发电机励磁系统.docx

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发电机励磁系统

发电机励磁系统

　　发电机励磁系统

供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。

它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。

励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则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。

励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。

尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。

同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。

如图所示：

　　其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。

由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。

励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。

励磁系统的主要作用有：

1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

　　同步发电机励磁系统的形式有多种多样，按照供电方式可以划分为他励式和自励式两大类。

　　一、发电机获得励磁电流的几种方式

　　1、直流发电机供电的励磁方式：

这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。

这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。

缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。

　　2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。

交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。

交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。

为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。

这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。

缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

　　3、无励磁机的励磁方式：

　　在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。

自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。

自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种

　　励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。

自复励磁方式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。

这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。

这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

　　二、发电机与励磁电流的有关特性

　　1、电压的调节

　　自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。

无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。

但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。

　　2、无功功率的调节：

　　发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。

当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。

此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。

　　3、无功负荷的分配：

　　并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。

大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。

为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。

　　三、自动调节励磁电流的方法

　　在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流的目的。

常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻，改变励磁机的附加励磁电流，改变

　　可控硅的导通角等。

这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发电机的励磁电流便跟着改变。

这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成，具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。

在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。

自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。

被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。

同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。

调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。

稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元。

励磁系统稳定单元用于改善励磁系统的稳定性。

限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。

必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。

　　四、自动调节励磁的组成部件及辅助设备

　　自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。

　　励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。

在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。

根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。

近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。

在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。

由于采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适应最佳调节。

发电机励磁系统概述

   摘要：

本文针对热电分厂所用的励磁方式，对各励磁系统的情况进行分析总结。

关键词：

励磁方式励磁调节器电子开关放大器

　　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）。

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。

在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统

的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求

　　1、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、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、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。

我热电分厂现共有三期工程，5台同步发电机采用了3种励磁方式:

　　1、图二为一期两台QFG-6-2型发电机的励磁系统方框图。

　　图二

　　2、图三为二期两台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图。

3、图四为三期一台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图

　　一、三种发电机励磁系统的组成

　　一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。

如图二所示，它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相

反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。

二期是自励直流励磁机励磁系统。

如图三

所示，发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。

三期采用的

是静止励磁系统。

这类励磁系统不用励磁机，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。

　　二、励磁电流的产生及输出

　　一期励磁系统原理图如图五所示。

其中主励磁机的励磁

励磁系统原理图

　　电源由永磁机的定子绕组经三相可控硅整流桥或三相不可控硅整流桥提供，同时直流稳压单元的交流电源也取自永磁机。

发电机端电压的变化通过调差单元、放

大单元后去控制可控硅的导通角，以此来调节主励磁机的磁场电流，达到是发电机稳定运行的目的。

另外，为了提高主励磁机供电的可靠性还设有手动控制，通过调

整调压器来调节整流桥的输出直流电压达到调整磁场电流的小的目的。

两种控制方式通过DZA、DZB来进行切换。

二期励磁系统如图六所示。

整流励磁机与发电

机同轴，由剩磁建立电压，通过整流子整流经电刷送出。

手动状态下经磁场变阻器、KFD-3励磁调节器、碳刷、滑环给转子提供励磁电流。

三期采用双微机单模

拟的励磁控制系统，取消了励磁机。

期励磁系统原理图如图七所示。

发电机的励磁电流由机端励磁变压器经可控硅整流桥提供。

其可控硅的导通角可由微机或模拟方

式控制，在正常情况下，只有一台微机处于在线状态，能发出控制信号，其它则处于离线热备用状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。

在线通

道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状态，发出信号，当两套微机通道均出现故障，在正常运行情况下，只有一台微

机处于在线状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。

在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线

状

六KFD-3快速励磁调节器原理图

HWLT-4励磁系统原理图

　　态，发出控制信号，当两套微机通道均出现故障时，模拟通道自动投入。

为了保证励磁电源的可靠性，采用了电力专用电源为调节器提供＋24VDC电源，每

个电源由交、直流两路输入。

它们分别来自三种独立的电源：

厂用220VAC、厂用220VDC、自用电220VAC，同时采用厂用电380VAC经三相桥

式整流为发电机提供励磁电流，以便发生故障时有足够的调节容量及较高的响应速度。

　　三、励磁系统的控制部分

　　一期的自动励磁调节器由可控硅整流功率单元、移相触发单元、直流放大单元、电压反馈单元、调差单元、直流电源单元和电源监视单元组成。

整流功率单元采

用的是三相桥式全控整流电路，主要是将交流电压变成直流电供给励磁机的励磁绕组；移相触发单元由六个完全相同的触发器插件组成，其构成环节如下图所示：

　　本单元根据输入控制信号Usm的大小，改变晶闸管的控制角，以控制整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流；直流放大单元由两级直流放大器组成，是

PID放大器和综合放大器。

其调节的过程是指当发电机受到无功扰动电压产生变化的开始瞬间，PID便输出一个与变化率（dv/dt）成正比的信号去改变励

磁，以阻止电压的变化。

由于PID放大器自身带负荷的能力较差，故还需在PID和触发器之间设一综合放大器，对PID放大器的输出信号进行反相和功率放

大；无功调差单元是指当发电机并联运行时能使个机组间无功电流分配稳定，当发电机经升压变压器与电网并联时，能克服升压变压器的电抗压降；无功调差单元是

将发电机端电压的变化转变为一交流电压信号，而PID的输入端要直流电压反馈信号，因此在此二单元之间加一电压反馈单元，将交流电压信号转为直流电压信

号；直流电源单元为励磁调节器提供+24V直流电压；本调节器所选用的集成元件工作电源为＋15V，故需设＋15V的稳定电源；电源监视单元起对两套工作

电源进行监视的作用，当任一组电源发生故障时均能报警。

　　二期所采用的是KFD－3型快速励磁调节器。

如图六所示。

调节器由电流互感器及电压互感器供电，包括可控相复励变压器和电压校正器。

可控相复励变压器

BKF是调节器的主要元件，它是一个有直流磁化的、双初级绕组的变压器或磁放大器。

第一个串联绕组由电流互感器LH供电；第二个并联绕组由电压互感器YH

供电。

次级绕组的感应电势是这两个绕组磁化安匝的感应电势的几何和。

次级电流经过输出整流器组ZC整流后输送至励磁机励磁绕组。

电压校正器由三相测量变压

器BC及磁放大器FC组成，三相测量变压器BC由电压互感器YH经调整自藕变压器TBZ供电。

他是一个三相饱和变压器，初级电流具有非线性的特性，而次级

电流是线性的，在经非线性整流器ZFL、线性整流器ZXL整流后而输出至磁放大器FC的两个极性相反的直流控制绕组，磁放大器输出电流的大小由这两个电流

差来控制。

当发电机电压增加时，测量机构输出的线性与非线性电流差迅速增加，相应地磁放大器的输出电流也急剧增加，因此由测量机构与磁放大器所组成的电压

校正器具有反接的特性。

在正常工作时，校正器由一定的磁化电流送至BKF的控制绕组，使BKF的铁芯工作于较饱和的程度从而控制BKF的输出，达到控制发

电机励磁的目的。

　　三期所采用的是HWLT-4型微机励磁调节器。

它提高了发电机运行的自动化程度。

各功能均实现了模块化，通过不同功能的组合来满足不同用户的要求。

在

硬件方面，该调节器由两套独立的微机通道和一套独立的模拟通道组成。

每个微机通道分为：

电压环和电流环。

模拟通道为电流环。

电压环是取自机端电压信号进行

闭环的，亦称为自动环；电流环是取转子电流信号进行闭环的，亦称为手动环。

为了保证调节的快速性，系统连续采样即在一个工频周期内完成各种运算，其操作回

路的动作由工业控制机和继电器共同完成的。

在软件上调节器的控制方式分为四种：

　　1、自动电压调节（AVR）

　　2、磁场电流调节（FCR）

　　3、恒无功调节

　　4、恒功率因数调节

　　在正常情况下，可由AVR方式手动切换至FCR方式，在故障情况下自动切换。

后两种控制方式只能在AVR方式下投入使用。

另外，本调节器还具有四种限制功能:

　　1、定子电流限制

　　2、磁场电流限制

　　3、欠励限制

　　4、伏特赫兹限制

　　调节器通过控制功能、限制功能及其它的一些辅助功能来控制发电机的励磁电流，使发电机工作在最佳状态。

　　四、三种励磁系统的强行励磁情况

　　三种励磁系统均具有强励功能。

一期强励是由电子开关和PID放大器一起控制的。

电子开关原理图如图所示。

在运算放大器FD2

图八电子开关原理图

　　反相端输入一个负电压VR≈-8V,当反馈电压|Vi|<8V时（反馈电压8V相当于机端电压85%）FD2输出为正电位，二极管D3截止，场

效应管导通，积分电容C2被短接，使PID放大器失去积分功能；当|Vi|>|Vr|时，FD2输出为负电位场效应管截止，使PID恢复积分功能。

通过PID的有差积分调节可维持电压恒定不变，即当发电机电压出现偏差时，如负的偏差，积分调节逐渐给一个强励信号，使发电机电压回升，这时负偏差减小，

输出信号减小,减小强励信号直到电压恒定不变。

出现正偏差时，其过程和上相反。

二期的励磁系统还采用了继电强行励磁装置。

当机端电压下降到额定电压的

80％～85％时，强行励磁装置动作，短接磁场变阻器的部分电阻使励磁电流猛增到最大值，励磁电压升到额定值的1.8~2倍，实现继电强行励磁。

三期强励

主要是通过软件来实现的。

由高可靠智能励磁调节器完成励磁系统所需的各种功能。

在自动电压调节下，对于自并励励磁系统采用PID控制算法，以稳定发电机机

端电压。

　　五、三种励磁系统的运行情况

　　一期发电机自一九八四年投运以来，无刷励磁系统运行正常，自动励磁调节器经常投入而且维护量很小。

二期发电机自一九九四年投入运行以来，直流励磁系统

多次发生故障。

两台机调试时均发生过转子滑环处短路事故，严重的影响了生产运行，且在正常运行时需经常检查和调整滑环及更换整流子碳刷，运行维护工作量很

大，费用很高，其自动励磁调节器由于不能长期稳定运行而经常退出不用。

随着对二期运行经验的积累及运行维护的加强还是能保证正常运行的。

三期采用了微机控

制励磁调节系统。

该调节系统自投运以来运行稳定可靠，性能优良，特别是全部汉化的人机界面，为现场运行检修人员提供了方便。

　　通过对这三期发电机励磁系统结构、原理和运行情况的比较可以看出：

一期的无刷励磁系统运行可靠，维护量和检修量大大优于二期直流励磁系统，但是一期的

励磁系统在开机调试时比二期难。

三期采用了静止励磁系统，由HWLT-4微机励磁调节器进行控制，取消了励磁机，缩短了主轴长度，降低了制造费用和土建费

用，且微机控制是工业发展的趋势，其生产技术水平逐渐成熟，是未来励磁系统发展的主流

对同步发电机励磁系统若干问题的思考

何丙茂

　　摘　要　文章对励磁系统控制性能与可靠性权衡问题、电网网架建设加强条件下的励磁装置、不同机组容量的微机励磁调节器的设计、励磁装置与电网自动化的关系、灭磁开关及自并励系统的残压启励以及行业管理等问题作了简要分析，并提出了建议。

　　关键词　励磁系统　灭磁开关　残压启励　行业管理

CONSIDERATIONONSOMEPROBLEMSINEXCITATION

SYSTEMOFSYNCHRONOUSGENERATORS

HeBingmao

ZhejiangProvincialElectricPowerTest&ResearchInstitute

Hangzhou,310014China

　　ABSTRACT　Someproblemsinexcitationsystemofsynchronousgeneratorsarebrieflyanalyzedinthispaper,suchastheweighofimportancebetweenreliabilityandcontrolperformanceinexcitationsystem,theexcitationdevicesunderstrengthenedpowersystemnetworkconstruction,thedesignofmicrocomputerbasedexcitationregulatorforvariousgeneratingsetswithdeferentcapacity,theinfluenceofpowernetworkautomationonexcitationdevices,thede－excitationbreakersystemandtheresidualvoltagestartingofselfunit－terminalexcitationsystem.Otherwise,somesuggestionsfortrademanagementareputforward.

　　KEYWORDS　Excitationsystem　De－excitationbreaker　Residualvoltagestarting　Trademanagement

　　近年来励磁专业研究成果很多，电力系统稳定器已获得成功的应用，非线性控制和模糊控制的样机也在试运行。

与此同时，电网网架得到根本性的加强，电网抗扰动的能力与十年前相比已上了一个台阶。

由于经济改革，生产的安全性、经济性更显得重要，减人增效，电网的可控性和电网自动化水平提高了。

在这个大环境下，励磁系统会受到什么影响，发电厂的同志应如何考虑选用励磁系统，本文对其中的一些问题进行讨论。

1　高可靠性是励磁系统最重要的技术指标，应当进一步重视

1.1　可靠性不高仍是励磁系统应用的主要矛盾

　　1986～1997年间，浙江省属发电机励磁系统事故统计见表1和表2［1～4］。

表1　1986～1991年浙江省属发电机励磁系统事故统计

Table1　Statisticsofgeneratorexcitationsystem

accidentinZhejiangprovincein1986～1991年　　份　198********8198919901991总计发电机事故总数　101110971158其中励磁系统次数47672834事　　故/%40.063.660.077.828.672.758.6

表2　1992～1997年浙江省属发电机因