励磁基本原理.ppt

同步发电机励磁系统 王振中 励磁系统概述 同步发电机运行时 必须在励磁绕组中通入直流电流 以便建立磁场 这个电流称为励磁电流 而供给电流的整个系统称为励磁系统 在发电机正常运行工况下 励磁系统应维持发电机端电压在给定的水平 维持电压水平和机组间稳定的分担无功功率 提高同步发电机并列运行的稳定性 第1部分励磁系统的几种主要类型 直流励磁机励磁系统 早期发电机单机容量小 大功率电力半导体技术还没有发展起来 绝大多数采用同轴直流励磁机 采用滑环和电刷 慢速励磁系统 50 60年代 出现了大功率半导体整流元件 开始采用交流励磁机 随着永磁材料不断进步 出现了永磁式副励磁机 采用滑环和电刷 慢速励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统彻底革除了滑环 电刷等转动接触元件 提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量 无刷励磁系统 自并励励磁系统 自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机励磁系统是技术发展的必然 优点是结构简单 轴系短 快速响应 提高电网的稳定水平 第2部分半导体变流技术 现代发电机励磁系统中 从电源的变换到发电机励磁能量的提供 无处不存在半导体变流技术的应用 分类 晶闸管 晶闸管的导通条件 以下两条件须同时具备 a 正向阳极状态 b 控制极加上触发脉冲 晶闸管的关断条件 以下任一条件即可关断 a 主回路断开 b 晶闸管两端处于反向电压时c 流过晶闸管的电流下降到小于维持电流 晶闸管的伏安特性 控制角 触发角 从晶闸管承受正向电压起到触发脉冲加入时的电角度 自然换相点 在相电压的交点处开始换相 从此点开始这相可控硅才开始承受正向电压 自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻 移相触发 移相触发单元的作用 产生触发脉冲 用来触发整流桥中的晶闸管 并控制触发脉冲的相位随综合放大单元输出的控制电压的大小而改变 达到调节励磁的目的 移相触发的基本原理 利用主回路电源电压信号产生一个与主回路电压同步的幅值随时间单调变化的同步信号 将其与来自综合放大单元的控制信号比较 在两者相等的时候产生触发脉冲 移相触发单元一般包括 同步 移相脉冲形成和脉冲放大环节 单相桥式半控整流 无刷励磁系统 三相桥式整流 无刷励磁系统 三相全控桥式整流 静止励磁系统 脉冲触发图 整流元件过载 短路保护 整流元件的过载 短路保护一般采用电力电子专用快速熔断器而不能使用普通熔断器代替 专用快速熔断器的电流 温度特性与普通熔断器相比具有更好的性能 熔断时间更短 整流元件过电压保护 整流元件的暂态过电压保护目前主要使用阻容吸收器 由于在可控硅关断和换相的过程中 由于存储电荷的作用会使可控硅两端产生暂态过电压 如果不加以抑制将会对可控硅产生不良的影响 甚至会造成可控硅的损坏 一般有分散式 集中式两种 图五过压击穿的晶闸管 常见故障 可控硅的检测 断开晶闸管阴极和控制极与脉冲变压器的连接线 用万用表测量晶闸管阴极与控制极电阻 阻值一般在10 左右 用对线灯在晶闸管阳极和阴极之间加一个正电压 在晶闸管控制极和阴极之间加一个短时的正电压 晶闸管应保持导通 即连接在晶闸管阳极和阴极的对线灯应保持亮的状态 第2部分无刷励磁系统 取消了集电环和碳刷 彻底解决了环火问题 并且根除了碳刷碳粉的污染 省掉了换碳刷的工作 减少了维护工作量 无刷励磁系统特别适应于大容量 大励磁电流 的机组 由于全部励磁功率取自轴系 所以励磁电源独立 不受电力系统电压波动影响 无刷励磁系统的强励能力不受系统短路影响 无刷励磁的控制功率大大减小 有利于简化控制 保护线路 少占用厂房场地 省去励磁变压器和大功率整流灭磁屏 无刷励磁的主要优点 同步电机转子不能直接灭磁 目前只能在励磁机回路灭磁 故灭磁时间较长 发电机转子电压 电流不能直接测量 对旋转元器件 整流元件的熔断器 要求能承受较大的离心力 对旋转元器件的故障监测与报警技术有待进一步完善 由于无刷励磁对旋转二极管的要求很高 目前能够提供用于大型发电机无刷励磁的旋转二极管厂家世界上屈指可数 所以无刷励磁系统的成本远高于静止励磁 目前国内长期依耐进口旋转二极管组件 无刷励磁的主要缺点 永磁机f 400HZ交流励磁机f 150HZ旋转硅整流装置 旋转二极管 快速熔断器 自动电压调节装置 A B 开关电源组件1 5V 12V 电源 开关电源组件2 24V1 24V2 电源 主机板开关量输入输出板脉冲放大板模拟量信号处理PT CT及同步变压器板 PT CT 功率单元线性灭磁电阻 无刷励磁系统组成 第3部分自并励静止励磁系统 由于没有旋转部分 设备接线比较简单 大大提高了整个励磁系统的可靠性 可以直接进行转子电压 电流的测量 可以直接设置转子过电压 过电流 转子接地和断路器灭磁保护等 由于取消了励磁机的惯性滞后环节 可大大提高励磁系统的响应比 静止励磁系统的可控硅整流器有很大的冗余度 采用N 2冗余 可以进行在线维护 提高了运行的安全性和可维护性 静止励磁的主要优点 整流输出的直流顶值电压受发电机机端或电力系统短路故障形式和故障点远近等因素的影响 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 需要起励电源 存在滑环和碳刷 与无刷励磁方式相比 没有彻底解决环火问题 存在碳刷碳粉的污染 静止励磁的主要缺点 主要组成部分 励磁变压器 将高电压隔离并转换为适当的低电压 供整流器使用 一般接线组别 Y d 11 励磁变的额定容量要满足发电机1 1倍额定励磁电流的要求 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求 励磁变的绝缘等级 F级或H级 励磁变的额定最大温升 80K或100K 功率单元 可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方式 实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务 给发电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流 智能功率柜 单桥总输出电流桥臂电流六相脉冲快熔状态风温风机开停状态风压检测脉冲电源投切状态 返回 人机界面 脉冲功放板 脉冲变压器板 功率柜内板件 灭磁 即是快速把转子电感中储存的大电流释放掉 以保证发电机安全运行 保护机组和其它设备安全 转子电感是大的储能元件 电感中的电流是不能突变的 储存能量为 灭磁系统由灭磁开关 灭磁电阻及灭磁回路开通控制单元组成 灭磁 就是把转子中储存的能量转移到灭磁电阻中 来消耗掉 灭磁系统 灭磁系统的构成原理图 发电机正常运行中 励磁电压比较小 控制单元不能触发可控硅开通 灭磁电阻回路中没有电流通过 当灭磁开关分断后进行灭磁时 转子电感两端出现较大的反向电压 同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路 把灭磁电阻接入 灭磁电阻回路开通 转子电流就可以快速转移到灭磁电阻回路 通过灭磁电阻把电流转换为热量释放 逆变灭磁 正常停机时采用 不需要分断灭磁开关 控制可控硅整流桥处于逆变状态 使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源侧及回路电阻中消耗 实现灭磁 灭磁系统灭磁 在发电机事故 过压或系统故障情况下停机时 励磁电流较大 希望能快速灭磁 消除故障 防止事故扩大化 采用分断灭磁开关的方法将能量转移到灭磁电阻中实现快速灭磁 灭磁方法 灭磁开关 耗能型灭磁开关 灭磁开关分断励磁回路后 利用开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧 使电弧能量消耗完毕 实现灭磁 灭磁能量有限 很少采用 典型产品 国产DM2型 移能型灭磁开关 灭磁开关分断励磁回路后 将转子电流转移到灭磁电阻上消耗或吸收 开关本身基本不吸收灭磁能量 灭磁能量大 灭磁时间快 普遍采用 典型产品 国产DM4 DMX 进口ABB E UR HPB型 线性电阻 汽轮发电机励磁系统经常采用 灭磁时间较长 氧化锌ZnO非线性电阻 国内生产 应用普遍 灭磁时间短 较为理想 SiC非线性电阻 国外生产 经常采用英国M I公司的产品 灭磁时间适中 单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ 而单片SiC阀片的工作能容量为62 5KJ SiC阀片容量大 其伏安特性更适合并联 所以 在超大型发电机的励磁系统中普遍使用 灭磁电阻 线性电阻1 大功率 慢 碳化硅灭磁电阻2 SiC 稍快 氧化锌灭磁电阻3 ZnO 最快 灭磁柜的智能化 测量励磁电压 励磁电流计算转子绕组温度灭磁开关动作计数 BOD动作计数试验录波显示灭磁柜运行状况CAN总线连接 电路板件 智能控制板 变送器板 BOD板 根据工作原理和起励电源的不同 起励方式可划分为残压起励 交流起励和直流起励三种类型 起励装置一般包括起励电源开关 起励接触器 导向二极管或整流桥 限流电阻等 在交流起励方式下还包括隔离变压器 残压起励应用高频脉冲列触发技术 可靠实现低残压起励 整流阳极电压达到5 10V 即可无需外部辅助电源进行起励 起励装置 调节柜 两个微机通道一个模拟通道四块电路板人机界面同步变压器电源系统 励磁系统的控制核心 利用自动控制原理 自动控制可控硅整流桥的触发角度 快速调节励磁电流大小 实现励磁系统的各种控制功能 使发电机组满足各种发电工况的运行要求 调节器原理框图 电路板件 ANB 模拟量板 DIB 开关量板 LOU 单片机系统板 IIU 智能I O板 微机通道 CPU板 I O板 DSP板 第4部分励磁调节器的主要功能 系统的调节器的主通道包括测量 给定 比较放大 移相触发几个主要部分 测量信号是由机端电压互感器PT提供的 至调节器再变换和整流成直流电压 与一个代表机端电压的给定电压UGD比较 得偏差电压 U U经放大后得控制信号 或叫控制电压 Ug Ug控制触发的输出脉冲 改变可控整流桥的输出电压Ud和励磁电流Id 从而控制发电机电压UF 调节原理 恒机端电压闭环方式 自动方式AVR 维持机端电压恒定运行 恒转子电流闭环方式 手动方式FCR 维持发电机转子电流恒定 恒无功闭环方式 选用 恒定触发角运行 选用 恒功率因数运行 选用 系统电压跟踪方式 选用 运行控制方式种类 自动方式 是励磁调节控制的主要运行方式 由两部分组成 自动电压调节器 即AVR 及PSS附加控制 AVR为机端电压负反馈闭环控制 用于自动维持机端电压恒定 稳定 为使励磁系统有良好的静 动态性能 AVR采用完整的PID调节控制规律 按偏差的比例 积分 微分控制简称PID控制 数字式调节器电力系统稳定器 简称PSS 是励磁系统的一个附加功能 用于提高电力系统阻尼 解决低频振荡问题 是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一 它抽取与此振荡有关的信号 如发电机有功功率 转速或频率 加以处理 产生的附加信号加到励磁调节器中 自动控制方式AVR AVR的数学控制模型 励磁调节器的手动方式FCR 为励磁电流负反馈闭环控制 用于维持励磁电流恒定 稳定 是励磁调节控制的辅助运行方式 FCR主要用于试验或在发电机端PT回路出现故障 自动方式采集的机端电压出现异常情况时 励磁调节器自动切换为手动方式运行 防止励磁系统出现误强励 由于手动方式不利于发电机电压的稳定 所以不宜长期运行 手动控制方式FCR 调差是励磁调节器自动方式的附加控制之一 可以根据发电机无功的变化对机端电压进行必要的微调 调差系数可任意设定为正 负或零 且调差率大小可在 15 之间选择 调差 限制和保护 欠励瞬时限制 限制进相无功值不低于整定值 欠励限制动作时 调节器发 欠励限制 报警信号 闭锁减磁操作 过励限制 限制滞相无功值不高于整定值 限制和保护 强励限制 限制转子电流不高于整定值 强励顶值限制值按励磁标准要求 一般为额定励磁电流的1 8 2 0倍 限制和保护 在自动方式下 为了提高电力系统暂态稳定极限 在系统出现故障时 发电机端电压降低 励磁系统自动进行强励 励磁电流输出增大 超过额定励磁电流 当过励反时限限制器动作后 把励磁电流按0 95倍过励限制值 直到励磁电流降低到0 95IOEL以下 V F限制 限制机端电压与发电机频率之比不高于整定值 限制和保护 空载过压限制 空载时过电压达整定值时逆变灭磁 PT断线保护功能 调节器PT断线时 发信号 切手动 同步电压断线 限制和保护 手动零起升压自动软起励升压自动给定值起励升压 开机升压方式 t UGIf 起励根据整定值爬升稳定运行 调节器接收到起励指令后将按照预先设定的给定值建压 当 零起升压 投入时 建压稳定值约为机端额定电压的10 当 零起升压 退出时 建压稳定值为设定值 电压预置值一般为100 通道跟踪 通道间的跟踪是由调节器软件实现的 备用通道跟踪运行通道 跟踪的依据是两通道的调节输出 控制信号 相等 自动跟踪功能保证了从运行通道到备用通道的平稳切换 三个通道之间的人工切换方法当A通道运行时 可以任意按 B通道运行 或 C通道运行 选择B或C通道作为备用通道 对应的备用灯也将点亮 按 转B C通道 按钮 即可以从A通道切换至已选好的通道 当B通道运行时 C通道作为默认的备用通道 C通道备用 灯将不会点亮当处于B或C通道运行时 可以任意按 A或B或C通道运行 按钮 就可以直接切换到对应的通道运行 第5部分励磁系统试验 励磁装置小电流试验 励磁系统小电流试验是指 在整流柜的阳极输入侧外加厂用电交流380V 直流输出接电阻负载 调整控制角 通过观察负载电压波形变化 综合检查励磁控制器测量 脉冲等回路和整流柜元件的一种试验方式 励磁小电流试验接线原理图如下 调压器SYB可以用继保仪代替 示波器也可以用记录仪代替 需要观察的波形有 强励和逆变波形 控制角60度波形 特殊情况下需要观察可控硅脉冲 需要观察脉冲变原副边脉冲 励磁小电流输出波形 机组大修后 需要进行发电机空载升压 100 Ug 和短路升流 100 Ig 试验 励磁设备需要提供可以调节的转子电流 可以采用它励备用励磁 也可以将机组励磁系统由自励改为它励 此时励磁调节器ECR模式运行 励磁设备零起升流 发电机空载升压和短路升流试验 发电机短路试验 发电机空载试验 GB T7409 3 2007标准规定 在空载额定情况下 当发电机给定阶跃为 10 时 发电机电压超调量应不大于阶跃量的50 摆动次数不超过3次 调节时间应不超过10S 超调量计算 当阶跃10 Ug时 超调量等于Mp除以阶跃量 10 国家标准要求该值小于50 调节时间 指从给定阶跃信号到发电机机端电压和稳态值的偏差不大于稳态值的 2 所经历的时间 如上图中T所示即为调节时间 振荡次数 调节时间内电压的振荡次数 图中所示振荡次数为1次 10 阶跃试验 触摸屏上有5 阶跃及10 阶跃按扭供选择 均为先上跃后下跃如果测试指标不理想 可对PID参数进行修改 PID参数修改后 需再次做阶跃试验 确保各项性能指标满足标准要求 灭磁时间试验 逆变灭磁试验 零起升压试验 PT断线试验 通道切换 第6部分运行故障排除 1 并网瞬间突抢无功 处理 进一步调整同期装置或励磁系统的调压精度 2 并网后稳定运行时出现无功突增处理 主要原因为发电机反馈电压降低 可能为系统电压降低或PT测量回路故障及接触不良 可以操作减磁指令使无功适当降低 3 并网后稳定运行时出现无功突降处理 主要原因可能为系统电压升高或其它并联机组增加无功 此时可以采取增磁措施 4 并网后稳定运行时出现无功突然大幅来回波动 无法稳定 处理 首先判断电压给定有无变化 若有 则应判断是外部还是励磁系统内部的增减磁指令在发挥作用 若无则应考虑PT电压及其采集单元可能存在问题 可以采取切换至备用通道的方法判断 若切换后正常 则原通道有问题 若切换后仍属同样现象 属于系统电压波动的可能较大 机组并网后特殊情况的处理 5 发现励磁系统过压保护信号频繁发出原因 发电机非全相运行或转子绕组可能存在故障 导致转子过电压 灭磁过压保护电阻动作 处理 此时马上应降低机组负荷 将发电机组解列 在空载情况下观察转子绕组是否工作正常 若仍有信号发出 则过压测量回路可能存在问题 导致信号误发 否则应停机处理 6 某个功率柜出现故障 已不能运行 如快熔熔断 阻容保护故障 桥臂断流等 处理 将该功率柜脉冲切除 将该柜退出运行 其它功率柜视情况适当减少总的励磁电流输出 7 风机电源消失 风机全停 处理 视情况最好减少励磁电流的输出 密切观察功率柜风道温度 若满载输出 500A级功率柜不能超过30分钟 1000A 2000A级功率柜不能超过120分钟 机组并网后特殊情况的处理 原因1 起励按钮接通时间短 不足以使发电机建立维持整流桥导通的电压 处理方法 保持起励按钮持续接通5秒以上 原因2 发电机残压太低 却仍然投入 残压起励 这样即