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发电机励磁系统资料
发电机励磁系统
一、简介：
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统，励磁系统是一种直流电源装置。
励磁系统一般由两部分组成：
（如图一所示）一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。
另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。
励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流,即励磁电流，以建立直流磁场。
励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。
在电力系统运行中，发电机依靠电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。
而且它有足够的励磁顶值电压和电压上升速度具有较大的强励能力和快速的响应能力。
励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，是整个励磁系统中较为重要的组成部分。
励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。
系统正常运行时，励磁调节器就能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。
应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。
在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。
图一
二、励磁系统必须满足以下要求：
1、正常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。
2、整流装置提供的励磁容量应有一定的裕度，应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。
3、调节器应设有相互独立的手动和自动调节通道；
4、励磁系统应装设过电压和过电流保护及转子回路过电压保护装置。
三、励磁系统方式：
励磁方式，就是指励磁电源的不同类型。
一般分为三种：
直流励磁机方式、交流励磁机方式、静止励磁方式。
静止励磁系统。
由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。
自并励静止可控硅整流励磁系统主接线原理图:
FMK（灭磁开关）
LFCT（电流互感器）
ZB（励磁变）PT（互感器）
SCR
自动励磁调节器（AVR）
图6-2
图二
自动励磁控制系统原理框图
F
整流器
移相触发
比较放大
测量
-
给定
+
图三
励磁系统的组成：
（1）励磁系统主回路：
励磁变、功率柜、灭磁电路、过压过流保护电路等
（2）励磁调节器：
测量回路、比较放大、移相触发、整流器等
自并励方式的优点：
设备和接线比较简单；由于励磁系统无转动部分，具有较高的可靠性；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，是一种高起始响应的励磁系统；当主整流器采用三相全控桥时，可用逆变来灭磁，使灭磁时间短。
自并励方式的缺点：
整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路故障形式（三相、两相或单相短路）和故障点远近等因素的影响；需要起励电源；存在滑环和碳刷。
四、励磁系统主回路：
1、励磁变 ：
励磁变压（流）器供给整流装置，为整个励磁系统的电源。
整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统。
2、功率柜整流
可控硅三相全控桥电路，其接线特点是六个桥臂元件全都采用可控硅管，共阴极组的可控硅元件及共阳极组的可控硅元件都要靠触发换流。
它既可工作于整流状态，将交流变成直流；也可工作于逆变状态，将直流变成交流。
正是因为有逆变状态，励磁装置在正常停机灭磁时，就不需要跳灭磁开关，可以大大减轻了灭磁装置的工作负担。
三相全控桥整流电路原理接线见图1-10，这里，六个可控硅按+A、-C、+B、-A、+C、-B顺序轮流配对导通，在一个360度周期内，每个可控硅导通120度。
KRD是快速熔断器，起保护可控硅的作用。
RC是可控硅阻容保护，主要吸收可控硅换相时的过电压，可限制可控硅两端的电压上升率，有效防止误导通。
运行实践表明，RC对励磁系统过电压毛刺的影响最大，选择合理的参数非常重要。
YGK表示三相电源刀闸或电动开关，由于功率柜都是先切脉冲后跳开关，再加上使用电动开关后的维护工作量较大，现在一般都使用刀闸。
ZDK表示直流输出刀闸。
在图1-10中，整流输出电压Ud（平均电压）同阳极电压Uy（线电压有效值）和控制角α的关系式：
Ud=1.35UyCOSα，这里的α范围一般是20～120度。
整流电流的平均值Id同阳极线电流有效值Iy的关系式：
Iy=0.817Id。
值得注意的是，电流关系的这种表达式，只在全控桥外接大电感和大电容负载情况下存立，比如发电机转子负载。
对于全控桥带电阻负载，电流表达式还与α有关系。
Id
KRD1KRD3KRD5FL
A
IyC1C3C5
Uy+AR1+BR3+CR5
○○
○○ZDKUd
○○
YGK-AC4-BC6-CC2
R4R6R2
KRD4KRD6KRD2
图1-10三相全控整流桥原理接线图
可控硅元件的工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示
图1可控硅等效图解图
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。
此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。
此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。
这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1
表1可控硅导通和关断条件
状态
条件
说明
从关断到导通
1、阳极电位高于阴极电位
2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
1、阳极电位高于阴极电位
2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断
1、阳极电位低于阴极电位
2、阳极电流小于维持电流
任一条件即可
三相桥式全控整流电路
应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）
编号：
1、3、5，4、6、2
图2-17三相桥式全控整流电路原理图
假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通
任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态
三相桥式全控整流电路的特点：
（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
（2）对触发脉冲的要求：
按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。
共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。
表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载a=0°时晶闸管工作情况
时 段
I
II
III
IV
V
VI
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压Ud
Ua-Ub=Uab
Ua-Uc=Uac
Ub-Uc=Ubc
Ub-Ua=Uba
Uc-Ua=Uca
Uc-Ub=Ucb
（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发，另一种方法是双脉冲触发（常用）。
图2-19三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30°时的波形
图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60°时的波形
图2-21三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90°时的波形
小结
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
当a>60°时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值。
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°
可控硅过电压保护
加于可控硅元件上的瞬时反向电压，达到反向击穿电压，将造成可控硅元件的反向击穿，导致可控硅元件的损坏。
产生过电压的原因，除了大气过电压之外，主要是由于系统中断路器操作过程，以及可控硅元件本身换相关断过程，在电路中激发起电磁能量的互相转换和传递而引起的过电压。
利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。
为了限制电容器的放电电流，以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。
一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧、直流侧及硅元件本身的过电压保护。
用于单相或三相交流侧、直流侧的过电压阻容保护，如图30（a）、（b）所示。
并联于可控硅元件两端的阻容保护接线如图30（c）所示。
图30阻容吸收保护的接线
可控硅过电流保护：
快速熔断器是硅元件的过电流保护器件，可防止回路短路。
快速熔断器，其熔断时间一般在0.01s以内，专门用作硅元件的过电流保护器件。
其熔体（或称熔片）的导热性能良好而热容量小，能快速熔断。
通常是每个硅元件串联一个快速熔断器。
+A+B+C
id
a
～bcR
-A-B-C
功率柜风机操作电路
采用半敞开式强迫风冷方式
进风口采用空调滤尘网
硅组件布置采用并联结构
流阻小
无温差
提高停风机输出能力
A683B683C683N683
61FZK
61FQK310ZJ312ZJ61CQ61RJ
A671B671C67161CQ
61CQ61CQ61CQ63CJ62CQ
ZTS61CQ61FLD
61FHD
61FJ
图5-9励磁风机操作图
励磁风机主要是通过分冷，带走可控硅运行时产生的热量，使功率柜能够正常运行。
在图5-9中，FZK为风机的电源自动开关，该开关设置有速断过电流保护，当风机发生短路或过载电流达到保护动作值时，开关自动分闸，以保护风机及电源系统，防止危及其他部位的正常工作。
FQK是风机的控制方式切换开关。
当开关置于“Z”位置时，风机处于自动控制状态；开关置于“S”位置时，风机处于手动控制状态。
当风机处于自动控制状态时，机组LCU装置可以将风机设置为运行状态，也可以设置为备用状态，既可以启动，亦可以命令停止。
“T”位置是风机的退出运行状态位置。
63CJ在回路中的作用是在机组并网运行时，自动将未运行的风机设置为备用状态。
当运行风机因故停止运行时，自动启动未运行的备用风机为运行风机，以保证励磁功率柜不会失去冷却。
3、灭磁及过电压保护：
自动灭磁装置是在发电机开关和励磁开关跳闸后，用于消除发电机磁场和励磁机磁场，为的是在发电机切开后尽快降低发电机电压至零。
线性电阻的灭磁原理：
FMK跳闸时，因励磁电流不能突变，其两端将产生弧压Uk，该弧压减去功率柜整流电压Ud后，使励磁电压Uf由正常运行时的上正下负变为下正上负，此时二极管D导通，励磁电流开始经Rm2和D续流。
由于Rm2很小，励磁电流在Rm2上的压降也不很高，因而较安全。
一旦FMK的弧电流下降到不能维持，FMK就彻底断开了，灭磁能量由FMK转移到续流电阻上，灭磁电压和灭磁时间就由励磁电流和续流电阻确定。
正如前面所述，利用恒阻值电阻放电，其电压和电流都将呈指数衰减，且时间较长。
UkUk
SCRD
FMKFFMKF
Rm1Rm2
UdUfUdUf
图4-2开关灭磁原理接线图4-3线性电阻灭磁原理接线
励磁系统应装设自动灭磁装置及灭磁开关。
对采用三相全控桥的励磁系统宜采用逆变灭磁作为正常跳闸时的灭磁方式，自动灭磁开关作为事故时的灭磁方式。
氧化锌灭磁装置，即采用的非线性电阻是氧化锌电阻。
我们知道，在灭磁开关灭磁系统中，转子的灭磁主要是依靠灭磁开关的灭弧栅吸能来灭磁。
而在非线性电阻灭磁系统中，一般也有灭磁开关FMK，但其作用主要是用来接通和断开转子回路，使转子建立起反电势并击穿非线性电阻Rf，将转子磁场能量由开关转移到非线性电阻上，因而一般都是属移能型灭磁系统。
非线性电阻灭磁系统原理接线如图4-4。
这里，ZTC是自动投入电阻Rz的接触器，由FMK跳闸并延时投入，延时时间一般为1秒左右，主要考虑因数是在氧化锌电阻完成大部分灭磁任务后，及时投入Rz，一方面吸收发电机阻尼绕组能量，另一方面短接停机过程中的发电机转子，防止转子出现过电压。
IkFMKZTC
FUt
RfRz
Irf
图4-4非线性电阻灭磁原理接线图
起励操作回路
601602
24ZJ62361ZJ
调节器起励令
61ZJ62463CJ625QLC
起励接触器
图5-3起励操作回路
起励操作回路见图5-3，这里24ZJ是自动励磁调节器的起励命令开出继电器。
当调节器接受到LCU发出的起励命令或调节器面板上的手动起励命令时，将自动检查励磁系统的状态，满足起励条件时即发出起励命令，驱动24ZJ，进而驱动QLC，投入起励电源，使发电机建立初始电压。
同时调节器不断检测发电机的机端电压（或励磁电流，依起励方式而定），当机端电压（或励磁电流）达到起励解除值时，自动撤除起励命令，24ZJ返回，解除QLC，起励电源退出，自动励磁调节器进入自动闭环调节状态。
如果在给定的时间内，发电机机端电压（或励磁电流）未能达到起励解除值时（给定时间为5秒），调节器也将自动撤消起励命令，解除起励电源，同时发出“起励失败”信号。
在起励的过程中，如果励磁系统存在故障，励磁调节器也将自动撤消起励命令并发出“起励失败”信号，并且不允许再次起励。
只有在励磁系统故障消除以后才允许再次起励。
起励接触器回路中串联有机组出口断路器的位置重复继电器常闭接点，其目的是防止出口断路器在合闸状态下（即机组在网上运行）起励而使机组工况受到干扰。
五、励磁调节器
在同步发电机空载运行中，转子以同步转速n旋转时，励磁电流产生的主磁通Φ0切割N匝定子绕组感应出频率为f=pn/60的三相基波电势，其有效值E0同f，N,Φ0以及绕组系数k的关系：
E0=4.44fNkΦ0
这样，改变励磁电流If以改变主磁通Φ0，空载电势E0值也将改变，二者的关系就是发电机的空载特性E0=f（If）或发电机的磁化特性Φ0=f（Ff）。
在发电机空载状态下，空载电势E0就等于发电机端电压Ut，改变励磁电流也就改变发电机端电压。
完成电压控制的设备是由励磁调节器，励磁电源，发电机等组成，同步发电机励磁控制系统框图的一般形式如图1-1所示。
信号比较放大
给定信号
励磁电源
发电机
Ug+UfUfUt
-
其他信号
Uc
测量信号
励磁调节器
图1-1同步发电机励磁控制系统框图
在图1-1中，虚线框内是励磁调节器的基本原理框图。
按照调节原理，一个控制调节装置，至少要有三个环节或单元。
第一是测量单元，它是一个负反馈环节；第二是给定单元，它是调节中的参考点；第三是比较放大单元，它将测量值同参考值进行比较，并对比较结果的差值进行放大，从而输出控制电压Uk。
这里的励磁电源是指可控硅整流装置。
对于一个励磁控制系统来说，电压控制就是维持发电机端电压在设定位置。
为实现这一目的，首先就要设定电压，要有一个给定信号Ug，以便明确电压控制值；其次要测量电压，看发电机端电压是多少，这里由发电机电压互感器PT和调节器中的测量板组成，将Ut变为Uc；最后，由调节器比较给定值和测量值，当测量值小于给定值时，励磁装置增加励磁电流If，使发电机端电压上升，当测量值大于给定值时，励磁装置减少If使发电机端电压下降。
微机励磁控制器通过测量发电机三相定子电压和定子电流以及整流桥的阳极交流电流，并计算出发电机端电压Ut、有功功率P、无功功率Q以及励磁电流If的当前值，同时测量可控硅同步电压并计算机组当前频率值。
将上述当前值与给定值进行比较，再按最优励磁控制的原理计算出可控硅控制角α。
三种运行方式
第一是恒机端电压运行即自动运行，它对发电机端电压偏差进行最优控制调节，并完成自动电压调节器的全部功能，是调节器的主要运行方式。
第二是恒励磁电流运行即手动运行，它对励磁电流偏差进行常规比例调节，由于只能维持励磁电流的稳定运行，故无法满足系统的强励要求，是调节器的备用和试验通道。
恒励磁电流运行方式，一般是在恒机端电压运行下出现强励、PT断线、功率柜故障等情况时，调节器自动转换，故障消除后又自动恢复。
第三是恒无功运行，它对发电机无功偏差进行常规比例调节，其投入也是自动的，比如调节器过励或欠励动作后，调节器就自动由恒机端电压运行转入恒无功运行，起稳定无功的作用。
当这些限制复归后，其运行方式也自动恢复到恒机端电压运行。
五种限制功能
第一是瞬时/延时过励磁电流限制，即强励限制。
所谓强励就是励磁电压的快速上升，衡量强励能力的指标是强励倍数，它是指最大励磁电压和额定励磁电压的比值，MEC取1.8倍。
由于励磁装置强励时，励磁电流大大超过其额定值，故为了励磁装置设备的安全，应对强励时的励磁电流进行限制。
MEC的强励限制曲线是一个反时限曲线，又称为瞬时/延时过励磁电流限制，当励磁电流达到1.8倍额定值时，延时20秒；达到2.4倍时，延时0秒；只有1.1倍时，延时无穷大。
强励限制动作后，调节器由恒电压运行方式自动转为恒励磁电流方式，限制励磁电流。
第二是功率柜仃风或部分功率柜故障退出运行时的励磁电流限制。
当励磁整流柜冷却消失或部分功率柜故障时，励磁装置的输出能力就会下降，此时若发生励磁强励或励磁电流太大，就会造成励磁功率柜过载损坏，故一旦发生上述情况，调节器就有恒电压运行方式自动转化为恒励磁电流运行，相当于取消励磁强励功能，限制励磁电流。
第三是发电机无功功率过载限制，其限制值一般为额定无功功率。
这样当发电机的无功超过其额定值时，正在恒电压运行方式下的调节器则自动转为恒无功运行，由于此时给定值是额定无功值，这样就限制了无功功率过载。
第四是发电机无功功率欠励磁限制，也就是发电机无功进相限制。
发电机并网运行，由于系统电压变高，调节器就减少励磁电流，当励磁电流减少过多时，定子电流就会超前端电压，发电机开始从系统吸收滞后无功功率即进相运行。
如果进相太深，则有可能使发电机失去稳定而被迫停机即失磁保护动作。
为配合发电机静稳功率圆和热稳限制线，欠励限制也是一条直线。
图2-3是一幅典型的发电机稳定曲线图，横坐标为有功P，纵坐标为无功Q，直线L1是欠励限制线，其上方表示低励运行区，可按励磁系统要求进行整定。
曲线L2是发电机静稳功率圆，曲线L3发电机热稳限制线。
第五是伏赫限制，也称为发电机变压器过激磁保护。
所谓伏赫限制就是在发电机频率下降的情况下降低发电机端电压。
我们知道，随着频率的下降，发电机端电压也要下降，而自动电压调节器为维持发电机端电压就不断增加励磁电流，直到励磁电流限制动作为止。
显然，此时应对调节器的恒电压运行方式进行适当的调整，伏赫限制就是调整的方法之一。
MEC的伏赫限制，用电压百分数与频率百分数的比值是否大于1.1作为判据。
正常运行时，电压与频率的比值为1，当频率下降而电压不变时，二者的比值开始大于1。
若频率的继续下降使二者的比值大于1.1倍时，伏赫限制动作，调节器自动减少给定值，使发电机端电压下降，保持电压与频率的比值不大于1.1。
当发电机频率下降很多时，伏赫限制直接逆变灭磁。
葛洲坝二江电厂MEC励磁调节器限制功能整定参数见表2-2。
励磁控制器的硬件配置
A、B套主机插箱层是两套完全独立的可以互换的控制插箱，两套插箱之间依靠同步串行口进行通讯，以实现互为跟踪，互为热备用的功能。
同时通过节点将已方状态通知对方，以达到自动切换的目的。
当两套均正常工作时，按任一套上的切换按钮，即将此套定为主套。
当某一套出现故障时，即自动切换至另一套。
同时两套系统间的操作电源及脉冲电源通过外部端子并联输出。
励磁调节器的主要任务是维持发电机机端电压恒定。
为此，SAVR-2000励磁调节器需采集发电机机端交流电压Ua、Ub、UC，定子交流电流Ia、Ib、Ic，转子电流等模拟量。
调节器通过模拟信号板将高压（100V）、大电流（5A）信号进行隔离并转换为±5V电压信号，然后传输到主CPU板上的A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号。
通常在一个周波内（20ms）进行多点采样，然后计算出机端电压等测量量。
为了能准确测量有功及无功，需对电压及电流进行瞬态无相差采样，即可计算出有功及无功。
在正常运行时，DSP根据现场的操作信号进行逻辑判断，判别是否应该进入用户程序。
一旦开机条件具备，应用程序运行。
程序的计算模块根据工控机的控制调节方式的选择而进行计算，如按机端电压偏差进行PID调节（即恒机端电压运行方式），则DSP转入电压偏差PID调节子模块，计算程序算出触发角，并将此角度送至大规模可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲，脉冲经放大板驱动后即完成一次调节控制。
在控制调节的空闲时间，调节器进行各种限制判别、故障检测、联机调试、录波等工作；在双自动通道系统中，备用通道自动跟踪主通道的电压给定值和触发角。
2．单板原理
主机插箱的正视图如图2-4所示。
①MBD207面板上的开关用于控制MBD206、MBD205的输入电源，自上而下三个灯分别表示：
交流220V输入，直流220V输入，直流220V输出。
②MBD206面板上的开关用于控制脉冲电源及操作电源的输出，自上而下三个灯分别表示：
脉冲电源，开出继电器操作电源，开入电源（I）。
③MBD205面板上的开关用于控制主机电源的输出，自上而下的三个灯分别表示：
+5V，-12V，+12V。
④MBD201面板上的三个灯分别表示+5V，+12V，-12V，在灯的下方有一个测试窗，将窗的罩盖取下，可见一个DB37芯的并行口，通过专用测试盒可以测量各点信号。
另外还可见到五个可调电位器，自上而下分别为W1-W5，主要用于经过整流的模拟量的整定（如系统电压）。
具体定义见MBD201板原理图。
⑤MBD202面板上共有8只灯，分别表示：
+5V，+12V，-12V，主/从，运行
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