发电机励磁系统.docx

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发电机励磁系统

第三章发电机励磁系统

第一节发电机励磁系统概述

发电机是将旋转形式的机械能量转换为三相交流电能量的设备，为了完成这一转换并满足系统运行的要求，除了需要原动机（汽轮机或水轮机）供给动能外，它本身还需要有可调的直流磁场，以适应运行工况的变化，产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励磁电流，为发电机提供可调励磁电流的设备，构成发电机的励磁系统。

励磁系统一般由两部分组成：

第一部分是励磁功率单元（包括整流装置及其交流电源），它向发电机的励磁绕组提供直流励磁电源；第二部分是励磁调节器，它感受发电机电压及运行工况的变化，自动地调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小，以满足系统运行的要求。

励磁系统及其控制对象（发电机）共同组成的闭环反馈控制系统称为励磁控制系统。

其系统框图如下图所示

图：

3-1发电机励磁系统框图

1.1励磁系统的任务

在发电机正常运行或事故情况下，励磁系统都起着十分重要的作用。

性能优良的励磁系统不仅能保证发电机的安全运行，提供合格的电能，而且还能有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。

根据系统运行方面的要求。

励磁系统应承担下述任务。

1.1.1在正常运行状况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的情况，相应地调整发电机励磁电流，以维持发电机机端电压水平在给定水平上。

1.1.2使并列运行的各机组所带的无功功率得到稳定而合理的分配

1.1.3增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统的动态稳定性及输电线路的有功功率的传输能力。

1.1.4在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，强行励磁，将励磁电压迅速增升到足够的顶值，以提高电力系统的暂态稳定性。

1.1.5在发电机突然解列，甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速降到安全数值，以防止发电机电压过分升高。

1.1.6在发电机内部发生故障时，快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值，以减小故障损坏程度。

1.1.7在不同的运行工况下，根据要求对发电机实行过励限制和欠励磁限制，以确保发电机的安全稳定运行

1.2励磁系统的主要技术要求

为了很好地完成上述任务，励磁系统应满足以下基本要求

1.2.1有足够的强励顶值电压。

强励顶值电压是励磁系统在强励时可能提供的最高励磁电压Uf（max），它与额定工况下的励磁电压Uf（e）之比，称为励磁系统强励电压倍数Kv，其值一般取2，特殊情况下可高于2或略低于2，但不得低于1.8。

励磁系统允许强励时间应与发电机转子过负荷能力相适应。

1.2.2具有足够的励磁电压上升速度。

理论分析和运行实践证明：

仅有较高的强励倍数而无快速响应性能的励磁系统，对改善电力系统暂态稳定性，要提高电力系统暂态稳定性，励磁系统必须同时具有较高的电压倍数和足够的励磁电压上升速度。

通常，评价励磁电压的上升速度的两相指标是电压响应比和电压响应时间。

电压响应比的定义：

在强励作用的头0.5秒内，根据等面积原则确定并用标么值表示的励磁电压平均值增长率，对一般励磁系统，其值为2.0左右，该指标适用于有励磁机的励磁系统，对于由可控硅直接供发电机转子励磁的励磁系统。

由于其强励快速，显然，用电压响应比来衡量其电压上升速度是不合适的。

电压响应时间定义：

在强励作用下，励磁电压由额定值向顶值电压增长，当励磁电压升至顶值电压与额定电压之差的95%所花费的时间。

该时间小于或等于0.1秒的励磁称为高起始励磁系统。

1.2.3有足够的调节容量。

为了适应各种运行工况的要求，励磁系统应保证励磁电流在1.1倍的额定励磁电流时能长期运行，以及保证强励允许持续时间不小于10—20秒。

1.2.4应运行稳定，工作可靠，响应快速，调节平滑并具有足够的电压调节精度。

1.3主要的励磁方式

发电机的励磁方式按励磁电源的不同分为三种方式，一是直流励磁机励磁方式，多用于中、小型汽轮发电机组；二是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；三是静止励磁方式，其中最具有代表型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。

1.3.1直流励磁机励磁方式

汽轮发电机传统的励磁方式是采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机的励磁，来改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功的目的。

直流励磁机励磁方式的主要问题是：

（1）直流励磁机受换向器所限其制造容量不可能大；

（2）是整流子、炭刷及滑环磨损，污染环境，降低绝缘水平，运行维护麻烦；（3）励磁调节速度慢，可靠性低，早期的中、小型发电机容量小，所需的励磁容量也较小，因此可采用直流励磁机励磁方式。

随着起轮发电机单机容量的增大，励磁容量显著增长，传统的直流励磁方式无法满足汽轮发电机的需要，伴随着电力整流器件和装置的问世，适应大型发电机组的交流励磁机励磁方式和静止励磁方式也得到了迅速的发展。

1.3.2交流励磁机静止整流器的励磁方式（三机励磁方式）

交流励磁机静止整流器励磁方式通常称为三机式励磁方式。

这是因为发电机、主励磁机和副励磁机三机同轴旋转，整流装置和励磁调节器是静止的。

励磁机采用交流发电机不需要换向器，因而励磁容量不会受到限制。

因有灭磁回路，故灭磁时间较短，但是由于旋转部件较多，励磁系统发生故障的几率较高，加之轴系长，轴承座多，易引起机组的振动超标。

三机式励磁方式前苏联采用较多，国产大型发电机目前大多数采用这种励磁方式。

1.3.3交流励磁机旋转整流器励磁方式

交流励磁机旋转整流器励磁方式通常称为无刷励磁方式。

这种励磁方式也属于三机式励磁方式范畴，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，避免了炭粉和铜末引起的的发电机绕组的绝缘污染。

除了三机式励磁方式共有的问题外，无刷励磁方式的特殊问题，

（1）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；

（2）旋转整流装置难以直接测量和观测励磁电流和电压。

1.3.4静止励磁方式

静止励磁方式中，最具代表性的当首推自并励励磁方式，这种励磁方式，电源取至发电机端、，经静止的整流变压器及静止的可控硅整流装置供给发电机转子绕组励磁。

由于励磁系统没有旋转部件，结构简单，因而可靠性高。

又由于缩短了轴系长度，减少了轴承座，因而提高了轴系稳定性。

这种励磁方式的励磁响应快速，调压性能好。

近年来由于继电保护的完善和发展，动作速度加快（0.1秒内切除故障），因此自并励励磁方式与继电保护的配合方面除发电机后备保护需改进外，已不影响继电保护的正确动作。

由于短路时间短，短路后发电机端电压恢复快，因此自并励励磁系统已与同样强励倍数（Ku=2）的交流励磁机励磁系统的暂态水平相当。

更由于电力系统稳定器（PSS）的广泛应用，自并励励磁系统配置PSS以后。

其静稳定、动稳定水平高于交流励磁机励磁系统。

在静止励磁方式范畴中，近年来还推出一种新型的电压源可控整流励磁方式，它与自并励励磁方式又有较大的区别。

它的励磁功率取至发电机内部，是由定子绕组槽内的三根附加的“P”线棒提供、经励磁变压器和可控硅整流装置供给转子绕组励磁。

励磁变压器与发电机外壳构成一体，与发电机共冷却系统。

灭磁方式也与传统的不同，是由“P”线棒中性点的真空开关起灭磁作用的。

我国近年来进口的大型汽轮发电机就是采用这种新型的电压源可控整流静止励磁方式的。

1.4交流励磁机静止硅整流器励磁系统

交流励磁机静止硅整流器励磁系统，其原理如下图

图：

3-2采用自励衡压的中频副励磁机的三机式励磁方式

图：

3-3采用永磁机的中频副励磁机的三机式励磁方式

发电机的励磁电流是由同轴的交流励磁机经静止硅整流装置供给，交流励磁机的励磁电流通常由同轴的中频副励磁机经可控整流装置供给。

随着主机运行参数的变化，励磁自动调节器自动地改变交流励磁机励磁回路的可控整流装置的控制角，以改变交流励磁机的磁场电流，这样就改变了交流励磁机的输出电压，从而调节了主机的励磁。

为了加快励磁系统的响应，除交流励磁机采用特殊的结构外，通常将交流励磁机的频率设计得高一些，以减少其励磁绕组的电感及其励磁绕组的时间常数，减少调节的时滞。

交流励磁机的频率一般为100Hz。

交流副励磁机的频率一般为400-500Hz。

交流副励磁机本身的励磁方式通常有两种方式，一种是感应式交流副励磁机，采用可控硅自励恒压方式，励磁时先由外部电源起励，建压后转为自励，并靠励磁调节器保持其端电压恒定。

另一种是采用永磁式的同步发电机作为副励磁机，这样即简化了结构，又提高了副励磁机的运行可靠性。

目前大型发电机励磁系统多采用永磁式中频副励磁机。

硅整流采用三相桥式硅二极管整流电路，通常由两个或两个以上的整流柜并联运行，并留有备用，因此整流装置的运行是可靠的。

主发电机励磁的可靠性主要取决于交流励磁机供电的可靠性。

通常设有多条供电电路：

由副励磁机经三相半控桥整流供电以保证正常运行的自动调节励磁电路；由副励磁机经感应调压器和硅整流桥供电的手动励磁调节电路；当励磁调节器或可控硅故障时，可由自动励磁调节电路切换到手动调节电路；还有由厂用电经感应调压器和硅整流桥供电，作为备用励磁或由发电机端经增设的复励装置，供给交流励磁机励磁，以提高交流励磁机磁场的供电可靠性，进而提高励磁系统的可靠性。

交流励磁机静止硅整流器励磁系统有如下的特点：

采用同轴的交流励磁机作为励磁电源，可不受电力系统运行善的影响。

采用静止硅整流装置整流不存在直流励磁机整流子问题，适用的交流励磁机容量可以提高。

同时，主、副励磁机采用中频电机可缩小体积和减小励磁系统的时间常数。

MK只起转子电路的分合作用，灭磁及过电压保护由氧化锌非线性电阻和灭磁熔丝完成，改善了MK磁场开关的工作备件，减小了磁场开关的维护工作量，进一步提高了其可靠性。

两台整流柜可并列运行，亦可单独运行，同时单柜运行可以满足发电机额定运行、最大出力、强励等工况的要求。

励磁系统调节方式有两套自动，一套手动，运行方式比较灵活。

可单独自动运行，亦可双套自动并列运行。

同时具备手控方式为机组可靠供电提供了有力的保证。

手动励磁调整方式采用厂用电压供电，可在自动调节器不具备投运条件下使用，但厂用电压波动时，会影响主励磁机、励磁电流，另外手动调整装置不具备强励功能。

由于发电机、励磁机碳刷的采用增加了运行人员的维护工作量。

碳刷冒火等可能引起氢爆对氢冷发电机的安全构成威胁。

⑨旋转部件多，故障的几率高

⑩由于轴系长，轴承座多，对轴系稳定和机组的安全不利。

1.5交流励磁机旋转硅整流器励磁系统

交流励磁机旋转硅整流器励磁系统工作原理和运行性能与交流励磁机静止硅整流器励磁系统相似，只不过励磁主回路的硅整流二极管是以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主发电机的转子绕组。

因此这种励磁系统称为无刷励磁系统。

无刷励磁按旋转整流器类型可分为旋转二极管和旋转可控硅型两钟类型。

目前实际使用的主要是旋转二极管型，旋转可控硅型现在正处于研究阶段。

其系统如下图:

图:

3-4旋转二极管无刷励磁系统

图:

3-5旋转可控硅刷励磁系统

在无刷励磁的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发电机转子绕组。

旋转二极管组成三相桥式整流电路。

一般分为两种，分别安装在两组同轴旋转的与轴绝缘的金属圆盘上。

一组为阴极型硅二极管，阴极固定在一个散热盘上，称为共阴极组。

另一极用阳极型硅二极管，其阳极型硅二极管，阳极固定在一个散热盘上，称为共阳极组。

每臂的硅二极管可以并联或串联。

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的额定出力运