第三章发电机励磁系统.docx

1、第三章发电机励磁系统第3章 发电机励磁系统31.1 励磁系统的作用和要求同步发电机的励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器(装置)两大部分组成，其框图如图3-1所示。励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁控制系统。 图3-1 励磁控制系统构成图31.1.1 励磁系统的主要作用同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而值是发电机励磁电流的函数，所以调节励磁电流就等于调节发电机的运行特性。在电力系统正常运行和事故运

2、行中，同步发电机的励磁系统起着重要的作用，优良的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格的电能，还能改善电力系统的稳定条件。励磁系统的主要作用有：1根据发电机负荷变化相应地调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2控制并列运行发电机间无功功率分配；3提高发电机并列运行的静态稳定性；4提高发电机并列运行的暂态稳定性；5在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6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。31.1.2 励磁系统的暂态性能指标衡量励磁系统对严重的暂态过程所表现的性能，常用的重要技术指标有：强行励磁顶值电压倍数、励磁电压上升速度、励磁电压上升响应时间。1、

3、强行励磁顶值电压倍数强行励磁顶值电压倍数，用来衡量励磁系统的强励磁能力，一般是指在强励作用下励磁功率单元输出的最大励磁电压倍数用下式表示 (3-1)其中：为顶值电压； 为额定励磁电压一般来说强励磁倍数越高，越有利于电力系统的稳定运行。但同时强励磁倍数大小涉及制造成本等因素。2、 励磁电压上升速度励磁电压上升速度是励磁系统重要性能指标之一，目前通常采用励磁机等效时间常数法来确定励磁电压上升速度。励磁电压上升速度定义为：当强励作用时，在时间间隔为励磁机等效时间常数之内，顶值励磁电压与额定励磁电压差值的0.632倍的平均上升速度对额定励磁电压之比。可用公式表示为： (3-2) 其中：为励磁机等效时间

4、常数3、 励磁电压上升响应时间励磁电压从额定值上升到的时间，成为励磁电压上升响应时间。对于响应时间励磁系统成为高起始响应励磁系统。31.1.3 大型发电机励磁系统的要求随着电力系统的发展，发电机单机容量增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。并由于微处理机迅速发展，技术日趋成熟，采用微机型双自动励磁调节器方案已成为大型发电机励磁系统设计的首选方案。励磁系统是发电机正常运行时自动控制电压的环节，也是提高电力系统稳定性的有效措施，金陵电厂发电机励磁系统具有如下技术特点：1、励磁方式：采用同轴交流励磁机旋转整流器励磁系

5、统。为监测发电机转子接地，发电机应装设转子接地检测滑环并配置引接碳刷装置。2、强励要求：强励电压倍数为1.8，强励电流倍数为1.5。3、对额定励磁电压和额定电流时的运行要求：当发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电流和电压的1.1倍时，励磁系统能保证连续运行。4、短时过载能力：励磁系统具有短时过载能力，按强励电压倍数为1.8，强励电流倍数为1.5，持续时间10秒设计。5、电压调节精度和调差率：发电机电压调节精度，不大于0.5的额定电压。励磁控制系统暂态增益和动态增益的值能在机端电压突降1520时，保证使可控硅控制角达到最小值。AVR对发电机电压的调差采用无功调差。调差率范围应不小于10%。6

6、、电压响应速度：无刷励磁系统电压响应时间不大于0.5秒。在空载额定电压下，当电压给定阶跃响应为10时，发电机电压超调量不大于阶跃量的30；振荡次数不超过3次；发电机定子电压的调整时间不超过5秒。发电机零起升压时，自动电压调节器保证定子电压的超调量不超过额定值的10，调节时间不大于10秒，电压振荡次数不大于3次。7、电压频率特性：当发电机空载频率变化1，采用电压调节器时，其端电压变化不大于0.25额定值。在发电机空载运行状态下，自动电压调节器的调压速度，不大于1额定电压/秒，不小于0.3额定电压/秒。8、电压响应比：无刷励磁系统电压响应比不小于2.5倍/秒。9、自动电压调节器的调压范围：发电机自

7、动调整范围：空载时能在20110额定电压范围内稳定平滑调节；负载时能在90110额定电压范围内稳定平滑调节。整定电压的分辨率不大于额定电压的0.2%。发电机手动调节范围：能从10空载励磁电压到110额定励磁电压范围内稳定平滑调节。10、发电机转子线圈过电压保护：旋转整流装置设有必要的R-C吸收回路，用于抑制尖峰过电压。旋转整流装置能承受直流侧短路故障、发电机滑极、异步运行等工况而不损坏。11、旋转整流装置：旋转整流装置中的并联元件采用具有高反向电压的二极管，每臂有10个支路，共20个二极管，有足够的裕量，能保证额定励磁和强励的要求。严格控制二极管的正向压降及其偏差。旋转整流装置及旋转熔断器应能

8、承受离心力作用，其特性不应由于疲劳而损坏或明显变化。旋转整流装置配有保护旋转熔断器，在正常运行时熔断器不产生有害疲劳，也不会产生特性畸变，熔断器熔丝熔断有信号指示。31.2 1000MW机组励磁系统早期的汽轮发电机的励磁主要是采用直流励磁机系统。对于励磁功率大于600kW的汽轮发电机，无法采用同轴直流励磁机系统，因为这种直流励磁机的极限制造功率为600700kW，所以，对大容量发电机的励磁一般采用交流励磁机励磁方式。根据交流励磁电源的种类不同汽轮发电机励磁方式分为：他励式励磁系统和自励硅整流励磁系统（全静态励磁系统）。1、 他励式励磁系统 采用与主机同轴的交流发电机作为励磁电源，经硅整流后，供

9、给主发电机的励磁。这类励磁系统按整流器是静止还是随发电机旋转，又可分为：他励静止硅整流和他励旋转硅整流。对于后者不需要转子滑环和碳刷引入，又称为无刷励磁方式2、 自励硅整流励磁系统采用介于发电机出口的变压器作为励磁电源，经经硅整流后，供给主发电机的励磁。这种励磁系统中，励磁变压器、整流器都是静止元件，因此又被称为全静态励磁系统。自励系统又可分为：自并励方式和自复励方式。此外还有一种新型励磁系统，其励磁电源不同于上述两类，而是利用在主发电机定子铁芯的少数几个槽中嵌入附加线棒构成独立绕组作为励磁源，经变压器整流后供给发电机的励磁绕组。这种新型励磁系统仍属于自励方式。对于大容量电机的励磁系统目前应用

10、最多的为他励无刷励磁和自并励方式。主要介绍他励无刷励磁。他励无刷励磁系统由同轴永磁式副励磁机、交流主励磁机硅整流装置和自动调整磁装置组成。发电机的磁场由交流励磁机的输出经三相桥式联结的硅整流装置提供，而交流励磁机的磁场则由永磁式副励磁机经自动励磁调节装置的三相全控桥式整流器提供。这一励磁方式不受电力系统运行状况的影响，可减小励磁系统的时间常数，但动态性能差，适用于靠近负荷中心的火电厂。这种励磁方式具有如下特点：（1）属于他励式同轴励磁系统，励磁电源不可靠。（2）由于无碳刷和滑环，励磁电流可达很大，维护量比较大。（3）交流励磁机的时间常数较大，所以，需增加适当的反馈控制或其他措施才可以提到励磁系

11、统的反应速度。（4）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；（5）旋转整流装置难以直接测量和观察励磁电流和电压。（6）硅整流器及其相应的保护元件都装在发电机轴上高速旋转，故要求这些元件可以承受较大的离心力作用。无刷励磁方式国外以美国西屋公司、日本三菱公司、德国西门子公司和法国阿尔斯通公司的产品居多。我国近年来引进西屋技术生产的300MW以上汽轮发电机也是采用这种无刷励磁方式。31.2.1 励磁系统的工作原理同步发电机正常工作，首先必须有一定的励磁电流，这个励磁电流一般由励磁机来提供。而励磁电流的大小与同步发电机的机端电压存在一定的关系，通过调节励磁电流，就可以改变和影

12、响同步发电机在电力系统中的运行特征，这就是励磁系统中的励磁控制系统的功能。无刷励磁系统一般由永磁机、主励磁机和旋转整流装置三大部件组成。见图3-2。以西屋公司MARK型无刷励磁系统为例，永磁机磁极、励磁机电枢、旋转整流装置是与发电机同轴旋转的。永磁机电枢产生的高频350Hz电源通过两组全控整流桥供给主励磁机磁场绕组，这部分是静止的。励磁机电枢绕组直接连至三相桥式全波旋转整流装置，其正、负极直接与主发电机转子连接，供给发电机励磁。因此励磁能源部件全部取消了整流子、电刷和滑环装置，如此就构成了无刷励磁系统。MARK型整流装置为板式结构，便于维修和更换；快速熔断器及电容器为单元组合式；整流装置电路为

13、三相桥式全波整流，每一支路由两个并联整流管与两个并联熔断器串联，可以及时开断故障，当每相25的硅整流管损坏时，仍能满足发电要求。该类励磁系统励磁电压响应时间小于0.1s，故属高起始响应无刷励磁系统。控制自动电压调节的可控硅整流器的控制角，达到实现调节发电机励磁的要求。在正常情况下，发电机励磁电流的大小，由自动电压调节器（AVR）按发电机输出端电压偏差信号可以自动调节，维持发电机端电压在给定的水平上。励磁机冷却系统是其正常运行的重要条件，MARK型励磁机为空冷方式，通风上没有专门的风扇设计，仅利用旋转二极管的径向安装，旋转产生风压作用；励磁机内设有一组冷却器，冷却水取自闭式水系统；为防止励磁机圆

14、筒电枢旋转产生负压，轴承向励磁机漏油，在励磁机顶部设有一只过滤器与大气连通。图3-2 无刷励磁系统原理接线图1无刷主励磁机电枢；2永磁机电枢；3永磁机磁极；4旋转整流装置；5主发电机电枢；6无刷主励磁机磁场；7可控硅整流装置；8主发电机转子磁场31.3 金陵电厂励磁机系统结构及特点金陵电厂发电机为上海汽轮发电机有限公司引进德国西门子公司技术生产的THDF 125/67型三相同步汽轮发电机。励磁系统采用无刷励磁系统，含主励磁机、永磁副励磁机、旋转整流装置、数字式自动电压调整器（DAVR），其结构如图3-3所示。图3-4给出了主励磁机的结构示意图。正常情况下，永磁副励磁机发出的400Hz交流电，经

15、DAVR调节器的三相全控桥整流后，供给主励磁机定子电流，其大小由调节器调节。主励转子产生150Hz交流电经旋转整流盘整流后，供给发电机转子磁场线圈。发电机强励能力为1.8倍额定励磁电压，允许强励时间不小于10s，励磁系统电压响应比不小于2倍/秒，励磁系统电压响应时间不大于0.5秒。图3-3 带旋转二极管的无刷励磁系统（系统图）1三相副励磁机；2接地故障检测用电刷和滑环；3正交轴测量线圈；4三相主励磁机5熔断器响应监控装置；6二极管整流装置；7三相引线；8MULTI-CONTRACT接头9转子绕组；10定子绕组；11自动电压调节器；12固定式熔断器响应监控装置图3-4 主励磁机结构示意1联轴节；

16、2整流环；3励磁机转子；4风机由图3-4可见，整流环和励磁机转子安装在与发电机转子刚性联接的同一个轴上，并由位于其端部的轴承予以支承，这样发电机转子和励磁机转子就由3个轴承予以支承。通过由插入式螺栓和插座组成的多触点MULTI-CONTACT 电触点系统，两个轴总成的机械耦合使位于中心轴孔内的直流引线同时连接。该电触点系统也用于补偿由热膨胀造成的引线长度的改变。31.3.1 整流环在三相电桥电路中，整流环的主要部件是安装在整流环上的硅二极管。二极管的内部结构布置如图3-3所示。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。图3-5中表示出的部件系附加部件，安装在整流环内。每两个二级管

17、一组安装在各铝合金散热片中，因而可以将它们并联连接。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。图3-5 整流环内部件组合1散热片；2绝缘材料；3圆盘式二极管；4绝缘螺栓连接；5带冷却孔的承压件；6MULTI-CONTACT薄膜；7盘簧；8触点桥接器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。这种结构布置能易于接近所有的部件和最小的电路连接。两个整流轮的机械结构设计是一样的，只是二极管的正向有所不同。来自整流环的直流电流

18、通过径向螺栓进入布置在轴中心孔内的直流引线。三相交流电则通过安装在整流环与三相主励磁机之间的轴周围的铜导线获得。导线用捆扎线夹固定，然后配以上扣的接线片以便进行二极管的内部连接。每个散热片组的4个二极管提供有一根三相导线。图3-6 整流环部件组合示意图1整流环；2熔断器；3二极管；4联轴节；5Multicontact 连接器31.3.2 三相主励磁机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。金陵电厂三相主励磁机系一个6极旋转电枢装置，见图3-7。这6个极与

19、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。图3-7 三相主励磁机结构示意1磁极；2定子；3转子；4风机31.3.3 三相副励磁机副励磁机采

20、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。三相副励磁机系一16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，见图3-8。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。图3-8 三相副励磁机结构示意1轴承；2定子；3永久性磁铁转子；4定子绕组31.3.4 励磁机的冷却励磁机(图3-9)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。

21、整个励磁机装在冷却空气循环通过的机壳中。图3-10示出，整流环从两侧吸入冷空气，然后把热空气排到位于基板下面的腔室。另一路冷空气通过副励磁机，然后通过风机，主励磁机的机壳才接收到这一冷空气。冷空气从两端进入主励磁机，并被传送至转子体下面的输送管道，然后通过转子铁芯的径向槽排到下腔室。而热空气则通过冷却器区返回到主机壳。图3-9励磁机结构示意图1三相副励磁机；2风机；3三相主励磁机；4整流环31.3.5 励磁机的干燥系统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。干燥器用于除去励磁机机壳内空气的水分。干燥器轮用不易燃材料制做，从图3-11、3-1

22、2可见，在其入口侧干燥器轮装有一个筒形管道系统，其表面充满高度吸湿材料。筒形管道按所需尺寸加工而成，以使其甚至在高速度气流下也能得到压力损失较低的层流。正向热气流通过与进入空气相反的方向转动的干燥器轮时，干燥器轮吸收的水分就会在再生段被除去，然后排到大气中。干燥器轮的材料被再生后又可以重新吸收水分。图3-10 励磁机冷却示意图图3-11 干燥器结构图1干燥空气出口；2截流阀；3再生空气入口；4温度调节装置5干燥器外壳；6干燥空气入口；7再生空气出口；8滤网用独立的气流即可使吸收水分和再生干燥器轮材料的工序同时进行，从而也能确保连续不断地将空气进行干燥。在干燥空气出口管路中安装截流阀，可防止发电

23、厂被污染空气在励磁机加载期间被吸入。干燥器轮慢速旋转（每小时大约转动7 圈）时进行除湿。蜂巢式干燥器轮由含有晶体氯化锂的硅化镁合金制做，而干燥器轮的内部再分成4 部分，其中1/4 部分用于干燥材料的再生，3/4 部分用于吸收水分。对于吸收段，要除湿的空气通过干燥器轮的水分吸收段，空气中的部分水分就被吸附材料即氯化锂除去。而对于再生段，在干燥器轮的再生段，由加热过的再生空气清除干燥器轮聚积的水分。干燥器轮连续不断地旋转确保连续除去励磁机内空气中的水分。图3-12 干燥器工作原理图1再生空气出口；2干燥器轮；3加热器；4通风机5过滤器；6空气出口；7截流阀31.3.6 金陵电厂励磁系统参数金陵电厂

24、励磁系统参数如表3-1所示：表3-1 金陵电厂励磁系统参数名称额定参数1.无刷励磁机参数型号ELR 70/90-30/6-20N额定功率5206kVA最大输出功率不适用额定电压480V顶值电压787V额定转速3000r/min冷却方式空冷旋转整流型式三相桥式环境温度43绝缘等级F最高电压180%额定频率150Hz定子绕组接线方式6Y励磁电压：发电机额定运行55V发电机空载运行16V顶值99V励磁电流：发电机额定运行110A发电机空载运行38A顶值165A磁场线圈电阻（75）0.52电枢线圈电阻（75）0.0003电抗和时间常数（KVA基准）电枢漏抗X10.192%暂态电抗Xd，0.475%次暂

25、态电抗Xd，0.278%负序电抗0.262%开路时间常数Td01.7s电压调节范围5%超速试验（1分钟）120%温升限制：负荷满载测量方法电阻法温升限制（）：电枢线圈60磁场线圈80电枢铁芯60冷风基准432旋转整流装置额定电压600V额定电流7500A电压裕度4倍电流裕度10承受最大反向电压/二极管2600V整流盘组成：连接类型盘型二极管每个回路串联二极管数无串联每个臂并联二极管20臂数6每个二极管额定电流690A每个二极管额定电压（门槛电压）2600V3.永磁式副励磁机型号ELP50/42-30/6-20额定容量65kVA功率因素0.6相数3极数16转速3000r/min频率400Hz电压

26、220V电流195A接线方式Y引出线数4绝缘等级F冷却方式空气励磁永磁绝缘试验电压2.5kV电枢漏抗/温升限制：负荷满载测量方法电阻法温升限制（）：电枢线圈60磁场线圈80电枢铁芯60冷风基准434.自动电压调节器AVR励磁柜功率放大器可控硅整流方式三相全控桥式额定电流150A时间额定值（10秒）见曲线功率放大器可控硅磁场回路开关交流电源开关型号额定电压1000额定电流250开断电流35控制电压（DC）110AVR性能：自动电压调整范围10%110%Ugn手动调整范围调整偏差（精度）0.5%过渡状态分辨率3ms单次记录长度1000记录通道数6复励型式不适用强励型式按端电压自然测量回路时间常数T

27、r 0.02s 电压综合放大倍数Ka101000整流桥及触发单元的时间常数Ta0.003s励磁机时间常数Te1.7 软反馈放大倍数Kf1 强励倍数D31.831.4 SITOR集合式晶闸管SITOR集合式晶闸管系列6QG35为转换器电源部分，它由几个晶闸管及其相应的辅助设备机械或电气连接组成静态转换器-A11/-A21。SITOR晶闸管系列6QG35165EE01为THYRISIEM DD励磁装置的一部分，用于电站带旋转整流励磁的发电机的闭环电压控制。SITOR系列具有下列技术数据：供电电压：3相，交流240V，-200，400/420Hz；额定励磁电流：165A（40进风温度）31.4.1

28、结构SITOR集合式晶闸管由6组插入式设计的机械支架组成。支架包括绝缘的框架和用于布置6组SITOR装置的母线。带电流互感器CT的电源端子布置在SITOR装置的后部。A10电子板布置在SITOR集合式晶闸管前部的旋架上。一套SITOR装置包括：一个圆盘式晶闸管、两个1/2片的散热片、一个适合晶闸管的臂回路熔丝、一个在通讯时限制过电压的缓冲回路。SITOR A10电子板包括：实际值测量电子装置和触发脉冲的电源、控制系统的接口、风扇指示、同期电压、系统低电压监视、旋转励磁感测、输出电压传感器、电流实际值传感器（输出系统传感器）、零序电流指示器、臂回路熔丝完整性监测、触发脉冲独立传送的脉冲放大器和变

29、压器。31.4.2 操作原则1SITOR A10电子板（6QN5521-0BA，如图3-13）A10电子板为静电敏感设备（ESDS），工作时必须采取防静电措施，否则可能引起设备损坏或功能故障。1）电源SITOR晶闸管装置具有三相交流400V的独立电源。它提供触发脉冲的电压，并供给信息电子装置和实际值处理器电源。T269线形变压器及相应端子位于SITOR A10电子板上，其二次侧未调整的电压1P24和1N24也在该板上整流和滤波。电压1P15和1N15及参考电压1P10通过调节器从这些（二次侧）电压获得。变压器的另一个三相二次绕组提供同期电压Vsyn。该电压从单相和零线获得，并加载至SITOR接

30、口X2;34和X2;18；一旦电源投用，绿灯H34“P ON”马上点亮；若未使用电源，也可通过10针连接器X11 P24、N24、M供电。信息系统：信息显示、缓存、打印、过滤和删除系统故障、错误显示过程数据处理：最多显示和处理24个过程数据二进制数据处理：最多显示和处理32个二进制数据图3-13 SITOR A10电子板操作面板示意图2）系统低电压监测通过位于电源装置的输入端子X1;1、3、5的低电压监测器感测低电压。它通过对变压器T269二次侧（供同期电压那组）的三相电压进行检波实现。该6脉冲直流电压带R79、R130、R132电阻负载。R130上的压降通过偏差放大器N76感测，其下游的滤波时间常数为4.7毫秒。SITOR电子装置6QN5521-0BA有一个240V、500Hz的电源。装置通过插入电