1.励磁系统的构成与工作原理

电力自动化技术研究所1发电机励磁系统控制刘连光华北电力大学电气工程学院电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制2一.励磁系统的构成与工作原理§1.1励磁控制系统的构成形式§1.2励磁控制系统的主要任务§1.3对励磁控制系统的基本要求§1.4励磁系统的保护措施电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制3§1.1励磁控制系统的构成形式根据励磁电源的不同类型，励磁系统可以分为三种方式：（1）直流励磁机方式：用具有整流子的直流发电机作为励磁电源。一般该励磁机与同步机同轴，一起由原动机带动旋转，因而励磁功率独立于交流电网，不受电力系统非正常运行状况的影响。（2）交流励磁机方式：用交流励磁机取代直流励磁机，经半导体可控整流后供给给发电机励磁。其励磁功率同样独立于交流电网，因此又称他励半导体励磁系统。根据半导体整流器是静止的还是旋转的该励磁系统又可分为他励静止半导体励磁系统和他励旋转半导体励磁系统。（3）静止励磁方式：用接于发电机出口或厂用母整个母线上的变压器作为交流励磁电源，经半导体整流后供给给发电机励磁。因该励磁方式在个励磁系统中无旋转元件，常称为“全静止励磁方式”。由于励磁功率取自交流电网本身，故又称之为自励半导体励磁系统，它受电力系统非正常运行状况的影响要注意分析。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制4§1.1励磁控制系统的构成形式一.直流励磁机系统直流励磁机系统的接线有自励式和他励式[由图1—1(a)、(b)]。在自励式接线中，应用并激直流发电机作为励磁机，利用剩磁自励；在他励式接线中，除主励磁机外，还有副励磁机，副励磁机供给主励磁机的励磁。励磁机、副励磁机大多与主机同轴旋转。自励和他励接线中(图1—1)，励磁回路部装有调节电阻R，改变R大小，即可改变直流励磁机的电压，从而改变发电机的励磁电流。有的接线图中，在励磁回路中加入旋转放大器或者引入附加控制电流，改变放大器电势或控制电流大小，也可调节励磁。直流励磁机励磁优点：1)励磁机一般和发电机同轴相连，励磁系统中发生短路或电压发生剧变时，主机的惯性很大，励磁机转速不受影响，能够照常励磁；2)励磁机可以改变极性，在切断负荷时能快速去磁；3)当系统发生故障时，在发电机励磁绕组上感应的交流电形成闭环回路，不会发生转子过电压。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制5§1.1励磁控制系统的构成形式直流励磁机励磁缺点：1)整流子集电环电刷的维护工作量较大，且往往是故障的根源；2)同轴高速励磁机由于受到机械强度和换向困难等限制，极限容量在300一500kw之间，所以不能用于大型机组(150Mw)；3)直流励磁机有较大的时间常数，因此电压响应速达度较慢。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制6§1.1励磁控制系统的构成形式二.静止励磁系统1.自并励励磁系统图1—2表示自并励半导体励磁系统原理图。励磁变压器LB接在发电机机端，通过可控硅整流装置KZ供给发电机励磁。当发电机电压变化时，自动电压调节器ZLT可以改变可控硅KZ的控制角α的大小，保证机瑞电压恒定。自并励半导体励磁系统的优缺点如下；(1)制造简单、经济、布置方便。(2)由于没有转动部分，工作可靠、维护简单。(3)由于没有励磁机的时滞，反应速度快，有高速响应特征(响应时间一般小于0.05s)。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制7§1.1励磁控制系统的构成形式fdKZGAIIIfdKZGZUUU(1－1)(1－2)(4)在负荷变化而引起速率变化时，端电压只反应速率的一次方；而同轴励磁机时，励磁机的电压反应速率的一次方，因而发电机的端电压要反应速率的二次方。因此，这种系统对抑制水轮发电机甩负荷引起的过电压特别有利。(5)系统发生短路时，端电压下降，从而使强励能力受影响，在最不利的情况下可能引起失磁。(6)由于短路电流迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。2.自复励励磁系统根据励磁变压器和串连变压器的组合方式又可以分为交流侧和直流侧串连、并联几大类。(1)直流侧叠加自复励励磁系统图1—3表示直流侧并联和串联自复励励磁系统的原理图。从图上可看到，发电机的励磁电流Ifd或励磁电压Ufd由两部分组成：并联时[图1－3(a)]得式1－1，串连时[图1－3(b)]得式1－2。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制8§1.1励磁控制系统的构成形式电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制9§1.1励磁控制系统的构成形式当发电机空载运行时，定于电则If＝0，仅由自励部分KZ供给空载励磁电流，改变可控桥KZ的控制角可以调节发电机的端电压。当发电机带负荷运行时，可控桥KZ和二极管GZ共同供给发电机的励磁。当负荷增加时，GZ供给的部分自动增加；当发电机端短路时，可控桥KZ失去交流电源，IXZ或UKZ等于零，但这时由于复励桥GZ供给励磁的部分增大，如果参数选择适当，就可对发电机进行强行励磁，使定子短路电流和励磁电流衰减很慢而越于较高的稳定值,从而改善了短路过程的动态性能。值得提出的是，直流侧叠加自复励励磁系统和交流侧叠加时不同，无论并联或串联，励磁电流或电压都是在直流侧算术相加，而不是在交流侧相量相加，所以，直流侧叠加自复励励磁系统不具有相补偿的特性。直流侧叠加自复励励磁系统广泛应用于中小型机组。它的主要优点是，可以降低对硅元件反向电压或电流的要求；缺点是，可控桥和复励桥在各种运行状态下不容易很好地配合，可能产生一方被封锁或一方被堵塞的现象。例如并联叠加时，励磁电流是IKZ和IGZ之和，两者都不能反向。当发电机发生近端短路时，自励电流IKZ很小，可能被封锁而送不出去，复励桥电电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制10§1.1励磁控制系统的构成形式流IGZ虽然很大，如果串联比选择不适当，IGZ可能小于转于绕组中的暂态电流，强励电流送不出去，因而造成IGZ被堵塞，产生很高的尖峰过电压。串联叠加时与上述情形有所不同，交流侧是两个电压源经过各自的整流桥串联运行，复励桥的电流IGZ等于可控桥电流IKZ。在机端三相短路的情况下，复励桥的输出电压UGZ高，可控桥失去电源，UKZ接近零，但可控桥铝保持最后的导通状态，所以直流回路中仍能流过强励电流，不产生配合和堵塞的问题。由子上述原因，直流侧串联自复励励磁系统要比直流侧并联自复励励磁系统的应用广泛得多。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制11§1.1励磁控制系统的构成形式(2)交流侧叠加自复励励磁系统图1－4表示的交流侧串连自复励励磁系统的原理接线图：一部分由励磁变压器LB二次侧供给，另一部分由串连变压器GLH供给。发电机运行方式改变时，其电压电流都有变化，由于加在整流桥的阳极电势Ea两部分电压的相量和，所以Ea能够不随发电机运行方式的改变而保持恒定。这样，在自复励励磁系统中，自并励励磁系统的缺点在很大程度上被克服，也就是自复励励磁系统能够使自励励磁系统具有他励励磁的特性。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制12§1.1励磁控制系统的构成形式图1－5表示交流侧并联自复励励磁系统原理图，和交流串连相同，发电机励磁电流由两个交流电源LB和GLH经过整流器GZ供给，所不问的是LB和GLH在交流侧并联。发电机空载时，GLH无输出，LB经过可控电抗器和整流器GZ供给发电机空载励磁电流。有负荷时，GZ交流侧的电流IL由两部分组成：由LB供给的I’μ和由GLH供给的ILH，用式子表示如式1－3。'LLHIII（1－3）电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制13§1.1励磁控制系统的构成形式ILH和发电机定子电流成比例。当发电机负荷或功率因数变化时，ILH也跟着变化，所以这种系统能够自动补偿电枢反应而调节发电机的电压，起到相复励的作用。I’μ落后于发电机端电压Ut90º,它的大小和可控电抗器的电抗值x有关。从图1—5可以看到,自动电压调节器ZLT可根据电压偏差，通过可控整流桥KZ控制电抗器的饱和程度，改变X值，以改变I’μ的大小，从而保证电压能得到很好的调整。总之．在交流侧叠加自复励励磁系统中，两个电源连接方式虽然有并联和串联的不同，但所起的作用是相同的。电压源来自发电机端电压，电流源来自发电机的电枢电流，两个电源组合可起到相补偿的作用，即能抑制由于负荷变化而引起的电压变化。如果负荷增加，则可强力的快速励磁；如果发生短路，则可利用强大的短路电流本身来提高系统的稳定性。并联和串联不同之点在于：并联时，应当是两个电流源并联，而励磁变压器LB本身是个电压源，所以在并联时必须串联一个高阻抗的电抗器X才能转化成电流源。此时串联变GLH本身是个电流源，它的互感抗很大，空载电流小，不必具有空气隙；另一方面，它正常运行时和电流互感器相似，接近短路状态，所以不容许二次侧开路，否则容易产生电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制14§1.1励磁控制系统的构成形式过电压。交流侧应当是两个电压源串联，而此时串联变GLH本身是个电流源，电流源要转化为电压源必须并联一个低值电抗，为此串联变GLH必须制成具有空气隙的低电抗Xμ。正常运行时，它接近空载状态，二次侧开路也不会产生过电压。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制15§1.1励磁控制系统的构成形式3.交流励磁机系统同步电机用同轴旋转的交流发电机作为励磁电源，经过静止的二极管成可控硅整流，向主发电机供给励磁电流，这种型式称为交流励磁机系统，也称为他励静止半导体励磁系统。根据整流器是二报管还是可控硅又可分为：他励静止不可控励磁系统和他励静止可控励磁系统。图1－6表示他励静止半导体励磁系统原理图。交流励磁机JZ主发电机同轴旋转，交流电经可控桥KZ或二极管桥GZ整流，然后送至主发电机转子绕组。交流励磁机JL的励磁采用自励[图1－6(a)]，或由副励磁机JFL供给[图1－6(b)]，副励磁机可采用永磁机或采用自动恒压装置[图1－6(b)]。他励静止可控励磁系统中，ZLT可直接通过可控桥KZ调节发电机的励磁，它不包括励磁机的时滞，调节器和可控硅反应极快，几乎是瞬间响应，称为快速励磁系统。在他励不可控励磁系统中，ZLT调节励磁机JL的可控桥KZj，调节励磁机的输出电压，从而调节发电机的励磁，所以调节过程要经过交流励磁机的时滞(约十分之几秒)。为减小励磁机的时间常数，励磁机通常制成高频的。根据资料，同一额定值的交流励磁机，其励磁绕组电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制16§1.1励磁控制系统的构成形式电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制17§1.1励磁控制系统的构成形式磁绕组开路时间常数T’d0。与交流励磁机频率的关系如图1-7所示。从图上可看到，频率由50Hz至300Hz此时，T’d0可缩小到四分之一。频率愈高，匝数愈小，电机的体积和重量愈小。但频率增至300Hz以上时，由于磁极数目增多，磁通被挤在一起，铁耗和杂散功率损耗增加很多；从图上也可看到，此时T’d0的缩小已不明显。所以．在我国交流励磁机的频率一般用100～150Hz(T’d0值小于Is，约为0.6～0.8左右)。副励磁机容量小，可制成400～500Hz的。电力自动化技术研究所发电机励磁系统控制18§1.1励磁控制系统的构成形式在图1－6(a)励磁系统中，有的国家在交流励磁机上装设两段定子绕组，一段是主绕组，另一段是辅助绕组；可控桥也有两组，即工作组和强励组。正常运行时，励磁电流由工作组供给短路故障时，投入强励组，辅助绕组供给强励电流，ZLT控制工作组和强励组的触发脉冲。交流副励磁机本身的励磁通常采用可控硅自励桓压方式，即先借外部电源起励，当建立起一定电压后转为自励，并靠励磁调节器保持其端电压恒定。运行经验证明：自动恒压装置是个薄弱环节，不太可靠，因为副励磁机带三相可控整流桥负荷后，每个周波内电压波形相对于换流位置有六个缺口。换流缺口的宽度和深度与负荷的大小有关，也和换流电抗有关。因此，波形畸变严重，影响调节器的运行，出现现调节不稳定、无功摆动太大等现象。改善波形的措施有：现调节不稳定、无功摆动太大等现象。改善波形的措施有：1)加大副励磁机的容量；2)应用永磁机作副励磁机；3)增加带通滤波器。综上所述，交流励磁机静止半导体励磁系统系他励