第二篇 300MW汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)

1、第二篇第二篇 300MW 300MW 汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng) 1 勵(lì)磁系統(tǒng)概述勵(lì)磁系統(tǒng)概述 2 交流勵(lì)磁機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)組 3 硅整流裝置硅整流裝置 4 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置 5 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 6 勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)整試驗(yàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)整試驗(yàn)1 勵(lì)磁系統(tǒng)概述勵(lì)磁系統(tǒng)概述1.1勵(lì)磁控制系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)需要有可調(diào)的直流磁場(chǎng)，以適應(yīng)運(yùn)行工況的變化。產(chǎn)生這個(gè)可調(diào)磁場(chǎng)的直流勵(lì)磁電流稱為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，為發(fā)電機(jī)提供可調(diào)勵(lì)磁電流的設(shè)備，構(gòu)成發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)。 勵(lì)磁系統(tǒng)一般由兩個(gè)基本部分組成：第一部分是勵(lì)磁功率單元(包括整流裝置及其交流電源)，它向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁

2、繞組提供直流勵(lì)磁電流；第二部分是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，它感受發(fā)電機(jī)電壓及運(yùn)行工況的變化，自動(dòng)地調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元輸出的勵(lì)磁電流的大小，以滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)行的要求。1.1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù)a) 在正常遠(yuǎn)行條件下，供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在給定水平上。b) 使并列運(yùn)行的各同步發(fā)電機(jī)組所帶的無功功率得到穩(wěn)定而合理的分配。c) 增加并入電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩，以提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及輸電線路的有功功率傳輸能力。d) 在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓嚴(yán)重下降時(shí)，強(qiáng)行勵(lì)磁，將勵(lì)磁電壓迅速增升到足夠的頂值，以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。e) 在發(fā)電機(jī)突然解列，甩負(fù)荷時(shí)，強(qiáng)行減磁，將勵(lì)磁電流迅速降到

3、安全數(shù)值，以防止發(fā)電機(jī)電壓過分升高。f) 在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，快速滅磁，將勵(lì)磁電流迅速減到零值，以減小故障損壞程度。 g) 在不同運(yùn)行工況下，根據(jù)要求對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行過勵(lì)磁限制和欠勵(lì)磁限制等限制，以確保發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1.1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)要求a) 具有足夠的強(qiáng)勵(lì)頂值電壓；b) 具有足夠的勵(lì)磁電壓上升速度；c) 具有足夠的調(diào)節(jié)容量；d) 應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，響應(yīng)快速，調(diào)節(jié)平滑并具有足夠的電壓調(diào)節(jié)精度。1.1.3 主要?jiǎng)?lì)磁方式（三種）直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī) 同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法；同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法； 多用于中小型汽輪發(fā)電機(jī)。

4、多用于中小型汽輪發(fā)電機(jī)。交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁靜止整流器式，也稱三機(jī)勵(lì)磁，靜止整流器式，也稱三機(jī)勵(lì)磁， 有刷勵(lì)磁有刷勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)整流器式，也稱無刷勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)整流器式，也稱無刷勵(lì)磁交流勵(lì)磁機(jī)方式 靜止勵(lì)磁方式靜止勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī) 同軸，采用自并勵(lì)或他勵(lì)接法。同軸，采用自并勵(lì)或他勵(lì)接法。 多用于大型型汽輪發(fā)電機(jī)。多用于大型型汽輪發(fā)電機(jī)。1.2 交流勵(lì)磁機(jī)靜止硅整流器勵(lì)磁系統(tǒng) 交流勵(lì)磁機(jī)靜止硅整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，也稱三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，有刷勵(lì)磁系統(tǒng)。原理圖如下:三機(jī)的主要問題是：（1）旋轉(zhuǎn)部件多，故障率高；（2）機(jī)組軸系長(zhǎng)，軸承座多，對(duì)軸系穩(wěn)定和機(jī)組安全運(yùn)行不利。1.3 交流勵(lì)磁

5、機(jī)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，也稱無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。原理圖如下:1.4 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) 自勵(lì)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)自身，經(jīng)勵(lì)磁變壓器(或勵(lì)磁變流器)供給靜止整流裝置，整個(gè)勵(lì)磁裝置沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，因此義稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)或全靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。 自勵(lì)系統(tǒng)中接線最簡(jiǎn)單的一種勵(lì)磁方式是自并勵(lì)方式，其原理圖如下：2 交流勵(lì)磁機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)組 交流勵(lì)磁機(jī)組(包括同軸的交流主勵(lì)磁機(jī)和交流副勵(lì)磁機(jī))是同步發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁供電電源設(shè)備，它與同步發(fā)電機(jī)向軸或通過聯(lián)軸揣直接相接。 按功率整流器是靜止或是旋轉(zhuǎn)的、交流主勵(lì)磁機(jī)分別對(duì)應(yīng)地設(shè)計(jì)成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式或電樞旋轉(zhuǎn)式兩類。交流

6、副勵(lì)磁機(jī)通常設(shè)計(jì)成永磁式交流發(fā)電機(jī)。2.1 主勵(lì)磁機(jī) 2.1.1磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式2.1.2電樞旋轉(zhuǎn)式 磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式交流勵(lì)磁機(jī)用于有刷型交流勵(lì)磁機(jī)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，其輸出經(jīng)靜止硅二極管（或晶閘管）裝六供主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁。 交流勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式的100Hz三相交流同步發(fā)電機(jī)，適合于帶整流負(fù)載，并具有強(qiáng)勵(lì)能力，有獨(dú)立的封閉式通風(fēng)系統(tǒng)，冷卻器按背包式結(jié)構(gòu)方式放置。 電樞旋轉(zhuǎn)式用于無刷型交流勵(lì)滋機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，其輸出經(jīng)旋轉(zhuǎn)硅二極管(或晶閘管)整流直接供主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁。這類交流勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)成電摳旋轉(zhuǎn)式的100Hz(成150Hz)三相交流同步發(fā)電機(jī)，適合于帶整流負(fù)載，并具有強(qiáng)勵(lì)能力。2.2 副勵(lì)磁機(jī)

7、副勵(lì)磁機(jī)的要求：a)輸出電壓波形接近正弦波，且具有較硬的輸出外特性；b)適宜帶可控整流負(fù)載，即要求其換相電抗小及由可按整流負(fù)載引起的轉(zhuǎn)子表面附加損耗??；c) 具有較高的工作頻率。副勵(lì)磁機(jī)400Hz500Hz感應(yīng)式副勵(lì)磁機(jī)存在需要外界的起勵(lì)電 源，電壓波形畸變較 大，噪聲較大等缺點(diǎn)。永磁式副勵(lì)磁機(jī)無需外界勵(lì)磁，無需起 勵(lì)和自勵(lì)恒壓裝置，電 勢(shì)波形好，噪音低效率 高等。目前300MW機(jī)組大多采用永磁式副勵(lì)機(jī)。2.3 備用勵(lì)磁裝置 為了提高勵(lì)磁控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，往往來用雙重化措施，以保證勵(lì)磁主回路和勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路工作可靠。在同軸三機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，雙重化措施包括有： (1) 永磁式副勵(lì)磁機(jī)向主勵(lì)磁

8、機(jī)磁場(chǎng)供電的回路中，由兩臺(tái)可控整流柜并聯(lián)運(yùn)行。 (2) 主勵(lì)磁機(jī)向發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)供電的回路中，由兩臺(tái)整流柜并聯(lián)上作。 (3) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中設(shè)有自動(dòng)(AC)和手動(dòng)(DC)兩個(gè)獨(dú)立工作的通道，正常運(yùn)行時(shí)，AC調(diào)節(jié)器工作，DC調(diào)節(jié)器備用，一旦AC調(diào)節(jié)器故障，將自動(dòng)切換到DC調(diào)節(jié)器工作。 (4) 勵(lì)磁主回路通常還設(shè)有備用勵(lì)磁裝置作為可控整流柜及其控制器的后備。3 硅整流裝置硅整流裝置 將交流勵(lì)磁電源獲得的交流電壓變換為可調(diào)的直流電壓、供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁需要，這是同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵(lì)碰系統(tǒng)中整流裝置的主要任務(wù)。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁及主勵(lì)磁機(jī)自身的勵(lì)磁需要的是直流電流，在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，進(jìn)行交一直流轉(zhuǎn)換的

9、設(shè)備是硅整流裝置。3.1三相橋式不可控整流電路3.2 三相橋式可控整流電路1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況當(dāng)a60 時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =00 （圖3-1 ） a =30 （圖3-2） a =60 （圖3-3）當(dāng)a60 時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值 波形圖： a =90 （ 圖3-4）帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120wwwwu2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuac uaucu

10、bwt1OtOtOtOta = 0iVT1uVT1圖3-1 a =00 圖3-2 a =300 wwwwud1ud2a = 30iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1圖3-3 a =600 圖3-4 a =900 wwwa = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacua ubucOtwt1OtOtuVT1ud1ud2uduaubucuaubwtOwtOwtOwtOwtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacub

11、cubaiVT1a60 時(shí)時(shí)（a =0 圖3-5；a =30 圖3-6）ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似。 各晶閘管的通斷情況 輸出整流電壓ud波形 晶閘管承受的電壓波形2) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況阻感負(fù)載時(shí)的工作情況主要包括a 60 時(shí)（時(shí)（ a =90圖3-7）阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。 電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。 阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90 。區(qū)別在于：得到的負(fù)載電流id波形不同。 當(dāng)電感足夠大的時(shí)候， id的波形可近似為一條水平線。圖3-5 a =00 圖3-6 a =300 ud1u2u

12、d2u2LudidwtOwtOwtOwtOuaa = 0ubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuac iVT1ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac wtOwtOwtOwtOidiawt1uaubuc圖3-7 a =900 a = 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuacwtOwtOwtOubucuawt1uVT13) 定量分析定量分析當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60 時(shí)）的平均值為： 帶電阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Raww

13、aacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232dawwaUttdUU當(dāng)整流變壓器為星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流的有效值為：ddddIIIII816.03232)(3221222晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為：REUIdd式中R和E分別為負(fù)載中的電阻值和反電動(dòng)勢(shì)的值。3.3 硅整流元件保護(hù) 硅整流元件（包括整流二極管和可控硅)是個(gè)導(dǎo)體半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置中的重要功率

14、器件。須在裝置中適當(dāng)?shù)夭扇”Ｗo(hù)措施。 通常采取的措施有：a) 過電流保護(hù)；b)過電壓保護(hù)；c) 電壓上升率限制；d)電流上升率限制。3.4 可控整流柜 在交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，可控整流柜(以下簡(jiǎn)稱裝置)的交流輸入電源是同軸副勵(lì)磁機(jī)，它的直流輸出負(fù)載是主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組。正常時(shí)為兩柜并聯(lián)運(yùn)行，但在一柜故障一柜單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，仍應(yīng)能滿足強(qiáng)勵(lì)要求。 可控整流柜通常采用三相全控橋式接線，為了提高共耐壓能力、每個(gè)橋臂若為兩只可控硅串聯(lián)，柜內(nèi)則故裝有6212只可控硅元件。 在可控整流柜中設(shè)置了那些保護(hù)措施，內(nèi)部布置如何等我們?cè)谶@里不再講解。4 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置4.1 同步發(fā)電機(jī)

15、滅磁原理 最簡(jiǎn)單的滅磁方法是將磁場(chǎng)回路斷開，則磁場(chǎng)電流瞬間到零，完成滅磁。但磁場(chǎng)繞組具有很大電感的、突然斷流會(huì)在其兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓，可能將絕緣擊穿。 常用的滅磁方法有：a) 恒值電阻放電滅磁；b) 非線性電阻放電滅磁；c) 滅弧柵滅磁；d) 逆變滅磁；4.2 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理 造成轉(zhuǎn)子過電壓的主要原因有：a) 發(fā)電機(jī)在失步和失步拉入同步的過程中，將引起轉(zhuǎn)子繞組過電壓。b) 發(fā)電機(jī)外部短路切除后的電壓恢復(fù)過程引起的轉(zhuǎn)子繞組過電壓。c) 發(fā)電機(jī)非同期并列引起的轉(zhuǎn)于過電壓。d) 從定子線圈耦合過來的大氣過電壓和操作過電壓。e) 發(fā)電機(jī)快速滅磁過程中斷開轉(zhuǎn)子回路時(shí)產(chǎn)生的過電壓。 常用的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)措施有：a) 固定電阻保護(hù)方式；b) 阻容保護(hù)方式；c) 轉(zhuǎn)子放電器保護(hù)方式；d) 可控硅雙向跨接器保護(hù)方式；e) 非線性電阻保護(hù)方式；5 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(或稱自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，AVR)是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的控制設(shè)備，其基本任務(wù)是檢測(cè)和綜合勵(lì)磁控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，包括發(fā)電機(jī)