励磁培训教材10年版 第一篇励磁原理及发展

-1-
NES-5100 发电机微机励磁系统培训教材(第三版)
L
AVR
图 1-1
可控相复励
1970 年代中期，天传所还为河南安阳发电厂一台 10 万 KW 汽轮发电机研制了无刷励磁 装置，同时还参加了从英国 Brush 公司引进的一台 23MW 燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿 制。同一时期，为给葛洲坝电站励磁方案进行中间试验，天传所（东方电机厂参加）在湖南 省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。 在中小型发电机上， 天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统， 国内还开发过谐波 励磁系统，最大的一台是用在河北邯郸马头电厂＃25MW 汽轮发电机上。
目
录
第一章 发电机励磁系统的发展及现状 ........................................... 1 1.1 励磁主回路的发展动态 ................................................... 1 1.2 励磁调节器发展动态 ..................................................... 3 1.2.1 银针式调压器：..................................................... 4 1.2.2 炭阻式调压器....................................................... 4 1.2.3 式(摆动接触式)调压器............................................. 5 1.3 国外励磁发展动态 ...................................................... 10 第二章 发电机励磁系统的作用及分类 .......................................... 21 2.1 励磁系统作用 .......................................................... 21 2.1.1 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 ...... 21 2.1.2 控制并联运行机组无功功率合理分配 .................................. 21 2.1.3 提高电力系统的稳定性.............................................. 21 2.2 励磁系统分类 .......................................................... 25 2.2.1 交流励磁机系统.................................................... 25 2.2.2 静止励磁系统...................................................... 28 2.2.3 直流励磁机系统（选读）............................................ 31 2.2.4 谐波励磁系统（选读）.............................................. 32 第三章 发电机励磁系统的组成与算法 .......................................... 33 3.1 励磁系统的配置 ........................................................ 33 3.1.1 自并激励磁系统的基本配置.......................................... 33 3.1.2 他励交流励磁机静止硅整流器方式（三机他励励磁系统） ................ 34 3.1.3 他励交流励磁机两机励磁系统........................................ 35 3.1.4 他励交流励磁机静止可控硅励磁方式（两机励磁） ...................... 36 3.1.5 他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统) ............................ 37 3.2 励磁控制系统的控制算法 ................................................ 39 3.2.1 PID 调节及其算法 .................................................. 39 3.2.2 转子电压软负反馈（励磁系统稳定器 ESS） ............................ 41 3.2.3 励磁电压硬负反馈.................................................. 41 3.3 励磁调节器的基本工作原理 .............................................. 42 3.4 电力系统稳定器 ........................................................ 44 3.4.1 低频振荡原理...................................................... 45 3.4.2 PSS 作用原理 ...................................................... 46 3.4.3 电力系统稳定器参数选择............................................ 47 3.4.4 对电力系统稳定器的基本要求........................................ 48 3.4.5 PSS 实现的方法 .................................................... 48 第四章 可控硅整流装置 ...................................................... 51
NES-5100 发电机微机励磁系统培训教材(第三版)
第一章 发电机励磁系统的发展及现状
1.1 励磁主回路的发展动态
在上世纪 60 年代以前，同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式，由于 当时发电机单机容量不大，输电线路不长，因此基本上能满足当时的要求，但直流励磁机维 护困难，炭刷易产生火花，换向器易于磨损，随着发电机单机容量的增大，励磁容量也相应 增大，当汽轮发电机单机容量达 10 万千瓦，励磁机容量已近 500 千瓦，而同轴的转速为每 分钟 3000 转的直流电机，受限于换向的极限容量仅为 500 千瓦。当时大容量发电机或是用 齿轮减速后驱动直流励磁机，或是用带大飞轮的独立驱动的电动发电机供励磁。 后来， 随着硅整流元件出现， 直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替， 交流励、 磁机的容量基本上不受限制。 在 1960 年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院， 组 织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。 这种方式在大型汽轮发电机上一直 延用至今。 为减小时间常数， 交流励磁机通常采用频率 100-250 周， 中频付励磁机用 350-500 周，早期中频付励磁机采用感应子式，转子上无绕组，近年来已逐步被永磁发电机所代替。 1960 年代初，可控硅元件刚出现，电流、电压定额较低，所以他励式可控硅静止励磁 用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出 1960 年代末期天津电气传动设计研究所，在发展我国各种主回路励磁方式上，起了很大作用，例 如在 1969 年率先研制，并在天津第一发电厂 4＃机 25MW 汽轮发电机上，投运了直流侧电流 相加的自复励可控硅励磁系统， 并励部分用的是三相半控整流桥。 串联部分用的是三相二极 管整流桥。1971 年投运了由天传所设计，上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参 与生产的富春江 2＃机 60MW 发电机的自复励可控硅励磁系统，容量为当时国内最大。并励 的功率部分用的是三相半控整流桥， 限于当时国内生产元件的水平， 富春江水电厂的可控桥 臂是由（700V,200A）可控硅元件 4 串 6 并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站 8800KW 发电机设计了他励可控硅励磁系统，可控硅整流桥用三相全控桥，整流桥每臂 SCR 2 串 5 并，于 72 年投运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台 4 万 KW 发电 机上。与此同时，在参照河北省岗南水电站从日本进口的 10MW 抽水蓄能发电机励磁的基础 上，还设计出了可控相复励的励磁系统，在湖北省一台 10MW 调相机上运行。 整流器是不可 控的，是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节，后者由饱和电抗器 L 控制，本方案 可靠性高，缺点是相复励变压器，饱和电抗器体积大。动态响应差。
4.1 可控硅的主要参数 ...................................................... 51 4.2 整流电路的原理 ........................................................ 55 4.3 异常情况下的波形分析 .................................................. 62 4.4 半导体励磁系统的保护 .................................................. 65 第五章 灭磁与过压保护 ...................................................... 70 5.1 灭磁概述 .............................................................. 70 5.2 灭磁分类 .............................................................. 72 5.3 灭磁系统设计考虑工况 .................................................. 76 5.4 灭磁设计需要考虑的几个问题 ............................................ 76 5.5 ZNO 阀片的选择 ........................................................ 79 5.6 灭磁系统参数复核 ...................................................... 79 5.7 灭磁系统用部件介绍 .................................................... 79 5.8 过电压及其抑制 ........................................................ 81 5.8.1 过电压的分类...................................................... 81 5.8.2 抑制过电压的措施.................................................. 85 5.8.3 过电压装置的配置.................................................. 89 5.9 轴电压及其抑制 ........................................................ 89