为给定值； 2控制并列运行发电机间无功功率分配； 3提高发电机并列运行的静态稳定性； 4提高发电机并列运行的暂态稳定性； 5在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度； 6根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及
3、最小励磁限制。,二、对大型发电机励磁系统的要求随着电力系统的发展，发电机单机容量增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。并由于微处理机迅速发展，技术日趋成熟，采用微机型双自动励磁调节器方案已成为大型发电机励磁系统设计的首选方案。励磁系统是发电机正常运行时自动控制电压的环节，也是提高电力系统稳定性的有效措施，玉环电厂发电机励磁系统一般应具有如下技术特点： 1.励磁方式：采用同轴交流励磁机旋转整流器励磁系统。为监测发电机转子接地，发电机应装设转子接地检测滑环并配置引接碳刷装置。 2.强励要求：强励电压倍数为1.8，强
4、励电流倍数为1.5。 3.1.1倍额定励磁电压和额定电流时的运行要求：当发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电流和电压的1.1倍时，励磁系统能保证连续运行。,4.短时过载能力：励磁系统具有短时过载能力，按强励电压倍数为1.8，强励电流倍数为1.5，持续时间10秒设计。 5.电压调节精度和调差率：发电机电压调节精度，不大于0.5的额定电压。励磁控制系统暂态增益和动态增益的值能在机端电压突降1520时，保证使可控硅控制角达到最小值。AVR对发电机电压的调差采用无功调差。调差率范围应不小于10%。 6.电压响应速度：无刷励磁系统电压响应时间不大于0.5秒。在空载额定电压下，当电压给定阶跃响应为10
5、时，发电机电压超调量不大于阶跃量的30；振荡次数不超过3次；发电机定子电压的调整时间不超过5秒。发电机零起升压时，自动电压调节器保证定子电压的超调量不超过额定值的10，调节时间不大于10秒，电压振荡次数不大于3次。 7.电压频率特性：当发电机空载频率变化1，采用电压调节器时，其端电压变化不大于0.25额定值。在发电机空载运行状态下，自动电压调节器的调压速度，不大于1额定电压/秒；不小于0.3额定电压/秒。,8.电压响应比：无刷励磁系统电压响应比不小于2.5倍/秒。 9.自动电压调节器的调压范围：发电机自动调整范围：空载时能在20110额定电压范围内稳定平滑调节；负载时能在90110额定电压范围
6、内稳定平滑调节。整定电压的分辨率不大于额定电压的0.2%。发电机手动调节范围：能从10空载励磁电压到110额定励磁电压范围内稳定平滑调节。 10.发电机转子线圈过电压保护：旋转整流装置设有必要的R-C吸收回路，用于抑制尖峰过电压。旋转整流装置能承受直流侧短路故障、发电机滑极、异步运行等工况而不损坏。 11.旋转整流装置：旋转整流装置中的并联元件采用具有高反向电压的二极管，每臂有10个支路，共20个二极管，有足够的裕量，能保证额定励磁和强励的要求。严格控制二极管的正向压降及其偏差。旋转整流装置及旋转熔断器应能承受离心力作用，其特性不应由于疲劳而损坏或明显变化。旋转整流装置配有保护旋转熔断器，在正
7、常运行时熔断器不产生有害疲劳，也不会产生特性畸变，熔断器熔丝熔断有信号指示。,1000MW机组励磁系统,早期的汽轮发电机的励磁主要是采用直流励磁机系统。对于励磁功率大于600kW的汽轮发电机，无法采用同轴直流励磁机系统。目前都采用交流励磁机励磁方式，其中按功率整流器是静止还是旋转的不同又可分为交流励磁机静止整流器励磁方式(有刷)和交流励磁机旋转整流器励磁方式(无刷)两种，以及静止励磁方式，其中最具代表性的是自并励励磁方式，后两种励磁方式多用于大型(容量在100MW及以上)汽轮发电机组。以下简要介绍无刷励磁方式。,由同轴永磁式副励磁机、交流主励磁机、静止硅整流装置和自动调整磁装置组成。发电机的磁
8、场由交流励磁机的输出经三相桥式联结的静止硅整流装置提供，而交流励磁机的磁场则由永磁式副励磁机经自动励磁调节装置的三相全控桥式整流器提供。这一励磁方式不受电力系统运行状况的影响，可减小励系统的时间常数，但动态性能差，适用于靠近负荷中心的火电厂。交流励磁机旋转整流器励磁方式通常称为无刷励磁方式。这种励磁方式属于三机励磁机范畴，所不同的是旋转整流装置与发电机、主励磁机和副励磁机在同轴上旋转，因而取消了炭刷和滑环，避免了因炭粉和铜末引起的电机绕组的绝缘污染。除了三机励磁方式的共有问题外，无刷励磁方式的特殊问题，一是励磁回路无灭磁装置，事故跳闸后发电机靠自然灭磁，灭磁时间相对较长；二是旋转整流装置难以直
9、接测量和观察励磁电流和电压。无刷励磁方式国外以美国西屋公司、日本三菱公司、德国西门子公司和法国阿尔斯通公司的产品居多。我国近年来引进西屋技术生产的300MW以上汽轮发电机也是采用这种无刷励磁方式。,一、励磁系统的组成原理在交流励磁机静止可控整流器励磁系统中，交流励磁机输出经晶闸管整流后，供给发电机励磁电流。其电压响应速度快，动态性能好，采用三相全控整流桥时还可实现逆变快速灭磁。用于对强励顶值电压和电压增长速度要求更高的发电机，已在600750MW汽轮发电机上采用。同步发电机正常工作，首先必须有一定的励磁电流，这个励磁电流一般由励磁机来提供。而励磁电流的大小与同步发电机的机端电压存在一定的关系，
10、通过调节励磁电流，就可以改变和影响同步发电机在电力系统中的运行特征，这就是励磁系统中的励磁控制系统的功能。交流励磁机旋转硅整流器励磁系统的励磁主回路的硅整流二极管是与交流励磁机电枢和主机转子同轴旋转的，励磁电流不需经炭刷及滑环引入发电机的转子绕组。因此，这种励磁系统又称为无刷励磁系统(或旋转半导体励磁系统)。,无刷励磁按旋转整流器类型分为旋转二极管型和旋转可控硅型，其系统原理图如图所示：目前实际上采用的均是旋转二极管型，旋转可控硅型的旋转中收发触发脉冲及检测等技术问题尚处于研究阶段。 旋转二极管励磁系统 旋转可控硅励磁系统,控制系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，与发电机一起构成一
11、个反馈控制系统。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电源，励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。在无刷旋转二极管励磁系统中，主励磁机一般采用100Hz电枢旋转式交流发电机，交流励磁机的输出经硅二极管整流桥整流后直接送入主机转子绕组。旋转二极管组成三相桥式整流电路，一般分成两组，分别安装在两组同轴旋转的与轴绝缘的金属圆盘(散热盘)上。一组为阴极型硅二极管，阴极固定在同一个散热盘上，称共阴极组；另一组用阳极型硅二极管，其阳极固定在另一个散热盘上，称共阳极组。每臂的硅二极管可以串联或并联。硅二极管的并联个数，应根据额定励磁电流，加上20的裕度，还要考虑15左右的电流不平衡来选
12、择，以保证当一个并联支路的快速熔断器熔断后，其余支路仍能维持发电机额定出力运行。,由于无刷励磁方式硅整流元件和熔断器均装在旋转圆盘周围，因此必须考虑圆盘承受强大离心力的机械强度，连接在硅整流元件上用于保护的并联电阻、电容等元件，也要采用耐离心力的材料，并用环氧树脂固定。为了简单和可靠，往往取消了与硅二极管并联的阻容抑制保护回路，而选用反向峰值电压高的硅二极管。为了简化过电压保护，一般仅在硅整流器直流侧装设一个并联电阻。 无刷励磁方式取消了滑环和电刷后带来了两方面新的问题：一是无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度、监视转子回路对地绝缘，监视旋转整流桥上的熔断器等，而必须采用特殊的测量和监视
13、手段；二是无法采用发电机磁场回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设火磁开关，因此灭磁时间相对较长，300MW汽轮发电机组无刷励磁的灭磁时间长达20s。这些问题在技术上都得到了较好的解决。,二、无刷励磁系统工作原理 无刷励磁系统一般由永磁机、主励磁机和旋转整流装置三大部件组成 1无刷主励磁机电枢；2永磁机电枢；3永磁机磁极；4旋转整流装置； 5主发电机电枢；6无刷主励磁机磁场；7可控硅整流装置； 8主发电机转子磁场,以西屋公司MARK型无刷励磁系统为例，永磁机磁极、励磁机电枢、旋转整流装置是与发电机同轴旋转的。永磁机电枢产生的高频350Hz电源通过两组全控整
14、流桥供给主励磁机磁场绕组，这部分是静止的。励磁机电枢绕组直接连至三相桥式全波旋转整流装置，其正、负极直接与主发电机转子连接，供给发电机励磁。因此励磁能源部件全部取消了整流子、电刷和滑环装置，如此就构成了无刷励磁系统。MARK型整流装置为板式结构，便于维修和更换；快速熔断器及电容器为单元组合式；整流装置电路为三相桥式全波整流，每一支路由两个并联整流管与两个并联熔断器串联，可以及时开断故障，当每相25的硅整流管损坏时，仍能满足发电要求。该类励磁系统励磁电压响应时间小于0.1s，故属高起始响应无刷励磁系统。控制自动电压调节的可控硅整流器的控制角达到实现调节发电机励磁的要求。在正常情况下，发电机励磁电
15、流的大小，由自动电压调节器（AVR）按发电机输出端电压偏差信号可以自动调节，维持发电机端电压在给定的水平上。,四、玉环电厂励磁机系统结构及特点 （一）励磁方式 采用同轴交流励磁机旋转整流器励磁系统，取消了换向器、集电环和炭刷装置，提高了安全可靠性，减少了维护工作。 （二）励磁参数 以交流励磁机为例： 额定功率：2484kW；额定电压：417V；额定电流：3802A,（三）励磁调节装置随着电力系统的发展，发电机单机容量增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。并由于微处理机迅速发展，技术日趋成熟，采用微机型双自动励磁
16、调节器方案已成为大型发电机励磁系统设计的首选方案。励磁机由整流环、三相主励磁机、三相副励磁机、冷却器、计量和监控装置组成。其结构如图所示。,由图可见，整流环和励磁机转子安装在与发电机转子刚性联接的同一个轴上，并由位于其端部的轴承予以支承,这样发电机转子和励磁机转子就由3个轴承予以支承。 主励磁机结构示意 1联轴节；2整流环；3励磁机转子；4风机,2三相主励磁机主励磁机适应带整流负载的要求，并有较大的储备容量，发电机出口三相短路或不对称短路时，励磁机不产生有害的变形或过热。交流主励磁机采用150Hz。主励磁机是一台小型三相隐极式同步发电机。1磁极 2定子 3转子 4风机,3三相副励磁机 副励磁机采用永磁式中频发电机，具有良好的外特性，从发电机空载到强行励磁时，其端电压变化不超过10%额定值。配置用于报警的故障低电压、过电流检测继电器及电压、电流表计。 三相副励磁机系一16极旋转磁场装置。励磁机的机架装有带三相绕组的叠片铁心。转子由具有悬挂极的轮毂组成，见图2-2-8。每个极由10个独立的永久性磁铁组成，这些磁铁装在一个非磁性的金属壳内，并用螺栓固定在轮毂与外极靴之间。把转子轮毂热装在轴的自由端。,
