同步发电机励磁系统介绍

同步发电机励磁系统介绍第一页，共二十四页，编辑于2023年，星期二一、励磁系统原理1.1什么是励磁系统？供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。励磁系统国标定义第二页，共二十四页，编辑于2023年，星期二1.2励磁系统构成它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分：1.励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；2.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。第三页，共二十四页，编辑于2023年，星期二1.3励磁系统的作用1.3.1维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)的电压在给定水平维持电压水平是励磁控制系统的最主要的任务，有以下3个主要原因:第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。第四页，共二十四页，编辑于2023年，星期二发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110％。第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压下降,则输出相同的功率所需的定子电流将增加,从而使损耗增加。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的90％；当发电机电压低于95％时，发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。第五页，共二十四页，编辑于2023年，星期二第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是最为简单、经济而有效的措施。1.3.2控制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。第六页，共二十四页，编辑于2023年，星期二两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多,调差率大的分配到的无功少。如果发电机变压器单元在高压侧并联,因为变压器有较大的电抗,如果采用无差特性,经变压器到高压侧后,该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大,为使高压母线电压稳定,就要使高压母线上的调差率不至太大,这时发电机可采用负调差特性,其作用是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落,这也称为负荷补偿。第七页，共二十四页，编辑于2023年，星期二调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的机组,调差率Ku在土(3%～10%)之间调整。同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。第八页，共二十四页，编辑于2023年，星期二二、励磁系统分类励磁系统分类表：第九页，共二十四页，编辑于2023年，星期二自并励励磁系统这是自励系统中接线最简单的励磁方式。其典型原理图如图1-8所示。只用一台接在机端的励磁变压器ZB作为励磁电源，通过可控硅整流装置KZ直接控制发电机的励磁。这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励（自并激）方式。图1-8自并激励磁系统接线原理第十页，共二十四页，编辑于2023年，星期二自并励系统的组成励磁系统由以下几部分构成：励磁变压器、可控硅整流装置、励磁调节器、灭磁及过电压保护装置、初励装置。第十一页，共二十四页，编辑于2023年，星期二第十二页，共二十四页，编辑于2023年，星期二自并激方式的优点：设备和接线比较简单；由于励磁系统无转动部分，具有较高的可靠性；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；降低了造价，励磁调节速度快，是一种高起始响应的励磁系统。正常停机可使用采用三相全控桥时，逆变灭磁，减轻灭磁系统的负担。自并励系统的发电机电压和转速成一次方关系，对抑制甩负荷后的电压，要比采用同轴式交流励磁机的他励系统有利第十三页，共二十四页，编辑于2023年，星期二自并励系统的缺点：整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路故障形式（三相、两相或单相短路）和故障点远近等因素的影响。需要起励电源，还存在滑环和碳刷。对这种励磁方式，人们曾有两点顾虑：第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否会失磁；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析研究和试验表明，这些技术问题已有解决方案，故自并励方式越来越得到广泛的应用。第十四页，共二十四页，编辑于2023年，星期二励磁变压器励磁变压器为励磁系统提供励磁能源。对于自并激励磁系统的励磁变压器，通常不设自动开关。高压侧可加装高压熔断器，也可不加。励磁变压器可设置过电流保护、温度保护。容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。大多小容量励磁变压器一般自己不设保护。变压器高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内。励磁变压器的联接组别，通常采用Y/△组别，Y/Y—12组别通常不用。与普通配电变压器一样，励磁变压器的短路压降为4%～8%。第十五页，共二十四页，编辑于2023年，星期二可控硅整流桥自并激励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法。这种接法的优点是半导体元件承受的电压低，励磁变压器的利用率高。三相桥式电路可采用半控或全控桥方式。这两者增强励磁的能力相同，但在减磁时，半控桥只能把励磁电压控制到零，而全控桥在逆变运行时可产生负的励磁电压，把励磁电流急速下降到零，把能量反馈到电网。在当今的自并激励磁系统中几乎全部采用全控桥。第十六页，共二十四页，编辑于2023年，星期二可控硅整流桥采用相控方式。对三相全控桥，当负载为感性负载时，控制角在0o～90o之间为整流状态（产生正向电压与正向电流）；控制角在90o～150o（理论上控制角可以达到180o考虑到实际存在换流重叠角，以及触发脉冲有一定的宽度，所以一般最大控制角取150o）之间为逆流状态（产生负向电压与正向电流）。因此当发电机负载发生变化时，通过改变可控硅的控制角来调整励磁电流的大小，第十七页，共二十四页，编辑于2023年，星期二以保证发电机的机端电压恒定。对于大型励磁系统，为保证足够的励磁电流，多采用数个整流桥并联。整流桥并联支路数的选取原则为：（N+1）（也有采用N+2的，但考虑到现在可控硅以及可控硅整流桥制造技术的日益成熟，采用2桥冗余似乎已经没有必要）。N为保证发电机正常励磁的整流桥个数。即当一个整流桥因故障退出时，不影响励磁系统的正常励磁能力。第十八页，共二十四页，编辑于2023年，星期二励磁控制装置励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路。对于大型机组的自并激励磁系统中的自动电压调节器，多采用基于微处理器的微机型数字电压调节器。励磁调节器测量发电机机端电压，并与给定值进行比较，当机端电压高于给定值时，增大可控硅的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值。当机端电压低于给定值时，减小可控硅的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。第十九页，共二十四页，编辑于2023年，星期二无刷励磁系统上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或可控硅代替了机械式换向器，但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火的现象。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。

第二十页，共二十四页，编辑于2023年，星期二这种励磁方式整个系统没有任何转动接触元件。其原理图见图1-9。第二十一页，共二十四页，编辑于2023年，星期二无刷励磁系统中，主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。