同步发电机励磁系统的简述

同步发电机励磁的简述摘要：励磁系统是同步发电机组的重要构成部分，它的技术性能及运行的可靠性，对供电质量、继电保护可靠动作、加速异步电动机自启动和发电机与电力系统的安全稳定运行都有重大的影响。随着国内外励磁系统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。综合各种因素的比较，交流无刷励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种励磁系统在工程是实际应用中占有很大的优势。关键词：励磁直流发电机交流励磁机永磁机稳定笔者所涉及的火电厂主要为中小型火力发电厂，下面着重介绍在我们所涉及的工程中常用的他励交流励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种励磁系统，其他励磁系统只做简单介绍。一、概述励磁系统是提供同步发电机可调励磁电流装置的组合。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，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：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。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元、发电机构成的一个反馈控制系统。对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配，在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障的时候，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性，可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着非常重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效提高系统的技术指标。二、同步发电机励磁系统的分类及其性能特点同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。为了满足正常运行的要，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。在设计励磁系统方案时，首先应考虑他的可靠性。为了防止系统电网故障对他的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简单方便。在电力系统发展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直流发电机供给，既所谓直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转。为了缩短主轴张度，降低价格，减少环节，又出现用发电机自身作为励磁电源的方法，即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。下面就出现的这几种励磁方式进行简单的叙述，由于我公司对前两种励磁方式涉及不多，所以只是简单的介绍了下优缺点，本文着重介绍交流励磁机供电的励磁方式。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。该励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子磁电流，形成有碳刷励磁。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。由于作为汽轮机高转速的直流励磁机换向技术的困难，励磁调节速度较慢，维护工作量大，直流励磁机仅能做到与125MW及以下容量的发电机配套。直流励磁机励磁系统主要用于50MW及以下的发电机。该系统顶值电压倍数一般约为2倍额定值，能供给2倍发电机额定励磁电流的时间一般为60s。缺点是缺点是直流励磁机存在整流环，功率过大时制造有一定困难，故在100MW以上的机组中很少采用。直流机励磁方式又可分为自励式和它励式。专门用来给同步发电机转子回路供电的直流发电机系统称为直流励磁机系统。直流发电机供电的励磁方式主要包括它励直流励磁方式和自励直流励磁方式。2、静止励磁系统（发电机自并励系统）静止励磁系统（发电机自并励系统）中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电流是发电机本身提供。故又称为发电机自并励系统。其原理接线图如下图所示：静止励磁系统原理接线图它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控桥整流桥直接控制发电机的励磁。静止励磁系统的主要优点是：（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。（2）需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资。（3）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度（4）由发电机机端取得励磁能量。当机组甩负荷时静态励磁机组的过电压低。3、交流励磁机供电的励磁方式目前，容量在100MW以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁系统，交流励磁机系统的核心设备是交流励磁机。同步发电机的交流励磁机也是一台交流同步发电机，其容量相对较小，只占同步发电机容量的0.3%～0.5%。其输出电压经大功率整流器整流后供给发电机转子。交流励磁机的频率、电压等参数是根据需要特殊设计的，其频率一般为100Hz或者更高。交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同又可分为以下几种。3.1、他励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源—中频主励磁机或永磁副励磁机。在此励磁系统中，交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可分下列二种方式：1）交流励磁机静止可控整流器励磁系统如下图所示的励磁自动控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频励磁机和调节器等组成。在这个系统中，发电机G的励磁电流由频率为100Hz的交流励磁机AE经硅整流器VSR供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由副励磁机提供。副励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调节器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必须外加起励电源，直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出，在此励磁系统中，励磁调节器控制晶闸管元件的控制角，来改变交流励磁机的励磁电流，达到控制发电机励磁的目的。他励交流励磁机励磁系统原理接线图其性能和特点如下：交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴长度，使厂房长度增加，因此造价较高。仍有转动部件需要一定的维护工作量。一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁。如果采用永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性也可大为提高。2）交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种励磁系统，但它有一个薄弱环节—滑环。滑环是一种滑动接触元件、随着发电机容量的增大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）是我们公司主营业务50MW以下中小型机组中最常用到一种励磁系统，如：山东日照煤气综合利用电厂、武钢热能煤气电站涟钢燃气/蒸汽联合循环发电工程中的汽轮发电机组等工程中都采用这种励磁系统。其原理接线图如下图所示：无刷励磁系统原理接线图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。交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁饶组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。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，转子电流不再受接触部件技术条件的限制，因此特别适合于大容量发电机组。此种励磁系统的性能和特点为：1）炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。2）电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。3）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。4）因为没有接触部件的磨损，所以也没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。5）其缺点是由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压、电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，旋转二极管的运行状况、接线是否开脱、熔丝是否熔断等等也都不便于监视。因而在运行维护上是不方便的。同时噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。3.2、自励交流励磁机励磁系统与自励直流励磁机一样，自励交流励磁机的励磁电源也是从本机直接获得的，所不同的是，直流励磁机为了调整电压需要用一个磁场电阻；而自励交流励磁机为了维持其端电压恒定，则改用了可控整流元件。可分下列二种方式：1）自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式。励磁调节器AVR直接控制晶闸管整流装置。自励交流励磁机静止可控整流器励磁原理接线图2）自励交流励磁机静止整流器励磁系统发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置VS供给。半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，以达到调节发电机励磁的目的。励交流励磁机静止整流器励磁原理接线图三、工程实例及问题总结当前我们所涉及的工程中常用的他励交流励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种交流励磁机系统。接下来着重对这两种励磁系统的实际应用进行比较。1、交流励磁机静止可控整流励磁系统。在武钢热力厂07电站1～4＃12MW机组采用的就是这种励磁方式。由于该接线方式比较复杂，运行维护工作比较大，很多运行人员到目前还没有了解该励磁调节的原理。同时故障点比较多，加上前面的描述，该励磁方式仅用于容量比较小的发电机组，为一种过渡型的励磁方式。目前，应用比较少。2、交流励磁机旋转整流器励磁系统。我们所参与建设的武钢热力厂某电站30MW发电机采用的是无刷励磁调节，励磁调节装置取用电源由发电机出口设置的励磁变压器提供，机组不设永磁机。该发电机组安装不久（10个月），08年4月13日，上午11：45分出现发电机转子一点接地信号（接地电阻高定值＝15k，；接地电阻低定值＝1k，t＝2S），由于运行人员相关问题处理经验缺乏，错误的理解问题的严重性，没有采取安排在合适的时间对发电机组逐渐减负荷停机，而是采取了直接跳发电机联跳汽轮机主气门。一边盘车一边联系相关部门解决问题，由于厂内保产的要求，领导认为一点接地问题不是很大，在无法找出问题的情况下，可以考虑再开机并网。在下午16：10分，汽轮发电机投入运行，并网发电，半小时后，发电机转子两点接地跳闸（整定接地位置变化(%)＝8，延时时间＝0.8s）。停机后，用500V摇表测得（脱开发电机与励磁机之间的连接）发电机转子绝缘50M欧，主励磁机绝缘为零。但是用万用表测得绝缘为0.1M欧。经多方面分析认为主要还是工作环境比较恶劣而造成的主励磁机线圈绕组集灰太多，加上这几天空气比较潮湿，部分集灰受潮导致绝缘降低。后在厂家配合下对主励磁机进行清灰并对主励磁机及滑环部分进行整体浸漆处理。最终将主励磁机绝缘升到30M欧。该问题说明：1、无刷励磁机在结构上存在一定的接口缝隙，如果不是整体浸漆（整体浸漆又存在散热的问题），在环境比较恶劣的条件下工作容易导致发电机转子及励磁机转子绝缘降低；2、由于整流环安装在发电机转子上，如果是整流环绝缘出现问题或者是整流环故障，都必须对发电机开盖，进行抽芯。对发电机的运行效益有所影响。针对上述问题，我们应做到：1、设计时应充分考虑汽