同步发电机励磁整流原理.ppt

2014.10.10,同步发电机励磁整流原理,目录,1、直流励磁机；2、交流励磁机；3、励磁电压响应比；4、三相全控桥电路原理；5、三相全控桥定量分析；6、晶闸管换相阻容保护；7、晶闸管快熔熔断器保护；8、晶闸管脉冲移相电路；9、励磁整流桥均流技术；10、励磁系统按照电源分类；11、励磁系统按照发电机分类；12、励磁系统的组成与分类;13、热管励磁功率柜。,1、直流励磁机,直流励磁机就是直流发电机。直流发电机：定子是励磁绕组；转子是电枢绕；换向器相当于全波整流，将交流变为直流，作为直流电源提供给发电机励磁绕组。,直流发电机分类,a：他励；b：并励；c：串励；d：复励。,1.1、直流励磁机励磁系统,复励直流发电机励磁系统：励磁机并励绕组、励磁机并励绕组电流调节电阻、励磁机串励绕组；发电机励磁绕组；非自动电压调节器，是励磁电流调节器；励磁机串励绕组起是负荷补偿绕组，随发电机负荷增加而增加励磁电流。,并励直流发电机励磁系统：励磁机并励绕组、励磁机并励绕组电流调节电阻；发电机励磁绕组；TK复励变压器，起到随发电机负荷增加而增加励磁电流。,1.2、直流励磁机强励强减,过去强励和强减概念：检测发电机电压，当低于或高于强励强减整定值（低于80%强励，高于120%强减），则短接或投入限流电阻，快速改变发电机励磁电压，使之强励和强减。因此，在励磁参数值中可以找的强励强减整定值，现在采用无级快速变化的晶闸管励磁，再也没有这个参数了，请注意！,电阻,强励和强减继电器,1.3、其他类型直流励磁机系统,永磁机他励直流励磁机复励励磁,简单无刷励磁系统,永磁机的优点：1、同轴，可靠性高；2、他励，不受电网影响；3、可以用提供频率方法来减少励磁回路时间常数。,2.1、交流励磁机,交流励磁机：普通交流发电机，其电枢绕组带三相整流桥电路，将交流电变为直流电，供给发电机励磁绕组。交流励磁机分为2类：有刷交流励磁机，无刷交流励磁机。有刷交流励磁机的转子是励磁绕组，定子是电枢绕组，其交流输出经整流桥后再经过碳刷进入发电机励磁绕组。无刷交流励磁机的定子是励磁绕组，转子是电枢绕组，其交流输出经整流后直接进入发电机励磁绕组。,2.1、交流励磁机特性简介,1、交流励磁机的短路暂态特性同普通交流发电机一样，有电枢反应，有Xd、Xd、Eq、Eq的等概念。有的交流励磁机是一个凸极发电机，比如电枢旋转式；2、交流励磁机三相空载短路同普通发电机一样，励磁电流突变并产生直流分量；3、对于凸极机来说，EQ=U+jIXq，是凸极机虚拟量，但很重要，只有先确定EQ，才能建立d-q轴，才能计算Eq。,3.1、励磁电压响应比,1、传统的励磁电压响应比，是指0.5s内励磁电压增加面积的等效高度与起始值之比。等效高度通过计算三角形面积abe来，即R=（Uf2-Uf1）/（0.5Uf1）;2、国家励磁标准中称为励磁系统标称响应，其实质还是励磁电压比R。,3.2、励磁电压响应时间,1、水电励磁标准中改励磁电压响应比为励磁电压响应时间；2、励磁电压响应时间等于或小于0.1s为高起始响应；3、交流励磁机为低起始响应，晶闸管静止励磁为固有高起始响应。,3.3、高起始响应方案,1、为了提高交流励磁机的响应比，最简单的办法就是提高励磁电压强励倍数；2、励磁电压强励倍数是强励电压与额定电压之比，有刷励磁是2-3倍，无刷可以达到数十倍，其目的就是提高励磁电压响应比；3、励磁电流强励倍数最高为2倍，尽管无刷励磁电压强励倍数很高，但是励磁电流绝对不能超过2倍，否者就是误强励；4、提高强励倍数，改变了励磁电压上升的斜率，使之满足0.1s的高起始要求。,高强励倍数,低强励倍数,4、现代励磁基础：晶闸管,同轴直流发电机（体积大、效率低、容量小）电力电子器件：二极管、晶闸管（可控硅）、IGBT等PN结、单相导通特性、可控硅伏安特性可控硅导通条件：正向电压、正向脉冲可控硅关断条件：反向电压同步电压、触发脉冲、脉宽调制,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）,导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6,4.1、三相桥式全控整流电路,3-3-14,1，6管导通,1，2管导通,3，2管导通,3，4管导通,5，4管导通,5，6管导通,每管每周期导通120度,关断后承受线电压,120度后线电压交换。,电阻负载，相电流为上、下管各自导通时电流合成，波形与输出电压波形相同。,4.2、电阻负载a=30,3-3-15,VT5,66,11,22,33,44,55,6,uab对应6，1导通,触发脉冲分配,4.3、电阻负载a=60,4.4、电阻负载a=90,图三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,相电流波形不变，相位随触发角移动,4.5、感性负载a=30,a60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90,4.6、感性负载a60,图24三相桥式整流电路带阻感负载，a=90时的波形,阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分,输出电压平均值等于0，故带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90,4.7、感性负载a=90,5.1、三相全控桥理想定量分析,带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,当整流变压器采用星形接法，带阻感负载,电感充分大时，变压器二次侧电流有效值为：,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：U2是线电压。,5.2、三相全控桥实际定量分析,由于交流回路存在电感，2个晶闸管换相导通，一个下降另一个上升，不是理想的突变，而是指数变化，期间这2个晶闸管同时导通，出现换相缺口和过电压。此时引出一个重要概念：换相角。换相角的出现，即影响输出电压，又影响输出电流。换相缺口只有一个，但是既可以表现在直流输出电压波形上，又可以表现在交流输入波形上。,5.3、全控桥交流波形换相缺口,换相缺口是2个晶闸管同时导通，形成环流，相当于2相短路，使得交流输入波形出现缺口损失，1个周期出现6个缺口。缺口的宽度由换相角决定，缺口的深度，由回路的阻抗值决定，即由短路电流大小决定。阻抗越小，短路电流越大，缺口越深。,5.4、全控桥直流波形换相缺口,换相缺口造成直流输电电压减少：Ud=1.35U2cosa-U（输出电压的定量分析）,换相缺口不仅产生U，而且还产生过电压。1个周期出现6个缺口。缺口的宽度由换相角决定，缺口的深度，由回路的阻抗值决定，即由短路电流大小决定。阻抗越小，短路电流越大，缺口越深。,5.5、三相全控桥电流定量分析,换相缺口造成直流输电电流减少：,根据换相角的大小，换相过程主要分为3种状态：,误强励,强励,强减、逆变灭磁,5.6、三相全控桥输出波形,三相全控桥既能强励，又能强减，反应非常快，具备快速稳定发电机电压的优势,按照Ud=1.35U2cosa，一般强励=100；强减=1500,5.7、励磁强励倍数定义,1、强励Ceiling，强励是指晶闸管控制角处于最小，也就是晶闸管整流器输出最大电压的状态。在规定的强励时间，励磁系统能够输出的最大电流和电压称为顶值电流和电压。2、顶值电流和电压与额度励磁电流和电压的倍数称为顶值电流倍数和顶值电压倍数Ceilingfactor或强励倍数。3、强励倍数由最大励磁电压决定，根据Udmax=1.35U2COSamin，可见最大励磁电压由励磁变二次电压和控制角决定；4、由于自并励是从取代自复励而来，当初为了保证与自复励一样的强励能力，特别提高了强励倍数。而现在进一步分析计算以及机组容量的增大，高强励倍数带来很多负面影响，故逐步开始降低强励倍数：4.0/80%、3.5/80%、3.0/80%、2.5/80%、2.0/80%、2.25、2.0；,5、交流励磁机系统为了提高励磁电压响应时间，达到高起始目的，必须采用搞强励倍数；6、研究表明，励磁机系统的强励作用明显。,6.1、三相全控桥换相过电压,1、实际上，即便是交流回路没有电感，2个晶闸管的换流过程也存在，因为导通过程中晶闸管积蓄了不少载流子（电子和空穴电荷），使得元件不能瞬时截止，因此存在换相过程；2、电荷是不能突变的，积蓄的载流子并不因电流等于0而截止，还有一个继续导通的短暂时刻，使之产生反向电流；3、更为重要的是，反向电流短暂产生，也会短暂结束，产生较高的di/dt；4、由于回路有电感，快速的di/dt会产生反向感应电势e=-（di/dt）L，这样，换相过电压就产生了。,换相过电压危害很大，必须予以抑制。1、危害电气设备绝缘；2、过高的du/dt还可能误触发晶闸管。,6.2、换相过电压阻容抑制电路,1、元件RC缓冲器，即晶闸管阻容保护。利用电容充电限制过电压，利用电阻吸收过电压能量。,6.3、换相过电压阻容抑制电路,2、线路RC缓冲器，即交流或直流回路阻容保护，方式较多。,3、吸收过电压，还有其他保护，比如压敏电阻MOV等。只能限制幅值，不能改变du/dt。,6.4、ABB励磁系统阻容保护,ABB励磁系统阻容保护采用阻断式保护阻容保护，前期采用交流和直流一体化保护，后期采用交流阻容保护，更加实用。,6.5、西门子励磁系统阻容保护,SIEMENS采用晶闸管阻容保护，其回路有一个小电感，防止电容放电的di/dt过高，造成晶闸管损坏，由此产生的负面影响，就是吸收效果欠佳，过电压倍数接近2.0倍。,6.6、西门子励磁系统阻容保护,三峡电厂对SIEMENS励磁系统增设线路阻容保护，过电压倍数降低为1.7倍，且du/dt明显变小。,由此可见，阻容保护不仅可以降低过电压值，还可以降低du/dt，是晶闸管过压保护首选。,6.7、晶闸管换相过电压倍数,换相过电压倍数，最好测量交流电压波形，就很方便计算过电压倍数：最大尖峰值/被比较值。测量直流输出波形，可以测量尖峰峰值，但是不好找被比较值，也就是基准值。,计算换相过电压倍数，只需比较二者大小，不需要具体单位即可：3.5格/2.5格=1.4倍,7.1、三相全控桥过流保护,三相全控桥晶闸管，不仅需要过电压保护，还需要过电流保护。最有效的过电流保护就是快速熔断器。在安秒特性上，快速熔断器比普通熔断器快2个数量级。,7.2、三相全控桥快熔布置,快熔作用：保护晶闸管，应该在晶闸管还没有损坏之前熔断；快熔安装位置区别，直流侧或交流侧，保护范围有点差别，但是保护晶闸管能力没有差别；特别注意快熔熔断产生过电压和外喷电弧而扩大事故，需要特别防范。,由于快熔熔断时可能发生电弧短路，因此在有效的防止阳极短路的措施下，快熔建议安装在阳极侧，如果没有，则建议安装在直流侧。,7.3、功率柜内部风压分类,强迫风冷励磁整流柜，从风压角度分为正压系统和负压系统；正压系统：晶闸管风道和盘柜内部大气压力大于外部，灰尘不易进入，有利于防止灰尘。但是隔离不好，其他励磁柜容易形成高温环境。ABB励磁功率柜采用。负压系统：晶闸管风道或功率柜内部大气压力小于外部，灰尘易进入，但是有利于降低其他励磁柜环境温度。凡是风机装设在盘顶，采用抽风型式，都是负压系统。NES5100是风道正压但盘柜内部负压。,模拟电路移相原理,数字移相原理之一1、首先计算角；2、将角转换为计数器的计数时间T；3、由同步点启动计数器，计数时间就是角；4、计数时间到，触发相应的可控硅；5、每隔600再触发下一个可控硅，共6个可控硅；6、每发一个脉冲，启动脉宽中断，控制脉冲宽度。,8.1、晶闸管脉冲移相原理,1、脉冲移相：如何用一个直流控制电压改变脉冲的相位？2、同步电压：如何将脉冲正确分配的晶闸管？,8.2、NE5100脉冲触发电路,脉冲控制：0=脉冲,+24V电源,晶闸管,限流电阻,加速电容,脉冲变屏蔽层接地,正向导通反向阻断二极管,限流电阻,正向导通反向阻断二极管,正向阻断反向续流二极管，消除脉冲变和晶闸管控制极反向过电压,正向阻断反向续流二极管消除脉冲变反向过电压,1和3（2和4）是同名端,脉冲指示发光二极管,8.3、三相全控桥脉冲种类,脉冲变压器作用隔离功率匹配脉冲发展形式宽脉冲双脉冲宽高频脉冲双高频脉冲,8.4、南瑞励磁双窄脉冲,双窄脉冲；脉冲顺序；导通规律12345612.,8.5、ABB励磁高频宽脉冲,120度宽脉冲；高频脉冲；脉冲变原边脉冲；晶闸管不导通脉冲波形；晶闸管导通脉冲波形,9.1、整流桥/柜冗余配置,按照结温考核晶闸管裕度，有时候晶闸管的快熔成为功率柜温度最高的设备，因此，功率柜发热问题，涉及面很广：功率柜冷却方式：自冷还是风冷；功率柜风道结构：串联还是并联；功率柜内部环境：正压还是负压；功率柜外部环境：敞开还是密闭；因此，功率柜冷却结构是一个非常重要的技术问题。,对于采用多个功率柜（整流桥）来说，晶闸管电流裕度主要取决于功率柜并联数量或冗余方式，一般要求如下：励磁功率柜并联数量按（N-1）冗余原则选择，即功率柜一柜故障能满足包括强励在内的输出电流要求；二柜故障能满足除强励外所有运行方式的输出要求。在任何工况下，晶闸管的结温应不超过120度。卖方应提供晶闸管元件技术资料和参数计算书，包括仿真结果。功率柜均流系数，在发电机空载额定运行时应不小于0.85；在发电机负载额定运行时应不小于0.95。励磁功率柜均流系数亦能自动计算并显示，便于维护检查。,大型励磁系统：3-5功率柜并联,9.2、整流桥/功率柜均流,均流系数：并联的多个功率柜直流电流输出值的均衡指标，平均值/最大值。均流方式：自然均流：优选设备，利用设备自然物理特性进行均流，也称为物理均流；电抗器均流：在励磁功率柜交流输入回路串联电抗器，均衡交流阻抗，使之均流效果满足要求。早期普遍采用，现在很少采用；自动均流：在各个功率柜对调节器的触发脉冲进行小范围缓慢自动调节，使各个功率柜的输出电流尽量一致，提高均流系数。故自动均流也称为动态均流。,自然均流是最常规均流，特别要求晶闸管压降一致，还要求交流回路等电阻，于是要求交流电缆等长度、交流电缆分分别接入等等。自然均流也可以取得很高的均流系数，但是成本要高一些。溪洛渡左岸电站采用南瑞大功率柜，均流系数在0.95-0.98之间，这需要付出艰辛的劳动，要拎紧每一颗大螺丝。要想有好的自然均流，现场的技术人员必须拎紧每一颗大螺丝，你做到了吗？,9.3、功率柜自动均流,自动均流的好处节约成本，晶闸管压降可以不一致，采用铜排输入。自动均流分为两种：按柜均流：检测并联功率柜输出电流，使之一致。这是均流系数要求。,9.4、柜/桥之间自动均流,按柜均流：采用直流CT，测量1个还是2个电流，其合理性和必要性探讨。技术点：Id1+Id1-；那么Id2+Id2-；难点：并联功率柜划分全控桥物理位置，其电气组成可能是柜1的正组合柜2的负组组成一个电气桥。,9.5、交流和直流CT区别,无论交流CT还是直流CT，都能通过波形判断晶闸管电流波形是否正常；ABB过去采用直流CT方式，现在采用交流CT。,9.6、相与相之间自动均流,按相均流：检测并联功率柜的交流输入电流，使之每一相一致，更科学；每一相电流均衡，必定每一个柜的电流均衡。,10、励磁系统按照电源分类,10.1、直流励磁机系统,同轴,开关式励磁调节器的优点是：结构紧凑，体积小，且励磁电源可靠，不受电力系统电压波动的影响。另外，不存在可控整流桥的触发同步问题，控制简便，运行可靠性高。,开关励磁系统,10.2、三机交流励磁机系统,组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡,同轴,（三机他励）,10.3、两机交流励磁机系统,组成：交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；AVR控制可控硅的触发角，调整其输出电流，亦称为两机它励励磁系统。励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。优点：取消副励磁机，轴系长度缩短；缺点：调节速度慢,同轴,（二机他励）,10.4、自并励静止励磁系统,他励：励磁电源取自励磁机或厂用电等；自励：励磁电源取自发电机本身，可靠性高，但需采取措施保证强励能力。自幷励系统励磁装置就是提供发电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置及保护装置励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统,10.5、直流有刷励磁系统,静止励磁,励磁装置静止，励磁电流通过集电环送到发电机转子,10.6、自励无刷励磁系统,小励磁装置静止，将励磁电流送到励磁机的定子，励磁机的转子感应交流电再送到发电机转子整流器变成直流励磁电源。,定子绕组、转子绕组；励磁绕组、电枢绕组；,旋转,10.7、他励无刷励磁系统,组成：主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。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。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题,直流励磁同步发电机：改变直流励磁，无功改变，有功的瞬时值改变，但有功的平均值不变，亦即发电机输出的有功功率不变！,交流励磁同步发电机：改变交流励磁的相位和大小，无功改变，有功小范围改变！,双轴直流励磁发电机：改变d轴直流励磁，无功改变，改变q轴直流励磁，有功小范围改变！,直流励磁发电机，亦即单轴（d）直流励磁同步发电机,11、励磁系统按照发电机分类,11.1、水轮发电机定子和转子,转子,定子,N,S,d轴q轴d轴,直流励磁系统属于d轴励磁，但调整的是q轴电势,11.2、水轮发电机转子绕组,阻尼绕组,转子磁极与阻尼绕组,转子绕组有2个：励磁绕组和阻尼绕组,11.3、阻尼绕组的双轴作用,励磁绕组（d轴只影响电压和无功）阻尼绕组（d轴和q轴既影响电压和无功，又影响频率和有功）,阻尼绕组感应电流路径,电压无功,频率有功,双轴励磁示意（双励磁绕组发电机）,阻尼&惯性,d轴感应电流,q轴感应电流,阻尼绕组即影响电压又影响有功,11.4、交流励磁风力发电机,Q、P,改变励磁调整发电机电压、无功、有功,双馈感应风力发电机,变浆变速恒频,11.5、抽水蓄能机组励磁系统,直流励磁同步水轮发电机,交流励磁同步水轮发电机,11.6、抽水蓄能交流励磁调速,抽水蓄能同步发电机采用交流励磁优势：励磁可以调速10%,交流励磁能够调速亦即可以调整有功功率,12、励磁系统的组成与分类,自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节