励磁系统原理课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,发电机励磁系统原理,主讲人：康亚周,国电南瑞科技股份有限公司,二零一零年七月,一、发电机励磁系统的任务,1,、维持发电机或其他控制点的电压在给定水平,保证电力系统运行设备的安全,保证发电机运行的经济性,提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定性的要求在许多方面是一致的,一、发电机励磁系统的任务,2,、控制并联运行机组无功功率合理分配,并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。,一、发电机励磁系统的任务,3,、,提高电力系统的稳定性,静态稳定性,暂态稳定性,动态稳定性,二、励磁系统的分类,同步发电机的励磁系统种类较多，目前在电力系统中使用的有以下几种类型,:,1,、交流励磁机系统,交流励磁系统是早期汽轮发电机组主要的励磁方式。,交流励磁机系统主要有以下几种,他励交流励磁机系统（三机他励励磁系统）,交流主励磁机（,ACL,）和交流副励磁机（,ACFL,）,都与发电机同轴。副励磁机可以采用自励恒压式的，,其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电；也,可采用永磁发电机作副励磁机，亦称三机他励励磁,系统。,图,2-1,图,2-2,自励交流励磁机系统,自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是由该机的出口电压经励磁变压器后获得。交流励磁机输出经由可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；该系统有两个调节器，自励恒压调节器控制主励磁机转子侧可控硅整流装置，并向励磁机转子提供励磁电流；主调节器控制发电机转子侧可控硅整流装置，调整其输出电流。其原理见图,2-3,，亦称为两机自励恒压励磁系统。,另一种交流励磁机系统也没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅的触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统，其原理图见图,2-4,。,二、,励磁系统的分类,图,2-3,图,2-4,无刷励磁系统,常规励磁系统的励磁机电枢与整流装置都是静止的，而且常规励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件,.,随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火的现象。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。在这种励磁方式中整个系统没有任何转动接触元件。,二、,励磁系统的分类,图,2-5,图,2-6,无刷励磁系统中，主励磁机（,ACL,）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。,无刷励磁系统中的副励磁机（,PMG,）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转，其原理图见图,2-5,。还有一种无刷系统：主励磁机的励磁电源是发电机出口电压经励磁变来的，其原理图见图,2-6,。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题。,无刷励磁系统,(,续）,二、,励磁系统的分类,二、,励磁系统的分类,2,、静止励磁系统,静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。目前常用一台励磁变压器并联在机端，来提供励磁电源，称为自并励方式。其原理图如图,2-7,所示。,图,2-7,自并激方式的优点是：设备和接线比较简单，无转动部分，较高的可靠性，造价低，励磁变压器放置自由，缩短了机组长度，励磁调节速度快。但对采用这种励磁方式，人们普遍有两点顾虑,:,第一、发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否失磁；第二、由于短路电流的迅速衰减，有些继电保护可能会拒绝动作。,3,、直流励磁机系统,用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励磁电流的系统称为直流励磁机系统。其中的直流发电机被称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴。,直流励磁机系统又分为自励与他励两种方式。,自励直流励磁机系统,发电机（,F,）的转子绕组由专门的自励式直流励磁机（,L,）供电，,Rc,为励磁机磁场调节电阻，该励磁系统可以用手动调节,Rc,的大小，改变励磁机的磁场电流，达到手动调节发电机转子电流的目的；也可以由自动励磁调节器改变励磁机磁场电流，达到自动调节发电机端电压的目的。原理图如图,2-8,所示。,二、,励磁系统的分类,图,2-8,图,2-9,他直流励磁机系统,带副励磁机的直流励磁机系统称为他励直流励磁机系统。其原理如图,2-9,所示。通常副励磁机和主励磁机都与发电机同轴。他励直流励磁机系统比自励直流励磁机系统多了一台副励磁机（,FL,）。主励磁机有,2,个励磁绕组。,LQ,为主励磁绕组。,LLQ,为附加励磁绕组，用作,AVR,的输入。这里他励与自励的区别是对励磁机的励磁方式而言的。他励直流励磁机方式多用于水轮发电机。,直流励磁机励磁的优点：,简单可靠、设备投资及运行费用都较少。,励磁机的运行只与发电机的原动机有关，与外部电网无联系，所以外部电网的故障不会影响励磁机的正常运行。,直流励磁机的缺点：维修工作量大，检修励磁机必须机。,二、,励磁系统的分类,三、自并励励磁系统的原理,1,、基本配置,自并激静止励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流装置、自动励磁调节器及起励装置、灭磁及转子过压保护装置等组成。图,3-1,为南瑞电气控制公司,FWL/B,型静止励磁系统的接线原理框图。,图,3-1,励磁变压器,励磁变压器为励磁系统提供励磁能源。对于自并激励磁系统的励磁变压器，通常不设自动开关。高压侧可加装高压熔断器，也可不加。励磁变压器可设置过电流保护、温度保护。容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。大多小容量励磁变压器一般自己不设保护。变压器高压侧接线必须包括在发电机的差动保护范围之内。,早期的励磁变压器一般都采用油浸式变压器。近年来，随着干式变压器制造技术的进步及考虑防火、维护等因素的影响，一般采用干式变压器。对于大容量的励磁变压器，往往采用三个单相干式变压器组合而成。励磁变压器的联接组别，通常采用,Y/,-11,组别。与普通配电变压器一样，励磁变压器的短路压降为,4%,8%,。,可控硅整流装置,自并激励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法。这种接法的优点是半导体元件承受的电压低，励磁变压器的利用率高。在自并激励磁系统中多采用全控桥。对三相全控桥，对于电感负载，当控制角在,0-90,之间时，为整流状态（产生正向电压与正向电流）。当控制角在,90,-,165,之间时，为逆流状态（产生负向电压与正向电流）。因此当发电机负载发生变化时，通过改变可控硅的控制角来调整励磁电流的大小，以保证发电机的机端电压恒定。,对于大型励磁系统，为保证足够的励磁电流，多采用数个整流桥并联。整流桥并联支路数的选取原则为,N+1,个桥。,N,为保证发电机正常励磁的整流桥个数。即当一个整流桥因故障退出时，不影响励磁系统的正常励磁能力。,励磁控制装置,励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路。对于大型机组的自并激励磁系统中的自动电压调节器，多采用基于微处理器的微机型数字电压调节器。励磁调节器测量发电机机端电压，并与给定值进行比较，当机端电压高于给定值时，增大可控硅的控制角，减小励磁电流，使发电机机端电压回到设定值。当机端电压低于给定值时，减小可控硅的控制角，增大励磁电流，维持发电机机端电压为设定值。,目前南瑞电气控制分公司已经投入运行的有：,SJ800(,已停止生产,);SAVR2000;NES5100,灭磁及转子过电压保护装置,灭磁及转子过电压保护装置可配置有：磁场断路器、线性灭磁电阻、非线性电阻；当采用线性灭磁电阻时需要与磁场断路器常闭触头配合使用，而且还需要配置单独的转子过电压保护装置。,而采用非线性电阻灭磁时，可以同时兼顾转子的过电压保护。因此，非线性电阻灭磁方式在大型发电机组，特别是水轮发电机组中得到了大量应用。国内使用较多的为高能氧化锌阀片；而国外使用较多的为碳化硅电阻。目前国内一些大型机组也采用机械开关加碳化硅灭磁,.,三、自并励励磁系统的原理,2,、调节器基本工作原理,励磁调节器正常运行时有自动方式和手动方式，两种方式的基本工作原理相同，即通过比较测量反馈值与参考值（有别于设定值）的误差，计算出控制电压（自动方式下还经过一个欠励限制环节），再经过转子电压反馈产生可控硅的控制角，输出相对于同步电压理想自然换流点有一定相位滞后的触发脉冲。,。,三、自并励励磁系统的原理,2,、调节器基本工作原理,电压闭环并联,PID,模型,电流闭环并联,PID,模型,三、自并励励磁系统的原理,3,、整流电路基本工作原理,将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务。对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务之外，在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源，进行逆变灭磁。此外，在励磁调节器的测量单元中使用的多相（三相、六相或十二相）整流电路，则主要是将测量到的交流信号转换为直流信号。,三、自并励励磁系统的原理,3,、整流电路基本工作原理,三、自并励励磁系统的原理,3,、整流电路基本工作原理,三相全控桥式整流电路输出电压,U,d,的波形在一个周期内为匀称的六段，即输出电压,U,d,的周期是阳极电压周期的六分之一，故计算其平均电压,U,d,在,90,时，输出平均电压,U,d,为正值，三相全控桥工作在整流状态，将交流转变为直流。,三、自并励励磁系统的原理,4,、逆变电路基本工作原理,在,90,时，输出平均电压,U,d,则为负值，三相全控桥工作在逆变状态，将直流转变为交流。在半导体励磁装置中，如采用三相全波全控整流电路，当发电机内部发生故障时能进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈给交流电源去，以减轻发电机损坏的程度。此外，在调节励磁过程中，如使,90,，则加到发电机转子的励磁电压变负，能讯速进行减磁。,三、自并励励磁系统的原理,4,、逆变电路基本工作原理,逆变工作状态（,=120,）,=150,及,=180,时的逆变波形,三、自并励励磁系统的原理,5,、灭磁与过压保护,灭磁系统的作用是当发电机内部及外部发生诸如短路及接地等事故时迅速切断发电机的励磁，并将储存在励磁绕组中的磁场能量快速的消耗在灭磁回路中。,三、自并励励磁系统的原理,5,、灭磁与过压保护,常用的灭磁方式：,线性电阻灭磁,非线性电阻灭磁,当采用线性灭磁电阻时需要与磁场断路器常闭触头配合使用，而且还需要配置单独的转子过电压保护装置。,而采用非线性电阻灭磁时，可以同时兼顾转子的过电压保护。因此，非线性电阻灭磁方式在大型发电机组，特别是水轮发电机组中得到了大量应用。国内使用较多的为高能氧化锌阀片；而国外使用较多的为碳化硅电阻。,三、自并励励磁系统的原理,5,、灭磁与过压保护,线性电阻灭磁。,三、自并励励磁系统的原理,5,、灭磁与过压保护,非线性电阻灭磁。,谢谢！,