发电机励磁系统工作原理

励磁系统一、励磁控制系统的主要任务1、维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)的电压在给定水平，维持电压在给定水平是励磁控制系统的最主要的任务.2、通过PSS(电力系统稳定器)抑制低频振荡.提高电力系统运行的稳定性3、提高继电保护和自动装置的灵敏度

4、控制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。两台或多台有差调节的发电机并联运行时,按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多,调差率大的分配到的无功少。UU0UQ1UQ2U并I2I1INIM1M2

电压转差率反映同步发电机在功率因数等于零(只发无功)的情况下，无功功率从零变化到额定定子电流时，发电机端电压的变化。

K=(U0-UQ)/Un×100%

U_N——额定电压；

U_Q——发电机在零功率因数下，输出额定定子电流时的端电压(一般取UQ=UN)。

.

由于(U0-UQ1)/UQ1<

(U0-UQ2)/UQ2

K1<K2而两台并联机组电压相等:U并×I1>U并×I2Q1>Q2所以调差率小的分配的无功多,调差率大的分配到的无功少。并联机组无功功率分配二、发电机励磁系统的分类发电机的励磁方式按励磁电源的不同分为三种方式：①.一是直流励磁机励磁方式；②.二是交流励磁机励磁方式，其中按功率整流器是静止还是旋转的不同，又可分为交流励磁机静止整流器励磁方式(有刷)和交流励磁机旋转整流器励磁方式(无刷)两种；③.三是静止励磁方式，其中最具代表性的是自并励励磁方式，后两种励磁方式多用于大型水轮发电机组。

图2-3两机他励可控硅励磁2、他励图2-1自并励可控硅励磁图2-2自复励可控硅励磁1、自励方式3、自励系统的特点自励系统的特点：励磁电源取自发电机本身，经励磁变压器或(励磁变流器)供给静止整流装置，整个励磁装置没有转动部分，因此又称为静止励磁系统或全静态励磁系统。自励系统中最简单的一种是自并励方式，只用一台接在机端的励磁变压器作为励磁电源，通过受励磁调节器控制的晶闸管整流装置，直接控制发电机的励磁。4、励磁系统必须满足的基本要求(1)有足够的强励顶值电压。（励磁系统在强励时可能提供的最高励磁电压)，它与额定工况下的励磁电压之比，称为励磁系统强励电压倍数k。，其值一般取2，特殊情况下可高于或略低于2，但不宜低于l.8。(2)具有足够的强励电压上升速度。要提高电力系统的暂态稳定性，励磁系统不仅要有较高的强励倍数且同时要有足够的励磁电压上升速度。(3)有足够的调节容量。为适应各种运行工况的要求，励磁系统应保证励磁电流在1.1倍额定励磁电流时能长期运行，以及保证强励允许持续时间不小于10～20s。(4)运行稳定，工作可靠，响应快速，调节平滑并具有足够的电压调节精度。1、乌江渡发电厂微机励磁系统组成：乌江渡发电厂微机励磁系统主要由SAVR-2000双微机励磁调节一套、FLZ可控硅整流柜三套、LB励磁变压器一台、FLK灭磁开关一台、FLR非线性灭磁电阻一套，交直流初励装置一套组成。a、SAVR-2000微机励磁调节器负责完成发电机各种运行工况下的励磁调节及正常停机工况下的逆变灭磁控制任务。b、LB励磁变压器将发电机机端电压降压后为可控硅整流装置提供阳极电源。c、FLZ可控硅整流负责将励磁变压器提供的交流励磁电流整流成直流，为提供发电机各种运行工况下的励磁电流。同时还要进行逆变灭磁。d、FLK灭磁开关和FLR非线性灭磁电阻负责完成发电机事故状态下紧急停机时的快速分断磁场电流及灭磁任务。三、FWL/B微机励磁系统简介SAVR2000GFiringFiring1.1、励磁变励磁变将机端电压降压后为整流装置提供三相交流电源。其高压侧电压为15.75kV。低压侧为老厂740V、新厂730V。采用星三角型接法Yd11，中性点不接地（防止励磁回路一点接地故障时形成故障回路，造成励磁回路短路）。励磁变保护有励磁变速断、励磁变低压记忆过流/过负荷、励磁变温度过高。

1.2、FLZ可控硅整流柜1）、乌江电厂使用的是FLZ-2000型大容量的自并励系统。可控硅整流柜采用三相全控桥，配有三个整流柜，能满足发电机最大长期连续运行下要求的励磁电流（即1.1IL），并能满足两倍额定励磁电流下强励运行10秒的要求，单柜输出电流2000A。采用热管散热并配有小功率风机作备用，每柜配有风压及风温检测，并发相应的信号。2）、当有一柜发生故障时，故障柜的触发脉冲将切除，单独将故障柜退出运行，其余两柜还能保证正常运行和额定工况下的强励运行。当有两柜故障时，一柜只能满足机组的正常运行，不能满足强励要求。3）原理+-UdR3C3R1R2C1C2交流励磁电源～U2在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用可控硅管，构成上图所示的三相全波全控整流电路，可控硅元件要靠触发换流，当它工作时，通过控制可控硅元件SCR1～SCR6的控制角α,将有效值为u2的三相交流电压整流成不同的直流输出电压ud。对发电机而言，通过改变励磁电压值ud，达到改变励磁电流Id的目的。针对理想的电感负载RO，其对应关系为：

ud=1.35×u2×cosα（0°≤α＜180°）

对于自并激励磁系统，u2对应于励磁变压器付边电压，ud对应于发电机转子电压，Id对应于转子电流。触发角α的控制是通过励磁调节器输出与电压u2有一定时序关系的触发脉冲来实现的。按照一定的规律控制六只可控硅元件SCR1～SCR6，使它们按顺序导通，完成整流（0°＜α＜90°）或逆变（α＞90°）功能，从而达到增加励磁电流或减少励磁电流及逆变灭磁的目的。（1）过压保护：可控硅整流装置采用复合阻容吸收方式，其中二极管整流模块及R3，C3主要用于交流侧，由于可控硅的开通及关断造成换相过电压，R1C1及R2C2主要用于吸收可控硅自身的过电压。因交流侧电压u2还会遭受到开关等操作过电压的影响，还增加非线性电阻FR1～FR3来加以吸收，从而有效地保护可控硅元件。（2）过流保护：可控硅元件在使用中，会因为电流过大或承受的反压过大而损坏，所以要采取一定的措施来加以保护。防止因为过电流而损坏硅元件，一般采用快速熔断器，在每一个可控硅元件桥臂中都串联一只快速熔断器，这主要是防止回路中直流侧有短路等情况后，电流急剧增加而损坏可控硅元件，或者因为某一个硅元件损坏而造成短路引起事故。4）保护1）、水轮发电机的建压过程我厂发电机励磁起励采用残压起励。其过程为：发电机开机转速正常后，利用发电机转子内剩磁产生旋转磁场，在发电机定子上感应出高于额定电压10%的残压，当发电机电压升到额定电压的10%（1.575kV）时，自动投入励磁调节器和切断起励装置。此电压能使可控硅导通，保证可控硅励磁系统可靠起励工作，从而在发电机上建立起稳定的工作电压。如果发电机剩磁电压过低(小于10％U。)而导致可控硅励磁系统不能正常起励时，自动投入起励装置，对发电机进行起励。机端电压大于10%额定电压或起励9秒钟后起励回路自动切除。2、水轮发电机的建压及正常、事故下的灭磁过程2）、水轮发电机的逆变灭磁过程发电机正常灭磁采用逆变灭磁。即利用三相全控桥的逆变工作状态，控制角由小于90°的整流运行状态，突然后退到大于90°的某一适当角度，此时励磁电源改变极性，以反电势形式加于励磁绕组，将转子储能迅速地反馈到三相全控桥的交流侧电源中去，使转子电流迅速衰减到零，这样的灭磁过程称为逆变灭磁。3）、事故情况下的灭磁过程当发电机故障停机时FMK在收到停机指令后两主触头分闸。励磁绕组两端电压UL由正变负并且反向幅值增加；当UL反向数值达到一定数值时，与非线性电阻FR2、FR3串联的二极管和硅二极管均导通，励磁绕组与FR单独构成放电回路，直到磁场能量通过放电在非线性电阻上转化为热能。3、SAVR-2000发电机励磁调节器

1）、主要功能SAVR-2000励磁调节器的根本任务是维持发电机的机端电压恒定，因此，它的基本功能是调节及控制机端电压；同时，它还具有实时故障诊断及容错功能，智能调试及计算机辅助分析功能。（1）调节及控制功能保证发电机按要求升压、并网、增减无功负荷及逆变停机。保证发电机稳定运行于空载、发电、调相、停机等工况。可按要求选择起励方式：100%额定电压起励、零起升压；保证机组在突然甩负荷时机端电压迅速稳定在额定电压；保证无冲击地进行手动/自动的切换及双机切换；可实现电压闭环调节、电流闭环调节和定角度调节；电力系统稳定器（PSS）附加控制。（2）实时故障诊断及异常状态的限制功能A、欠励瞬时限制及保护发电机励磁电流减小到一定时，将从系统吸收无功进相运行，进相深度达到一定时将引起定子端部发热及稳定破坏，所以，须对其限制（如图1）。B、过励延时限制及保护：发电机输出一定有功对应一定最大无功，超过了线圈发热，所以要对输出无功加以限制（如图1）

图1同步发电机功率圆图2强励限制反时限特性pt(s)Q1.02.0IZ10C、发电机强励的反时限限制及保护为了防止励磁绕组长期过负荷而采取的限制励磁的措施，从转子发热考虑，当强励时，其允许的强励时间随励磁电流的增大而减小（如图2）D、可控硅整流柜快速熔断器熔断、停风、部分柜切除时的励磁电流限制E、V/F限制及保护：当机组转速下降时，如仍维持发电机电压恒定将引起转子磁饱和。为保护机组安全调节器将自动降低发电机电压；如频率低于45Hz，调节器将自动逆变灭磁。2）、装置基本原理

（1）装置基本原理励磁调节器的主要任务是维持发电机机端电压恒定。为此，励磁调节器需采集发电机机端交流电压Ua、Ub、UC，定子交流电流Ia、Ib、Ic，转子电流等模拟量。调节器通过模拟信号板将高压（100V）、大电流（5A）信号进行隔离并转换为±5V电压信号，将模拟信号转换为数字信号，然后计算出机端电压等测量量。然后程序的计算模块根据工控机的控制调节方式(电压闭环\电流闭环和定角度方式)的选择而进行计算,计算程序算出触发角，并将此角度送至大规模可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲，脉冲经放大板驱动后即完成一次调节控制。在控制调节的空闲时间，调节器进行各种限制判别、故障检测、联机调试、录波等工作；在双自动通道系统中，备用通道自动跟踪主通道的电压给定值和触发角。（2）单板原理脉冲电源双路电源系统电源模拟信号CPU开关信号脉冲放大(1)、主机插箱如图。①MBD207面板上的开关用于控制MBD206、MBD205的输入电源，自上而下三个灯分别表示：交流220V输入，直流220V输入，直流220V输出。②MBD206面板：脉冲电源板，输出5路相互隔离的电源。面板上的开关用于控制脉冲电源及操作电源的输出，自上而下三个灯分别表示：脉冲电源，开出继电器操作电源，开入电源（I）。③MBD205面板上的开关用于控制主机电源的输出，自上而下的三个灯分别表示：+5V，-12V，+12V。④MBD201：模拟信号板，该板主要的作用是进行电平隔离及变换。它将100V的电压及5A电流信号、同步信号引入隔离变压器变为电压信号；再将上述弱电信号传输至主机。同时将同步信号整型成为方波，供主CPU板产生脉冲。⑤MBD202面板：主CPU板，该板主控板上共有8只灯，分别表示+5V+12V，-12V，主/从，运行闪烁，故障，运行，调试。“主/从”表示该套是主套还是从套，亮表示主套。“运行闪烁”表示CPU运行状态，其闪烁的频率随运行状态的不同而变化。通常，负载运行时为1次/3秒，空载运行时为1次/1秒，待机运行时为3次/1秒。录波停止时为1次/6秒。“故障”表示该套运行不正常或外界回路有故障。运行”及“调试”分别表示该套是自动运行状态还是人工调试状态，它由面板上的“运行/调试”开关位置决定。通常应置于“运行”。MBD202板上的主从切换按钮用于两套间的人工切换。该按钮为自复位式按钮，当该套正常运行时，按下切换按钮即可设置该套为主机方式。⑥开关信号板（MBD203）：将外部开入量引入，通过光隔进行电气隔离，传送至主CPU板；同时主CPU板发出的开出信号输入，经光电隔离后输出。开关信号板上还有两套串口，一套用于与上位机通讯，另一套用于与工控机通讯。⑦脉冲放大板（MBD204）：将主CPU板上形成的小脉冲通过光电隔离及电平转换放大，输出。

3）、调节器各个窗口的功能介绍界面由7个窗口组成，分别为：主控窗、设置窗、信息窗、开关量、报警窗、参数窗和试验窗。通过鼠标点击窗口下方的分页栏可以选择相应的窗口。注：设置窗、信息窗、参数窗和试验窗只有在调节器“运行/调试”键在“调试”位才能点击其中的命令。

(1)．主控窗

其界面如图2所示。

定子电压模拟表转子电流模拟表开关量区模拟量区1模拟量区2控制按钮区①、定子电压模拟表：表计中蓝线表示发电机定子电压PT1的测量值，红线表示发电机定子电压的给定值。单位为“%”。②、转子电流模拟表：表计中蓝线表示发电机转子电流的测量值，红线表示发电机转子电流的给定值。单位为“%”。③、模拟量区1：“机端电压”表示发电机定子电压PT1的测量值，缺省单位为“%”，点击“%”则单位转换为“KV”；

“电压给定”表示发电机定子电压的给定值，缺省单位为“%”，点击“%”则单位转换为“KV”；

“触发角度”表示可控硅的触发角，单位为“度”。

“机组频率”表示发电机机端频率的测量值，单位为“HZ”。④、模拟量区2：

“转子电流”表示发电机转子电流的测量值，缺省单位为“A”，点击“A”则单位转换为“%”；

“电流给定”表示发电机转子电流的给定值，缺省单位为“A”，点击“A”则单位转换为“%”；

“有功功率”表示发电机有功功率的测量值，单位为“MW”

；

“无功功率”表示发电机无功功率的测量值，单位为“MVAR”。

⑤、开关量区：四个信息从上到下依次表示“调节器的主从状态”，“调节器的运行状态”，“

调节器的故障状态”和“调节器的控制方式”。

主控窗是运行时的主窗口，缺省显示A套调节器的信息，想要显示B套调节器的信息，请点击开关量区的第一项“A为主机”或“A为从机”。⑥、控制按钮区：点击按钮可以向A、B套调节器下发相应的命令。(只有在设置窗的“控制使能”命令投入后，该区控制按钮才有效)；

“增磁”：表示向A、B套调节器下发增磁命令，可以点击该按钮，也可以通过敲击键盘上的“+”键。控制按钮为白色表示命令投入，为绿色表示命令退出。

“减磁”：表示向A、B套调节器下发减磁命令，可以点击该按钮，也可以通过敲击键盘上的“-”键。控制按钮为白色表示命令投入，为绿色表示命令退出。

“开机”：表示向A、B套调节器下发开机命令。控制按钮为白色表示命令投入，为绿色表示命令退出；

“停机”表示向A、B套调节器下发停机命令。控制按钮为白色表示命令投入，为绿色表示命令退出；“停止录波/起动录波”表示向试验窗中选中的该套调节器下发停止录波或起动录波命令；

“阶跃试验/阶跃返回”表示向试验窗中选中的该套调节器下发阶跃试验或阶跃返回命令。只有在设置窗的“控制使能”和“阶跃使能”命令投入后，该命令才有效。

(2)．开关量其界面如图5所示。图5开关量

①、选择“开关量输入”开关量名称区将显示X1—X16共十六个输入开关量的名称，A套数据区将显示A套调节器的X1—X16的开关量输入值，B套数据区将显示B套调节器的X1—X16的开关量输入值。显示灯为绿色表示开关量输入值为“1”，为白色表示开关量输入值为“0”，此显示灯和开关量板的X1—X16灯相对应②、选择“开关量输出”开关量名称区将显示Y1—Y16共十六个输出开关量的名称，A套数据区将显示A套调节器的Y1—Y16的开关量输出值，B套数据区将显示B套调节③励磁开停机条件励磁开机条件：有励磁开机令，无停机令，95％转速令，机端电压大于10％额定电压。励磁停机条件：当空载状态时，出现以下任一条件均实现励磁停机。A、收到励磁停机令。B、机端电压过高（超过130%额定电压），调节器保护动作逆变。C、频率过低（低于45HZ），V/F限制动作逆变。(3)．报警窗其界面如图6所示。

A、B套调节器一旦检测到故障、告警和限制信号后，即使信号立刻消失，在窗口显示中仍将一直保持报警，直到点击“复归”按钮或报警保持时间大于“自复归时间”（缺省为24小时）后，当前所有的报警显示才被清除。①、自复归时间：可以设置自复归时间的长短，单位为小时；

②、故障滚动条和故障指示：A、B套调节器检测到故障信号后，在故障指示中显示“共有×处故障”，通过点动故障滚动条可以查看具体故障名称。

③、告警滚动条和告警指示：A、B套调节器检测到告警信号后，在告警指示中显示“共有×处告警”，通过点动告警滚动条可以查看具体告警名称。④、报警显示区：点击报警显示区后，将弹出故障分析定位窗口如图7所示，其中包括故障详细名称，动作时间，返回时间，动作原因和处理措施等信息。点击“确定”按钮后关闭该窗口。图7

故障分析定位窗

（2）我厂励磁系统采用的灭磁及过压保护装置

图1非线性电阻灭磁和过电压保护原理接线图FMK双断口灭磁开关FR1灭磁非线性电阻，FR2，FR3过电压保护压敏电阻，D二极管L发电机励磁绕组～励磁电源FFR2FR3FMKFR1FR1'L①、灭磁装置的工作原理A、发电机正常运行时工况发电机运行时，灭磁开关FMK合闸，发电机励磁电压经二极管或可控硅加在非线性电阻FR1、FR2、FR3上。对于灭磁非线性电阻FR1，因有反向二极管阻断，无正向电流也无反向电流（当可控硅整流时，因有负电压波，反向只有很小的漏电流）。对于过电压保护非线性电阻FR2、FR3因有正向可控硅，在过电压达动作触发之前，可控硅关断，回路无正向电流，也无反向电流。正常时，FR1、FR2、FR3不流过电流，不消耗能量，不影响主回路工作。B、发电机停机灭磁工况当发电机正常或故障停机时，都可依靠该装置进入快速灭磁并在灭磁过程中控制励磁回路产生的过电压在安全范围内。FMK在收到停机指令后两主触头分闸。由励磁绕组与FR单独构成放电回路，直到磁场能量通过放电在非线性电阻上转化为热能。4）、FLK灭磁开关柜FLK灭磁开关柜主要由FMK开关、初励装置和过压保护装置组成。（1）FMK开关控制回路如下图。四、励磁系统正常情况下的运行方式⑴.系统应随发电机的自动开机自动投