（电气工程专业论文）25mw汽轮发电机励磁系统的研究与实践.pdf

沈mt 业大学硕二i 学位论文 t h e s t u d y a n d i m p l e m e n t o n t e c h n i q u e o f e x c i t a t i o ns y s t e mi n 2 5 m w t u r b o g e n e r a t o r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ，t h ee l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y o fo u rc o u n t r yi s d e v e l o p i n gq u i c k l y t h es c a l e o ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e me x t e n d s i n c r e a s i n g l y ，t h ec a p a c i t y t h a t g e n e r a t ee l e c t r i c i t yt h ee q u i p m e n t sa l s oc o r r e s p o n d st h e a g g r a n d i z e m e n t ，t h ev a r i e t y o ft h em o v e m e n tm e t h o do fs y s t e mi sm o r ea n dm o r e m u l t i f a r i o u sf o rg u a r a n t e e i n gt h es a f e t yb i t t e r l y ，t h ee c o n o m yc i r c u l a t e sa n dg u a r a n t e e s t h ee l e c t r i cp o w e rq u a n t i t y ，t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mc i r c u l a t et ot h ea u t o m a t i cc o n t r o l e q u i pp u tf o r w a r d t h eh i g h e rr e q u e s t t h es y s t e mo fe x c i t a t i o ni st h ei m p o r t a n c eo ft h eg e n e r a t o rt oc o n s t i t u t et h ep a r t ，i t s m a i nm i s s i o na c c o r d i n gt ot h em o v e m e n ta p p e a r a n c eo ft h eg e n e r a t o r ，r o u n dt o w a r dt h e e x c i t a t i o no ft h eg e n e r a t o rt h es e tp r o v i d e sa na d j u s t a b l ed i r e c tc u r r e n te l e c t r i cc u r r e n t ，t o s a t i s f yt h eg e n e r a t o ru n d e rv a r i o u sm o v e m e n t m e t h o do fd e m a n d t h ef f m c t i o ni sg o o d ，t h e h i g hs y s t e mo fe x c i t a t i o no fc r e d i b i l i t yi s t og u a r a n t e et h a tt h eg e n e r a t o rs a f e t yg e n e r a t e e l e c t r i c i t y ，t h e e x a l t a t i o ne l e c t r i c p o w e rs y s t e ms t a b i l i t y m u s to f t ot h e s y s t e m o f e x c i t a t i o n i na d d i t i o nt or e q u e s t i n gt h ee x c i t a t i o ni na d d i t i o nt oe q u i pt om a i n t a i nt h e g e n e r a t o re l e c t r i cv o l t a g el e v e l 。s t i l lr e q u e s ti t t ot h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e md y n a m i cs t a t e a n dt e m p o r a r yt h e s t a b i l i t yr i s e st h ef u n c t i o n t h e r e f o r e i t s n e c e s s a r yt ol e a dt og o i n t ot h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ( p s s ) ，n o n l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l ( n o e c ) a n d l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l ( l o e c ) m e t h o dt oc o n t r o lt h es y s t e mp o s i t i v ee f f e c ti nt h e e l e c t r i cp o w e r s y s t e mw i t ht h ef u l le x c i t a t i o n i nt h e p a s t ，f o rc a r r y i n g o u tt h e s ec o n t r o l sa n dn l u s t d e p e n d a g r e a t d e a lo f h o m o l o g o u sh a r d w a r e ，t h i sm a k er e g u l a t et h ee l e c t r i cc i r c u i tv e r yc o m p l i c a t e d ，c a r r yo u t d i f f i c u l ta n dt h e c r e d i b i l i t y i sl o w i nr e c e n t y e a r s ，t h em i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u e d e v e l o p m e n t i sf a s t f i e r c e ，t h e a u t o m a t i cm o d u l a t o ro fe x c i t a t i o nt h a t a p p l i e s t h e m i c r o p r o c e s s o rs a t i s f i e dc o m p l i c a t e dr e q u e s to f t h es y s t e mo f e x c i t a t i o nb i t t e r l y t h i st e x tp r a c t i c e st h r o u g ht h er e f o r m a t i o nt o w a r d1 “t u r b o g e n e r a t o ro fs h e n y a n g t h e r m a lp o w e r p l a n t ，p o i n t i n go u tat u r b o g e n e r a t o ra d o p t i o nf r o mc o m b i n e t h ea d v a n t a g e o ft h eb u sf e ds t a t i ce x c i t a t i o ns y s t e m ，a n dc a r r yo nt ot h eo l df a c t o r yf r o mc o m b i n et h e m e a n i n g o ft h eb u sf e ds t a t i ce x c i t a t i o ns y s t e mr e f o r m a t i o n ad e t a i l e ds t u d yi sm a d ef o r 沈| ； j 工业人学硕l j 学位论文 c a l c u l a t i o no ft h em a i nc i r c u i t ，t h ea u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o r m e a n w h i l e ，as u c c e s s f u l r e n o v a t i o no fb u sf e ds t a t i ce x c i t a t i o ns y s t e mi sg e ti n2 5 m w t u r b o g e n e r a t o r h i sd e v i c ef i tf o rav a r i e t yo fm e d i u m a n ds m a l l t u r b o g e n e r a t o r a l li t sq u a l i t y i n d e x e sg e tt ob e y o n dt h es t a n d sc o n c e r n e d i th a sf u l lf u n c t i o n s ，l o wc h a n g eo f b r e a k d o w n ， f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n s ot h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a le x c i t i n gs y s t e mh a v e b e e no v e r c o m e k e yw o r d s ：t u r b o g e n e r a t o r , b u sf e ds t a t i c e x c i t a t i o n s y s t e m ，a u t o m a t i cv o l t a g e r e g u l a t o r ( a v r ) 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈刚工业人学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 t 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示j ，谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位沦文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：日期： 沈m 丁业人学坝f 学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及现实意义 沈刚热电厂14 汽轮发电机组于19 5 8 年投产，至今己投入运行4 3 年。汽轮机为哈 尔滨汽轮机厂生产的3 1 2 5 1 刑中温中压凝汽式汽轮机，发电机为哈尔滨电机厂叫矿： 的t q 一2 5 2 型发电机。其中2 “机在1 9 6 8 年进行一次改造，在速度级叶轮后垂电对称 开两个抽汽门，抽0 4 1 0 兆帕蒸汽供热用户生产与采暖；1 ”、2 “机组1 9 8 0 年以来， 冬季采用低真空循环水供暖运行方式，供铁西区部分居民冬季采暖，供暖面积3 5 0 万平方米。由于设备使用时间已超过设计使用寿命( 3 0 年) ，近几年汽轮机及发电机 主设备严重老化，设备检修维护费用她火，各方面性能均已明显下降，故障率也不断 增加，威胁机组安全经济运行。 沈阳热电厂目前承担着沈阳市市区供电和铁西区2 4 户大中型仑业，【三产供汽及 3 5 0 j 半方米居民住宅供暖，要求机组必须安仝可靠。而上述两台机组为3 5 0 万平方 米居民住宅供暖的主要热源，为了维持14 机组的安全生产，冬季能够保证3 5 0 万半方 米居民住宅供暖，近三年投入了大批资金将汽轮机、发电机的辅助设备以及锅炉、热 工、除渣、除灰除尘、燃料等专业的设备、各部汽水管路及控制系统已基本更新改造 完毕。 为今后能更好的保证1 # 机组安全稳定运行，继续发挥原有固定资产的作用，持 续发展老厂的经济效益，沈阳华泰热电有限公司拟对1 ”机组主机设备进行更换，同时 改造陈旧落后的机组配套电气设备及发电机励磁系统设备。可行性研究阶段没计于 2 0 0 2 年4 月完成，并通过投资方辽宁电力经济丌发有限公司审奄。 1 2 汽轮发电机励磁系统概述 励磁系统是发电机的重要组成部分，它的主要任务是根据发电机的运行状态， 向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需 沈丁业大学 i 卜学位论文 要。性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所 必须的。励磁系统一般由两部分组成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的 励磁绕组提供赢流励磁电流；第二：部分是励磁调节器”3 i ，它根据发电机的运行状态， 自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。我励磁系统有以卜 几种典型形式。 1 2 1直流励磁机励磁系统 在电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，励磁电流由与发电机绕组同轴旋 转的自流发电机供给，即所谓直流励磁机系统”3 。如图i 1 所示。 图1 1 直流励磁机系统 t f l 期的中小型汽轮发电机窑量较小，所需的励磁容量也较小，用直流励磁机励磁， 结构较简单，操作也较方便“。我厂14 、2 4 发电机就是采用的这种励磁方式，直流励 磁桃是与手发电机同轴旋转，速度较高，受换向器( 整流子) 的限制，容量不能做得太 大，一般适用于1 0 0 m w 以下的汽轮发电机“j 。 1 2 2 交流励磁机励磁系统 随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流子在换流方面遇到 了网难，而大功率半导体整流元件制造工艺又h 益成熟“：，于是大赛量机组的励磁功 率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机系统o 。 交流励磁机励磁系统又叫交流励磁机静止整流器励磁系统，通常称之为三三机励磁 系统”“。所谓三机励磁系统是由发电机、主励磁机、副励磁机三者在同一轴卜旋转， 整流装置和调节器( a v r ) 是静止的，和直流励磁机励磁系统一样需要配滑环、碳刷、 灭磁电阻和灭磁开关等部件。如图1 2 所示。励磁机是交流机没有换向器，因此，励 磁窬量不会受其限制”。因有灭磁回路，当系统或发电机发生故障时能尽快切除机 组，减轻事敞。它的灭磁时间较短，切机时问较快，对系统稳定有好处，由于旋转部 件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多；轴系长、轴承座较多，易引起机绡振动 沈阳二v 业大学i i | ；! 扛学位论史 超标。这种励磁方式原苏联的发电机采用较多，我围i o o m w 及以上的汽轮发电机多 数也是采用这种励磁方式“。 图1 2 交流励磁机静止整流器励磁系统 1 2 3 交流励磁机带旋转整流器励磁系统 交流励磁机带旋转整流器系统即无刷励磁系统”“。它也属三机励磁范畴，俏整 流装置和发电机、主励磁机、副励磁机在同轴上旋转。如图1 3 所示。 图1 3 无刷励磁系统 无刷励磁系统的特点： 励磁机是没有换向器的交流发电机，励磁容量司不受其限制； 死碳刷、滑坏、整流予等，因而不会肯碳刷的冒火问题，运钉维护方便： 4 i 会产生碳粉和铜术，因而不会导致电机绕组绝缘污染而降低绝缘水、f ； 励磁回路中无灭磁装簧，电机或系统发生事故跳闸后，电机靠自然灭磁，时 间相对较长； 沈阳1 业人学硕士学位论文 无法直接测量和观察励磁电流和电压。 采用无刷励磁系统以美国西屋公刊、日本：三菱公司、德凼西门了公司、法国刚尔 斯通公司居多。我国引进西屋技术生产的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 发电机也是采用这种励 磁方式。 1 2 4自并励励磁系统 自并励励磁系统又称静止励磁系统”。如图1 r l 所示。这种励磁系统的特点是： 无主、副励磁机，励磁电源耿自发r 乜机机端，经整流变压器及可控硅整流器供 给发电机励磁绕组励磁： 无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少； 励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快： 可以提供较大的励磁功率。 皿f l 日p 图1 4 自并励励磁系统 这种励磁方式国内外大中型水电组机都已普遍采用。3 0 0 m w 及以上人容量汽轮 发电机也在推广应用，如a b b 、日立、东芝等公司的6 0 0 m w 级汽轮发电机都是配 备这种励磁系统。加拿大新建大中型火电机组全部采用自并励系统”j ，英国电存推r 采用。在国内，大型水轮发电机上白并励励磁系统已成为主要励磁方式m 】，在1 0 0 m w 。6 0 0 m w 级汽轮发电机上也已积累了一定的运行经验。大型汽轮发电机上推荐选用 自并励励磁系统口】。我国目前大型汽轮发电机主要采用交流励磁机不可控整流的- = - j l 励磁系统，工作可靠性低于自并励励磁系统，因此，采用自并励励磁系统及对老机组 进行励磁系统改造具有重要意义。 由j 二单机容量增大，要求励磁系统既简单、又要安全可靠。目前国际上除商屋公 司维持无刷励磁系统外，其它公司多在发展采用自并励励磁系统，例如加拿大小仪水 沈m d 世人学坝l 学位论文 轮发电机采用自并励励磁系统，汽轮发电机大多数也采用自并励励磁系统。近l o 多 年来我凼大中型水电机组都采用了这种系统。因此可以说，国产大容量汽轮发电机采 用自并励励磁系统是今后发展的必然趋势。 采用自并励励磁系统有以下优点： ( 1 ) 缩短机组轴系长度，减少轴承座，从而可以降低轴和轴承座的振动值提高 机组安全运行水平 t t , t8 1 。例如目前国产3 0 0 m w 汽轮发电机有部分机组轴系振动值是 在超标运行的，对机组安全不利。机组若采用自并励，从而可节省厂房及基础投资。 自并励励磁缩短了机组轴长，使扭振减小，不但减轻了机组动平衡调整的困难，而舟 提高了机组的安全性。 ( 2 ) 可减少励磁系统故障，提高i j 靠性。加拿大统计了汽轮发电机的交流励磁机 励磁系统和自并励励磁系统的强迫停机率和j f 均修复时间，表明白并励励磁系统的证 追停机率仅为交流励磁系统的1 3 ，平均修复时间为交流励磁机励磁系统的1 4 。美凼 g e 公司的统计表明，励磁系统的故障，交流励磁机励磁系统中的人部分是旋转部分 产，| _ 的，其强迫停机小时中8 0 是由这部分引起的。根据最近对励磁系统的调查，在 北仑港的两台6 0 0 m w 级汽轮发电机中，1 “发电机是日本东芝公司生产的，采用自并 励励磁，自1 9 9 1 年投产至今运 r 良好，励磁系统未出过问题：2 4 机是法国a l s t h o m 公司生产的，采用无刷励磁，白1 9 9 4 年投运以来，励磁系统发生了2 次事故，每次 需停机l o 多天进行修复。大甄湾2 4 发电机( 9 0 0 m w ) 是英国g e c 公司! 卜产的，9 7 年3 月旋转整流装置发生事故，停机更换，后将损坏部件运回英国去修复。 采用自并励励磁系统的主要缺点是： ( 1 ) 在发电机近端三相短路而切除h , j f c j j 又较长的情况下，不能及刚提供足够的强 励倍数。 ( 2 ) 接于地区网络的发电机，m 于短路电流的衰减快，继电保护的配合较复杂， 要采取定的技术措施以保证其动作。因此，对自并励方式，人们曾有两点顾虑： 第。，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实验表明，这 些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。 沈阳j 业大学埘卜学位论史 1 3 自并励励磁系统在国内外运行情况 ( 1 ) 国外应用 近年来，i i 并励励磁已成为很多国家优先选用的主要励磁方式”“。加拿大从7 0 年代开始新装机组主要采用白并励励磁系统。，以安大略电力系统为例，从l9 6 5 年 起新装的发电机组已全部采用自并励励磁系统，到1 9 9 1 年自并励励磁发电机组的总 容量已超过总装机容量的7 5 。英国近年来新装机组也全部采用自并励励磁系统，最 近并将一些早期安装的交流励磁机励磁改装为自并励励磁，配备p s s ，以提高电力系 统稳定性。 ( 2 ) 国内应用 汽轮发电机自并励励磁系统国内运行情况为：8 0 年代开始我国新装的大型水轮 发电机已普通采用自并励励磁，但汽轮发电机仍以交流励磁机励磁为主。这一方而因 为早期大功率晶闸管整流装置在水轮发电机组卜运行时发生过些较严重的故障，对 其可靠性仍有一定顾虑；另一方面汽轮发电机上采，日自并励励磁能否满足各种运行力 式的需要，还缺乏经验。但是目日口进 和国产的火功率晶闸管整流装置运行可靠， 除个别机组在试运初期发生过一些问题外，在运行中没有发生过整流柜事故。发生的 一些事故均因a v r 柜元件过热损坏造成”1 ，统计数字表明自并励励磁的可靠性高于交 流励磁机励磁。实际运行情况表明：电力系统短路事故中，未发生因发电机采用自并 励方式而使继电保护误动或发电机因电源电压降低而失磁的事故。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 在综合分析大型汽轮发电机自并励励磁系统技术的基础上，参考围内外应 用经验研究对老机组进行自并励励磁系统改造的方法。 ( 2 ) 研究和设计2 5 m w 机组的自并励励磁系统主回路，起励回路和灭磁回路。 ( 3 ) 研究2 5 m w 老机组改造中励磁调节器功能配置、电路设计和调试。 ( 4 ) 将自并励励磁系统应用于2 5 m w 发电机组，并验证励磁系统各装置，系统配 套设备的性能，对各种参数进行整定。 沈mi 业夫学坝卜学位论文 2 三相全控桥可控硅自动励磁装置的各部分组成及功能 对励磁系统而言，除了要求励磁装置维持发电机电压水平外，还要求它对电力系 统动态和暂态稳定起作用。因此有必要引入如电力系统稳定器“，线性最优控制和非 线性最优控制等复杂的控制方式以充分发挥励磁控制系统在电力系统中的积极作用。 过去，为了实现这些控制必须靠大量棚应的硬件，这使得调节电路非常复杂，实现困 难月刈靠性低。近年来，微处理机技术发展迅猛，j 趣用微处理机的自动励磁渊节器更 好地满足了励磁系统的复杂要求。 自并励励磁系统的特点是：励磁电源取自发电机自身，用励磁变压器供给整流装 置。整个励磁装置里没有旋转部分，属丁全静态励磁系统。自并励励磁系统接线图如 图21 所示。 h u 图2 1 自并励励磁系统 设计自并励励磁系统需要进行主回路的基本计算，如主同路励磁变压器电压、电 流、功率凼数及控制角的计算，三相整流桥硅元件的选择等。另外还有火磁和起励回 路的分析和计算。 2 1 励磁功率电源 主回路采用三相全控整流桥。计算电路如图2 2 所示：计算前需知发电机空载励 磁i 乜流，。，( o ) 和空载励磁电压u 州( o ) ，额定励磁电流埘1 和额定励磁电压 ，“( 。1 ，转子 电阻1 7 。，等参数，还应知道强励倍数： k 。u 川i u 川 ( 2 1 ) 一7 一 r 坠 l 一 熏一 沈阳l 业人学硕_ l 学位论文 式巾u i 。) 为强励预值电压。 k p ik p 3k p 5d l f】f】e f 1 a ： udi ( 、 、 b 】： c lj k p 2k p 4k p 6 d 2 id 1 = i e l 2 = i d 图2 2三相全控整流桥 i d l r 2 1 1 励磁变压器的作用 同步发电机输出交流电流中的一小部分，经励磁变压器降压和【u 摔整流器k z l 整流后，供给励磁绕组l k 咀励磁电流。 由于同步发电机的励磁电压较湍电乐低得多，所以自并励系统中一般都没霞了励 磁变压器进行降压。没置励磁变压器的主要作用是： ( 1 ) 使可控硅工作时的导通伯大小适当，控制较为稳定： ( 2 ) 降低整流元件的电压等级； ( ： ) 使整流回路、控制回路和励磁绕组三者都与机端隔离”，降低了回路对地的 电位和对绝缘的要求，有利于安全运行并减少日常维护：i ：作。这一点，对于高压发电 机来说，显得特别重要。 2 1 2 励磁变压器的选择 励磁，叟压器的设计，关键在于合理地选取强励倍数。强励倍数过高，发电机的动 态性能虽然较好，但励磁变压器次级电压高，容量大。可控硅正常二 ：作时导通角小， 整流元件所需的电压等级高。这将导致励磁装置的造价提高。强励倍数过低，发_ 乜机 动态性能差，机组突加负载时，机端电压下降严重，并且电压恢复时间较慢。冈此， 要根据同步发电机的运行情况和电网的具体要求，合理地选择强励倍数。既4 i 能卣目 追求高技术指标而不顾经济效益，也1 i 能只追求经济效益而不合理地降低技术指标。 沈mi 业夫学帧i j 学位论文 ( 1 ) 励磁变低压侧线电压的计算 计算变压器线电压用以下参数：发电机额定励磁电流( 。) ；发电机额定励磁电 压u 。，；强励倍数k ；可控硅最小控制角口；变瓜器漏抗一般取4 8 ；馈电回路 电压降之和y a u ，包括导通两臂的硅元件的压降，线路电阻压降及转予滑坏与碳刷 问压降，般为2 “4 v ；按照可控硅全控桥整流计算方法励磁变低压侧u ： 1 3 5 u ic o s a m i n 2 k e u , l ( e i + 量k 7 脚1 _ + u ( 2 2 ) d j 于在初始时_ 。无法确认，y a u 【乜取为估计值，因此可以把蚓路中总的电爪损 失估计为1 5 。c o s l 2 。= c o s o = l 则上式可变为： 卟黑镰 ( 23 ) “1 一面万磊 。2 _ 3 ( 2 ) 励磁变低压侧线电流的计算 为了汁算简单，忽略换流过程( 设换流角y - 0 。) ，认为交流侧电流为矩形波，幅 度为f ，。给定直流侧电流l = ，。，相应的仝控桥交流侧线电流： = 、雪 ( 2 - 4 ) ( 3 ) 励磁电源功率的计算 交流励磁电源的容量一般按卜式计算： s = 3 u l j l 1 0 。k v a ( 2 5 ) 交流电压u 以满足强励要求为准，交流电流，考虑交流电源允许瞬时电流过 载，以额定运行情况为准。如果强励l 双2 倍左右，则交流电源的功率应为发电机额定 励磁功率的2 倍左右。 2 1 3 控制角q 的计算 目的是确定控制角是否在一般所希望的范围之内，并与实测的控制角比较。 一般按空载、额定、强励三种工况进行计算。对全控桥： 沈m 一【业 = 学坝：学位论史 u “! i “k 午u c o s 。两j _ 空载时：取，“= u “= u 枷) 1 或直接计算 u 邶) = r i i i ( 9 5 0 ( ) 如( 。) ，代入( 2 6 ) 中算出a 即为空载控制角a 。 ( 26 额定工况时：“= ，( 。) ，u 川= u m 。) 或u 埘【。) = r 川( ) ，州。) 代入式( 2 6 ) 中 即算出额定控制角a 。 强融工院嚼： jm = k ：i m j n ，u 日= u 烟、= k ! u 帅 2 z 三相全控桥及过电压保护电路 磐流主豳路采用可控硅三二相全控桥，如前网2 2 所示，六个桥臂均为可控扛量，其 l ，k p ，k p k p ；阴极连在起，阳极分别接于a ，b ，c 三车h 交流电源，构成共1 5 j ；j 极 组连接；k 吼，kp 1 ，k r 阳极连在一起，阴极分别接。二a ，b ，c 三相交流电源，构成共 | 5 日极组连接。在一个工频周期硅 两组晶刷管要出现六次不同的导通组合方式6 ，l ； l ，2 ；2 ，3 ： ，4 ：4 ，5 ；j ，6 。本系统采用双脉冲的触发方式，每个工频周期发出 六对脉冲。 采崩i 叮控硅三相全控桥，当发电机内部短路时可实现有源逆变，全控桥逆变灭磁 是将磁场储能从直流侧反送回交流侧。这种方式省略了灭磁开关和灭磁电阻，降低了 励磁装置的造价。例时也提高了变压器的利用率，省略了续流二极管，简单、经济、 无触点“，控制角a ( 或导通角0 ) 由移相触发脉冲来控制。当o 理 n 2 对，整流电路 处1 二整流状态；当成n 2 a n 时，整流电路处于逆变状态”。3 。 过电压保护采用阻容保护。全控桥上每个硅元件并联r c 吸收电路，它j 以i 吸收 可控硅在换相时产生的换相过电压，同时也抑制了加在可控硅上的电压l ， t - 率。以防 过大的电压上升率使可控硅误导通。 2 2 1 可控硅的选择 祭流桥臀硅元件的质量好坏，额定参数选择得是否正确，对保证半导体励磁皱置 可靠运行，有很大关系。设计时主要选择硅元件的额定正向电流和额定反向峰值电压 两个参数，这是硅元件的主要参数。 沈阳= r 业人学坝j 学位论义 ( 1 ) 硅兀件额定电流的选择 砖兀件的额定电流是指管子的通态平均电流，或称“额定正向平均电流”，用 1 表示，定义： f t ( a v ) ：去肛s i nc o t d c o t = ， 额定正q 平均电流，。、指在规定的散热条件下，电流为正弦半波时允许通过硅 元件的最大平均电流值。对半导体励磁这类可靠性要求高的装置，所选。，、要远远 大于额定负载i 、桥臂的平均电漉厶。 即应取较火的电流裕度。除考虑励磁装置的 整流桥的负载条件，还要考虑系统短路时的强励情况，强励时不应使过电流保护动作， 硅元件的额定正向平均电流应大于强 励时实际可能通过硅，j 件的电流，s t l 9 l - ，还要考 虑在发牛故障时，流过整流桥硅元件的过电流，例如整流桥直流f 月i g l i 路或桥臀击穿叫 的过电流，逆变颠覆过电流等，并应考虑其中最严重的情况。硅元件承受浪涌电流的 能力，称过载能力。用过载倍数表示，即： 过载倍数：堑! 塑皇堕 ( 2 8 ) 因为。，、为正弦半波平均值，敞须乘以折算为正弦半波峰值。一般情况，持续 时i i q 为一个周波时，约允许过载4 倍。选择硅元件的额定电流，计算如下： 存额定工况时： i r 。y ) = k , l f _ ，) ( 2 。9 ) k 一额定工况时电流裕度系数，通常取3 5 。 k 们一桥臂平均电流，= j 1 豇岫) = j 1 悱) 在强励情况下： ，m ，) = k ，j ( r ) ( 2 1 0 ) ，。一强励工况下的电流裕度系数，选取2 以上，这样可以保证在额定工况时， 电流裕度系数达到3 5 。 ，州”一桥臂平均电流i ，1 i a i ：) i = ；女。( 。) 而整流桥直流侧电流： ，d ( q ) = 胁j = 。绯) ( 2 1 1 ) 顺便指出，当选择与硅元件串联的快速熔断器的标称电流时，应注意这标称电 流是指流过该快速熔断器的电流有效值，其表达式为： ，= j 去f ( 1 , s i n 。t ，2 胁 ( 21 2 ) h 。1 = ；= 1 5 7 即，= 1 5 7 l 。，故快速熔断器的标称电流应比所保护的硅元件的标称电流( 额 定【f 向平均电流) 至少大1 5 7 倍。 ( 2 ) 可控硅额定电压的选择 使用可控硅时，应了解它在阻断状态下能承受多大的正向与反向电压。可控硅出 j 试验时，在额定结温下，不论是工 ：向或反向都是加5 0 1 z 正弦半波电压。元件合格 证卜所标示的正向阻断电压和反向峰值电脏，是测试时达到正向转折及反向击穿所刈 心的正弦半波电i 的峰值各减去1 0 0 v 并取整数的数值。它们是司控硅的额定r 乜_ 压， 通用的术语和符号是重复正向阻断电压u 。，与重复反向峰值电压u 。二二者在数值 上般是相等的。选择可控硅时，应使元件的额定正向与反向电压比实际工作中所承 受的正向与反向电压最火值高2 倍以上。冉：设计时先算出桥臂的反向一工：作电压最大瞬 j 坩值，即： m = 4 2 u , ( 2 i 3 ) 所选择的可控硅额定重复反向峰值电压： u = k 。k j k 釉m l 、2 4 1 式叶1k 。_ _ _ 电压裕发系数，为提高励磁系统可靠性，取其值大于2 。k 。过电 压冲击系数，取1 3 1 6 ，视过电压保护完备情况而定。电源电压升高系数， 通常取1 0 5 一1 1 。特殊情况，如考虑发电机甩负荷的电压升高，可取更高值如果 个硅冗件电压额定值不够大，每臂可用n 。个硅元件串联。串联运用的硅件之州 应注意其均压问题。每臂串联的硅元件数为： 型! 三些型业堂堂生一 。：茎竺竺墨! ! ! 竺 ( 2 1 5 ) ”g k ：。u f 式中k 。，一一均压系数，取0 8 一一o 9 。 在：二相桥式全控整流电路中，6 个品闸管导通顺序是： 一k p 6 一k p l p 卜- - e l 2 k p 2 一k p 3 l k p 6 一k p 5 + 一e p 5 一一k p 4 + 一k p 3 一k p 4 - j 2 z 2 整流桥负载功率因数计算 整流桥负载的功率凶数有两种定义。一种为基波功率因数：另1 种为总功率因数。 ( 1 ) 基波功率困数 三棚全控桥中一相电压和电流波形如图2 3 所示。 图2 , 3 基波电压、电流投彤 整流桥交流侧相电压虬通常假定为正弦波，整流桥交流侧电流乇波形是崎变的。 如果卣流侧为大电感负载，可以认为交流侧电流为矩形波( 忽略换流过程) 。如幽2 3 ，f ，所示，如考虑换流，可用梯形波代替。屯可用富氏级数分解为基波和一系列谐波 之和。基波电流f 与电压u 。之间的相移角为西、，基波功率因数定义为c o s c p l 。 基波功率因数也可按功率因数一般定义来计算，等于基波有功功率只与基波视存 功率s 、之比。 f 弦巾压与非正弦电流作用下的平均功率( 总有功功率) ： ， ，习 。 沁、 r_，生： 一|：、 沈阳i 业大学坝 ! 二位论丈 p = p k = r = u d id c o s a = p b c o s o r ( 2 1 6 ) 式l t 尸。，= u 。l 一控制角d = o 。时直流侧的功率。 基波视在功率为： s i ：3 眈= 易 ( 2 17 ) 式中u 。一交流侧相电压有效值。 符基波功率因数用c 。s 筋表示，则c 。s 翰= 蚤= 曼警= c 。s 口。，敞可得剑 妒2d 。因此对三相全控桥，只要知道控制角c 【，便川算出基波功率因数c o s 以= c o s 口。 二i 棚全控桥在整流状态运行时，控制角a 等丁i 功率因数角妒，。口越大，功率冈数越 低，a 2 9 0 时基波功率因数为零，输出有功功率也为零。在逆变状态运行时，口越大， 则逆变有功功率增加，基波功率因数增高，通常，逆变时不以控制角口而以逆变角口 作为基波功率凶数角。 ( 2 ) 总功率因数 移流桥交流侧线电流中有基波，和一系列谐波k 线电流有效值为： ，2 = ，1 2 + ，2 ( 2 1 8 ) 整流桥交流侧相电压u o 可认为是正弦波，故眈= u ，u 2 u 30 交流侧 总视在功率的平方可表示为： s 2 u 。2 ，2 = u i2 ，l2 + u i2 ，k 2 式中鼻一基波有功功率 q l 一基波无功功率 ( 2 9 ) 。( u + 竹 ，- ns， 2 ， 【+ 2 竹s r + o 2 ：c 岛 + 2 2 u 岛 l l = 塑! ：些丛坐型型l 一一 s 一畸受功率 总功率凶数定义是：有功功率p 与输入的总视在功率s 之比，即： 总功率因数= 妄= 詈熹= 猎c o s 仍 ：尝c 。s 仍：s 锻 ( 2 2 0 式中v ：旦：里s i n 互，称为畸变罔数。他是脉波数p 的函数。对三年h 桥式整流电 刀p 路，p = 6 ，则v = ：3 = o 9 5 5 2 3 励磁反馈控制 励磁反馈控制是通过以下过程米实现的：首先励磁控制器检测p t 的信号从而获 知发电机的机端电压q ，然后将u 与参考( 给定) 电压q 相比较得包压差( u ，u ) 。 该电压差( u r - u ) 经综合放大环节后得到控制电压殴。若是最简单的比例调节， 那么控制电压u 与电压差( u ，一) 有以下的关系式( = _ ：f i 考虑调差) ： u ，= k ( u ，一u 。) ( 2 2 1 ) 上式中世为放火倍数。控制电压u 。经过移相触发环节后得到可控硅( s c r ) 的触发 角，从而控制励磁机的励磁电脏c 使发电机运行在稳定状态。在g e c 中，信号 的检测、综合放大、移相触发都是通过软件算法实现的。己，。与卧u 有以r 关系： 口：a r c c o s u 。u m 13 5 u ： ( 2 2 2 ) 因为三相企控整流桥有以下关系： u = 1 3 5 u z c o s ( z ( 2 - 2 3 ) 所以 u = u c x u 。 ( 224 ) 式r pu为励磁机空载励磁电压，：为副励磁机输出电压，即 的阳极电压。q o 1 s c r 沈阳丁业大学硕一学位硷义 如果由于扰动使发电机机端电压u ，上升一1 个小的值，那么电压差( u ，一v ) 将 减少，经综合放大环常后得到控制电压u 。也将减少，使得旺增大，经可控硅整流后 使得励磁机的励磁电压u 口减少，发电机的转子电压u ，也随之减少，使得发电机的 机端电j k u ，f 降，从而抵消了发电机的机端电压u 上升的扰动。由此励磁反馈控制 可以维持发电机的机端电压u 的恒定。 u ) j r u 上 u f 一u | i u i i i 如果由于扰动使得发电机的机端电压v 下降一个小的值，那么类似以k h , h 7 样能得剑相同的结论。 2 4 同步发电机的起励 励磁变压器并联在发电机机端，当机组起动后，转速接近额定值i ：i 、n 机端具有一 定残压，其值一般比较低( 约为额定电压的1 2 ) 。励磁调节器中的触发电路此时不 能正常【：f i - ，可控硅不开放，不能送出励磁电流使发电机建立电压。因此必须采取措 施，先供给发电机初j f = i 励磁使发电机逐步建赢起一定的电压，这一过程称为起励。如 果励磁变压器接在发电机主断路器的系统侧，或是厂用电母线上，因整流桥交流侧已 有全电压，l 刊步电压为正常值，则不需另外考虑起励措施。励磁变压器接在机端情 况下，起励措施有两类：一是残压起励；一 是他励起励。 2 4 1 残压起励 这是利用机组剩磁所产生 v 觉j - t ，供给初始励磁。在发电机的残压较高时iz j 考虑 使用。这又有两种做法：一是起励时虽然调节器尚彳i 能工作，但可采用技术措施，使 整流桥中的可控硅桥臂暂时导通，形成不可控整流装置，形成初始励磁电流。这与自 并流直流发电机由残胜建立起电压的自励过程相似。二是对调节器中的同步电路采取 措施，使在残压下和在额定电压下都能f 常 作。另外，调节器的稳压电源的交流侧， 耿自其他独立交流电源，这样，励磁调 ，器在起励时就参加 ：作。 2 4 2 他励起励 即另设起励电源及起励回路，供给初始励磁。图2 4 为励磁变压器接在机端的自 并励方式的他励起励原理图。起励电源可用图2 4 a 所示电厂的蓄屯池，也可用图2 4 b 所示的厂用交流电整流。 a 电池起励b 厂用电起励 图2 4 他励起励原理 图2 4 a 中，z c 为直流接触器，实现起励回路的接入及切除。起励时z c 闭合， 由起励凹路供给初始励磁电流，发电机电压便逐渐升高。当达到或超过发电机电压额 定值的3 0 ，则可断开起动回路进行自励。起励电源容量可估算如下，当发电机电压 达到窄载额定值【，。的3 0 ，相应转子励磁电流，“。的4 0 ，故需起励电源功率约为 发电机空载额定电压时励磁功率的1 2 ，约折算为额定励磁功率的2 5 ，简恤圯为 】4 0 。 为了较快地建立发电机的电压，起励电源电压的选择应按短期内( 1 0 s 以内) 建立 到5 0 7 0 额定电压考虑，这样选择的起励电源电压大约为额定励磁电压的1 4 。 2 5 同步发电机的灭磁及其计算 火磁就是把转子励磁绕组的磁场尽快地减弱到尽可能小的程度。网步发电机发生 内部故障时，虽然继电保护装置能迅速把发电机与系统断开，但磁场电流产生的感应 电势继续维持故障电流，可能造成导线熔化，绝缘烧坏甚至烧坏铁芯，凶此要求继电 保护动作的同时，还要求迅速而完全地灭磁。对灭磁要求是：灭磁时间短，这是评价 灭磁装置的。项重要技术指标，转子过电压不应超过允许值u 。，其值通常取为转予 额定励磁电压的4 5 倍。 “ “r 。 、 图2 5 不同灭磁方案的灭磁曲线 j ： 图25 绘出几条不同灭磁方案的灭磁曲线，其中直线1 以某一变化率( 竺) 衰减， d l 转子电压既未超过允许值u 。，灭磁时间又最短，称为理想灭磁曲线。 火磁的方法较多，主