第6讲同步发电机励磁系统幻灯片.ppt

1、,整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成了反馈控制系统。,向同步发电机转子提供直流电流,根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出,图3-1 励磁自动控制系统构成框图,page2,第二节 同步发电机励磁系统,同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。 在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的可靠性。为了防止系统电网故障对它的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源。 起励方式也应力求简单方便。,page3,第二节 同步发电机励磁系统,直流励磁机励磁系统,交流励磁机励磁系统,静止励磁系统,在电力系

2、统发展初期，机组容量小,机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟,与发电机同轴旋转,page4,一、 直流励磁机励磁系统,直流励磁机励磁系统是早期使用的系统 功率单元为直流励磁机 自动励磁调节器一般为电磁式励磁调节器,20世纪60年代出现了与直流励磁机配用的可控硅开关式励磁调节器,80年代又出现了与直流励磁机配用的大功率晶体管开关式励磁调节器 靠机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只能在100MW以下中小容量机组中采用 直流励磁机大多与发电机同轴，靠剩磁来建立电压的 按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又可分为自励式和他励式两种,page5,一、 直流励磁机励

3、磁系统自励型,励磁机DE和发电机G同轴,靠剩磁启励建立电压. 励磁机发出的电流，一部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过磁场变阻RC，送给励磁机的励磁绕组。 图中励磁调节器是电磁式的，它输出的功率来自发电机电压互感器和电流互感器。 由于励磁机向它自己提供励磁电流,所以称为自励。,page6,一、 直流励磁机励磁系统自励型,IEE=IRC+IAVR,IEE发电机机的励磁电流； IAVR自动励磁调节器输出的电流； IRC励磁机提供的励磁电流。 由于电流互感器和电压互感器的容量有限，也由于当时的整流技术输出较大的电流有困难，所以IAVR很小，只占IEE的一小部分，励磁机的励磁电流大部分是由励磁机经过磁

4、场变阻器提供的。,page7,一、 直流励磁机励磁系统他励型,它与自励的不同之处在于： 多了一台副励磁机，励磁机的励磁电流不再由它自己供给,而是由另一台与励磁机同轴的副励磁机PE供给，所以称为他励 他励直流励磁机的励磁电流： IEE=IPE+KZIAVR,page8,一、 直流励磁机励磁系统他励型,自励直流励磁机中,IRC的增加促使励磁机电压UDE增加,而IRC的增加又依靠UDE的增加,IRC和UDE的这种关系就使得励磁机的励磁时间常数增大了 而他励直流励磁机则不然,它没有IRC和UDE的相互依赖的关系,励磁时间常数只决定于励磁机励磁绕组的结构和参数。 所以他励直流励磁机的时间常数比自励直流励

5、磁机的时间常数小。,page9,一、 直流励磁机励磁系统他励型,由于水轮发电机的机械转动惯量大、励磁绕组的时间常数大,会使得励磁自动控制系统的动态指标变差。这种情况下,减小励磁机的时间常数对保证励磁自动控制系统的稳定性和动态指标具有重要作用。 因此,他励直流励磁机励磁系统多用于水轮发电机,尽管比自励多一台副励磁机。,page10,一、 直流励磁机励磁系统他励型,对直流励磁机励磁系统的基本评价,1.结构简单、运行可靠 2.直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的薄弱环节。机组容量越大,励磁电流也越大,当发电机容量大于100MW时,直励机供给励磁,换向

6、问题难以解决 4.与同容量的交流励磁机或变压器相比,体积大,造价高 5.常采用电磁型调节器，反应速度慢 因此，直流励磁机励磁系统只用于100MW及以下的发电机,page11,二、 交流励磁机励磁系统,整流技术发展和大容量硅整流元件的出现，产生了交流励磁机励磁系统 目前，容量在100MW以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系统 同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机 励磁功率单元由与发电机同轴的交流励磁机和硅整流器组成, 根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同分为自励和他励两种方式,1）他励交流励磁机励磁系统,交流励磁机静止整流器励磁系统 交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁),自励

7、交流励磁机静止可控整流器励磁系统 自励交流励磁机静止整流器励磁系统,2）自励交流励磁机励磁系统,page12,（一）他励型交流励磁机静止整流器励磁系统,励磁系统由与主机同轴的交流励磁机、中频交流副励磁机和调节器等组成 因交流励磁机的励磁电流不是由它自己供给的，所以称这种励磁机为他励交流励磁机 交流副励磁机配有一个自励恒压调节器维持其端电压为恒定值 由于交流副励磁机的启励电压比较高,不能像直流励磁机那样依靠剩磁启励。所以,在机组启励时必须外加启励电源,直到交流副励磁机输出的电压足以使自励恒压调节器正常工作时,启励电源方可退出工作,page13,交流副励磁机输出的交流电经过可控硅整流器整流后给励磁

8、机励磁 交流励磁机输出的交流电经过不可控硅整流器整流后变成直流，供给发电机作励磁电流 励磁调节器通过控制可控硅整流器中可控硅整流元件的控制角改变交流励磁机的励磁电流，来控制发电机励磁电流,（一）他励型交流励磁机静止整流器励磁系统,page14,对该系统的评价：,由于取消了直流励磁机，不存在换向问题，而交流励磁机的容量可以做得很大，所以这种励磁系统的励磁容量不受限制 交流励磁机的时间常数较大，为了提高励磁系统的响应速度，励磁机转子采用叠片结构,以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100Hz或150Hz 。 同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加，造价较

9、高 有滑动接触部件滑环，转子电流受限制，且需要一定的维护工作量 一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁,如果采用永磁发电机作为副励磁机不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性也可大为提高 由于可控硅的控制角变化很快，发电机励磁电流可以很快变化，因此这种励磁系统刚问世时被称为快速励磁系统,（一）他励型交流励磁机静止整流器励磁系统,page15,静止整流器交流励磁系统对发电机提供励磁电流的路径中有滑环与炭刷 转子滑环通过的极限电流为约为800010000A,超过这一极限应取消滑环. 为了提高发电机组容量，必须设法取消滑环，使整个系统都无滑动接触元件，产生了无刷励磁系统,（一）

10、他励型交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,page16,（一）他励型交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,与他励交流励磁机静止整流励磁系统区别在于： 交流副励磁机为永磁发电机 没有炭刷 交流励磁机的励磁绕组和电枢绕组的位置与一般发电机相反: 励磁绕组放在定子上静止不动; 电枢绕组放在转子上和发电机同轴旋转, 而且永磁发电机的永磁极也在转子上。在发电机旋转时, 交流励磁机的电枢绕组、硅整流器和发电机转子一起同轴旋转。,page17,（一）他励型交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,由于整流器和发电机转子是相对静止的,所以不需要由滑环和炭刷将整流器的输出和转子绕组连接起来,可直接连接

11、,简化了运行维护，可靠性提高，无碳粉污染，电机寿命长，适用于大机组。 由于相对静止，因此这种系统又称为无刷励磁。,page18,对该系统的基本评价：,（1）解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难，为制造巨型机组提供了技术保证 （2）取消了滑环和炭刷，维护量小，不易引起火灾 （3）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。 （4）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。 （5）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。 (为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构

12、外，还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。),（一）他励型交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,page19,（6） 整流器的元器件是随转子一起转动的，由此引起了一系列技术问题 a.无法实现转子回路直接灭磁（励磁开关跳闸后发电机自然灭磁相对时间较长，一般用逆变灭磁） b.无法对励磁回路直接测量(如转子电流、电压,转子绝缘等),必须采用特殊的方法测量,用新的、复杂的仪表； c.无法对整流元件的工作情况进行直接监测； d.要求整流器和快速熔断器等有良好的力学性能,能适应高

13、速旋转的离心力 目前技术已成熟,在大型机组使用,国外较多,我国也用,将作为今后的主要励磁方式。,（一）他励型交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,page20,发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给。 它与他励静止整流器励磁系统区别在于这种励磁系统取消了副励磁机,自动励磁调节器通过控制可控硅整流器中晶闸管的控制角直接控制发电机的励磁电流。,（二）自励型交流励磁机静止可控整流器励磁系统,与自励直流励磁机一样，自励交流励磁机的励磁电源也是从本机获得 不同：自励直流励磁机为了调整电压需要一个磁场电阻，自励交流励磁机为了维持其端电压恒定，则改用了可控整流元件,page21,与他

14、励静止整流器励磁系统相比有以下特点：,交流励磁机采用自励方式，起励电压较高；缩短了机组主轴长度； 正常工作时由电子励磁调节器直接控制晶闸管整流器，对发电机励磁电流进行控制,所以时间常数小,快速性好; 可控硅整流器控制的电流大,需要的可控整流设备容量大。 晶闸管励磁的励磁机容量要比硅整流励磁的大得多。,（二）自励型交流励磁机静止可控整流器励磁系统,page22,发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置V供给 电子型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，以达到调节发电机励磁的目的 与图2-17励磁方式相比其响应速度较慢，增加了交流励磁机自励回路环节 交流励磁机自并励方式使励磁系统结构大为简化，是汽轮发电机常用的励磁方式,（二）自励型交流励磁机静止整流器励磁系统,page23,三、 静止励磁系统（发电机自并励系统）,发电机的励磁功率电源取自发电机端，经励磁变压器T降压、晶闸管整流器VS整流后给发电机励磁。 由于励磁变压器是并联在发电机端的,且发电机向自己提供励磁功率,所以这种系统叫做自并励励磁