（电机与电器专业论文）无刷励磁机旋转整流组件对强励和短路工况适应能力的研究.pdf

堕堡堡矍三奎兰三兰堡圭耋堡丝兰 s t u d yo fo p e r a t i o no fr o t a t i n gr e c t i f y i n g c o m p o n e n t s i nb r u s h l e s se x c i t e ri nt h em o d e so f f o r c e de x c i t a t i o na n ds h o r t c i r c u i t a b s t r a c t r o t a t i n gr e c t i f i e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h eb r u s h l e s se x c i t i n g s y s t e m ，t h en o r m a lo p e r a t i o no fw h i c hm u s tb ea s s u r e d w h e nt h er o t a t i n g r e c t i f i e ri si nt h ea b n o r m a ls i t u a t i o n s ，s u c ha so v e r - c u r r e n t o v e r - v o l t a g ea n ds o o n ，a l t h o u g ht h e r ei sp r o t e c t i n ge q u i p m e n tt op r o t e c tt h ep o w e rd i o d e s ，i ti sv e r y d i f f i c u l tn o tt od a m a g et h ed i o d e sa ta l l ( o p e n - c i r c u i to rs h o r t c i r c u i t ) w h e nt h e p o w e rd i o d e so ft h er e c t i f i e ra r ed a m a g e d ，t h e r es h o u l db ea na l a r ma to n c e ，a n d e s p e c i a l l yw h e nad i o d es h o r t c i r c u i t s ，t h ef a u l ts h o u l db er e m o v e di m m e d i a t e l y h o w e v e r ，s h o r t - c i r c u i td o n tb er e m o v e di nt i m es o m e h o w , a n dt h es y s t e mw i l l b e d a m a g e dh e a v i l y t h ea n a l y s i s o ft h e p e r f o r m a n c e o fa l l r e c t i f y i n g c o m p o n e n t si nt h es i t u a t i o no fd i o d es h o r t c i r c u i ti so n eo ft h ep r o b l e m ss t u d i e d i n t h ep a p e r t h eb r u s h l e s se x c i t e ri ns o m ep o w e rs t a t ei st a k e na sr e s e a r c hb a c k g r o u n di n t h ep a p e r f i r s t l y , t u r b o g e n e r a t o re x c i t i n gw a y s ，t h ed e v e l o p m e n to fb r u s h l e s s e x c i t i n gs y s t e ma n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o nf o rt h e s y s t e mo fs y n c h r o n o u sm a c h i n ew i t ht h e r e c t i f i e ra r ei n t r o d u c e d t h e nt h e m e t h o do fm o d ec l a s s i f i c a t i o ni su s e d ，s i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h eo p e r a t i o no f t h er e c t i f i e rc o m p o n e n t si nt h er a t i n ga n df o r c e d - e x c i t i n gc o n d i t i o n s t h em e t h o d c l a s s i f i e st h er e c t i f i e ri n t os e v e r a lr e c t i f y i n gw o r k i n gp a r e m sa n do p e r a t i n g m o d e sa c c o r d i n gt oi t so p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dd e t e r m i n e sm o d ec o n v e r t i n g p a t h sa n dc o n v e n i n gc o n d i t i o n sd u r i n gt h ep e r i o do fe a c hr e c t i f y i n gw o r k i n g p a t t e r n w h e ns i m u l a t i n g ，i tj u d g e sr e c t i f y i n gw o r k i n gp a t t e r n sf i r s t l y , d e t e r m i n e s t h eo p e r a t i n gm o d e sa c c o r d i n gt ot h ec o n v e r t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h e nt h es t a t e e q u a t i o n so fa l l m o d e sa r ed e r i v e dt om a k et h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n b e c a u s ei ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt h em e t h o do fm o d ec l a s s i f i c a t i o nt os i m u l a t et h e 堕堡堡矍三奎兰三兰堡圭兰堡鎏兰 s i t u a t i o n so f d i o d es h o r t c i r c u i t ，t h ep s bm o d e lo fb r u s h l e s se x c i t e ra n d s y n c h r o n o u sm a c h i n ei se s t a b l i s h e d 。w i t ht h er e c t i f y i n gb l o c ko ft h em a t l a b s o f t w a r eu s e d ，s oa st oo m i tt h ed e t e r m i n a t i o no fr e c t i f y i n gw o r k i n gp a t t e r n sa n d o p e r a t i n gm o d e si nt h em e t h o do fm o d ec l a s s i f i c a t i o n t h ep s b ( p o w e rs y s t e m b l o c k ) m o d e ls i m u l a t e st h eo p e r a t i n go fr e c t i f y i n gc o m p o n e n t si nt h ec o n d i t i o n s o fd i o d es h o r t c i r c u i ta n dt w o p h a s es h o r t c i r c u i ta n dt h r e e p h a s es h o r t c i r c u i to f t h ee x c i t e ra r m a t u r e f i n a l l y , t h ep s bs i m u l a t e ss o m ek i n d s o fc o n d i t i o n s ， c o n s i d e r i n gt h ed i o d eb u f f e rc i r c u i t t h er e s e a r c hi nt h ep a p e ri ss i g n i f i c a n tt ot h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo f e x c i t e rr o t a t i n gr e c t i f y i n gc o m p o n e n tf a u l t so nm a c h i n eo p e r a t i o na n da l lk i n d s o fp e r f o r m a n c e s ，m e a n w h i l ep r o v i d i n ga ne f f e c t i v eb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n d d e s i g no fb r u s h l e s se x c i t i n gs y s t e m k e y w o r d sb r n s h l e s se x c i t i n g ；r o t a t i n gr e c t i f i e r ：f o r c e de x c i t a t i o n ： s i m u l a t e ；s i m u l r n k 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无刷励磁机旋转整流组 件对强励和短路工况适应能力的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论 文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工 作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签名：缎；甘日期：跏7 年岁月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无刷励磁机旋转整流组件对强励和短路工况适应能力的研究系本人 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本 论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于一 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：；放j 对日期：抄呷年岁月f 6 日 导师签名。易蜀 日期： 7 年3 月，日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、意义及国内外研究现状 1 1 1 本课题研究的背景和意义 旋转整流器是无刷励磁系统中最为重要的环节，必须保证其工作在正常状 态。旋转整流器遇过电压、过电流及其它非正常情况，除了机组保护装置给予 保护，把功率二极管歹c 件损坏率降到最小程度外，总免不了元件的绝对不损坏 ( 开路或短路故障) ，当旋转整流器功率二极管一经损坏就应立刻报警，尤其是 一管短路故障危害更严重，必须立即根除。由于取消了滑环和电刷，无刷励磁 系统旋转整流器二极管的监视与保护就十分困难，该问题阻碍着无刷励磁技术 的发展。因此，目前国内外有很多文章介绍旋转整流器故障检测问题【1 1 】【3 1 。但 是，故障的检测必须建立在整流元件选择正确的基础上。这就提出了旋转整流 器元件的选择问题，即计算分析整流元件在各种工况下的运行情况，这也是本 课题所要研究的问题之一。 由于元宝山6 0 0m w 无刷励磁机旋转整流元件中的二极管组件发生损 坏，给用户带来了重大的损失，故针对此现象，急需对6 0 0m w 无刷励磁机旋 转整流组件对强励和短路工况适应能力进行系统的计算与分析。课题的研究， 对励磁机旋转整流组件发生故障对电机运行及各项性能的影响有非常重要的意 义。同时，亦为此类产品的开发与设计提供了有效的依据。 1 1 2 课题国内外研究现状 对于本课题的研究，主要还是对同步发电机一半导体整流系统的研究和分 析 4 1 1 5 1 1 4 t 7 l 【”。国内外学者展开了多方面的研究工作，主要有两个方向：一个是同 步发电机带整流负载运行的仿真模型研究 9 1 1 ”i t “l 【1 2 1 1 ”l ：另一个是在各种仿真平 台下实现模型的方法研究1 1 4 】( ”j 。 上世纪8 0 年代以来在数字仿真分析方面发表了不少论文f “l 【1 7 】【”l 【”l ，其直 流负载一般作为电感和电阻处理。研究方法有：谐波法、解析的间隔法、时间 常数与谐波级数组合法、模拟仿真法及模式分类法等。比较成功的方法是采用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 模式分类法【2 0 删1 1 2 2 1 ，将整流器根据运行情况分成若干种整流工作方式和工作模 式，每种整流工作方式下，可以确定期间的模式转换路径和转换条件，在仿真 时先判断工作方式，再根据模式转换条件确定工作模式，这种方法中正确确定 模式和模式转换条件是仿真的关键。但分析表明，有些模式转换方向是不确定 的，在仿真中需引入辅助转换路径。但模式分类法的成功依赖于对电路系统的 深入分析不具有通用性，如故障状态下所有的模态都要重新分析。 文献 2 3 1 针对带有功率电路的同步电机提出了一种通用的仿真方法，它采 用二值电阻来模拟开关元件的通断，在不改变电路拓扑的情况下能对功率电路 进行仿真。也有采用张量分析法和动态自动判别模式转换法构造无刷励磁的同 步电机的模型，解决了需要人为设置模式转换路径的困难，但是这种方法需要 自行编程，开发周期长，难度大。由于多相发电机在某些方面具有一定的优越 性，故在多相发电机带整流系统方面的研究也有很多论文1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 1 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 i 3 0 1 1 3 t 1 发 表。 近年来，各种仿真软件发展很快，充分地利用这些软件来实现仿真模型， 可以大大地提高仿真效率。仿真软件各有自己的适用领域，当仿真对象同时涉 及到电路、电机和控制时，单一软件往往难以实现。因此，在通用仿真平台上 高效地实现混合系统仿真，为电机控制、电机运行性能分析提供强有力的工 具，其意义重大，是目前仿真研究中的一项新的前沿性工作。在m a t l a b 软 件平台上，构造无刷励磁系统的p s b 模型，高效率、高质量地完成电路一电 机一控制的混合仿真，有效地解决带电力电子装置的复杂电机控制仿真问题。 基于以上的研究方法，对于同步发电机一整流系统的分析取得很大的成 果，但对于无刷励磁系统整流元件短路尤其是某些二极管短路情况下的运行行 为的研究还是比较少的，如果有多条支路并联，短路的情况将更为复杂，本文 将对无刷励磁系统在强励及一些短路情况做出分析研究。 1 2 汽轮发电机励磁系统的发展概况 1 。2 1 汽轮发电机励磁系统概述 励磁系统的作用是调节系统电压，提高电力系统运行的静态稳定性，改善 电力系统暂态稳定性和动态稳定性【3 2 1 。励磁系统一般由两部分构成：第一部分 是励磁功率单元m 】口4 1 ，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流；第二部 分是励磁调节器，它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电流，以满足发电机运行的要求。励磁系统要能快速反应负载电流、功率因 数、端电压的变化而自动调节励磁电流。由于电机容量大小不同、用户对电源 品质要求不同以及制造厂家不同等，同步发电机的励磁系统也各不相同。励磁 系统的可靠性对电网和发电机的安全运行有很大的影响，而且它的先进性与电 网的稳定性有极其密切的关系。 旧式的励磁系统，其励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机。励磁 调节多采用机电型或电磁型调节器。随着同步发电机单机容量的增大以及大功 率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元，和由半导体元件 构成的励磁调节器共同组成的励磁系统，逐步得到了推广0 6 1 0 ”。 励磁系统有以下几个典型形式： 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 同轴旋转的直流发电机供给，即所谓的直流励磁机系统【3 8 】。 早期的中小型汽轮发电机容量较小，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【3 9 】。直流励磁机与主发电机同轴旋转， 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【4 “。 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 方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺又臼益成熟，于是大容量 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。 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 机励磁系统【4 l 】。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 一轴上旋转，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、炭刷、灭磁电阻和灭磁开关等部件。励磁机是交流机，没有换 向器，因此励磁容量不会受其限制【4 2 】。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，减轻事故。它的灭磁时间较短，切机时间较快，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，易引起机组振动超标。这种励磁方式原苏联的发电机采用较 多，我国1 0 0m w 及以上的汽轮发电机多数也是采用这种励磁方式1 4 3 】。 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励磁系统即无刷励磁系统【4 4 】 4 5 1 。它也属三机励磁 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 范畴，但整流装置和发电机、主励磁机、副励磁机在同一轴上旋转。 无刷励磁系统的特点： ( 1 ) 励磁机是没有换向器的交流发电机，励磁容量可不受其限制； ( 2 ) 无炭刷、滑环i 整流子等，因而不会有炭刷的冒火问题，运行维护方 便： ( 3 ) 不会产生炭粉和铜末，因而不会导致电机绕组绝缘污染而降低绝缘水 平； ( 4 ) 励磁回路中无灭磁装置，电机或系统发生事故而跳闸后，电机靠自然 灭磁，时间相对较长； ( 5 ) 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( w h ) 、日本三菱公司、德国西门子公 司、法国阿尔斯通公司居多。我国引进西屋技术生产的3 0 0m w 和6 0 0m w 发 电机也是采用这种励磁方式。 4 自并励励磁系统 自并励励磁系统又称静止励磁系统。这种励磁系统的特点是： ( 1 ) 无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅 整流器供给发电机励磁绕组励磁： ( 2 ) 无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少； ( 3 ) 励磁回路中有滑环、炭刷、灭磁装置，响应速度快； ( 4 ) 可以提供较大的励磁功率。 这种励磁方式国内外大中型水电机组都已普遍采用。3 0 0m w 及以上大容 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 0m w 级汽轮 发电机都是配备这种励磁系统。加拿大新建的大中型火电机组全部采用自并励 系统 4 6 1 。英国也在推广采用。 5 电压源可控整流勋磁系统( g e n e r r e x p s s ) 电压源可控整流励磁系统【4 7 1 属于静止励磁系统范围，它是美国o e 公司近 年来开发的一种新型励磁系统，但与自并励励磁系统又有较大区别，这种励磁 系统的特点是： ( 1 ) 它的励磁功率是由定子绕组槽内的三根附加“p ”线棒提供的。p 线棒 分别放置在定子相互为1 2 0 度空间几何角度的三个槽内，组成的线圈切割气隙 磁通，产生基频电势，接到励磁变压器一次侧。变压器二次侧接到可控整流装 置，经整流桥整流后供发电机励磁。因励磁电源取自发电机内部，因此，它不 受系统干扰的影响。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 励磁变压器为三相式，置于发电机的一侧，与发电机外壳构成体， 与发电机同一冷却系统，也是采用氢气冷却。 ( 3 ) 它的灭磁方式与传统的不同，“p ”线棒中性点的真空开关起到灭磁作 用，当开关跳开时，“p ”棒不再向整流装置供电，达到灭磁目的。另外在发电 机励磁绕组两端并联两只二极管，当真空开关跳闸瞬间，励磁绕组两端会产生 较高的反向电压，二极管被击穿，起到消能作用。 f 4 ) g e n e r r e x p s s 励磁系统与自并励系统一样无旋转部件，缩短了轴长， 减少2 3 个轴承座，可改善轴系振动值，提高轴系稳定性。 ( 5 ) 该励磁系统需滑环和炭刷。 1 2 2 我国汽轮发电机励磁系统发展的历史 随着1 9 5 4 年和1 9 5 6 年上海电机厂和哈尔滨电机厂分别从捷克和前苏联引 进技术生产6m w 、1 2m w 和2 5m w 汽轮发电机，同时引进了励磁系统。当 时因机组容量小，当然励磁容量也小，这几种容量发电机均是配置同轴直流机 励磁系统。后来生产的5 0m w 的空冷和氢外冷的汽轮发电机均是采用同轴直 流励磁机励磁。这种励磁方式致命的弱点是直流励磁故障较多，尤其是整流 子、滑环冒火，维修工作量大，容量受到限制。 到上世纪5 0 年代末期，我国发展了双水内冷和氢内冷汽轮发电机，发电 机尺寸变化不大，由f 改善了冷却条件，发电机容量翻一番，有的达到翻两 番，因此所需励磁容量大大增加。当发电机容量达到5 0m w 时，同轴直流励 磁机会受到换向器( 整流子) 的限制，容量无法增大了，后来采用不同轴直流 发电机他励，同时研究采用离子励磁。这是将冶金系统和市内电车用的水银整 流器移植过来代替直流励磁机。上世纪6 0 年代初曾在上海南市电厂5 0m w 双 水冷发电机和辽宁电厂5 0m w 氢冷汽轮发电机上应用过。因水银整流器体积 太大，解体检修间隔短，维护工作量大，没有发展前途，因而被自然淘汰。当 时硅整流技术在国内还未生产出能提供作励磁用的大功率管子。 上世纪6 0 年代后期我国开始设计1 0 0m w 汽轮发电机，上世纪7 0 年代初 投入运行以后，设计生产了1 2 5m w 、2 0 0m w 和3 0 0m w 的发电机。同时参 照前苏联的技术，生产交流励磁静止整流励磁系统( 即三机励磁系统) 配置在 1 0 0m w 、1 2 5m w 、2 0 0m w 、3 0 0m w 等发电机上，一直沿用到现在。这种 励磁方式对我国电力工业做出了较大贡献，但也发生过不少问题，给电力系统 造成过不少事故。出现的主要问题是： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 上世纪7 0 年代副励磁机的设计和工艺水平较差，副励磁机为中频感应 子交流发电机，定转子问隙太小，曾发生多起扫膛事故，感应子转子上有凸 轮，运行起来噪音特别大，有的超过1 0 0d b ，对运行人员健康不利。 ( 2 ) 灭磁回路中采用国产d m 2 开关，质量差，经常出事故。其主要缺陷 有机械部分动作不灵，需要断开时断不开；运行中稍受振动即会自动跳闸；小 电流时电弧不能进入灭弧栅，造成过电压。根据1 9 8 9 年不完全统计，1 0 0m w 及以上汽轮发电机的d m 2 开关拒动、误动等故障达3 2 次之多。 ( 3 ) 容量不能满足要求。d m 2 灭磁开关最大额定容量为2 5 0 0a ，而 3 0 0 m w 发电机的额定励磁容量为3 2 0 0a ，连额定励磁电流都不能满足，更不 能满足强励要求了。即使2 0 0m w 发电机的强励，它也不能满足( 额定励磁电 流1 7 0 0 a ，强励电流为3 5 2 0 a ) 。 ( 4 ) 轴系长，轴承座多，易引起机组轴振和瓦振超标。以3 0 0 m w 发电机 为例，哈尔滨电机厂、东方电机厂的发电机、励磁机、副励磁机总长有1 5 m 多，轴承座分别为4 个和6 个，目前有些发电机处于振动超标运行。 ( 5 ) 副励磁机断轴，某电厂近年来有两台3 0 0m w 发电机的副励磁机断轴 ( 副励磁机已改为永磁式) 。 上世纪8 0 年代初，我国从西屋引进3 0 0m w 和6 0 0m w 机组，同时引进 了无刷励磁系统 4 8 】。目前由上海电机厂按西屋技术生产的3 0 0m w 全氢冷和水 氢冷发电机和哈尔滨厂生产的6 0 0m w 发电机均是采用无刷励磁系统。由北京 重型电机厂与法国阿尔斯通公司合作生产的3 3 0m w 发电机也是采用无刷励磁 系统。 近年来从法国阿尔斯通公司购进的北仑港2 号6 0 0m w 发电机、从g e c 。 a l s t h o n 购进的大亚湾9 0 0m w 发电机也是采用无刷励磁系统。 无刷励磁系统最大优点是无滑环和炭刷，不会产生炭刷冒火问题，维护工 作量少。最大缺点是灭磁时间长，对机组和系统稳定运行不利，故障后修复时 间较长。 除引进无刷励磁系统外，大港电厂进口的3 2 0m w 机组和国内购买a b b 公司和东芝公司、日立公司的6 0 0m w 发电机是配置的自并励励磁系统。这些 发电机分别装在上海石洞口二厂、北仑电厂和邹县电厂。就励磁系统来说，没 有发生过较大的故障。 上世纪8 0 年代从美国g e 公司购进4 台3 5 0m w 发电机，它所配置的是 g e n e r r e x p s s 励磁系统。这四台发电机分别装在南通电厂和上安电厂。这种励 磁方式是g e 公司近年来开发的专利不转让技术。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 3 无刷励磁系统的发展概况 研究结果表明，当发电机的励磁电流大于8 0 0 0a 时，由于受滑环材质、 冷却条件以及碳刷均流等因素的影响，制造相应容量的滑环是困难的。为此， 对于大型汽轮发电机笋用无刷励磁系统是适宜的。 美国西屋公司( w e s t i n gh o u s e ) 在励磁系统开发研究方面一个重要的成就 是：在上世纪6 0 年代初，首先研制成功了大型汽轮发电机组无刷励磁系统。 原型无刷励磁系统的功率为1 8 0k w 。 如以无刷励磁系统的励磁电压响应比评价其性能，西屋公司所发展的无刷 励磁系统可分为： 1 标准励磁电压响应比无刷励磁系统r 2 0 ； 3 高起始响应比无刷励磁系统( h i r ) 。 在高起始响应比无刷励磁系统中，0 18 的时间内可使励磁系统的输出电 压达到顶值电压的9 5 。首台高起始响应无刷励磁系统设计于1 9 7 7 年7 月， 用于美国u t a hp o w e ra n dl i g h t 公司h u n t e rn o 1 机组。其汽轮发电机组的容量 - 为4 9 6m v a 、2 4k v 、3 6 0 0r m i n ，无刷励磁机的功率为1 7 2 0k w 、5 0 0v 。我 国引进西屋公司的6 0 0m w 汽轮发电机组样机亦为高起始响应无刷励磁系统， 其励磁功率达3 2 5 0k w 。我国广东大亚湾核电站的两台9 0 0m w 汽轮发电机组 无刷励磁系统均是由英国g e c 公司研制和供货的。 在无刷励磁系统中，整流器的接线方式一般均采用三相桥式接线方式，在 理想的情况下，这种整流线路的能量变换比系数最高，整流线路每产生l k w 直流输出功率所需的交流电源容量仅为1 0 5k v a 。 对于无刷励磁系统，前苏联亦曾进行了大量的研究，并取得了举世瞩目的 进展。前苏联在开发大型汽轮发电机无刷励磁系统方面，研制了两种型式交流 励磁机，一种是三相交流励磁机，其旋转电枢具有正弦电动势波形；另一种是 具有梯形电动势波形的多相交流励磁机。这种设计可迸步提高交流励磁机容 量的利用率。 我国1 9 8 1 年引进的3 0 0m w 、6 0 0m w 汽轮发电机无刷励磁系统属于高起 始响应无刷励磁系统1 4 9 1 ( h i r 系统) 。到1 9 8 2 年，在美国已投入运行的h i r 系 统有4 台。哈尔滨电机厂与哈尔滨大电机研究所，于1 9 8 3 年开始了h i r 系统 的国产化研究工作，红过几年的工作，已掌握了h i r 系统设计、制造及试验技 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 术，并己具备了批量生产h i r 系统装置的能力。截止2 0 0 2 年，哈尔滨电机厂 己生产3 0 0 m w 汽轮发电机4 6 台、6 0 0 m w 汽轮发电机9 台。 1 4 本文研究的主要内容 1 无刷励磁系统额定及强励情况下，旋转整流器整流二极管组件承受能 力及运行情况的研究； 2 当无刷励磁系统旋转整流器某个或某些整流组件出现短路时，对其他 整流组件的影响； 3 励磁机的旋转电枢发生两相和三相短路时，各相电流、电压的变化规 律及整流二极管的运行情况分析： 4 考虑整流二极管的缓冲电路时，各整流组件运行情况的分析。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章额定及强励工况下整流二极管运行情况 仿真分析 2 1 引言 发电机在正常情况下都是在额定情况下运行，若在负载增大或其他原因使 端电压下降时，会引起励磁系统的强励，此时整流二极管应该能够具备一定的 承受强励的能力，因此对额定和强励工况下二极管的运行行为进行研究是有必 要的。本章根据模式分类法原理应用m a t l a b l 5 0 l “i 编写程序针对此问题作了 定的研究分析。 2 2 励磁机整流系统 首先分析交流励磁机整流器这一部分( 即不考虑主发电机对其的影响，并 认为副励磁机为主励磁机提供稳定的励磁电压) 。课题中的整流系统为每相8 条支路并联( 如图2 - 1 ) ，由于每相每条支路感应电动势幅值相位完全一致，在 系统正常工作且不考虑支路分流不均情况下，可以认为每相每条支路的电流完 全相等，故图2 i 可以简化为普通的三相桥式整流器( 如图2 2 ) 。 2 ，2 1 励磁机整流系统的数学模型 励磁机整流系统原理图如图2 - 3 所示，励磁机定子采用发电机惯例，即以 输出电流为正；各线圈流过正向电流对，产生负值磁链。对于励磁绕组采用电 动机惯例，即以输入电流为正；线圈流过正向电流时，产生正值磁链。可列出 如下的系统方程： 式中u = u 。 i = i 。 u = a i + b 1 ( 2 1 ) u 6u 。u ，u f 】 i h icir l f t 堕尘堡垄三奎兰三兰堡圭耋堡丝塞 ll f h l 0 ll l l ll l 一 f 、 l ，l 图2 - 1 旋转整流器示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o t a t i n gr e c t i f i e r 1 0 彳= 1 2 雪= 三 ( a , - a 2c o s ( 2 0 ) ) 8 ( 4 一a 2c o s ( 2 0 _ 妻力) 8 4 4 c 0 5 ( 2 口+ ；丌) ) 8 2 m 4c o s 0 8 o 肘矿c o s 0 01 屹。( 矽一昙丌) of ii c o s ( 口+ 要力，0j 2 0 3 of 0 2 z , j ( - 2 咒+ 2 c o a 2s i n2 8 ) 8 2 鹕s i n ( 2 0 - - ) 8 j 2 c 0 4s i n ( 2 0 + 争r ) 8 j 2 m s i n 0 8 o ( 4 4c 。s ( 2 0 一昙力) 8 ( 4 一彳：c o s ( 2 0 + 昙石) ) 8 ( a 3 4c o s 2 0 ) 8 - 2 m 矿e o s ( e - x ) 8 2 如4 2s i n ( 2 0 一罢力8 2 i ( - 2 r o + 2 “4 2s i n ( 2 0 + 罢砌8 j 2 , 0 4s i n ( 2 p + 导力8 2 , 0 4 s i n2 0 8 见+ 2 州2s i n ( 2 0 ：2 丌) ) 8 j 2 , o m s i n ( o + 务) 8 j o 其中4 = - ；( l a + l q + 厶) ； j 一 2 啦s i n 2 0 8 2 t o m # s i n ( 0 - - ；x ) 8 1 j o 砩 侣 咖 獬 23眇2132啊，踟争 啷 劭， 叭， 一 铷 一 一。 彳 ， 如乞 “ 一心 小 。 小 力 力 酊p 汐 咄峒珥。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 = ；( 厶厶) ； 1 呜2 言( 厶+ 厶一2 厶) ； 0 = 碰，为转子直轴与定子a 相轴线间的夹角； 下标a 、b 、c 、f 、1 分别为三相绕组、励磁、整流负载的标号。 一 一 zzx z a b l r c 。 z z譬 j。 图2 - 2 普通三相桥式整流器 f i g 2 - 2u n i v e r s a lt h r e e - p h a s eb r i d g er e c t i f i e r 图2 3 励磁机整流系统原理图 f i g 2 - 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f e x c i t e r - r e c t i f y i n gs y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 励磁机整流系统的运行分析 2 2 2 1 整流系统的运行模式 系统工作时根据所导通的二极管数目的不同，存在三种运行模式( 如图2 - 4 、： a ) 导通模式 厂 r b ) 换相模式 卜 c ) 短路模式 图2 4 整流器运行模式示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f o p e r a t i n gm o d e s o f r e c t i f i e r r a 1 导通模式即整流桥中有两只管子导通。 b ) 换相模式即整流桥中有三只管子导通。 c ) 短路模式即整流桥中有三只以上的管子导通，整流桥即被短路，发电 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 机处于三相短路状态，而负载侧工作在续流状态。 2 2 2 2 整流系统的整流方式 桥式整流系统工作时，存在着三种由不同运行模式组成的整流工作方式， 稳态工作时有一个确定的整流工作方式与其对应，而在瞬态工作时，有可能在 瞬态过程的不同阶段出现一种以上的整流工作方式，待到稳定时又将在某一确 定的工作方式下运行。 1 第一种整流工作方式此种整流方式为整流的一般工作方式，此种方式 下导通模式和换相模式在整流过程中有规律地交替出现，一个换相模式和一个 导通模式构成一个子周期。稳态对一个电源周期存在着六个子周期( 6 0 度电角 度) ，编号为n = i ，2 - 6 ，一个周期中的六种换相和六种导通模式之间，将按各 自的转换条件有规律地依次转换。表2 1 列出了以c + ，a + ，b 一作为编号l 时，各 模式出现的顺序和模式转换条件。 2 第二种整流工作方式此种整流方式为第一种整流工作方式的极端情 况，整流过程只出现换相模式。 3 第三种整流工作方式此时整流过程中换相模式和短路模式有规律地交 替出现。稳态工作时，一个电源周期同样存在着六个等间隔的子周期。瞬态工 作时，当负载电阻甚小时，则瞬态过程中有可能出现短路模式持续经历一个或 多个子周期，并按规律在满足转换条件后转入相应的换相模式，整个瞬态过程 仍将是两种模式间有规律交替进行直至稳态。理论上当负载电阻为零时，则过 程进行到一定阶段，将进入短路模式状态一直持续到稳态。 2 2 3 各模式状态方程 在系统运行中不同的运行模式都有其本身特定的边界条件，因此要将状态 方程( 2 1 ) 改写成符合相应模式特定边界条件的系统状态方程。短路模式本文 暂不考虑。 2 2 3 1 导通模式 运行中存在六种导通模式，以某时刻a + ，b 导通模式为例，如图2 - 4 ( a ) ， 此时电路边界条件为： i o = 一i b = i l ，i c = 0 u 。- u b = u l = 即l + l | 堕玺堡堡三奎耋三兰堡圭兰堡堡兰 上列关系式代入式( 2 - 1 ) 并化简，即可得到改写后改导通模式下系统状态 方程： 驴= a ，+ b i ( 2 - 2 ) 式中驴= 【ou ，n ，= z s 7 引入c 1 ，c 2 ，则有关系： 扩= c 1 u ，i = c 2 ，；a = c 1 4 c 2 ；b = c i b c 2 ：表2 - 1 导通和换相模式的转换条件 t a b l e2 - i c o n v e n i n gc o n d i t i o n sb e t w e e nt h em o d e so f c o n d u c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n 序号模式名称模式转换条件 1 【c + ，a + ，b 一】ls 0 2 【a + ，b - 】u 6 玑 3 【a + b 一，c 一】 厶0 4 a + ，e - 乩 u o 5 a + ，b + ，p 】 1 0 0 6 【b + ，c 一】 u c u a 7 【b + ，c 一，a - 】 i c 0 8 【b + ，a 一】 玩 9 b + ，c + ，a 一】 厶0 1 0 【c + ，a 一 1 1 c + ，a 一，b 一】 l 0 1 2 【c + ，b 一】 眈 玑 六种导通模式相应由不同的c 1 ，c 2 与之对应，归纳后可以得出c j ，c 2 的 一般表达形式 r c 】= j k8 1 n 3 - 筇 l 0 r c 2 = f k8 1 n 了石 【0 k 咖丝玎 j 0 k s i n 丝石 j o 置s i l l 丝石 j o 足s i n n + 2 3 o 1 5 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式中k = ； 4 3 2 2 32 换相模式 由前知，系统运行中存在着六种不同的换相模式，设以某时刻c + ，a + ，b 换相模式为例，如图2 - 4 ( b ) 此时电路边界条件为： lc = i x ， i 。+ lc = l i ， i6 = 一i i u ，- u c ，u o - u h = u t 哪+ l i 将上面关系代入式( 2 - 1 ) ，化简后即可得到该换相模式下， 相电流) 和i f 作为状态变量时系统的状态方程： u t = a 1 1 + b i t 式中 u = 【o0u ，】7 ， 以，。( 换 ( 2 3 ) a ；b 7 改写后状态方程的系数矩阵 其中 u ，_ q u ， i = c 2 1 t a = c l a c 2 ，b = c 1 b c 2 变换矩阵c l ，c 2 与相应模式的电路边界条件有关，对六种不同的换相模 式的c j ，c 2 的一般表达形式为： c 2 = k s i n n - _ _ _ s 2 石k s i n 盟坚石。一1 33 k s i l l 型业石k s i n 型石oo 33 0 0 l0 k s i n 型石k s i n 丝兰丌k s i n 盟，r01 k s i n 型型石k s i n 型二1 2 石k s i n 型石oo 3 3 3 00 0 lo 式中k = ； 4 3 川一，一一，。 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 2 2 4 系统数字仿真计算 有了以上系统运行时各种运行模式下的状态方程和模式转换条件，再己知 初始条件，即可应用四阶龙格一库塔法求数值解。由于初值难于确定，所以 以零状态为初始值，在零时刻给系统加恒定的励磁电压。励磁机的数据如下： s = 2 4 4 2 k v a ，u = 3 9 3 v ，= 3 5 8 7 a ，f = 2 0 0 h z r 。= 1 2 0 9 e 一4 f 2 ，l a ：3 8 7 e 一5 h ，l = 1 6 2 e - 5 h ，l 0 = 4 7 9 e 一6 h ， r ，= 0 0 7 2 6 q ，l ，= 0 1 3 6 h ， r i = 0 0 9 7 f 2 ， 工，= 0 6 9 h 仿真结果如图2 5 至图2 - 8 所示。 图2 5 为零初始状态。在零时刻加8 7v 励磁电压o 2 0s 二极管的电流波 形。稳定后的电流波形如图2 - 6 所示，为了能清晰地看出波形，图2 7 中显示 了1 0 个周期的波形，流过二极管的电流最大值为2 5 5 8a ，由于每条支路有两 个二极管并联，所以流过的二极管的最大电流为1 2 7 9