第二篇 300MW汽轮发电机的励磁系统

Ud

3 带电阻负载且a >60时，整流电压平均值为：
3
a
Ud
3



3
a
6U 2 sin wtd (wt ) 2.34U 2 1 cos( a ) 3
输出电流平均值为 ：Id=Ud /R
当整流变压器为星形接法，带阻感负载时， 变压器二次侧电流的有效值为：
常用的转子过电压保护措施有：
a) b) c) d) e) 固定电阻保护方式； 阻容保护方式； 转子放电器保护方式； 可控硅双向跨接器保护方式； 非线性电阻保护方式；
5 自动励磁调节器
自动励磁调节器(或称自动电压调节器，AVR) 是发电机励磁控制系统中的控制设备，其基本任务 是检测和综合励磁控制系统运行状态的信息，包括 发电机机端电压UG、有功功率P、无功功率Q、励 磁电流If和频率f 等，并产生相应的控制信号．控制 励磁功率单元的输出、达到自动调节励磁、满足发 电机及系统运行需要的目的。
1）带电阻负载时的工作情况
当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形 与ud波形形状一样，也连续
波形图： a =00
（图3-1 ）
a =30 （图3-2） a =60 （图3-3）
当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不 能出现负值
波形图： a =90 （ 图3-4）
4.2 转子过电压保护原理
造成转子过电压的主要原因有： a) 发电机在失步和失步拉入同步的过程中，将 引起转子绕组过电压。 b) 发电机外部短路切除后的电压恢复过程引起 的转子绕组过电压。 c) 发电机非同期并列引起的转于过电压。 d) 从定子线圈耦合过来的大气过电压和操作过 电压。 e) 发电机快速灭磁过程中断开转子回路时产生 的过电压。
2.1.1磁场旋转式 磁场旋转式交流励磁机用于有刷型交流励磁机静止 整流器励磁系统，其输出经静止硅二极管（或晶闸管） 装六供主机转子绕组励磁。 交流励磁机设计成磁场旋转式的100Hz三相交流同步 发电机，适合于带整流负载，并具有强励能力，有独立 的封闭式通风系统，冷却器按背包式结构方式放置。 2.1.2电枢旋转式 电枢旋转式用于无刷型交流励滋机旋转整流器励 磁系统，其输出经旋转硅二极管(或晶闸管)整流直接 供主机转子绕组励磁。这类交流励磁机设计成电抠旋 转式的100Hz(成150Hz)三相交流同步发电机，适合 于带整流负载，并具有强励能力。
ua
ub
uc
ua
ub
O ud2 ud uab Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ uac ubc uba uca ucb uab uac
wt
wt
uac ubc uba uca ucb uab uac ubc uba
O
wt
O
wt
id O iVT 1
wt wt wt
uVT
1
uac
uac
O ia
O
wt
O
图3-3 a
uab
4 灭磁及转子过电压保护装置
4.1 同步发电机灭磁原理
最简单的灭磁方法是将磁场回路断开，则磁场电流瞬 间到零，完成灭磁。但磁场绕组具有很大电感的、突然 断流会在其两端产生很高的感应过电压，可能将绝缘击 穿。 常用的灭磁方法有： a) 恒值电阻放电灭磁； b) 非线性电阻放电灭磁； c) 灭弧栅灭磁； d) 逆变灭磁；
多用于中小型汽轮发电机。
交流励磁机励磁
静止整流器式，也称三机励磁， 有刷励磁 旋转整流器式，也称无刷励磁
静止励磁方式——直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用自并励或他励接法。 交流励磁机方式 静止励磁方式 多用于大型型汽轮发电机。
1.2 交流励磁机静止硅整流器励磁系统
交流励磁机静止硅整流器励磁系统，也称三 机励磁系统，有刷励磁系统。原理图如下:
第二篇 300MW 汽轮发电机的励磁系统
• • • • • • 1 励磁系统概述 2 交流励磁机组 3 硅整流装置 4 灭磁及转子过电压保护装置 5 自动励磁调节器 6 励磁系统的调整试验
1 励磁系统概述
1.1励磁控制系统
发电机需要有可调的直流磁场，以适应运行工况的 变化。产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励 磁电流，为发电机提供可调励磁电流的设备，构成发电机 的励磁系统。 励磁系统一般由两个基本部分组成：第一部分是励磁 功率单元(包括整流装置及其交流电源)，它向发电机的励 磁绕组提供直流励磁电流；第二部分是励磁调节器，它感 受发电机电压及运行工况的变化，自动地调节励磁功率单 元输出的励磁电流的大小，以满足系统远行的要求。
自动励磁调节据有模拟型和数字型两类。
6 励磁系统的调整试验
1.1.1 励磁系统的任务
a) 在正常远行条件下，供给发电机励磁电流，维持发电 机机端电压在给定水平上。 b) 使并列运行的各同步发电机组所带的无功功率得到稳 定而合理的分配。 c) 增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力 系统动态稳定性及输电线路的有功功率传输能力。 d) 在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下 降时，强行励磁，将励磁电压迅速增升到足够的顶值， 以提高电力系统的暂态稳定性。 e) 在发电机突然解列，甩负荷时，强行减磁，将励磁电 流迅速降到安全数值，以防止发电机电压过分升高。 f) 在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁电 流迅速减到零值，以减小故障损坏程度。 g) 在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励磁限 制和欠励磁限制等限制，以确保发电机组的安全稳定 运行。
永磁式副励磁机——无需外界励磁，无需起 励和自励恒压装置，电 势波形好，噪音低效率 高等备用励磁装置
为了提高励磁控制系统的运行可靠性，往往来用双重化措施， 以保证励磁主回路和励磁调节回路工作可靠。在同轴三机励磁 控制系统中，双重化措施包括有： (1) 永磁式副励磁机向主励磁机磁场供电的回路中，由两台可 控整流柜并联运行。 (2) 主励磁机向发电机磁场供电的回路中，由两台整流柜并联 上作。 (3) 励磁调节器中设有自动(AC)和手动(DC)两个独立工作的通 道，正常运行时，AC调节器工作，DC调节器备用，一旦AC调 节器故障，将自动切换到DC调节器工作。 (4) 励磁主回路通常还设有备用励磁装置作为可控整流柜及其 控制器的后备。
2.2 副励磁机
副励磁机的要求： a) 输出电压波形接近正弦波，且具有较硬的 输出外特性； b) 适宜带可控整流负载，即要求其换相电抗 小及由可按整流负载引起的转子表面附加 损耗小； c) 具有较高的工作频率。
副励磁机 400Hz~500Hz
感应式副励磁机——存在需要外界的起励电 源，电压波形畸变较 大，噪声较大等缺点。
2 交流励磁机组
交流励磁机组(包括同轴的交流主励磁机 和交流副励磁机)是同步发电机交流励磁机硅 整流励磁系统的励磁供电电源设备，它与同 步发电机向轴或通过联轴揣直接相接。 按功率整流器是静止或是旋转的、交流主 励磁机分别对应地设计成磁场旋转式或电枢 旋转式两类。交流副励磁机通常设计成永磁 式交流发电机。 2.1 主励磁机
仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：
Id
式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。
Ud E R
3.3 硅整流元件保护
硅整流元件（包括整流二极管和可控硅)是个 导体半导体励磁装置中的重要功率器件。须在 装置中适当地采取保护措施。 通常采取的措施有： a) 过电流保护； b) 过电压保护； c) 电压上升率限制； d) 电流上升率限制。
=600
图3-4 a =900
2) 阻感负载时的工作情况
a≤60时（a =0 图3-5；a =30 图3-6）
ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。
主要 包括 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形
区别在于：得到的负载电流id波形不同。 当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。
I2 1 2 2 2 2 2 I d ( I d ) 3 3 2 I d 0.816 I d 3
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路 工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流 波形均相同。
a >60时（ a =90图3-7）
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。 阻感负载时，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 。
u u2 a = 0°a ud1 t1 Ow ud2 u2L ud
ub
uc
ud1
1.1.2 励磁系统的技术要求 a) b) c) d) 具有足够的强励顶值电压； 具有足够的励磁电压上升速度； 具有足够的调节容量； 应运行稳定，工作可靠，响应快速，调 节平滑并具有足够的电压调节精度。
1.1.3 主要励磁方式（三种）
直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机
同轴，采用并励或他励接法；
3 硅整流装置
将交流励磁电源获得的交流电压变换为可调 的直流电压、供给发电机转子励磁绕组的励磁需要， 这是同步发电机半导体励碰系统中整流装置的主要 任务。同步发电机的励磁及主励磁机自身的励磁需 要的是直流电流，在励磁控制系统中，进行交一直 流转换的设备是硅整流装置。
3.1三相桥式不可控整流电路
3.2 三相桥式可控整流电路
wt
ud
O
wt
O
wt
iVT
1
uVT
O
1
uab uac ubc uba uca ucb uab uac
wt
u VT
1
uab
uac
ubc
uba
uca
ucb
uab
uac
O
wt
O
wt
ia O
uab
uac
uab uac
wt
图3-1 a =00
图3-2 a =300
ud1
a = 60° wt1
ua
ub
uc
ud1 O ud2 ud uab
三机的主要问题是： （1）旋转部件多，故障率高； （2）机组轴系长，轴承座多，对轴系稳定和机组安 全运行不利。
1.3 交流励磁机旋转硅整流器励磁系统
交流励磁机旋转硅整流器励磁系统，也称无 刷励磁系统。原理图如下:
1.4 自并励励磁系统
自励系统的共同特点是，励磁电源取自发电机自身， 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，因此义称为静止励磁系统 或全静态励磁系统。 自励系统中接线最简单的一种励磁方式是自并励方 式，其原理图如下：
a= 30° u
a
ub
uc
w t
O wt1
wt
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ uab uac ubc uba uca ucb uab uac
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ uab uac ubc uba uca ucb uab uac
ud2 ud
O
wt
O
wt
id O iVT
1
id
wt wt
O ia O
wt
wt
O
图3-5 a
=00
图3-6 a =300
u d1
a = 90°
ub
uc
ua
O u d2 ud
wt1
Ⅰ u ac Ⅱ u bc Ⅲ u ba Ⅳ u ca Ⅴ u cb Ⅵ u ab
wt
u ab
u ac
O
wt
u
VT
1
u ac
u ac
O u ab
wt
图3-7 a =900
3) 定量分析
当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻 负载a≤60时）的平均值为： a 1 23 6U 2 sin wtd (wt ) 2.34U 2 cos a
3.4 可控整流柜
在交流励磁机励磁系统中，可控整流柜(以下简称装置) 的交流输入电源是同轴副励磁机，它的直流输出负载是主 励磁机的励磁绕组。正常时为两柜并联运行，但在一柜故 障一柜单独运行时，仍应能满足强励要求。 可控整流柜通常采用三相全控桥式接线，为了提高共耐 压能力、每个桥臂若为两只可控硅串联，柜内则故装有 6×2＝12只可控硅元件。 在可控整流柜中设置了那些保护措施，内部布置如何等 我们在这里不再讲解。
带电阻负载时三相桥式全控整流电路 a角的移相范 围是120
ua u2 a = 0° ud1 O wt1 ud2 u2L ud
ub
uc
a = 30° u
wt
ud1
a
ub
uc
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ uab uac ubc uba uca ucb uab uac
O ud2
wt1
Ⅰ uab Ⅱ uac Ⅲ ubc Ⅳ uba Ⅴ uca Ⅵ ucb uab uac