BKL型励磁装置.doc

励磁系统基本知识一、 准备知识1 同步电机当三相交流电机n和f满足n，则这种电机称为同步电机。同步电机是可逆的，并入电网后，它既可以作为发电机，又可以作为电动机运行，这取决于作用在转轴上的外加机械转矩是驱动性质的还是制动性质的。从电磁关系看，当功率角为正或0时，同步电机为发电机运行，为负时，则为电动机运行。作为发电机运行是同步电机的主要运行方式。同步电动机主要用于大容量、不需调速的生产机械中，例如大型电力抽水站多用同步电动机来拖动水泵。（为了减少无功功率在电网传输中造成的电压损失和电能损耗，大中型泵站通常采用同步电动机为动力，利用它容性负载的可贵特性，改善电网的功率因数，从而提高电网的经济和技术指标。）相比同容量的异步电动机优点：同步电动机的功率因数较高，可以达到cos=1，（在过励状态时，还可以从电网吸收无功功率，即向电网输出感性无功。）在运行时，不仅不使电网功率因数降低，相反地还有改善作用，使输电线路和变压器容量得到充分利用，并提高了运行效率；对于大功率低转速的电动机，同步电动机的体积要小些。此外，同步电动机的气隙较大，这不仅给制造、安装和维护带来方便，而且其过载能力强（kM=23），静态稳定性好。同步调相机亦称同步补偿机，它是过励或欠励运行的空载同步电动机。此时，电动机不拖动机械负载，专向电网提供无功功率以改善电网的功率因数，并起到调压和提高电力稳定性的作用。1.1 同步电动机的起动由于异步电动机在起动过程中和正常运行时均处于异步状态，工作原理没发生质的变化，因此可以用异步转矩来起动电机。它主要解决的问题是如何减小起动电流、提高起动转矩。而同步电动机的情况有所不同，它在正常运行时，电机处在同步运行状态，而在将它投入电网起动的过程中，电机处于异步工作状态。常用的起动方法有三种：1） 辅助电动机起动法。通常采用和主机相同极对数的异步电动机（容量为主机容量的5%15%）。起动时，先由辅助电动机将主机拖到接近同步转速，再用自同步法将其投入电网，然后切断辅助电动机电源。它的缺点是不能带负载起动，否则辅助电动机的容量将很大，起动设备和操作也较复杂。2） 变频起动法。用此法起动时，同步电动机转子通入励磁电流，定子须由变频电源供电。变频电源的频率在起动时调得很低，然后逐渐升高至额定值，利用同步转矩的作用使电机的转速随变频电源的频率同步地升至额定值。此法可以获得较大的起动转矩，但需要变频电源，并且励磁机和主机不能同轴，否则在最初转速很低时，励磁机无法获得所需的励磁电压。3） 异步起动法。这是目前最常用的方法。在同步电动机转子磁极表面装有鼠笼式起动绕组（阻尼绕组），同步电动机起动时，励磁绕组先不接电源，但需接一附加电阻RF。待起动绕组产生的异步转矩使接近同步转速时，加入励磁电流，同时将RF切除。此时，在同步转矩和磁阻转矩共同作用下，将电动机牵入同步。为什么要接入RF？这是因为起动同步电动机时，励磁绕组不能开路，否则在励磁绕组中感应出高电势（皂河站电机在额定电压下起动时，转子线圈所感应的滑环间开路电压16700V），可能损坏它的绝缘；但是，在起动过程中也不能将励磁绕组短路，否则在励磁绕组中感应电流所产生的转矩，有可能使电动机起动不到接近同步转速的转速。RF大约是励磁绕组阻值的510倍，我站RF2.13，而励磁绕组直流电阻为0.449（75）。1.2 同步电动机的运行状态当功率因数cos=1时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸收无功功率，相当于一个纯电阻负载。这时称为正常励磁状态。当励磁电流比正常电流小时，称为欠励状态。同步电动机除从电网吸收有功功率外，还从电网吸收滞后性的无功功率。这时同步电动机象是个电阻、电感负载。在这种状态下加重了电网的负担，所以很少采用这种运行方式。当励磁电流比正常电流大时，称为过励状态。同步电动机除从电网吸收有功功率外，还从电网吸收超前性的无功功率。这时同步电动机象是个电阻、电容负载。过励状态下的同步电动机对改善电网的功率因数有很大的好处。在三种励磁状态下，只有正常励磁时，定子电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流I与励磁电流If用曲线表示时如图，图中定子电流变化规律象U字形，故称U形曲线。当电动机带有不同的负载时，对应有一组U形曲线。输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定子电流越大，所以U形曲线往右上方移。对每条U形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数为1。把这些点连起来称为cos=1的线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率时，输出功率增大的同时，必须相应地增一些励磁电流。Cos=1线的左边是欠励区，右边是过励区。同步电动机的失步A. 带励失步电机带有正常或接近正常的直流励磁，而转子磁场和定子磁场又不同步的异步运行状态，称为带励失步。带励失步一般由相邻出线端头故障引起母线电压大幅度瞬时突降；近处大型机组或机组群起动或自起动引起母线电压较长、较大幅度降低；电机所带负载的大幅度增加及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。其危害主要在于脉振转矩较长时间（几秒十几秒以上）的反复作用，多次积累，产生疲劳效应，及可能引起的电气或机械共振所致。它对电机所造成的损害一般是当场未能被发现的暗伤。发生带励失步时在现场可听见电机发出怪声和感到机组甚至地面剧烈振动，但停机检查又找不出什么毛病，当这些暗伤多次累积，逐步发展会扩大为电机的内部事故，但又往往被误认为是其它种种原因所引起，或甚至说不清的原因，从而忽略事故造成的根源。它对电机所造成的损害表现在：定子绕组端部绑线崩断、导线变酥、绝缘损伤，并逐步由过热而烤焦、烧坏，或甚至发展成为短路；转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热、开焊、绝缘烤焦；鼠笼条现端环连接部位开焊或变形，转子磁极的燕尾楔松动并退出；定子铁芯松动，运行中噪音增大；连轴器轴销部位出现裂纹等。B. 失励失步由于直流励磁系统的种种原因，使同步电动机的励磁绕组失去直流励磁而使电机失去静态稳定、滑出同步，称为失励失步。一般同步电动机允许短时间（十几秒）的无励异步运行，但更长时间的失励失步运行将引起电机转子绕组，尤其是起动绕组的过热、变形、开焊，甚至涉及定子绕组的端部，并进一步发展和扩大成为电机内部短路故障而烧坏电机。还可能引起励磁装置中的附加电阻RF过热烧断，造成转子开路，由过电压打坏转子绝缘而烧坏电机。必须指出，同步电机的失励失步时，往往很长时间未被值班运行人员发现，待发现电机或励磁装置冒烟时，电机早已失步运行了相当长一段时间，并已造成电机设备的损伤。失励失步之所以不易被发现，是由于在失励失步时，电机无异常声音、滑差很小、丢转不明显、出力不减、工艺参数无明显变化，定子电流过流不大，因此往往在运行实践中，如果失步保护不完善，由失步电机设备的损伤为数不少。C. 断电失步当供电系统故障，电源线路自动重合闸装置ZCH或备用电源自动投入装置BZT动作，以及人工切换电源等，使同步电动机的供电电源短暂中断而导致的失步称为断电失步。它使电机遭受严重损伤的主要因素是：电源重新恢复瞬间电机遭受的非同期冲击。这种非同期冲击包括非同期电流冲击和非同期转矩冲击，它们分别在不同的投入分离角（即电源重新恢复瞬间的电气分离角）时具有最大值，并远比电机出口三相短路时冲击电流和冲击转矩为大，因而是电机所不能承受的。它对电机设备所造成的损害表现在：定子和转子绕组崩裂、绝缘损坏甚至引起电机内部短路、起火，连轴器和轴销损坏、大轴扭弯等严重损伤。当电源中断后又重新恢复送电瞬间的投入分离角为120140左右时，损伤最严重，电机将遭受严重的非同期冲击而当场烧坏，当投入分离角为其它值时，电机将分别承受到相当的不同程度的内部暗伤，并将在多次积累和一定的诱发条件下表现出来，发展成为内部短路等严重事故。1.3 同步电动机的励磁方式同步电动机常用的励磁方式有二种方式：1） 直流励磁机励磁系统；2） 静止交流整流励磁系统。它又包括可控和不可控两种。其中2 整流元件和整流回路二、励磁系统介绍同步电动机运行时，必须通入励磁电流，以建立主磁场。供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。它包括励磁装置加上同步电动机的励磁绕组和连接导线等。同步电动机励磁装置是同步电动机的重要配套设备，它的性能指标不仅影响到电机能否顺利起动并牵入同步，影响到电机能否长期地连续运行，甚至影响到电机的安全。因此它必须满足电动机稳定运行的要求，而且工作要可靠。因此，励磁系统在机组起动和正常运行过程中应满足如下要求：1） 在电机起动过程中，转速达到亚同步转速（95%额定转速）以前，励磁绕组应经RF短接，转速达到亚同步转速后，应投入励磁电流并切除RF；1. 励磁装置的起动控制回路以及附加电阻Rf的选配应与电机特性相匹配，使电机具有良好的起动特性。同步电动机一般都是依靠异步力矩起动，该力矩是由定子旋转磁场与励磁绕组、起动绕组（阻尼条、环）及铁芯中的感应电流相互作用而产生，其中后一项量值较小，可以忽略。Mr=Mr(d)+Mr(d)+Mr(q) =（1）上述第一项为励磁绕组所产生，第2、3项分别为起动绕组在纵轴d及橫轴q所产生的异步力矩。当时，第1项达最大值（2）当时，第2项达最大值 （3）当时，第3项达最大值 （4）式中、分别为纵、横轴的同步电抗、瞬变电抗和超瞬电抗。xad、xaq分别为纵横轴电枢反应电抗，xf为励磁绕组漏抗。rkd、rkq、xkd、xkq分别为起动绕组在纵横轴方向的电阻和电抗。(3)(4)式中的有关参数在电机制成后已固定，但(2)式中达到Mr(d)最大值的滑差则可以通过外接附加电阻Rf来加以改变。加入Rf后(5)在大型同步电机中，rfxf，在电机起动时如不接入附加电阻则Mr(d)在最大值将在很小的转差率下出现（一般s0.0250.005），由于异步起动时一般不可能加速到这个速度，因此其最大力矩不能被利用，同时由于（3）（4）式的滑差一般在0.250.6间出现，于是异步转矩曲线上就会出现一个凹坑。由图1可见，当不附加电阻或阻值选择不当时，曲线上就会出现一个凹坑，当负载阻力矩大于凹坑的低谷点时，电机转速将停留在A点无法进一步加速，当A处的滑差的滑差大于临界滑差时，电机在投励后也不能牵入同步。因此励磁装置中的Rf应根据电机特性选配，使其消除异步力矩曲线上的凹坑，并使Mr(d)的最大值移至设计所要求的位置。Rf应根据下列条件选配： 良好的起动特性 满足失步带载自动再整步的要求。见图2，若计算得出为实现电机自动再整步所需滑差为SL，则应选曲线2或3，如选曲线1，则电机加速不到SL值，电机就不能实现再整步。一般说Rf值大，在大滑差值时力矩大，小滑差值时力矩小，Rf值大在起动时转子感应电压也相应增高。Rf选配好后还应解决在电机整个起动过程中包括在投励前的较低感应电压值的条件下使Rf一直处于接入状态，以保证在整个起动过程中一直有良好的起动特性，并要保证在投励后可靠退出，同时在正常运行包括最大励磁时Rf不会误接通以免烧毁Rf，这些条件的满足是通过起动控制回路来实现的。BKL型励磁装置不仅具有良好的起动特性，同时具有在低滑差下（s2%8%）的良好的力矩特性，以满足再整步的要求。2） 电机正常运行时，应满足同步电动机励磁绕组对励磁电流、励磁电压的要求及长期连续运行的要求；长周期连续运行的性能指标提高主桥元件的可靠性。主桥可控硅及整流管的使用寿命与其运行温度成正比。考虑冷却风机故障时，主桥元件维持相当时间的正常工作。考虑在失控即仅有一个主桥可控硅工作的条件下，主桥可控硅仍能在一段时间内承受为保证同步电动机稳态运行所需的励磁电流。主桥可控硅及整流管考虑了能承受定子侧短路在转子回路感应的浪涌电流的冲击。电机失步后带载自动再整步。同步电动机虽有较强的静态和动态稳定能力，但当电网电压短时大幅度下降，负荷突增，励磁电源短时消失或电网瞬时断电时，电机往往会脱出同步，轻则停机，重则损伤或烧毁电机，BKL型励磁装置3） 为改善电网的功率因数，应能手动或自动对励磁电流进行调节；BKLI通过多圈电位器5W，BKL501通过增磁/减磁按钮来调节；4） 应能实现电动机的失步保护及带载自动再整步。电机失步后，励磁系统既要保护电机的安全，又要保证带载自动再整步，不影响运行生产。5） 电机停机时应能自动灭磁；灭磁速度灭磁速度是指在同步电机失去电源（断电或外部短路）的情况下，储存在励磁绕组内的励磁能量的衰减速度。一般以额定励磁电流Ifn衰减到1/e倍即0.368Ifn时的时间来计算。按以下两种情况来分析。电源瞬时断电。此时由于机组的惯性仍继续旋转，同时由于电机转子磁场能量的存在（两者都逐渐衰减），于是电机由电动机运行方式转为发电机运行方式，电机定子侧仍有一相当数值的电势E存在。当ZCH或BZT动作时，电机会遭受非同期冲击，在严重时非同期冲击力矩可达三相出口短路力矩的三倍，使电机受到严重损坏。提高灭磁速度可避免电机受到非同期冲击并有利于与ZCH的配合或加速BZT的投入，实现断电再整步。外部近处短路。此时同步电动机将向短路点提供短路电流，灭磁速度快有利于短路电流的迅速衰减，减轻电机绕组受到的损伤。几种灭磁速度的比较。与灭磁速度t比说明老式半控1全控桥逆变按整流变电压随断电段母线电压衰减BKLI0断电前的励磁电流；1励磁绕组电感L/励磁绕组电阻rf；k附加电阻Rf/rf。6） 励磁系统和电机定子控制回路之间应设置必要的连锁和信号，以保证电机顺序运行和设备安全。定子电流、WHK至合闸回路、DCJ至跳闸回路、DL至DLJ。二、 励磁装置的性能指标2. 投励后牵入同步的可靠性投励是在励磁绕组中加入直流电压（流），它所产生的磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步振荡转矩MT（6）E是直流励磁电流在定子绕组所感应的电势，U为电机端电压，为电气分离角（E和U的夹角）。Xd为电机纵轴同步电抗。当各量采用标么值时，MT值相当于额定力矩的倍数。在投入励磁而电机未进入同步前将在0360内周而复始地变化，在0180时为驱动性力矩，在180360时为制动性力矩。图3为牵入同步的过程，从中可以看出：电机必须加速到一定转速才能投励。投磁后能牵入同步的最低转速称为临界转速，用滑差表示为SL（7）km为电机最大力矩倍数，kf为强励倍数，GD2为机组的飞轮力矩，单位为kgm2。过早投励将造成电机带励失步，引起电机强烈振动，定转子电流大幅度增加。在投入励磁时投入强励，可提高振荡力矩，在振荡力矩作用下，使电机能加速到等于或超过同步速度，电机即可顺利拉入同步。强励延续时间一般约为1s。投励角的选择。一般励磁装置采用的是顺极性末尾投励，此时转子感应电流的方向与投入励磁后所产生的直流励磁电流If的方向相反，使If只有小部分甚至不能立即送入励磁绕组。BKL励磁装置采用的是接近于反极性的末尾投励，使投励后的直流励磁电流较快地送入励磁绕组。在电机空载起动时，投励角的选择虽不具有重要性，但在再整步时，特别是对转动惯量大，失步时稳态滑差小的机组就具有重要的作用，投励角不当会造成再整步失败。由电机凸极效应牵入同步后的投励。对转动惯量较小凸极效应又强的机组在空载起动时，在未达投励滑差的情况下，机组由于凸极力矩的作用可被拉入同步。由凸极效应拉入同步的特点是转子回路无交流感应电压和电流，定子电流较大，功率因数滞后较多，带负载能力很低。此时如带上负载，当负载力矩大于凸极力矩时，就会换失步。由凸极力矩牵入同步的过程及励磁绕组感应电压的波形见图5。当感应电压正半周时间t1投全压整定值时，计时投励开始计时，经tG（计时投励延时时间）后，计时投励动作。电机经短时同步摇摆即进入带励稳定同步运行。此时滑差投励所以不能动作是因最后一个感应电压正半周的时间小于滑差投励的整定时间t2。误投励的保护措施。电机未达投励滑差过早投励，使电机形成带励失步，谓误投励，最严重的情况为在电机起动初期的误投励。为避免电机遭受危害，BKL励磁装置在误投励后12s内自动跳闸，并采用屏蔽线及相应的隔离措施。三、 半控整流桥包括半控整流桥、起动回路、起动控制回路及快速灭磁回路。1、 半控整流电路1.1 整流工况每个主桥可控硅及整流二极管在一个周期内轮流导通120，可控硅由相应的触发脉冲开通，整流二极管为自然换流。整流桥输出电压为U2l为整流变压器二次侧线电压，Ud的调节范围为0.31.2Ufn，Ufn为电机额定励磁电压。1.2 失控工况在整流工况下，任何时刻总有一个可控硅及一个二极管处于开通状态，如此时触发脉冲全部消失，因原导通的可控硅仍有电流流过，故仍能维持导通。而整流二极管根据自然换流原则轮流导通。以失控前A相可控硅导通为例。当B相或C相为最低时为整流工况，A相最低时为续流工况(120)。失控时整流桥平均输出电压正确选择U2l可满足同步电动机的稳定运行要求，一般可采用Mm1，Mm为同步电动机最大力矩倍数。失控状态下流过可控硅的电流，可控硅的选择应满足失控状态下一定时间的运行，一般不少于半小时。在下列条件下会产生失控：1） 给定插件故障造成无给定输出；2） 更换旋钮打至“更换”位，停止给定输出时；3） 失步保护动作，阻容灭磁不成功时；4） 在给定插件面板上，将给定输出小开关打在“断”位，停止给定输出时；5） 投励后，起动可控硅KQ未能关断，RFJ动作时。6） 有二个及以上的触发插件故障或一个触发插件故障时并且控制角等于或超过120时。失控状态下应注意的问题：1） 失控时的励磁电流和电压由U2l、rf决定，人工调节电位器（按钮）不起作用。2） 仅由一个可控硅承担负载电流，在运行中应尽量缩短失控时间。3） 变压器二次侧电压不宜选得过高，以免不必要地加重可控硅的负担。1.3 缺相工况当一个触发插件故障，且控制角小于120时，为缺相工况。此时输出电压Ud=0.67Uf2、 阻容灭磁回路阻容灭磁的任务是关断主桥可控硅，停止主桥向电机输出励磁电流和电压。采用阻容灭磁不仅灭磁速度快，而且关桥可靠。下列情况下阻容灭磁动作：1） 电机发生带励失励失步时，阻容灭磁动作，关断主桥，使电机转入异步运行，失步源消失后，实现带载自动再整步。2） 当电机发生断电失步时，阻容灭磁动作，关断主桥，电机励磁绕组储存磁场能量经附加电阻RF及电容CM衰减，当励磁电流衰减至0.368Ifn时，由断电失步保护装置启动BZT，实现断电失步再整步。3） 当电机正常或事故停机时，阻容灭磁动作，关断主桥，避免在下一次开机时因主桥未关断而误投励。阻容灭磁原理：电容CM1由DBC变压器单相全波整流充电至320V左右。当灭磁插件发出灭磁脉冲后，灭磁可控硅KM1导通，CM1上预充电压反向加于主桥两端。为保护主桥可控硅可靠关断，CM1容量的选择应保证施加反压的时间大于主桥可控硅的热关断时间。在施加反压的同时，CM1经电机励磁绕组向CM2放电，当UCM1UCM2时，流过KM的电流约为0，KM自动关断。灭磁过程的四个阶段：A.停主桥可控硅的触发脉冲；B.电容反压关桥；C.感容振荡，自动关断KM，电容退出；D.多余能量经RF放掉。3、 起动回路及其控制回路3.1 主要技术要求起动可控硅KQ在电机投励前的整个异步起动过程中，当励磁绕组有正向感应电压时应可靠开通，以便附加电阻RF在有正负半周感应电压时均能接入励磁绕组，使电机获得良好的对称起动特性。而在投入正常励磁后，KQ应可靠关断，并转入高开通值，高开通值应保证电机在正常励磁、强励及灭磁时不误开通，以免长期接入附加电阻而烧毁。在电机励磁绕组出现过电压时，KQ应开通，对励磁绕组起过电压保护作用。起动控制回路中的2RQ选择除满足高开通值外，并应满足正常运行时的热稳定要求。3.2 工作原理在未投励或投励后未转入正常励磁时，2LZJ接点闭合，1RQ与2RQ并联，阻值较低，1WQ3RQ回路可分得较高电压，于是KQ可在较低的主桥电压下开通。当投励并转入正常励磁时，2LZJ接点断开，因2RQ阻值较大，1WQ3RQ回路分得电压较低，KQ就需在较高的主桥电压下才能开通。改变1RQ、2RQ阻值可获得所需的KQ高低开通值。四、 保护、控制、信号回路1 带励失励失步保护1.1失励失步时的定转子电流电机失步时，定子旋转磁场与转子间有相对运动，设定子旋转磁场的转速为ne,频率为fe，转子在失步后的转速为n，则它们的相对速度为ns=ne-n=sne，s为转差率。失步后因是转子的相对运动而在转子中感应的电势（流），其频率由定转子的相对速度决定为sfe，此时电机的定子电流对凸极转子由于dq轴的不对称，在d轴时定子旋转磁场正对磁极，磁阻小，转子感应电流大，定子电流也相应增大，q轴时定子旋转磁场不正对磁极，磁阻大，转子感应电流小，定子电流也相应减小，因为在转子感应电流的半个周期内经历一个dq轴的变化，故定子电流幅值是随2sfe频率而变化。1.2带励失步时的定转子电流带励失步与失励失步的根本区别在于转子励磁绕组中有直流励磁电流，采用叠加法进行分析。转子中的励磁绕组电流是在原频率为sfe的交变电流中叠加了一直流电流，相当于x轴向上移了If值。对定子电流来说，由于励磁绕组以（1-s）ne速度对静止的定子绕组旋转，定子中感生（1-s）fe频率的交变电流，于是定子电流振幅按包络线为sfe的频率而变化。1.3带励失步保护的构成原理带励失步与失励失步时励磁绕组中出现交变电流分量，采用接于励磁电流通路中在电流互感器作为信号测取环节，并用灵敏电流继电器作为敏感环节，保护装置在投励后才投入以避免起动时误动作，保护装置有一定的延时（12s）以躲过同步振荡。图10（b）因失步时If频率为sfe，一般失步滑差很小，如s0.02，则sfe0.02501Hz，该低频电流的正负变化率，在LLH二次侧反映为正负的电流脉冲。图10（c）、（d）灵敏电流继电器SBJ在LLH二次侧的正负电流脉动下而动作，由于电流脉冲较窄，SBJ接点经ZSJ展宽SZJ。图10（e）、（f）、（g）SZJ动作后JBJ线圈得电，“常开延时闭合”接点开始计时，延时时间t，按躲过电机同步振荡23个周期整定。在JBJ闭合后，如仍有SZJ信号出现，则说明为电机失步，MCJ动作，如不再出现SZJ信号，则说明为同步振荡，保护不动作。BJJ用来使JBJ线圈断电以恢复原始状