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发电机 励磁系统简介,安徽凯立科技股份有限公司 上海合凯电力保护设备有限公司 黄冬华,1. 发电机基本原理及励磁系统,中学物理学告诉我们：导体在磁场中运动、并切割磁场的磁力线时，导体中将会产生电流 这就是最基本的发电机原理。 这说明，要发电必须同时满足两个条件： 1.） 要有产生磁力线的磁场； 2.） 运动的导体必须切割磁力线。 励磁系统就是产生发电机磁场的控制系统。,2. 发电机的转子和定子,发电机由两大部分组成。 1.） 转子 转子绕组通以直流电流，用以产生发电机的磁场； 2.）定子 定子绕组被旋转的磁场之磁力线切割，在定子绕组中产生（发出）电流。 发电机转子被原动机（水轮机、汽轮机、柴油机等）拖动转动，因而转子绕组产生的磁场也是旋转的，与静止的定子及定子绕组产生相对运动。,3. 励磁系统的最基本功用,产生可以任意控制其大小的直流电流（称为“励磁电流” ） 向发电机转子绕组输送，这就是励磁系统的最基本功用。 实际上的发电机励磁系统比这复杂得多，是综合了多门学科 电力系统及其自动化、电机学、模拟电子技术、数字电子技术、半导体变流技术、自动控制原理、电工技术、工业自动化、微机原理及接口技术、C程序语言、继电保护 等的高科技产品。,4. 同步发电机现代励磁系统的功能,1. 发电机并网前，调节发电机输出的端电压； 2. 发电机并网后，调节发电机承担的无功功率； 3. 提高同步发电机并列运行的静、动态稳定 3.1 静态稳定: 采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定性（静态稳定）； 3.2 动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机在的大扰动下的稳定性（动态稳定、暂态稳定）； 4. 发电机事故时，对转子绕组迅速灭磁，以保护发电机的安全。,5. 励磁系统的技术标准,1 国际电工委员会标准 IEC2A（秘13-1978）汽轮发电机励磁系统技术要求 IEC（秘593-1982） 关于同步发电机励磁系统的若干规定 2 中华人民共和国国家标准 GB755-87 旋转电机基本技术要求 GB/T 7409.3-1997 大、中型同步发电机励磁系统技术要求 3 中国电力行业标准 SD271-88 汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件 （“三机”系统） DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 （“自并激”系统）,6. 励磁系统的主要技术参数,1 当发电机的励磁电压和电流不超过额定励磁电压和 电流的1.1倍时，励磁系统保证连续运行。 2 励磁系统顶值电压倍数 1.61.8 （2.0） 3 励磁系统允许强励时间 10s （20） 4 励磁系统电压响应比（电压上升速度） “自并激”系统 3.5 “三机”系统 1.61.8 （2.0） 5 电压调整范围 70110% 6 电压调整精度 0.5 % （0.25%） 7 调差范围 10 % （15%） 8 励磁系统强行切除率 0.1 % 蓝色数字为对一般励磁系统的要求, 红色数字为对 大型机组和优质励磁系统的要求。,7 . 励磁系统的主要构成,励磁电源装置 如直流励磁机、交流励磁机、励磁变压器、硅二极管整流装置、可控硅整流装置等。 自动励磁调节装置 手动励磁调节装置（可不设置） 自动灭磁装置 发电机转子绕组过电压保护装置（小机组不设） 备用励磁系统 （可不设置） 上述 装置的控制系统、信号系统和测量仪表,8. 目前国内常用的励磁系统,1. 直流励磁机励磁系统 多用于七十年代以前的中小型机组。 2. 具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-静止整流器励磁系统（“三机”励磁系统） 多用于六十年代以后100MW以上的大型火电机组。 3. 具有与发电机同轴副励磁机的交流励磁机-旋转整流器励磁系统（“无刷”励磁系统） 用于八十年代以后的大中小型机组（用量较少）。 4. 静止可控硅自并激励磁系统（“自并激”励磁系统） 多用于七十年代以后的水电机组、以及九十年代以后的大中小型火电机组，系优质励磁系统。,9. “三机”励磁系统,发电机 交流励磁机-静止整流器励磁系统 （“三机”励磁系统） 简 介,10. “三机”励磁系统慨述,主励磁机的交流输出，经硅二极管整流器整流后，供给汽轮发电机励磁。 主励磁机的励磁，由永磁副励磁机之中频输出经可控硅整流器整流后供给。 自动电压调节器根据汽轮发电机之端电压互感器、电流互感器取得的调节信号，控制可控硅整流器输出的大小，实现机组励磁的自动调节。,11. “三机”励磁系统的优点, 发电机的励磁电源取自同轴的交流主励磁机，不受电力系统运行的情况影响，工作可靠。 高速大容量交流主励磁机的设计制造、运行维护比直流励磁机容易。 直流励磁机电枢产生的是交流电势，经过整流子（换向器）的机械整流作用，变成直流电输出，供给发电机励磁。“三机”励磁系统用静止硅整流器代替旋转的机械整流子。 永磁式副励磁机PMG工作可靠，只要机组转动，即可为主励磁机提供励磁电流。,12. “三机”励磁系统的缺点, 交流主励磁机是一“时滞”环节 要调节发电机励磁电流，必须先调节交流主励磁机的励磁电流，有“时滞”存在。 副励磁机波形畸变 可控硅整流桥的负载是交流主励磁机转子绕组这一电感性负载。因此，励磁电源副励磁机的输出电压波形将产生畸变，容易出现发电机调节不稳定、无功功率跳动或摆动的情况。,13. “三机”励磁系统原理框图,14. “三机”励磁系统设备成套范围,1. 交流主励磁机（发电机生产厂家制造） 1台 2. 永磁副励磁机（发电机生产厂家制造） 1台 3. 硅二极管整流装置 1套 4. 微机励磁调节装置 1套 5. 灭磁及转子绕组过电压保护装置 1套 6. 主励磁机手动备用励磁装置（可不设置） 1套,15. 交流主励磁机,额定容量 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电压 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电流 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定 相数 三相 频率 100 Hz（用以减小发电机转子绕组的电感及时间常数） 额定转速 与同轴发电机相同,16. 永励副励磁机,额定容量 根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电压 根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值倍数确定 额定电流 根据发电机、交流主励磁机参数和强励磁电压顶值倍数确定 相数 三相 频率 400 或 500 Hz（中频） 额定转速 与同轴发电机相同 励磁方式 永磁式,17. 硅整流装置,整流方式 三相全波桥式不可控整流 整流元件 大功率硅二极管 整流桥数量 1 2（并联）个 单个整流桥输出电压 2 倍发电机额定励磁电压 单个整流桥输出电流 2 倍发电机额定励磁电流 只需单个整流桥即可满足发电机强励需要 硅二极管参数： 额定电流 额定电压 反向电压,18. 微机励磁调节装置,内有单通道或双通道容错型数字式（微机型）自动励磁调节器（AER）。 可最大限度地允许调节器内线路和元件故障。 任一AER皆可单独满足包括强励在内的所有运行工况。 可减少因调节器故障引起的机组强迫停机率。 可使发电机工作于恒端电压的P、PI、PID，恒电流，恒无功，恒功率因素四种模式。正常或无特殊要求时，首选恒端电压的运行方式。 软件采用C语言编写。,19. 灭磁及转子绕组过电压保护装置,1. “三机”励磁系统灭磁方式 发电机正常停机 主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：通过硅二极管整流桥近似自然灭磁 发电机事故停机 主励磁机：通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机：通过氧化锌（ZnO）非线性电阻灭磁 2. 灭磁装置：双断口磁场断路器+ZnO非线性电阻 3. 过电压保护装置 发电机转子绕组： ZnO非线性电阻 硅二极管整流桥： ZnO非线性电阻,20. “三机”励磁系统的限制和保护功能,低励磁限制/低励磁保护 反时限过励磁限制/过励磁保护 V/Hz限制 /V/Hz保护 电力系统稳定器PSS （小机组可不设） 发电机PT断线检测和保护 误强励检测和限制 发电机空载过电压保护 可控硅失脉冲检测 硅二极管整流柜（桥）故障的强励限制,21. “自并激”励磁系统,发电机 静止可控硅自并激励磁系统 （“自并激”励磁系统） 简 介,22. 自并激励磁系统概述,接自汽轮发电机机端的励磁变压器之副边电压，经可控硅整流器整流后，供给汽轮发电机励磁。 自动励磁调节器（AER）控制可控硅整流器输出的励磁电流之大小。 自并激励磁系统没有旋转部分，属静态励磁系统。,23. 自并激励磁系统的优点,运行可靠性高 可提高机组轴系的稳定性 励磁系统响应快 可提高电力系统的稳定水平 可提高电厂的经济效益 可节约电厂的基建投资,24. 自并激励磁系统的优点（续）, 运行可靠性高 自并激励磁系统为静态励磁，没有旋转部分，运行可靠性高。随着电力电子技术的发展，大功率可控整流装置的可靠性已与不可控整流装置大致相当。 可提高机组轴系的稳定性 由于取消了主、副励磁机，缩短了汽轮机发电机组的轴系长度（例如300MW汽轮发电机轴长由原“三机”系统的14922mm缩短至11220mm ，减少了3.7m ），提高了机组轴系的稳定性、改善了轴系的振动，从而提高了机组安全运行的水平。 励磁系统响应快 因为没有主励磁机这一时滞环节，所以自并激励系统是一种高起始的快速响应励磁系统。因而技术指标高，性能参数好。,25. 自并激励磁系统的优点（续）, 可提高电力系统的稳定水平 在小干扰稳定方面，自并激励磁系统配置PSS（电力系统稳定器）后，小干扰稳定水平较交流励磁机励磁系统有明显的提高； 在大干扰稳定方面，电力系统的计算表明，自并激励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机励磁系统相近或略有提高。 可提高电厂的经济效益 自并激励磁系统没有旋转部分，运行可靠性高、调整容易、维护简单、检修工作量小，因而可提高发电效益。 可节约电厂的基建投资 自并激励磁系统缩短了汽轮机发电机组的轴系长度，因而减少了电厂厂房的长度，节约了电厂的基建费用。,26. 自并激励磁系统的缺点, 发电机出口端短路时，将会导致励磁电源降低或消失 目前，100MW及以上容量的汽轮发电机，三相输出端都设有分相封闭母线，汽轮发电机出口端短路的现象基本上不存在。 发电机出口端三相短路时，短路电流迅速衰减，继电保护的配合比较复杂 首先，三相输出端分相封闭母线的设立，使汽轮发电机出口端短路的现象基本消除。 其次，采用一定的技术措施后，可以保证继电保护的动作，将发电机从电网中切除。,27. 自并激励磁系统的组成,1 励磁变压器 2 自动励磁调节器（AER） 3 可控硅整流器 4 灭磁和过电压保护装置 4.1 发电机转子绕组灭磁装置 4.2 发电机转子绕组过电压保护装置 4.3 可控硅整流装置直流侧过电压保护装置 5 发电机起励装置,28. 励磁变压器 功用：将发电机端电压降至可控硅整流器（整流桥）所需的输入值，为发电机提供足够的励磁功率。,额定容量 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数确定 原边额定电压 与发电机额定输出电压参数相同 副边额定电压 根据发电机参数和强励磁电压顶值倍数 确定 相数 三相 频率 50 Hz 接线方式 Y/ 11 短路阻抗 57 % 绝缘等级 B 或F 型式 油浸式或干式，自冷 油浸式 ：放置于厂房之外 ； 干式 ： 放置于厂房之内,29. 微机励磁调节装置 功用：按要求（机端电压偏差、恒电流、无功功率或功率因素）自动调节可控硅整流装置输出的大小和方向。,内有单通道或双通道冗余容错型数字式（微机型）励磁调节器（AER）。 可最大限度地容许调节器内线路和元件故障。 任一AER皆可单独满足包括强励在内的所有运行工况。 可减少因调节器故障引起的机组强迫停机率。 可使发电机工作于恒端电压的P、PI、PID，恒电流，恒无功，恒功率因素四种模式。正常或无特殊要求时，首选恒端电压的运行方式。 软件采用C语言编写。,33. 可控硅整流装置 功用：在励磁调节器的控制下，将励磁变压器副边的交流电压转换成相应的直流电压，提供给发电机转子绕组励磁。,整流方式 三相全波桥式可控整流 整流元件 大功率可控硅元件（晶闸管） 整流桥数量 1 2（并联）个 单个整流桥输出电压 2 倍发电机额定励磁电压 单个整流桥输出电流 2 倍发电机额定励磁电流 只需单个整流桥即可满足发电机强励需要 可控硅元件参数： 额定电流 额定电压 反向电压,34. 灭磁及转子绕组过电压保护装置 功用： 机组事故停机时，对转子绕组用灭磁电阻进行灭磁；发电机正常运行时，抑制转子绕组各种过电压；发电机启动时，对转子绕组进行初始励磁。,1 “自并激”励磁系统灭磁方式 发电机正常停机：通过可控硅整流桥逆变灭磁 发电机事故停机：通过氧化锌（ZnO）非线性电阻灭磁 2 灭磁装置：双断口磁场断路器+ZnO非线性电阻 3 过电压保护装置： 发电机转子绕组：ZnO非线性电阻 可控硅整流桥： ZnO构成的尖峰吸收器 4 起励装置： 起励电源直流或交流均可,35. “自并激”励磁系统的限制和保护功能,低励磁限制/低励磁保护 反时限过励磁限制/过励磁保护 V/Hz限制 /V/Hz保护 电力系统稳定器PSS（小机组可不设） 发电机PT断线检测和保护 误强励检测和限制 发电机空载过电压保护 可控硅失脉冲检测 可控硅整流柜（桥）故障的强励限制,14. 微机自动励磁调节柜（B）,微机励磁调节柜的主要组成（A） 1. 微机自动励磁调节器（AER） 2个 微机励磁调节器采用PC总线的工业控制机，抗干 扰性强；软件采用C语言编写。 微机励磁调节器可以使发电机运行于恒机端电压、 恒励磁电流、恒无功功率、恒功率因数四种运行方式。 默认方式为恒发电机机端电压运行。 双微机励磁调节器采用主从工作制，从调