励磁机发展现状.doc

美国西屋公司（Westing house）在励磁系统开发研究方面一个重要的成就是：在60年代初，首先成功研制了大型汽轮发电机的无刷励磁系统，原型无刷励磁系统的功率为180kW.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R0.5；（2） 高响应比无刷励磁系统R2.0；（3） 高起始响应比无刷励磁系统（HIR系统）在高起始响应比无刷励磁系统中，0.1s的时间内可使励磁系统的输出电压达到顶值电压的95%。 据不完全统计，从1966年到1973年期间，西屋公司为容量为220-600MW的24台汽轮发电机配置了无刷励磁系统。在1975-1981年间，又生产了大约60台无刷励磁系统。至今，西屋公司大约为500台汽轮发电机组生产了无刷励磁系统。首台高起始响应无刷励磁设计于1977年7月，用于美国Utah Power Light公司Hunter Nol机组。其汽轮发电机的容量为496MVA、24kV、3600r/min,无刷励磁机的功率为1720kW、500V。 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，这种设计可以进一步提高交流励磁机容量的利用率。 对于苏制1200MW汽轮发电机二极管无刷励磁系统，其额定励磁电压为530V，额定励磁电流为7640A，强励电压倍数为2倍。由于其额定励磁功率高达4050kW，强励功率近似为4倍的额定励磁功率，为此如由一套交流励磁机有旋转整流器供给，将大大增加交流励磁机及旋转整流环的尺寸，此时由于受机械强度的限制而难以实现。为解决此问题，前苏联的工程师采用在同一汽轮发电机主轴上安装两套相同的无刷励磁机及整流环，每套励磁装置的容量均等于额定励磁功率的一半，两组整流环在直流输出端并联，而无刷交流励磁机的直流励磁绕组相互串联并由自动励磁调节器调节其励磁电流。旋转整流器按三相桥式接线，每一桥臂由12个额定容量为500A、2000V的二极管并联组成，每两个二极管接有一只750A、1300V的熔断器予以保护。 我国引进西屋公司的600MW汽轮发电机组样机采用高起始响应无刷励磁系统，其励磁功率达3250kW. 而我国广东大亚湾核电站的两台900MW汽轮发电机组无刷励磁系统均由英国GEC公司研制和供货。 英国派生公司所开发的无刷励磁系统有两种方式：采用二极管的无刷励磁系统及采用晶闸管整流元件的无刷可控励磁系统。 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1kW直流输出功率所需的交流电源容量为1.05KVA。 除上述主要国家生产二极管无刷励磁汽轮发电机组以外，瑞典ASEA、瑞士ABB、德国KWU、法国阿尔斯通、日本三菱公司、比利时ACEC和意大利马雷利公司都生产了大容量无刷励磁汽轮发电机组。 英国派生公司曾研制了晶闸管无刷励磁系统，以检验设计的正确性。原型500KVA交流励磁机在设计时，虽然其输出适用于60MW、3000r/min的汽轮发电机组，但是在整流环、电枢直径、电流负载及晶闸管元件的选择上亦适用于660MW汽轮发电机组无刷励磁系统。 在晶闸管无刷励磁系统的触发方式上，派生公司还发展了旋转脉冲变压器触发方式，它设计的特点是在转轴上进行脉冲放大。 当汽轮发电机组采用晶闸管无刷励磁系统时，除可提高控制系统的快速性外，还可利用逆变进行灭磁。 前苏联在开发大型汽轮发电机的晶闸管无刷励磁系统方面也取得了举世瞩目的成就。在解决怎样由静止侧将触发脉冲信号传递到旋转晶闸管整流器侧的问题时，采用了简单、可靠的无触点控制系统，以装在与旋转晶闸管元件同一轴上的旋转脉冲变压器来传送控制脉冲。脉冲变压器定子和转子的磁路为环形，定转子间有一小气隙。变压器的一次和二次绕组相应地置于定子和转子槽中。基于以上研究，有可能生产一台用于300MW汽轮发电机原型晶闸管无刷励磁装置。 在原型上进行的研究表明，在脉冲变压器二次绕组控制脉冲前沿持续时间约为70us的情况下，分别接于交流励磁机电枢绕组并联支路的晶闸管元件导通过程正常。在300-900us内改变触发脉冲持续时间，对以汽轮发电机磁场绕组为负载的晶闸管励磁装置是足够的。 取消滑环、碳刷的发电机更加的安全可靠、维护简单，由于没有旋转接触的导电部件所以不会产生火花，可以安装于恶劣的环境中。对于大型及超大型汽轮发电机采用无刷励磁系统，避免因为发电机励磁电流的过大而对滑环材质、冷却条件、碳刷均流等因素的限制，可以进一步提高发电机的容量。伴随着无刷励磁系统的发展，无刷励磁技术已经逐渐应用在越来越多的发电机上。 随着现代半导体技术的发展，能够利用机械性能好、高电压、大电流的硅整流元件作为旋转整流器使得无刷励磁成为一种很有发展前途的励磁方式。2 、存在问题 对于现代的无刷励磁系统，主要是对100MW至1000MW容量的大型或超大型汽轮发电机励磁系统做研究而忽视了中小型汽轮发电机、水轮发电机、生物能发电机的励磁系统。生物能是全球第四大能源，也是一种新兴能源，在煤炭、石油、天然气等不可再生能源逐渐枯竭的背景下，加速发展生物能发电产业利国利民、造福万代。正因为如此，生物能发电得到了政府的鼓励和政策上的扶持。但是生物能发电产业是典型的“小电厂、大燃料”，所以用于生物能发电技术的汽轮发电机的容量一般都在20MW以内。现在存在的主要问题是：现代无刷励磁系统中，用于发电机容量20MW以内的励磁系统研究比较少，交流励磁机的结构还是局限于几十年前的老结构，效率低下、浪费资源。3 、近期发展趋势 数十年以来，实际应用过的励磁方式有多种，每一种励磁方式的出现都与当时的技术水平和生产需要密切相关。 20世纪50-60年代，出现了大功率半导体整流元件，于是就有了交流励磁机-整流器励磁系统，取代大容量的直流励磁机。随着永磁材料的不断进步，永磁副励磁机又取代了非永磁副励磁机。目前交流励磁机-整流器励磁方式（含无刷励磁）广泛用于100MW以上的汽轮发电机组，直至目前最大的1450MW核电1500r/min核电发电机。20世纪60年代中期，出现了大功率晶闸管元件，于是又创立了多种与晶闸管元件有关的励磁方式，有交流励磁机或厂用电晶闸管励磁方式、并联自复励或串联自复励的励磁方式、自并励静止励磁方式以及三次谐波励磁方式等。 当汽轮发电机的励磁电流达到数千安以上时，滑环和碳刷的矛盾比较突出，同时防爆防火场合要求无火花，于是又开发了交流励磁机无刷励磁方式等。 可见，励磁系统技术是跟随机械换向器整流不可控整流 可控整流的发展而发展的。4、 技术及产品国内外对比 华能玉环电厂规划设计的4X1000MW超超临界燃煤发电机组是我国“十五”期间的国家重点项目，也是我国“863”计划中引进超超临界机组制造技术的重点工程。1000MW发电机组配套机组为4500kW无刷励磁机，无刷励磁机为发电机的安全可靠运行提供必要的励磁保证。4500kW励磁机是我国目前最大容量的无刷励磁机。1#和2#无刷励磁机由西门子公司生产，3#和4#无刷励磁机由上海电气生产。华能玉环电厂1000MW汽轮发电机无刷励磁系统主要由永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和励磁调节器等部分组成。永磁副励磁机产生三相交流电，通过AVR整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁，在主励磁机转子感应的三相交流电经旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线供给发电机转子绕组。励磁调节器采用日本三菱公司生产的MEC5230数字式自动励磁调节器，另外配置一套手动励磁调节器作为自动励磁调节器的后备调节方式。 本机采用无刷励磁系统具有下列特点：（1）.结构紧凑；（2）.取消了发电机滑环和碳刷，减少了维护工作量和相应故障的发生，提高了运行可靠性。（3）.由于无碳粉和铜末引起发电机绕组污染，延长了绝缘寿命。（4）.由于无滑环、碳刷，所以即使周围环境中有易燃气体存在，也不会因整流子、滑环和碳刷间产生火花而造成事故。因此，适于在条件恶劣的环境中运行。（5）.但是在无刷励磁系统中也存在一些问题。例如，对旋转整流元件的可靠性以及转子电流、电压和温度，必须采用间接的特殊测量手段。同时由于无刷励磁系统不是采用常规的灭磁方法（在发电机励磁回路设置灭磁开关和灭磁电阻），所以如何快速灭磁一直没有得到很好的解决。 4500kW无刷励磁机在性能参数符合国际和国家标准的前提下，吸取国外的先进经验同时结合国内制造经验进行的二次开发。采用了西门子的电磁计算程序。此无刷励磁机有以下特点：（1）.电枢铁心采用无取向、高导磁、低损耗硅钢片，严格控制加工质量及提高叠装系数以降低铁损；（2）.定子磁极采用高导磁、低损耗硅钢片，减少了励磁电流；（3）.电枢线圈采用6路接法，增加散热面积，降低温升并减少了槽电流；（4）.转子线圈直线部分采用360换位，降低附加损耗及均匀发热；（5）.利用整流盘的自抽风作用，形成整流盘及电枢本体两个风路，减少了常规设计的风扇，以降低风摩损耗，并将冷却器布置于励磁机两侧，避免因冷却器漏水而造成对电气部件的损坏；（6）.转子电枢为全出风设计，转子槽楔在通风道处开口加强冷却、减小发热；4500KW无刷励磁机转子结构的特点为：（1）.双整流盘和励磁机转子同轴，与发电机转子刚性相连，由一个位于其端部的轴承支撑，因此发电机和励磁机的转子共有3个轴承支撑；（2）.转子电枢采用VPI整浸，增加电枢绝缘的机械与电气强度，消除线圈与铁心之间的间隙，避免了小间隙引起的局部放电，提高了整机寿命与可靠性；（3）.完成嵌线的励磁机电枢铁心热套于主轴上；（4）.电枢两端采用无纬带绑扎打箍技术，形成既有良好绝缘性能又有可靠机械性能的护环。 4500kW无刷励磁机定子结构的特点为：（1）.定子磁极铁心采用外压装结构，可并行作业，缩短制造周期；（2）.定子励磁绕组采用特殊的冷却线匝，提高散热面积，加强冷却；（3）.励磁机定子在极靴上有圆铜棒，铜棒的两端连接起来形成阻尼绕组；（4）.在两个磁极中间装有感应测量励磁电流的交轴线圈。 4500kW无刷励磁机旋转整流装置结构的特点为：（1）.旋转整流装置为双盘结构，三相六桥臂全波整流，每桥臂有10个并联支路，共20个二极管，应有足够的裕量，能保证额定励磁和强励的要求；（2）.整流元件采用大功率防爆型二极管，反向击穿电压高；（3）.整流组件装配首次采用内冷设计，每个整流元件均有一路风吹向二极管的PN结，直接冷却整流元件；（4）.旋转整流元件配有带信号指示的保护熔断器，与频闪仪一起完成二极管的工况在线监测；（5）.整流回路设有RC阻容保护，吸收由换向而引起的过电压。 4500kW无刷励磁机的工艺特点：（1）.定子铁心采用西屋公司成熟的外压装工艺，以确保质量；（2）.定转子铁心压装采用特定的防尘和防锈措施，提高产品质量；（3）.电枢线圈端部采取了特殊的工艺方法，以保证胶化模压后不短路；（4）.电枢进行整体VPI浸漆，采用旋转烘焙技术对烘焙温度、时间和工艺有特殊要求，确保线圈与电枢铁心、电枢端部及整个电枢浸渍成一个整体，电枢铁心通风道不能挂漆；（5）.励磁机的电枢热套采用内冷外热立式电枢热套技术，提高了可靠性；（6）.励磁机电枢两端绑扎无纬带打箍应用数字显示拉力技术，消除了打箍裂纹，提高了可靠性；（7）.整流元件及RC组件采用特殊制造工艺；（8）.采用特定工艺组装整流盘及元件，确保在高速旋转工况下电气性能与机械性能完好；（9）.风扇采用整体铸造工艺，铸造要求非常高；（10）.采用电容脉冲快速充磁技术，使副励磁机输出电压满足要求。 4500kW无刷励磁机与国内外同类技术的无刷励磁机相比有如下特点：（1）.参数高、容量大；（2）.采用新技术、新材料和新工艺，较以前国内生产制造的励磁机有很大的改进；（3）.电枢线圈采用槽内换位技术，绑扎无纬带技术先进，整流组件装配、电枢整浸、电枢热套和永磁机充磁等技术在国内外无刷励磁机设计制造方面都居于领先地位；（4）.采用多种在线检测技术能及时检测故障，能直接测量励磁电压、间接测量励磁电流，在末端设有接地环既可测量励磁电压也可作为接地故障检测，用频闪仪进行熔丝故障检测，设有自动工作的干燥器，设有副励磁机出口熔丝保护，这些技术为保证励磁机安全可靠运行提供了可靠的支持。 长星风电公司生产的风力发电机额定功率为2000kW,转子直径82m，励磁 机最大励磁电压DC150V，最大励磁电流3A，励磁机功率9kW,励磁机频率104-200HZ，励磁机转速1040-2000rpm。 为了提高同步发电机的可靠性和安全性，在同步风力发电机采用无刷励磁技术，无刷励磁系统是无刷励磁同步发电机最核心、最关键的组成部分。同步风力发电机的励磁系统一般由两个部分组成，一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称之为励磁功率输出部分（或称为功率单元），另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要，它包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁或自动灭磁等，一般称为励磁控制单元。 无刷励磁系统中的交流励磁机一般采用旋转电枢式同步发电机，其功率、电压及功率因数取决于最大励磁电流及其相应的励磁电压和整流回路的接线方式。频率越高，时间常数越小，反应快速性好。旋转整流器是指由硅整流元件连同散热器，有时还包括相应的整流桥，大多采用三相全波整流桥。同步风力发电机转轴与风力机连接而且绕线转子绕组与励磁机的电枢连接；定子上有带励磁的无刷励磁机，而励磁机电枢绕组位于转子上；旋转整流器应能够随主轴旋转，交流励磁机定子由静态励磁装置供电。这样，风力机带动励磁发电机旋转时，与主轴一起旋转的励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经整流桥整流后供给同步发电机转子绕组励磁电流。调节交流发电机定子绕组的励磁电流，就可以使励磁发电机的转子所发出的的三相交流电压得到调整，从而改变同步发电机励磁绕组的励磁电流。这种由励磁发电机从转子发电，整流器在旋转状态下进行整流供给同步发电机转子励磁的无刷励磁方式会在同步风力发电机上有广阔的应用前景。励磁系统是同步风力发电机的重要组成部分，无论是在稳态运行还是在暂态运行过程中，同步发电机的运行状态在很大程度上都与励磁有关，励磁系统性能的好坏直接影响到风力发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性。 东风电机厂生产的SFW3145-10/1730无刷励磁水轮发电机，采用的是卧 式三支点、外循环轴承、密闭自循环空气冷却的水轮发电机。无刷励磁机装于发电机轴端，无刷励磁机转子与发电机转动部分用弹性联轴器直接相联，无刷励磁机定子置于固定架上。 该无刷励磁机额定功率为35kW,用于水轮发电机的无刷励磁系统主要由交流励磁机、旋转整流器、可控硅励磁装置、无刷同步电机励磁机检测仪等4部分组成。无刷励磁系统的原理为：水轮发电机在水轮机的驱动下，以同步转速恒定旋转，由励磁装置供给交流励磁机一定的励磁电流，产生一个恒定的磁场。交流励磁机的旋转电枢感应三相对称电势，经旋转整流器整流，将交流电势变为直流电势，供发电机转子励磁绕组励磁，发电机定子绕组感应出三相对称电势。发电机负载的变化将引起发电机端电压的变化，保持端电压的恒定是通过励磁装置对供给交流励磁机励磁电流的控制来实现的。发电机起励方式以残压起励为主，自备直流电源为辅。另外在该系统中创新采用了“无接触”检测转子电流、电压、整流元件及可控硅的运行情况等，其检测技术达到国内领先水平。 交流励磁机主要由定子、旋转电枢、新号线圈等组成，交流励磁机定子绕组输入一定励磁电流后，旋转电枢将感应出一个交流电势并直接输送给同轴旋转的旋转整流器。旋转整流器主要由旋转二极管、电阻、电容、绝缘板及安装环组成，其工作原理是将交流励磁机的电枢绕组感应的交流电势整流为直流电势，再供给发电机转子绕组励磁。旋转整流器中的旋转二极管、电阻、电容均径向安装在环上，在考虑其绝缘和散热的同时还应充分考虑这些元件应能承受在飞逸转速下旋转而产生的离心力。为防止过电压和过电流击穿二极管，每桥臂采用两只二极管串联，以保证当一只被击穿后电路仍能正常工作。为防止同步发电机转子失步（或定子机端短路），在转子励磁绕组内产生过电压和过电流，旋转整流回路还设有阻容保护电路。 此无刷励磁水轮发电机与传统水轮发电机相比，具有以下优点：（1）.用无接触方式的交流励磁机及旋转整流器代替原来有接触的碳刷、滑环结构，无粉尘污染电机绕组绝缘，无接触火花，有利于延长发电机的使用寿命和易于实现无人值班运行。（2）.无刷励磁水轮发电机的励磁是以“小电流控制大电流”，能大大减小控制设备的触点容量，提高了系统的可靠性。（3）.因结构上彻底革新，所以不存在长期检测碳刷的接触情况和更换碳刷的问题。运行时管理轻松方便，从技术上防止了“失励”事故的发生。（4）.励磁系统无须配置功率柜，减小了占地面积和噪声污染，并能减少励磁柜的容量。 生物能是一种噬待发展的新能源，但是生物能发电技术相对于老牌的水电技术、火电技术还不是很完善，还需要不断改进，对于同样是新兴能源的风电，由于自身原材料及技术方面的限制又相对的发展缓慢。但是国家近几年出台了一系列有利于生物能大力发展的政策，对生物能发电技术的发展将起到巨大的推动作用。 正因为心揣一份责任，怀抱一个梦想，作为敢于担当的湖南红太东方机电装备股份有限公司，经过公司技术人员几年时间的不懈努力，在用于生物能发电机的无刷励磁机方面进行了很多的创新和完善，取得了很多成就，并且已经成功应用在3.8MW生物能发电机上，运行可靠、用户反响良好。 由上述三点可以看到，无刷励磁机广泛用于汽轮发电机、水轮发电机、风力同步发电机，但是用于生物能发电机的无刷励磁机有它本身的特色：（1）.由于汽轮发电机的容量大部分都是100MW至1000MW，而生物能发电机大多都在20MW以内，如果不加以改进而硬搬硬套大型汽轮发电机的励磁机技术和结构，将使得无刷励磁机结构复杂，体积大，安装困难，经济效益低。所以用于生物能发电机的无刷励磁机必须有自己不同于大型汽轮发电机励磁机的结构和特点。（2）.目前无刷励磁水轮发电机的最大容量为10MW左右，与生物能发电机的容量比较接近，但是用于水轮发电机的无刷励磁机经过几十年的发展虽然有所改进，但是基本上还是传统的结构，而且水轮发电机组整体相对于生物能发电机组结构简单，控制也不如生物能发电机组复杂，这也使得用于生物能发电机的无刷励磁机要有不同于水轮发电机励磁机的结构和特点。（3）.风力发电本身