【正文】 生了半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)。 12 方案論 證及選擇 勵(lì)磁方式的選擇。 眾所周知，同步發(fā)民機(jī)的勵(lì)磁電壓源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)對(duì)室的直流電源。為了滿足正常運(yùn)行的需要，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源 必須具備足夠的調(diào)節(jié)容量，并且要有一定的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)和勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度。在設(shè)計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)方案時(shí)，首先要考慮它的可靠性，為了防止外系統(tǒng)故障對(duì)它的影響，勵(lì)磁功率單元應(yīng)作為發(fā)電機(jī)的專用電源，另外，它的起勵(lì)方式也應(yīng)力求簡(jiǎn)單方便。 在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，同步發(fā)電機(jī)的容量大，勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)供給，即所謂直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。隨著發(fā)電機(jī)容量的提高，所需勵(lì)磁電流也相應(yīng)增大，機(jī)械整流子在換流方 面遇到了困難，而大功率半導(dǎo)體，整流之體制造工藝又日益成，于是大容量機(jī)組的勵(lì)磁功率單元就采用了交流發(fā)電機(jī)和半導(dǎo)體整流元件組成的交流勵(lì)磁系統(tǒng)，一般都是與主機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，為了縮短主軸長(zhǎng)度，降低造價(jià)減少環(huán)節(jié)，最近對(duì)提出用發(fā)電機(jī)自身作為勵(lì)磁電源的方法，即這次設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)。 同步發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁紋式有兩種，直流勵(lì)磁系統(tǒng)和義流勵(lì)磁系統(tǒng)。 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 在電系統(tǒng)發(fā)展初期，機(jī)組容量不大，勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)同軸的 6 直流發(fā)電機(jī)供給，它是靠機(jī)械整流子換向整流，當(dāng)勵(lì)磁電流過(guò)大時(shí)，換向很困難，所以這種方式足能在 10 萬(wàn) KW 以下容量機(jī)組采用，分為自勵(lì)式和它勵(lì)式。 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 根據(jù)勵(lì)磁機(jī)電源整流方式及整流器狀態(tài)不同，可分為以下幾種： a) 他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)是指帶有他勵(lì)電源一中頻副勵(lì)磁機(jī)可以是靜止的，也可是旋轉(zhuǎn)的，所以分為交流勵(lì)磁機(jī)帶靜止硅整流方式和交流勵(lì)磁機(jī)帶轉(zhuǎn)動(dòng)的硅型整流器（ 無(wú)刷 勵(lì)磁）兩種方式，都帶有副勵(lì)磁機(jī)。 b) 自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)與自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)一樣，自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源也是從本機(jī)直流獲取的，所不同的是直流勵(lì)磁機(jī)為了調(diào)整電壓，需要一個(gè)磁場(chǎng)變壓器，而自勵(lì)交流機(jī)為了維持端電壓恒定，則改用了可控硅元件， 同樣分為自勵(lì)交流帶靜止可控硅方式和義流帶靜止硅整流方式，這兩種勵(lì)磁系統(tǒng)的可取之處是不用副勵(lì)磁機(jī)。 本次設(shè)計(jì)采用的是自并勵(lì)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)與單元機(jī)組廠用電接線類似，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，它的共同特點(diǎn)是用勵(lì)磁變壓器耦合供給勵(lì)磁，使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分。 基優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）勵(lì)磁系統(tǒng)接線和設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，維持費(fèi)用小，可靠性高。 （ 2）于需由軸勵(lì)磁機(jī)，可縮短主軸長(zhǎng)度，減少基建投資。 （ 3）直接以晶閘管控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得很快的勵(lì)磁電壓咱應(yīng)速度，可以近似認(rèn)為是有階躍函數(shù)的響應(yīng)速度。 7 （ 4）由發(fā) 電機(jī)機(jī)端取得勵(lì)磁能量。 對(duì)于這種勵(lì)磁方式，人們常有兩種疑慮：第一，發(fā)電機(jī)近端短路時(shí)，能否滿足強(qiáng)勵(lì)要求，機(jī)組失磁；第二，由于短路電流的迅速衰減，帶時(shí)限的繼電保護(hù)是否會(huì)拒絕動(dòng)作。國(guó)內(nèi)外的分析研究和試驗(yàn)表明，這種勵(lì)磁紋式的缺點(diǎn)，并沒(méi)有設(shè)備的那么嚴(yán)重，在短路剛開(kāi)始的 以內(nèi)，自勵(lì)方式與他勵(lì)方式的勵(lì)磁是很接近的，只在短路 以后才發(fā)生明顯差別。因此，只要配合快速保護(hù)，并適當(dāng)提高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，這種勵(lì)磁方式還是可以采用的。至于帶時(shí)限繼電保護(hù)的動(dòng)作問(wèn)題，也可采用一些措施加以解決。所以自并勵(lì)方式被廣泛采用。 整流方式的選擇 整流電路一般按整流方式可分為可控硅整流和不可控硅整流兩大類，可控硅整流又分為：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ?，單相半控橋式整流；兩相零式整流；三相半控橋整流；三相全控橋式整流? 本設(shè)計(jì)采用三相全控橋式整流，它從三相半波 整流回路發(fā)展而來(lái)，六個(gè)橋臂全部采用可控硅三件，共陽(yáng)及組和共陰級(jí)組都觸發(fā)導(dǎo)通，與半控橋相比較脈動(dòng)電壓小，且頻率高，脈沖間隔 60℃，較半控橋 8 小，所以全控橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)整及時(shí)，而且根本解決了先控問(wèn)題，是目前較為理想的整流方式。 起勵(lì)方式選擇 勵(lì)磁變壓器接在機(jī)端的自并發(fā)電機(jī)，當(dāng)機(jī)組起勵(lì)后， 轉(zhuǎn)速接近額定值后，機(jī)端電壓為殘壓，基值太低，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器觸發(fā)回路中同步電壓太低，不能使發(fā)電機(jī)建立電壓，必須先供給發(fā)電機(jī)初始勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)逐步建立一定電壓，此過(guò)程為起勵(lì)。起勵(lì)方式分為殘壓起勵(lì)和他勵(lì)起厲，而他勵(lì)起勵(lì)又分為廠用電起勵(lì)和蓄電池起勵(lì)。 本設(shè)計(jì)采用廠用電起勵(lì)，原因： ①本設(shè)計(jì)針對(duì)機(jī)組有相對(duì)獨(dú)立的機(jī)組母線，并且有可靠的自投入電源；②廠用電所帶負(fù)荷較小，所以考慮將廠用電線做為起勵(lì)電源，從而解決起勵(lì)問(wèn)題；③勵(lì)磁變投入，整流橋側(cè)即有全電壓整流橋和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均能正常工作。 滅磁方式的選擇 當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，以及 變壓器短路時(shí)，必須迅速而又徹底地消滅磁場(chǎng)才能有效地保護(hù)發(fā)電機(jī)。常用的滅磁方式有：?jiǎn)为?dú)的勵(lì)磁和滅磁；滅 弧柵滅磁；利用可控硅逆變滅磁；非線性電阻滅磁；放電電阻滅磁。 本設(shè)計(jì)采用放電電阻滅磁，其優(yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可滿足小的勵(lì)磁電流的要求，原理和參數(shù)計(jì)算下一部分。 另外，以種滅磁為事故時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)采用可控硅逆變滅磁即可。 9 第二章 勵(lì)磁系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì) 勵(lì)磁系統(tǒng)主回路包括接在發(fā)電機(jī)出口的整流變壓器 ZB和三相全控整流電路，各元件的保護(hù)裝置，以及磁、起勵(lì)回路。 主回路的設(shè)計(jì)旨在使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)滿足各方面的技 術(shù)要求和性能指標(biāo)外，應(yīng)盡量節(jié)省投資，并力標(biāo)接線簡(jiǎn)單明了且功能完備。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，整流變壓器，可控硅在滿足各方面的要求時(shí)，還要留有一定的裕度，以保證事故時(shí)的強(qiáng)勵(lì)要求，所以，選擇的各元件應(yīng)具備一定的事故過(guò)負(fù)荷能力。 21 整流變壓器 ZB 的設(shè)計(jì) 整流變壓器的作用是提供發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率，是勵(lì)磁功率單元的核心部分，由于發(fā)電機(jī)出口電壓較高，所以通過(guò)它的降壓后，能得到適合于整流回路的工作電壓。所以通過(guò)它的降壓后，能得到適合于整流回路的工作電壓。另外，它還有隔離和匹配的作用，隔一次系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)，使一次系統(tǒng)故障時(shí) ，勵(lì)磁系統(tǒng)所受影響最小，并滿足容量的要求。 整流變壓器的工作特性 整流變壓器所接的負(fù)載是非線性負(fù)載，這是不同于普通電力變壓器的方面，另外換流過(guò)程造成的損耗大，相當(dāng)于瞬間短路過(guò)程，因此也帶來(lái)了一系列設(shè)計(jì)上的特殊要求，首先，非線性的電流可以分解成一系列的正弦波，這些諧波分星使整流變壓器的銅損增加，這要求整流變壓器設(shè)計(jì)容量的裕度，比普通變壓器大，使整流變壓器的效率降 10 低，其次，整流變壓器二次側(cè)上出線所用的電纜不能是鋼鎧的否則高次庇岐分量在鐵磁物質(zhì)中感應(yīng)使其發(fā)熱，所以在設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工中必須充分地予以考慮，否則，在 機(jī)組投入運(yùn)行后，可能會(huì)發(fā)生不良后果。 變壓器變化的確定 從改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，希望功率單元有較大的強(qiáng)勵(lì)能力和快速反應(yīng)能力，勵(lì)磁頂值電壓是勵(lì)磁功率單元在強(qiáng)勵(lì)時(shí)，可能提供的最大電壓輸出值，該值與額定情況下勵(lì)磁電壓的比值稱為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù) Ke 一般在 ~ 之間，這里為 。 （ 1）變壓器二次電壓的初步計(jì)算。 Ke=)()(eUlqUl= U1(q)— 強(qiáng)勵(lì)頂值電壓 U1(e)— 額定勵(lì)磁電壓 則 U2= )(eUlKe? = ? =(V) 由于采用發(fā)電機(jī)端提供功率單元的自并勵(lì)勵(lì)磁方式。 則初選整流變壓器變比為 ??? = 本設(shè)計(jì)取 ? =31，則 U2= ? =(v) （ 2）整流變壓器二次電流的計(jì)算。 由于采用三相全控橋整流，有 I2= 23 179。 248=(A) （ 3）整流變壓器容量的計(jì)算 Se= 3 178。 U2178。 I2= 3 179。 179。 = 考慮到留有一定裕度，故選容量為 72KVA，變比為 31。 11 根據(jù)初選變壓器進(jìn)行精確計(jì)算。 對(duì)三相全控橋有： 178。 cos? min=Ke178。 Ufd(e)+?3 KeIfd(e)xR+? △ ? 式中： ? △ ? — 電壓降之和，包括導(dǎo)通兩臂的硅元件正向壓降，線路電阻壓降及轉(zhuǎn)子滑不與炭刷間壓降，計(jì)算中取 2~4 或忽略，此取 ? △ ? =4V ?R— 換流電抗，對(duì)于變壓器供電方式，取 ? e 等于變壓器漏抗，4%~8%，對(duì)于交流勵(lì)磁機(jī)提供電方式，可采用公式 ? R= 2 2d ?? ? ，因此換流過(guò)程可視為不對(duì)稱短路的次暫態(tài)過(guò)程，此設(shè)計(jì)為變壓器供電，? R 取為 8%。 ? min— 強(qiáng)勵(lì)時(shí)可硅制角 ? min 的值，有的資料建議取 ? min=20176。 ，有的 資為取 ? min=5176。 ，在計(jì)算中可根據(jù)實(shí)際情況，取 ? min=（ 5176?！?0176。） ，這里取 ? min =20176。 （ 1）校驗(yàn)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)： 整流變壓器漏抗 ? R 折算到二次側(cè)為： ? R=Uk seU2 =179。 )( ? = 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)校驗(yàn) Ke=reIfdeU fdC O SUl???)(3)(m ???? ?=0 4 6 4 1 5 0 ???????C O S= 滿足強(qiáng)勵(lì)要求 （ 2）勵(lì)磁系統(tǒng)三種典型運(yùn)行方式計(jì)算 一般按空載，額定，強(qiáng)勵(lì)三種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的目的是看這些控制角是否一般所希望的范圍之內(nèi)，并在調(diào)試中將實(shí)側(cè)的控制與計(jì) 12 算值比較。 對(duì)三相全控橋有： a)空載時(shí)： Ufd(o)= Ifd(o)=P5A ? 0=COS1( Ul RoIf doU f d )(3)( ????? ?? ) = COS1( 3 30 3 4 4 1 5 ? ??? ? ) =176。 ? e=180176。 ? e=176。 強(qiáng)勵(lì)電壓： U1(q)=Ke178。 Ufd(e) 179。 =24P178。 4054V 各種工況計(jì)算得下表： I1(q)=KeIfd(e)=179。 248= U（ V） I（ A） a θ 空載 P5 額定 248 強(qiáng)勵(lì) 10 170 由表可知，選定的變壓器以及控制角能滿足各種工況下的運(yùn)行要求。 為消除高次諧波的影響，特別是三次諧波的影響，至少有一側(cè)為△型接線，故采用 Y/△ — 11 接線，冷卻方式為油浸自冷式。 22 整流回路的原理及分析 本設(shè)計(jì)的主回路中整流回路采用三相全控橋式整流。三相全控橋電路是六個(gè)橋臂全部采用可控硅元件。如（ a）圖 13 共陰極和共陽(yáng)極組都可觸發(fā)相繼導(dǎo)通。如圖示 點(diǎn)分別為可控硅 SCR1， SCR3， SCR5的自然換相點(diǎn)， c180。,a180。,b180。點(diǎn)分別為可控硅 SCR2，SCR4， SCR6的自然換相點(diǎn)。 圖（ b）電壓波形圖分析知，可控硅 SCR1~SCR6觸發(fā)脈沖的次序應(yīng)為 SCR1， SCR2???? SCR6且觸發(fā)脈沖的間隔依次相差 60186。電角度，為保證后一可控硅觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，前一可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，要求觸發(fā)脈沖的寬度大于 60186。的電角度，或者在給一可控硅觸發(fā)脈沖的同時(shí)也給前一可控硅以觸發(fā)脈沖，形成雙脈沖觸發(fā)。并以 a,c180。,b,a180。,c,b180。點(diǎn)為起點(diǎn)的 180186。區(qū)間內(nèi)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與相應(yīng)交流電壓保持同步。 下面分別討論一下，在各種控制角情況下的整流情況，見(jiàn)下 面圖： a=30186。時(shí)，在觸發(fā)脈沖 Ugb,Ug1 作用下， SCR6， SCR1導(dǎo)通 ，輸出電壓 Umn=Uab，經(jīng) 60186。電角度后，在 Ugl,Ug2作用下， SCR1保持導(dǎo)通， SCR2也導(dǎo)通，因此時(shí) B 相電壓高于 A 相電壓， SCR1在反相電壓 Uba作用下關(guān)逝，輸出電壓 Umn=Uab,以下的工作狀況相類推，作出 Umn波形如圖 a 所示， a=60186。時(shí)的整流輸出電壓波形如圖 b 所示，與 a=30186。類 14 似，當(dāng) 60186。a90186。時(shí)，沒(méi)在圖 c 中 wt，時(shí)刻， Ugt,Ugb 作用下，可控硅 SCR1， SCR6導(dǎo)通，輸出電壓 Umn=Uab,因 Uab0,故 在負(fù)載中建立電流 ifh,到 wt2 時(shí)刻 Uab=0，負(fù)載電流 ifh有減少的趨勢(shì)，在負(fù)載電感 L 中產(chǎn)生感應(yīng)來(lái)勢(shì)來(lái)阻止 ifh的減少，其極性如圖中所示（ N 端為正， M 端為負(fù)）這一電勢(shì)對(duì)于 SCR6， SCR1來(lái)說(shuō)是正向電壓，因而 ifh通過(guò) SCR6，電回路 SCR1流通，如圖（ d）中頭所示。 （ a 圖：控制角 a=30186。時(shí)全控橋 Umn波形）。 （ b 圖：控制角 a=60186。時(shí)全控橋 Umn波形） （ c 圖：控制角 60186。a≤ 90186。時(shí)全控橋 Umn波形 ) 在 wt2以后，雖然 B 相電壓高于 A 相電壓，即 Uab0,但負(fù)載電感 Lk 感應(yīng)由勢(shì)數(shù)值 TBUab大 ，故 SCR6， SCR1仍處在正向電壓下，保持導(dǎo)通狀態(tài)，因此在 wt2— wt3區(qū)間內(nèi)， Umn=Uab0 是負(fù)值狀態(tài)，到 wt3時(shí)刻，在 Ug1,Ug2作用下， SCR1仍處在正向電壓下， SCR2導(dǎo)通時(shí)， SCR6受到 Uab0 的反向電壓而關(guān)斷， SCR6 中電流轉(zhuǎn)換到 SCR2 中，輸出電壓Umn=Uab，以后的工作狀況與上述類似，作出 Umn波形如圖 c 所示。 由 c 圖可見(jiàn)，輸出電壓 Umn瞬時(shí)值有負(fù)值部分，在 60186。a90186。條件下，正值部分面積大于負(fù)值部分面積，因而總的平均值仍是正值，當(dāng)控制角 a 增大時(shí)，正值部分面積減小，負(fù)值部分 面積增大，總的平均值降低，當(dāng) a 角增大到 90186。時(shí)，正值部分面積和負(fù)值部分面積相等