无刷励磁系统讲解

供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则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。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。励磁系统的主要作用有：根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值。控制并列运行各发电机间无功功率分配。提高发电机并列运行的静态稳定性。提高发电机并列运行的暂态稳定性。在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。励磁系统他励式励磁系统自励式励磁系统直流电机励磁系统(直流励磁机)整流器励磁系统交流励磁机自并励系统自复励系统谐波励磁系统静止整流器励磁系统旋转整流器励磁系统交流侧复合的自复励系统直流侧复合的自复励系统按整流器是否旋转分按供电方式分按整流器是否旋转分按功率引取方式分按复合位置分无刷励磁的主要优点有：与静止励磁相比，无刷励磁的控制功率大大减小，有利于简化控制、保护线路，少占用厂房场地（省去励磁变压器和大功率整流灭磁屏）。因为没有整流器、无滑环和碳刷，不需要进行这方面的维护工作。因为没有碳粉和铜沫引起电机线圈污染，故电枢绕组绝缘的寿命较长。电机运行在易燃、易爆炸的环境条件下，也不会因换相火花而造成恶性事故。由于取消了整流器和滑环，在带有腐蚀气体场所，只要对绝缘采取防护措施，亦可运行。无刷励磁的主要缺点有：同步电机转子不能直接灭磁，目前只能在励磁机回路灭磁，故灭磁时间较长。发电机转子电压、电流不能直接测量。对旋转元器件（整流元件的熔断器）要求能承受较大的离心力。对旋转元器件的故障监测与报警技术有待进一步完善。励磁系统由整流环、三相主励磁机、三相副励磁机（永磁机）、冷却器、计量和监控装置组成。永磁机产生的三相交流电由全控整流桥整流变成直流，通过AVR控制，以提供激励主励磁机的可变直流电。主励磁机转子感应的三相交流电在旋转式整流器电桥内整流后，通过转子轴的直流引线进入发电机转子绕组。1.三相副励磁机2.磁场接地故障检测用的滑环和碳刷3.交轴测量线圈4.三相主励磁机5.熔丝响应监视6.二极管整流装置7.三相引线8.多接触连接器9.转子绕组（发电机）10.定子绕组（发电机）11.自动电压调节器12.静止的熔丝响应监视图（霍尔探测器）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。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。转子轮毂则热装在轴的自由端。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。三相主励磁机系一个6极旋转电枢装置。这6个极与激励和阻尼绕组安装在定子架内。磁场绕组位于叠片磁铁极上。在极靴上装有母线，其端部连接后形成阻尼绕组。两个极之间装有一个正交轴，用以测量励磁机的感应电流。转子由多层迭片组成。迭片通过贯穿螺栓在压缩环上压制而成。把三相绕组插入迭片转子的槽内，把绕组导体在铁芯长度的范围内进行交叉，然后用玻璃纤维带把转子绕组的端匝予以固定，在面对整流轮的一侧进行连接。绕组端被延伸到与整流环的三相导线相连接的集电环，注满合成树脂并且在凝固之后，整个转子热装到轴上。轴承位于风机后面，由汽轮机润滑油的供给系统进行强制润滑油润滑。在三相电桥电路中，整流环的主要部件是安装在整流环上的硅二极管。二极管必需的接触压力由一盘簧总成和旋转期间的离心力产生。每两个二级管一组安装在各铝合金散热片中，与各个散热片相连的是熔断器，当一个二极管不工作它就会断开这两个二极管。为了抑制因整流产生的瞬间电压峰值，每个整流环要安装6个各由一个电容和一个阻尼电阻器组成的RC网络。它们组合在一个单树脂封装的装置内。经过绝缘和冷缩的整流环将做为直流母线作用于整流器电桥的正负侧。励磁机是空气冷却的。冷却空气为闭式循环，并在横靠励磁机安装的两个冷却器装置中进行再冷却。整个励磁机装在冷却空气循环通过的机壳中。励磁机还安装干燥装置除湿器，旨在防止当汽轮发电机停机时，在励磁机内部或在盘车装置上形成凝结水。励磁系统原则接线图GHND-DQ-002图号孙永森审核杜莹儿图名绘图自动电压调节器AVR的主要功能是精确地控制和调节发电机的机端电压和无功功率，它对励磁电压快速作出反应，响应时间为几个毫秒。主要由测量比较、综合放大和移相触发三个基本单元构成。测量比较单元用来测量经过变换的与发电机端电压成比例的直流电压，并与相应的电压整定值进行比较，得到偏差；电压偏差信号输入到综合放大单元，综合放大单元对测量等信号起综合放大作用；移相触发单元则根据输入的控制信号的变化，改变输出到可控硅的触发脉冲，改变导通角，从而控制可控硅的输出电压，以调节发电机的励磁电流。这种励磁系统具有两个完全独立的调节器和控制通道（通道1及通道2）。两个通道完全相同，因此可以自由地选择通道1或通道2作为工作通道。备用的通道（不工作的通道）总是自动地跟踪工作通道。基本上，除了下述情况以外，通道的切换可以在任何时间进行：如果工作通道检测到故障，将自动地紧急切换到第二个通道。而后，直到故障修复才可能再切回到工作通道。如果不工作的通道故障，不能实现从工作通道到不工作通道的手动切换。若一个通道发生故障，发电机电压同时也发生动态扰动，立即自动切换到不工作的通道，此不工作的通道不跟随发电机电压的动态扰动。为了防止这种情况的发生，不工作的通道相对缓慢地跟随发电机电压，并具有一段延时。这种励磁系统的特点是每个主通道都有一个自动调节器（自动方式）和一个手动调节器（手动方式）。在自动方式中，发电机电压受到调节，因此，在发电机机端产生恒定的电压。而在手动方式中，发电机励磁（磁场电流）保持恒定，随着发电机负荷的变化，发电机励磁（磁场电流的设定点）必须手动调整，以使发电机电压不变。基本上，由于不工作的调节器总是跟随工作调节器，所以在任何时间，手／自动方式之间的切换都是可行的。注：手动方式作为特殊运行的调节器（作为备用调节器），只具有励磁电流调节功能而无发电机电压调节功能。除两个主通道之外，励磁系统还附加了两个紧急备用通道。与主通道的手动方式相类似的紧急备用通道，装有一个励磁电流调节器。除了励磁电流调节器之外，紧急备用通道还装有过电压保护和独立于主通道的触发脉冲控制器。插入到主通道的过电压保护插件起后备保护作用。紧急备用通道的励磁电流调节器的作用与主通道的励磁电流调节器是相同的，也就是紧急备用通道仅仅是调节励磁电流，而不是调节发电机电压。紧急备用通道的励磁电流调节器自动地跟随主通道。因此，在主通道发生故障的情况下，自动地进行无扰动切换。从主通道向紧急备用通道的手动切换只能由被授权的特殊操作人员进行。两个调节器的跟随调整使其能够切回到主通道。如果选择自动方式，并且发电机已连接到电网，就可以切换到无功功率调节器（Q）/功率因数调节器（cosΦ）。无功功率调节器（Q）/功率因数调节器（cosΦ）是电压调节器的上位调节器，并且在运行中只是缓慢地起作用。无功调节器/功率因数调节器的特点是可以对其自身的给定点进行设置（给定点积分器）。当上位调节器断开时，给定点设置总是跟随实际值（当前的无功功率Q/当前的功率因数）。这就意味着发电机的运行点从电压调节器过渡到上位调节器不能立即起作用。而只是在上位调节器的设定点由HIGHER-升高/LOWER-降低命令调整后，无功功率Q/功率因数也相应地改变。电力系统稳定器（PSS）是UNITORL5000测量单元板MUB的一个标准软件功能。PSS通过引入附加反馈信号来抑制同步发电机的低频振荡，提高电网的稳定性。PSS的控制算法基于双输入型的PSS模型，附加反馈信号为机组的加速功率信号，由电功率信号和转子角频率信号综合而成。发电机的有功功率达到某一设定值时，就可以手动投入电力系统稳定器PSS（此工作必须由专业的操作人员进行），发电机电压则被限制在设置的给定范围内（例如在90-110%UGN）。PSS可以在任意时间手动退出，并且，如果发电机有功功率及电压超出设定值或者与电网解列，PSS将自动退出。限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，避免由于保护继电器动作而造成非正常事故停机。下图示出了额定端电压时凸极同步发电机的典型功率圆图和对应的运行极限位置。由图中可以看出，在过励区域设置有最大励磁电流和感性定子电流两个过励限制器；在欠励区域设置有容性定子电流、无功限制（P/Q限制）和最小励磁电流三个欠励限制器。最大励磁电流限制器用于防止转子回路过热，它设计具有反时限特性。限制器有两个限制值：一个是强励顶值电流限制器，另一个是连续运行允许的过热限制值。与过热限制值关联的两个控制参数分别是转子等效加热时间和转子等效冷却时间。该限制器用于防止发电机定子过热，在过励和欠励侧均有效。其工作原理与最大励磁电流限制器的工作原理相似。主要差别在于定子电流限制器没有一个确定的最大定子电流限制值，当时间趋于零时，限制值理论上可趋于无限大（Imax＝∞），通过适当的参数整定，可以得到接近于定子绕组最大允许热能△Emax的反时限特性。定子电流限制器分欠励侧和过励侧两部分，其限制量均为定子电流的平均值。当发电机过励时，欠励侧定子电流限制器截止，反之亦然。通过检测负载的功率因数，可保证定子电流限制器双方向（过励和欠励）动作的正确性。显然，定子电流限制器不能影响发电机的有功电流分量。如果发电机的有功电流分量高于定子电流限制器的限制值，为避免误动作，限制器会自动将发电机无功功率调整为零。P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区，该限制器的限制曲线由对应五个有功功率点（P＝0％，P＝25％，P＝50％，P＝75％，P＝100％）的五个无功功率设定值确定，曲线与发电机的定子电压水平有关，发电机电压变化时，限制曲线随之偏移。发电机运行点在超出其稳定极限时，失励保护动作，跳发电机。利用功率圆图上的五个点设定保护曲线，保护曲线与P/Q限制器的限制曲线相似。但P/Q保护曲线在P/Q限制曲线基础上左移5％到10％。由于同步发电机的稳定极限与机端电压有关，P/Q保护曲线也与发电机端电压成比例校正。发电机工作点超过保护曲线时，触发定时器，经过可整定的延时后发出跳发电机命令。定时器延时启动信号也可用于报警。用于防止同步发电机和变压器过磁通。过激磁保护首先根据发电机频率和设定值计算出当前的机端电压允许值，如果发电机实际电压超过允许值，就会触发定时器延时。在延时结束前，如果电压仍没有返回到允许值，则发出跳闸信号。转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大，一般允许继续运行一段时间。发电机组发生一点接地后，转子各部分对地电位发生变化，比较容易诱发两点接地，汽轮发电机一旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两点接地，还可使轴系和汽机磁化。励磁回路两点接地，即使保护正确动作，从防止汽缸和大轴磁化方面来看，已为时晚矣。励磁回路发生两点接地故障引起的后果非常复杂，处理很麻烦。近年来，大型汽轮发电机装设一点接地保护已属定论，国内外均无异议。但在一点接地保护动作于信号还是动作于跳闸的问题上，存在着不同的看法。主张动作于信号者，则考虑装设两点接地保护；主张动作于停机者，则认为不必再装设两点接地保护，这有利于避免发生汽机磁化。另外，由于目前尚