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1、发电机励磁系统简介发电机励磁系统简介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：中学物理学告诉我们：导体在磁场中运动、导体在磁场中运动、并切割磁场的磁力线时，导体中将会产生电并切割磁场的磁力线时，导体中将会产生电流流 这就是最基本的发电机原理。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：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；要有产生磁力线的磁场； 2.） 运动的导体必须切割磁力线。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。励磁系统就是产生
2、发电机磁场的控制系统。 8. 8. 目前国内常用的励磁系统目前国内常用的励磁系统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直流励磁机励磁系统 多用于七十年代以前的中小型机组。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具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-静静止整流器励磁系统（止整流器励磁系统（“三机三机”励磁系统）励磁系统） 多用于六十年代以后多用于六十年代以后100MW以上的大型火电机组。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具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-旋旋转整流器励磁系统（转整流器励磁系统（“无刷无
3、刷”励磁系统）励磁系统） 用于八十年代以后的大中小型机组（用量较少）。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（静止可控硅自并激励磁系统（“自并激自并激”励磁励磁系统）系统） 多用于七十年代以后的水电机组、以及九十年代以后的多用于七十年代以后的水电机组、以及九十年代以后的大中小型火电机组，系优质励磁系统。大中小型火电机组，系优质励磁系统。9. 9. “ “三机三机三机三机” ”励磁系统励磁系统励磁系统励磁系统发电机发电机交流励磁机交流励磁机- -静止整流器励磁系统静止整流器励磁系统（“三机三机”励磁系统励磁系统）简简 介介 10. “10. “三机三机三机三机
4、” ”励磁系统慨述励磁系统慨述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。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。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、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。器输出的大小，实现机组励磁的自动调节。11. “11. “三机三机三机三机
5、” ”励磁系统的优点励磁系统的优点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励发电机的励磁电源取自同轴的交流主励磁机，不受电力系统运行的情况影响，工磁机，不受电力系统运行的情况影响，工作可靠。作可靠。 高速大容量交流主励磁机的设计制造、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。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，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。供给发电机励磁。“三机三机”励磁系统用静止硅整流器励磁系统用静止硅整流器
6、代替旋转的机械整流子。代替旋转的机械整流子。 永磁式副励磁机永磁式副励磁机PMG工作可靠，只要工作可靠，只要机组转动，即可为主励磁机提供励磁电流。机组转动，即可为主励磁机提供励磁电流。12. “12. “三机三机三机三机” ”励磁系统的缺点励磁系统的缺点励磁系统的缺点励磁系统的缺点 交流主励磁机是一交流主励磁机是一“时滞时滞”环节环节 要调节发电机励磁电流，必须先调节交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，有流主励磁机的励磁电流，有“时滞时滞”存在。存在。 副励磁机波形畸变副励磁机波形畸变 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
7、载。因此，励磁电源副子绕组这一电感性负载。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现发电机调节不稳定、无功功率跳动或摆动的情况。的情况。13. “13. “三机三机三机三机” ”励磁系统原理框图励磁系统原理框图励磁系统原理框图励磁系统原理框图14. “14. “三机三机三机三机” ”励磁系统设备成套范围励磁系统设备成套范围励磁系统设备成套范围励磁系统设备成套范围1. 交流主励磁机交流主励磁机（发电机生产厂家制造）（发电机生产厂家制造） 1台台 2. 永磁副励磁机永磁副励磁机（发电机生产厂家制造）（发电机生
8、产厂家制造） 1台台 3. 硅二极管整流装置硅二极管整流装置 1套套 4. 微机励磁调节装置微机励磁调节装置 1套套 5. 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套套 6. 主励磁机手动备用励磁装置主励磁机手动备用励磁装置（可不设置）（可不设置） 1套套 15. 15. 交流主励磁机交流主励磁机交流主励磁机交流主励磁机额定容量额定容量 根据发电机参数和强励磁电压顶值根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定倍数确定额定电压额定电压 根据发电机参数和强励磁电压顶值根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定倍数确定额定电流额定电流 根据发电机参数和强励磁电压顶值根据发电机参数和强励磁
9、电压顶值倍数确定倍数确定相数相数 三相三相频率频率 100 Hz（用以减小发电机转子绕组（用以减小发电机转子绕组的电感及时间常数）的电感及时间常数）额定转速额定转速 与同轴发电机相同与同轴发电机相同16. 16. 永励副励磁机永励副励磁机永励副励磁机永励副励磁机 额定容量额定容量 根据发电机、交流主励磁机参根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值倍数确定数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电压额定电压 根据发电机、交流主励磁机参根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值倍数确定数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电流额定电流 根据发电机、交流主励磁机参根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值
10、倍数确定数和强励磁电压顶值倍数确定 相数相数 三相三相 频率频率 400 或或 500 Hz（中频）（中频） 额定转速额定转速 与同轴发电机相同与同轴发电机相同 励磁方式励磁方式 永磁式永磁式17. 17. 硅整流装置硅整流装置硅整流装置硅整流装置 整流方式整流方式 三相全波桥式不可控整流三相全波桥式不可控整流整流元件整流元件 大功率硅二极管大功率硅二极管整流桥数量整流桥数量 1 2（并联）个（并联）个单个整流桥输出电压单个整流桥输出电压 2 倍发电机额定励磁电压倍发电机额定励磁电压单个整流桥输出电流单个整流桥输出电流 2 倍发电机额定励磁电流倍发电机额定励磁电流只需只需单单个整流桥即可满足发
11、电机强励需要个整流桥即可满足发电机强励需要硅二极管参数：硅二极管参数： 额定电流额定电流 额定电压额定电压 反向电压反向电压 18. 18. 微机励磁调节装置微机励磁调节装置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）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。可最大限度地允许调节器内线路和元件故障。 任一任一AER皆可单独满足包括强励在内的所有皆可单独满足包括强励在内的所有运行工况。运行工况。 可减少因调节器故障引起的机组强迫停机率。可减少因调节器故障引起的机组强迫停机率。 可使发
12、电机工作于恒端电压的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恒电流，恒无功，恒功率因素四种模式。正常或。正常或无特殊要求时，首选无特殊要求时，首选恒端电压的运行方式。恒端电压的运行方式。 软件采用软件采用C C语言编写。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. “三机三机”励磁系统灭磁方式励磁系统灭磁方式 发电机正常停机发电机正常停机 主励磁机：主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：发电机：通过硅二极管整流桥近似自然灭磁通
13、过硅二极管整流桥近似自然灭磁 发电机事故停机发电机事故停机 主励磁机：主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：发电机：通过氧化锌（通过氧化锌（ZnO）非线性电阻灭磁）非线性电阻灭磁2. 灭磁装置：灭磁装置：双断口磁场断路器双断口磁场断路器+ +ZnO非线性电阻非线性电阻3. 过电压保护装置过电压保护装置 发电机转子绕组：发电机转子绕组： ZnO非线性电阻非线性电阻 硅二极管整流桥：硅二极管整流桥： ZnO非线性电阻非线性电阻20. “20. “三机三机三机三机” ”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磁
14、限制低励磁限制/ /低励磁保护低励磁保护反时限过励磁限制反时限过励磁限制/ /过励磁保护过励磁保护V/Hz限制限制 / /V/Hz保护保护电力系统稳定器电力系统稳定器PSS （小机组可不设）（小机组可不设）发电机发电机PT断线检测和保护断线检测和保护误强励检测和限制误强励检测和限制发电机空载过电压保护发电机空载过电压保护可控硅失脉冲检测可控硅失脉冲检测硅二极管整流柜（桥）故障的强励限制硅二极管整流柜（桥）故障的强励限制21. 21. “ “自并激自并激自并激自并激” ”励磁系统励磁系统励磁系统励磁系统发电机发电机静止可控硅自并激励磁系统静止可控硅自并激励磁系统（“自并激自并激”励磁系统）励磁系
15、统）简简 介介 22. 22. 自并激励磁系统概述自并激励磁系统概述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，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。经可控硅整流器整流后，供给汽轮发电机励磁。 自动励磁调节器自动励磁调节器（AER）控制可控硅整流器输出控制可控硅整流器输出的励磁电流之大小。的励磁电流之大小。 自并激励磁系统没有旋转部分，属静态励磁系统。自并激励磁系统没有旋转部分，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
16、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）自并激励磁系统的优点（续）自并激励磁系统的优点（续） 运行可靠性高运行可靠性高 自并激励磁系统为静态励磁，没有旋转部分，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可控
17、整流装置的可靠性已与不可控整流装置大致相当。当。 可提高机组轴系的稳定性可提高机组轴系的稳定性 由于取消了主、副励磁机，缩短了汽轮机由于取消了主、副励磁机，缩短了汽轮机 发发电机组的轴系长度（例如电机组的轴系长度（例如300MW汽轮发电机轴长由汽轮发电机轴长由原原“三机三机”系统的系统的14922mm缩短至缩短至11220mm ，减少，减少了了3.7m ），提高了机组轴系的稳定性、改善了轴），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。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，所以自并激因为没有主励磁机这一
18、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。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）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（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；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，自并在大干扰稳定
19、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。近或略有提高。 可提高电厂的经济效益可提高电厂的经济效益 自并激励磁系统没有旋转部分，运行可靠性高、自并激励磁系统没有旋转部分，运行可靠性高、调整容易、维护简单、检修工作量小，因而可提高发调整容易、维护简单、检修工作量小，因而可提高发电效益。电效益。 可节约电厂的基建投资可节约电厂的基建投资 自并激励磁系统缩短了汽轮机自并激励磁系统缩短了汽轮机 发电机组的轴系发电机组的轴系长度，因而减少了电厂厂房的长度，节约了电厂的基长度，因而减少了电厂厂房的长度，节约了电厂
20、的基建费用。建费用。26. 26. 自并激励磁系统的缺点自并激励磁系统的缺点自并激励磁系统的缺点自并激励磁系统的缺点 发电机出口端短路时，将会导致励磁电源发电机出口端短路时，将会导致励磁电源降低或消失降低或消失 目前，目前，100MW及以上容量的汽轮发电机，三及以上容量的汽轮发电机，三相输出端都设有分相封闭母线，汽轮发电机出口端相输出端都设有分相封闭母线，汽轮发电机出口端短路的现象基本上不存在。短路的现象基本上不存在。 发电机出口端三相短路时，短路电流迅速发电机出口端三相短路时，短路电流迅速衰减，继电保护的配合比较复杂衰减，继电保护的配合比较复杂 首先，三相输出端分相封闭母线的设立，使汽首先，
21、三相输出端分相封闭母线的设立，使汽轮发电机出口端短路的现象基本消除。轮发电机出口端短路的现象基本消除。 其次，采用一定的技术措施后，可以保证继电其次，采用一定的技术措施后，可以保证继电保护的动作，将发电机从电网中切除保护的动作，将发电机从电网中切除。27. 27. 自并激励磁系统的组成自并激励磁系统的组成自并激励磁系统的组成自并激励磁系统的组成 1 励磁变压器励磁变压器 2 自动励磁调节器（自动励磁调节器（AER） 3 可控硅整流器可控硅整流器 4 灭磁和过电压保护装置灭磁和过电压保护装置 4.1 发电机转子绕组灭磁装置 4.2 发电机转子绕组过电压保护装置 4.3 可控硅整流装置直流侧过电压
22、保护装置 5 发电机起励装置发电机起励装置28. 28. 励磁变压器励磁变压器励磁变压器励磁变压器 功用：将发电机端电压降至可控硅整流器功用：将发电机端电压降至可控硅整流器（整流整流桥桥）所需的输入值，为发电机提供足够的励磁功率。所需的输入值，为发电机提供足够的励磁功率。额定容量额定容量 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定原边额定电压原边额定电压 与发电机额定输出电压参数相同与发电机额定输出电压参数相同副边额定电压副边额定电压 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定确定 相数相数 三相三相频率频率 50 Hz接线方式接
23、线方式 Y/ 11短短路阻抗路阻抗 57 %绝缘绝缘等级等级 B 或或F型式型式 油浸式或干式，自冷油浸式或干式，自冷 油浸式油浸式 ：放置于厂房之外：放置于厂房之外 ； 干式干式 ： 放置于厂房之内放置于厂房之内 29. 29. 微机励磁调节装置微机励磁调节装置微机励磁调节装置微机励磁调节装置 功用：按要求（机端电压偏差、恒电流、无功功功用：按要求（机端电压偏差、恒电流、无功功率或功率因素）自动调节可控硅整流装置输出的大小率或功率因素）自动调节可控硅整流装置输出的大小和方向。和方向。 内有单通道或双通道冗余容错型数字式（微机型）内有单通道或双通道冗余容错型数字式（微机型）励磁调节器励磁调节器
24、（AER）。）。 可最大限度地容许调节器内线路和元件故障。可最大限度地容许调节器内线路和元件故障。 任一任一AER皆可单独满足包括强励在内的所有运行皆可单独满足包括强励在内的所有运行工况。工况。 可减少因调节器故障引起的机组强迫停机率。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可使发电机工作于恒端电压的P、PI、PID，恒恒电流，恒无功，恒功率因素四种模式电流，恒无功，恒功率因素四种模式。正常或无特殊。正常或无特殊要求时，首选要求时，首选恒端电压的运行方式。恒端电压的运行方式。 软件采用软件采用C语言编写。语言编写。33. 33. 可控硅整流装置可控硅整流装置可控硅整
25、流装置可控硅整流装置 功用：在励磁调节器的控制下，将励磁变压器副功用：在励磁调节器的控制下，将励磁变压器副边的交流电压转换成相应的直流电压，提供给发电机边的交流电压转换成相应的直流电压，提供给发电机转子绕组励磁。转子绕组励磁。整流方式整流方式 三相全波桥式可控整流三相全波桥式可控整流整流元件整流元件 大功率可控硅元件（晶闸管）大功率可控硅元件（晶闸管）整流桥数量整流桥数量 1 2（并联）个（并联）个单个整流桥输出电压单个整流桥输出电压 2 倍发电机额定励磁电压倍发电机额定励磁电压单个整流桥输出电流单个整流桥输出电流 2 倍发电机额定励磁电流倍发电机额定励磁电流只需只需单单个整流桥即可满足发电机
26、强励需要个整流桥即可满足发电机强励需要可控硅元件参数：可控硅元件参数： 额定电流额定电流 额定电压额定电压 反向电压反向电压 34. 34. 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 功用：功用： 机组事故停机时，对转子绕组用灭磁机组事故停机时，对转子绕组用灭磁电阻进行灭磁；发电机正常运行时，抑制转子绕组各种电阻进行灭磁；发电机正常运行时，抑制转子绕组各种过电压；发电机启动时，对转子绕组进行初始励磁。过电压；发电机启动时，对转子绕组进行初始励磁。1 “ “自并激自并激”励磁系统灭磁方式励磁系统灭磁方式 发电机正常停机：发电
27、机正常停机：通过可控硅整流桥逆变灭磁通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机事故停机：发电机事故停机：通过氧化锌（通过氧化锌（ZnO）非线性电阻）非线性电阻灭磁灭磁2 灭磁装置：灭磁装置：双断口磁场断路器双断口磁场断路器+ +ZnO非线性电阻非线性电阻3 过电压保护装置：过电压保护装置： 发电机转子绕组：发电机转子绕组：ZnO非线性电阻非线性电阻 可控硅整流桥：可控硅整流桥： ZnO构成的尖峰吸收器构成的尖峰吸收器4 起励装置：起励装置： 起励电源直流或交流均可起励电源直流或交流均可35. “35. “自并激自并激自并激自并激” ”励磁系统的限制和保护功能励磁系统的限制和保护功能励磁系统的限制和保护功
28、能励磁系统的限制和保护功能n 低励磁限制低励磁限制/ /低励磁保护低励磁保护n 反时限过励磁限制反时限过励磁限制/ /过励磁保护过励磁保护n V/Hz限制限制 / /V/Hz保护保护n 电力系统稳定器电力系统稳定器PSS（小机组可不设）（小机组可不设）n 发电机发电机PT断线检测和保护断线检测和保护n 误强励检测和限制误强励检测和限制n 发电机空载过电压保护发电机空载过电压保护n 可控硅失脉冲检测可控硅失脉冲检测n 可控硅整流柜（桥）故障的强励限制可控硅整流柜（桥）故障的强励限制14. 微机自动励磁调节柜微机自动励磁调节柜（B）微机励磁调节柜的主要组成（微机励磁调节柜的主要组成（A） 1. 微
29、机自动励磁调节器（微机自动励磁调节器（AER） 2个个 微机励磁调节器采用微机励磁调节器采用PC总线的工业控制机，抗干总线的工业控制机，抗干扰性强；软件采用扰性强；软件采用C语言编写。语言编写。 微机励磁调节器可以使发电机运行于微机励磁调节器可以使发电机运行于恒机端电压、恒机端电压、恒励磁电流、恒无功功率、恒功率因数恒励磁电流、恒无功功率、恒功率因数四种运行方式。四种运行方式。默认方式为恒发电机机端电压运行。默认方式为恒发电机机端电压运行。 双微机励磁调节器采用主从工作制，从调节器自双微机励磁调节器采用主从工作制，从调节器自动跟踪主调节器工作。当主调节器发生故障时，立即发动跟踪主调节器工作。当
30、主调节器发生故障时，立即发出报警信号，同时自动退出运行，从调节器自动转为主出报警信号，同时自动退出运行，从调节器自动转为主调节器工作。调节器工作。 14. 微机自动励磁调节柜微机自动励磁调节柜（C）微机励磁调节柜调节柜的主要组成（微机励磁调节柜调节柜的主要组成（B） 2. 带液晶显示屏和操作用触摸屏的运行工作站带液晶显示屏和操作用触摸屏的运行工作站 1个个运行工作站装于微机励磁调节柜的前门板上。运行工作站装于微机励磁调节柜的前门板上。 运行工作站的作用有以下四点。运行工作站的作用有以下四点。 通过触摸屏控制励磁系统完成包括并网和解列通过触摸屏控制励磁系统完成包括并网和解列在内的各种操作；在内的各种操作； 显示发电机和励磁系统各种参数及状态；显示发电机和励磁系统各种参数及状态； 通过触摸屏改变励磁系统和发电机的运行参数；通过触摸屏改变励磁系统和发电机的运行参数； 显示、记录发电机及励磁系统的各种故障情况。显示、记录发电机及励磁系统的各种故障情况。70万千瓦水轮发电机组额定负载状态下灭磁波形万千瓦水轮发电机组额定负载状态下灭磁波形70万千瓦水轮发电机组额定负载状态下灭磁波形万千瓦水轮发电机组额定负载状态下灭磁波形
