技能培訓(xùn)資料之發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理和作用

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分,其主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流電壓來控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓,滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要,同時(shí)控制發(fā)電機(jī)組間無功功率的合理分配,提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性,可靠性。

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。維持機(jī)端電壓

在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下,勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置應(yīng)維持發(fā)電機(jī)端電壓或主變壓器高壓側(cè)電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí),要保證發(fā)電機(jī)的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵(lì)磁。勵(lì)磁系統(tǒng)主要任務(wù)

1.維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在給定水平；

2.控制無功功率的分配；

3.提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性；

4.提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作準(zhǔn)確性；

5.快速滅磁。

維持機(jī)端電壓

在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下,勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置應(yīng)維持發(fā)電機(jī)端電壓或主變壓器高壓側(cè)電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí),要保證發(fā)電機(jī)的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵(lì)磁。從發(fā)電機(jī)簡化相量圖可知：Eq=Uf+jLXd

其中，Eq-發(fā)電機(jī)空載電勢；Uf-發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；If-發(fā)電機(jī)定子電流；Xd-發(fā)電機(jī)同步電抗。

由上式可知,在發(fā)電機(jī)空載電勢Eq恒定的情況下,發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Uf會(huì)隨發(fā)電機(jī)定子電流If增加而降低,隨發(fā)電機(jī)定子電流If降低而增加。要保證發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓Uf恒定,必須隨發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流的增加或減小而增加或減小發(fā)電機(jī)的空載電勢Eq。而Eq是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IL的函數(shù),若不考慮飽和,則空載電勢Eq和勵(lì)磁電流IL成正比。故在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中,隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流變化,發(fā)電機(jī)的端電壓也將隨之變化,要使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓維持在給定水平,需要通過勵(lì)磁裝置的調(diào)節(jié)作用,自動(dòng)增加或減少勵(lì)磁電流。

無功功率分配

當(dāng)發(fā)電機(jī)并列于電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),它輸出的有功取決于原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率,而輸出的無功則與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流有關(guān),實(shí)際運(yùn)行中,發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的母線不會(huì)是無窮大母線,這時(shí)改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁會(huì)使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無功功率都發(fā)生變化,但端電壓變化較小,而無功功率會(huì)有較大的變化。控制并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間的合理無功分配是勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的一個(gè)重要功能。并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)機(jī)組之間是如何合理分配無功功率的呢這與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的調(diào)差率有關(guān)。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的調(diào)差率是這樣來定義的勵(lì)磁裝置調(diào)差功能投入,發(fā)電機(jī)給定電壓不變,發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為零的條件下,當(dāng)發(fā)電機(jī)的無功負(fù)荷從零增加至額定時(shí),用發(fā)電機(jī)額定電壓百分?jǐn)?shù)表示的機(jī)端電壓變化率K,即公式二：K(%)=(UF0-UFR)/UFE式中，K-發(fā)電機(jī)調(diào)差率；UFO-發(fā)電機(jī)空載機(jī)端電壓；UFE-發(fā)電機(jī)額定電壓；UER-發(fā)電機(jī)無功電流為定子額定電流時(shí)的機(jī)端電壓。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的調(diào)差率反映了在勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置作用下發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓UFR隨無功輸出的變化率。發(fā)電機(jī)端電壓UF可能隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流IR的加大而降低,即UF<ufo,這時(shí),稱發(fā)電機(jī)有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機(jī)端電壓uf可能隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>UFO,則稱發(fā)電機(jī)有負(fù)的電壓調(diào)差;若發(fā)電機(jī)端電壓UF不隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流IR的變化而變化,即UF=UFO稱發(fā)電機(jī)沒有電壓調(diào)差,為無差調(diào)節(jié)。</ufo,這時(shí),稱發(fā)電機(jī)有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機(jī)端電壓uf可能隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流ir的加大而升高,即uf><ufo,這時(shí),稱發(fā)電機(jī)有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機(jī)端電壓uf可能隨發(fā)電機(jī)輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>當(dāng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端直接并聯(lián)在一起工作時(shí),為了使并聯(lián)機(jī)組間有穩(wěn)定的無功分配,這些發(fā)電機(jī)都必須有正的電壓調(diào)差,且要求調(diào)差率K=3%~5%。若發(fā)電機(jī)是單元接線,即它是通過升壓變壓器在高壓母線上并聯(lián),則要求發(fā)電機(jī)有負(fù)的調(diào)差,負(fù)調(diào)差的作用是部分補(bǔ)償無功電流在升壓變壓器上形成的壓降,從而使電廠高壓母線更加穩(wěn)定。

提高運(yùn)行穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題分為三類,即靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾作用是的穩(wěn)定性,即受到小干擾作用后恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力而暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾主要是短路作用是的穩(wěn)定性,即在大干擾作用后系統(tǒng)能否在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定工作而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到干擾后包括小干擾和大干擾,在考慮了各種自動(dòng)控制裝置作用的情況下,長過程的穩(wěn)定性問題。

運(yùn)行的基本要求是并入系統(tǒng)的所有發(fā)電機(jī)要保持同步運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行中,隨時(shí)會(huì)遭受到各種擾動(dòng),要求自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的三類穩(wěn)定運(yùn)行的改善都有顯著的作用。靜態(tài)穩(wěn)定性

若發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢Eq恒定,則發(fā)電機(jī)的有功功率Pf將隨功率角δ變化,通常將如△P/△t作為電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù),當(dāng)如△P/△t時(shí),系統(tǒng)是穩(wěn)定的,反之是不穩(wěn)定的。對于無自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)來說,在△δ<90°占的情況下,系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。即穩(wěn)定極限角為90°。

若發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中可自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁,則此時(shí)Eq為變化的值,當(dāng)由于的增加引發(fā)的發(fā)電機(jī)定子電流增加使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓減小時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置將調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使Eq增加,使發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定在一定水平,從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)調(diào)節(jié)的功能。

暫態(tài)穩(wěn)定性

當(dāng)發(fā)電機(jī)受到大的擾動(dòng)時(shí),能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行,是暫態(tài)穩(wěn)定研究的問題。而提高勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)行勵(lì)磁能力提高電壓強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)及電壓上升速度通常被認(rèn)為是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的最經(jīng)濟(jì)及最有效的手段之一。與勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)行勵(lì)磁關(guān)，主要以勵(lì)磁頂值電壓倍數(shù)、勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間、勵(lì)磁電壓響應(yīng)比為考量。

動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

態(tài)穩(wěn)定是研究電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后,恢復(fù)到原始平衡點(diǎn)或過渡到新的平衡點(diǎn)過程的穩(wěn)定性?？梢岳斫鉃殡娏ο到y(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼問題。當(dāng)阻尼為正時(shí),動(dòng)態(tài)是穩(wěn)定的當(dāng)阻尼為負(fù)時(shí),動(dòng)態(tài)是不穩(wěn)定的阻尼為零時(shí),是臨界狀態(tài)。對于零阻尼或很小的正阻尼,都是電力系統(tǒng)運(yùn)行的不安全因素,應(yīng)采取措施提高阻尼。

勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)作用,是造成電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的阻尼變?nèi)跎踔磷冐?fù)的最重要的原因之一,在正常應(yīng)用的范圍內(nèi),勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼作用會(huì)隨著開環(huán)增益的增大而加強(qiáng),而提高電壓調(diào)節(jié)精度的要求和提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的要求是矛盾的。目前采用PPS（電力胸膛穩(wěn)定器）來提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

提高繼保準(zhǔn)確性

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí),發(fā)電機(jī)的短路電流衰減較快,可能使發(fā)電機(jī)后備保護(hù)無法動(dòng)作,此時(shí)由于勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)作用,使發(fā)電機(jī)的短路電流甚至略有上升,這樣,使電力系統(tǒng)的短路電流大大加大,從而使繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏度得到提高。

如何快速滅磁

當(dāng)發(fā)電機(jī)或者升壓變壓器采用單元式接線內(nèi)部故障時(shí),為了降低故障所造成的損害,要求發(fā)電機(jī)能夠快速滅磁,這樣防止轉(zhuǎn)子過壓,保證發(fā)電機(jī)在事故情況下的安全。

勵(lì)磁電流的獲取方式

直流發(fā)電機(jī)供電的勵(lì)磁方式

這種勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)具有專用的直流發(fā)電機(jī)，這種專用的直流發(fā)電機(jī)稱為直流勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁機(jī)一般與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵(lì)磁機(jī)獲得直流電流。

這種勵(lì)磁方式具有勵(lì)磁電流獨(dú)立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點(diǎn)，是過去幾十年間發(fā)電機(jī)主要?jiǎng)?lì)磁方式，具有較成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。缺點(diǎn)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護(hù)工作量大，故在10MW以上的機(jī)組中很少采用。

交流勵(lì)磁機(jī)供電的勵(lì)磁方式

現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)有的采用交流勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流。交流勵(lì)磁機(jī)也裝在發(fā)電機(jī)大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式屬他勵(lì)磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵(lì)靜止勵(lì)磁，交流副勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流。

交流副勵(lì)磁機(jī)可以是永磁機(jī)或是具有自勵(lì)恒壓裝置的交流發(fā)電機(jī)。為了提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度，交流勵(lì)磁機(jī)通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機(jī)，而交流副勵(lì)磁機(jī)則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機(jī)。

這種發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個(gè)齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

無勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式

在勵(lì)磁方式中不設(shè)置專門的勵(lì)磁機(jī)，而從發(fā)電機(jī)本身取得勵(lì)磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機(jī)本身勵(lì)磁，稱自勵(lì)式靜止勵(lì)磁。自勵(lì)式靜止勵(lì)磁可分為自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)兩種方式。自并勵(lì)方式它通過接在發(fā)電機(jī)出口的整流變壓器取得勵(lì)磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，這種勵(lì)磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。

自復(fù)勵(lì)磁方式除沒有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機(jī)定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時(shí)，給發(fā)電機(jī)提供較大的勵(lì)磁電流，以彌補(bǔ)整流變壓器輸出的不足。這種勵(lì)磁方式具有兩種勵(lì)磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。

在改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流中，一般不直接在其轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行，因?yàn)樵摶芈分须娏骱艽螅槐阌谶M(jìn)行直接調(diào)節(jié)，通常采用的方法是改變勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。常用的方法有改變勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路的電阻，改變勵(lì)磁機(jī)的附加勵(lì)磁電流，改變可控硅的導(dǎo)通角等。

這里主要講改變可控硅導(dǎo)通角的方法，它是根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應(yīng)地改變可控硅整流器的導(dǎo)通角，于是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管，可控硅電子元件構(gòu)成，具有靈敏、快速、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機(jī)的過電壓和實(shí)現(xiàn)快速滅磁。自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的目的。

同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵(lì)磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。調(diào)差單元的作用是為了使并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定和合理地分配無功負(fù)荷。

穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進(jìn)的單元。勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元用于改善勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。限制單元是為了使發(fā)電機(jī)不致在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的條件下運(yùn)行而設(shè)置的。必須指出并不是每一種自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置都具有上述各種單元，一種調(diào)節(jié)器裝置所具有的單元與其擔(dān)負(fù)的具體任務(wù)有關(guān)。

自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的組成部件有機(jī)端電壓互感器、機(jī)端電流互感器、勵(lì)磁變壓器；勵(lì)磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用DC220v合閘電源；需要提供以下空接點(diǎn)，自動(dòng)開機(jī).自動(dòng)停機(jī).并網(wǎng)（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓100V，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流5A，母線電壓100V，勵(lì)磁裝置輸出以下繼電器接點(diǎn)信號；勵(lì)磁變過流，失磁，勵(lì)磁裝置異