【正文】 南京南瑞電氣控制公司 1 目 錄 第一章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用及分類 ............................... 1 167。2 6 PSS 原理 ...................................................................................................... 44 2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 1 第一章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用及分類 167。 規(guī)程規(guī)定大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得低于額定值的 90％；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于 95％時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。 如果發(fā)電機(jī)變壓器單元在高壓側(cè)并聯(lián) ,因?yàn)樽儔浩饔休^大的電抗 ,如果采用無(wú)差特性 ,經(jīng)變壓器到高壓側(cè)后 ,該單元就成了有差調(diào)節(jié)了。此曲線亦稱內(nèi)功率特性曲線。為區(qū)別 Eq 等于恒定值時(shí)的內(nèi)功率特性曲線 ,當(dāng) Eq 隨負(fù)載而變化的功率特性曲線稱之為外功率特性曲線。靜態(tài)穩(wěn)定功率極限理論值 PM=?XUUs ，具體數(shù)值也取決于微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的條件。 4 在圖 13(b)中曲線 1表示雙回路供電時(shí)的功率特性曲線 ,其幅值等于 : ?? XEqUsPm 其中 XΣ =Xd+XT+Xe/2。其后 ,因輸出電磁功率減小 ,轉(zhuǎn)子開(kāi)始加速 ,功率角開(kāi)始增加。減小加速面積的有效措施之一是加快故障切除時(shí)間 ,而增加減速面積的有效措施是在提高勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電壓響應(yīng)比的同時(shí) ,提高強(qiáng)行勵(lì)磁電壓倍數(shù) ,使故障切除后的發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì) Eq 迅速上升 ,增加功率輸出 ,以達(dá)到增加減速面積的目的。段 ,由此在故障切除前減少了加速面積 (由 abcd減少到 abc’ d)。在 — 定的運(yùn)行方式及勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)下，電壓調(diào)節(jié)作用在維持發(fā)電機(jī)電壓恒定的同時(shí)，特產(chǎn)生負(fù)的阻尼作用。 、 它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（三機(jī)它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)） 它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理如圖 15所示。其典型原理圖如圖 18所示。我國(guó)近年來(lái)在大型發(fā)電機(jī)上廣泛采用自并勵(lì)方式 。 PMGF 調(diào)節(jié) 器kz自動(dòng)勵(lì)磁PTFLQCTACL 圖 19無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中，主勵(lì)磁機(jī)（ ACL）電樞是旋轉(zhuǎn)的，它發(fā)出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)的二極管整流橋整流后直接送發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路。 在主發(fā)電機(jī)定子槽中嵌有單獨(dú)的附加諧波繞組。有些問(wèn)題，例如不同的發(fā)電機(jī)三次諧波繞組及發(fā)電機(jī)參數(shù)應(yīng)如何合理選擇等，還待進(jìn)一 步研究。高壓側(cè)可加裝高壓熔斷器，也可不加。勵(lì)磁變壓器的聯(lián)接 組別，通常采用 Y/△組別， Y/Y— 12組別通常不用。對(duì)三相全 控橋，當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，控制角在 0o～ 90o之間為整流狀態(tài)（產(chǎn)生正向電壓與正向電流）；控制角在 90o～ 150o（理論上控制角可以達(dá)到180o考慮到實(shí)際存在換流重疊角，以及觸發(fā)脈沖有一定的寬度，所以一般最大控制角取 150o）之間為逆流狀態(tài)（產(chǎn)生負(fù)向電壓與正向電流）。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，并與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)機(jī)端電壓高于給定值時(shí)，增大可控硅的控制角，減小勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓回到設(shè)定值。 隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在不斷發(fā)展和完善，當(dāng)今的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器大多已經(jīng)采用微機(jī)作為硬件的載體，它已經(jīng)不再單純地提供自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部同時(shí)提供了手動(dòng)調(diào)節(jié)功能、開(kāi)環(huán)控制功能或稱純手動(dòng)功能。其控制簡(jiǎn)圖如圖 23所示。 、微機(jī)調(diào)節(jié)器的主要組成部分 隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除去因?yàn)榻涌诘确矫嬖黾訋?lái)硬件復(fù)雜程度上升外，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件逐漸被簡(jiǎn)化，這主要因?yàn)?，原先需要通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的許多功能已經(jīng)完全可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而只需要提供足夠充分的模擬量信息接口，并把這些信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的模擬量信號(hào)并進(jìn)行采樣，然后把采樣的信息存放在一些變量中，供計(jì)算機(jī)使用即可。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此時(shí)間常數(shù)不得大于 50ms。某些可控硅裝置即可工作于整流狀態(tài)，也可工作于逆變狀態(tài)，可稱作變流或換流裝置。因?yàn)榭煽毓韫茉诔惺苷螂妷旱耐瑫r(shí)還須在觸發(fā)脈沖 ug的觸發(fā)下才能導(dǎo)通。這樣在負(fù)載上得到的直流輸出電壓 ud的波形如圖 217（ d）所示。 時(shí)，表達(dá)式為 ????????c o i n232126562 UttdU　U　d ??? ??? 當(dāng) 30176。直到ω t3時(shí)刻， b相的SCR2接受觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通， SCR1才被迫關(guān)斷。 、三 相全波半控整流電路 三相全波半控整流電路如圖 220（ a）所示。到ω t2時(shí)刻的 e點(diǎn)， c相電位開(kāi)始低于 b相電位，共陽(yáng)極組元件間發(fā)生自然換流，電流從 b 相的 D6轉(zhuǎn)移到 c 相的 D2，導(dǎo) 通元件為 SCR1和 D2，輸出電壓 ud為線電壓 uac。在ω t1ω t3期間， a相電位高， b 相的 SCR3未加觸發(fā)， c相電位最低，輸出電壓 ud的波形就是 uac。一直持續(xù)到ω t4時(shí)刻， b相才觸發(fā)導(dǎo)通。ω t2ωt3期間 c 相電位最低。當(dāng)α＞ 600 時(shí)，波形是不連續(xù)的，每周期內(nèi)有三個(gè)波頭，每個(gè)整流元件的導(dǎo)通角＜ 1200。 比值 Ud/U2隨α變化的關(guān)系曲線，如圖 225所示。另外也可以采用“雙脈沖觸發(fā)”的方式，即本元件被觸發(fā)的同時(shí)，還送一觸發(fā)脈沖給前一元件，以便整流橋剛投入時(shí)構(gòu)成電流的最初的通路，其后整流電路便進(jìn)入正常工作狀態(tài)。參看圖 226，在ω t0ω t1 期間， a 相的電位最高， b相的電位最低，有可能構(gòu)成通路。 圖 227是α =300時(shí)三相全控橋的電壓波形。即由 SCR1與 SCR6構(gòu)成通路，輸出電壓為 t2時(shí)刻 uab=0，輸出負(fù)載電流 id有減小的趨勢(shì)。 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 25 這樣，輸出電壓 Ud將按圖 229（ C）中線電壓的波形（畫(huà)有陰影線的部分）交替出現(xiàn)正負(fù)部分。 2) 逆變工作狀態(tài) 在ɑ＞ 90176。 時(shí)逆變輸出電壓的波形。 圖 231（ɑ）和（ b）分別為ɑ =150176。 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 27 圖 230 逆變工作狀態(tài)（α =120176。 (b) α =150176?？捎孟率奖硎救嗳貥蛟谀孀児ぷ鳡顟B(tài)時(shí)的反向直流平均電壓，即 Uβ =(180176。 和 (β =0176。 如果逆變角小于上述二角之和（δ +γ），則可能造成逆變換流失敗，前一應(yīng)關(guān)斷的元 28 件關(guān)斷不了，后一應(yīng)開(kāi)通的元件不能開(kāi)通，還有可能使某一回路的可控硅元件連續(xù)通流而過(guò)熱。但是在ω t2時(shí)刻雖然 Ubc=0，但 SCR6需要一個(gè)換流時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間，不可能在ω t2瞬刻關(guān)斷，而要遲延一個(gè)時(shí)間。 的整流運(yùn)行狀態(tài)，突然后退到ɑ大于 90176。當(dāng) b相電位高， a相電位低時(shí)，在電感電勢(shì) eL的作用下電感 L向交流側(cè)放電 ；而當(dāng) a相電位高， b相電位低時(shí)，交流電源又向電感 L充電。 滅磁系統(tǒng)的一般要求： （ 1） 在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，滅磁時(shí)間應(yīng)盡可能短； （ 2） 在滅磁過(guò)程中，轉(zhuǎn)子繞組兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)在繞組絕緣允許的范圍內(nèi)，即滑環(huán)間容許的過(guò)電壓值。 這類滅磁方式在國(guó)內(nèi)是主要的滅磁方式。 與機(jī)械開(kāi)關(guān)比較它沒(méi)有觸頭磨損，易于維護(hù)，成本也低。也可以采用超導(dǎo)材料串入回路，在需要滅磁時(shí)使超導(dǎo)材料失超。如下圖： 32 圖 235 交流滅磁接線圖 圖 236 交流滅磁時(shí)，勵(lì)磁電壓錄波圖 交流滅磁是利用可控硅陽(yáng)極電源負(fù)半周輔助實(shí)現(xiàn)的一種滅磁方式，交流滅磁勵(lì)磁電壓波形如圖 236所示。 值得注意的是，交流滅磁需要考慮以下兩種情況： 第一，需要考慮機(jī)端三相短路。所以在配備了跨接器的情況下，可以單獨(dú)采用交流滅磁。采用碳化硅滅磁時(shí)與氧化鋅非線性電阻滅磁設(shè)計(jì)的原則類似。具體參見(jiàn)附錄 [4]。 ZnO非線性電阻的能容量不是設(shè)計(jì)中最重要的因素，因?yàn)?ZnO容量基本能夠滿足滅磁支路最大允許電流時(shí)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 35 能容，而非線性滅磁電阻的損壞主要是由短時(shí)過(guò)電流以及長(zhǎng)期老化引起。第二，理論上同樣配比的材料燒制出的閥片的能容與閥片的體積成正比，所以同樣截面的 ZnO閥片，殘壓較高的閥片應(yīng)該具有較大 的能容。而閥片的實(shí)際能容都在 30KJ以上，大多數(shù)閥片的最大能容在 5060KJ以上。 、滅磁設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題 ZnO（這里以及文中其他地方所提到 的 ZnO 均是指低場(chǎng)強(qiáng)高能量的非線性 ZnO 電阻）與SiC相比有較強(qiáng)的非線性特性，在滅磁過(guò)程中磁場(chǎng)電壓幾乎不變，滅磁速度快，可以使發(fā)電機(jī)的滅磁更接近于理想滅磁，因此在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。二是認(rèn)為在空載發(fā)電機(jī)勵(lì)磁失控誤強(qiáng)勵(lì)的工況來(lái)考核。如三峽滅磁設(shè)計(jì)甚至可以在兩重以上故障情況下可靠滅磁。 當(dāng)然，采用封閉母線的發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)機(jī)端短路可以認(rèn)為基本不存在，一般勵(lì)磁變到整流橋之間短路幾率也比較小。當(dāng)然這樣滅磁時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，按轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) Td0進(jìn)行衰減，而且滅磁過(guò)程中最多只能利用滅磁開(kāi)關(guān)兩個(gè)斷口的弧壓。 4)交流滅磁 滅磁對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)來(lái)講，要相對(duì)容易一些。電力電子器件將在滅磁中發(fā)揮更大的作用。 3） 電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 31 在前些年，國(guó)內(nèi)一些廠家將滅磁開(kāi)關(guān)建壓任務(wù)，轉(zhuǎn)移到了電力電子器件上來(lái)。 2） 機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁 機(jī)械開(kāi)關(guān)串聯(lián)于勵(lì)磁主回路，滅磁耗能電阻并聯(lián)與轉(zhuǎn)子兩端，這是這類滅磁方式的接線方式。 25 滅磁及過(guò)壓原理 、滅磁 滅磁系統(tǒng)的任務(wù)是以盡快的速度消滅磁場(chǎng)能量，使得發(fā)電機(jī)電壓消失，使得事故降低到最小。 ??idSCR 1+LRSCR 6a+beL??idSCR 1+LRSCR 6ab+eL ( a ) ( b ) 圖 232逆變換流失敗后電感放電與激磁的交替過(guò)程 (a)放電； (b)激磁 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 29 在逆變時(shí)若交流電源的電壓消失，則轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組能量不能反饋到交流電網(wǎng)去，可控硅元件之間無(wú)交流電壓的作用而不能實(shí)現(xiàn)換流，最后已導(dǎo)通的一組可控硅元件在勵(lì)磁繞組感應(yīng)電勢(shì) eL 的作用下持續(xù)導(dǎo)通，處于續(xù)流狀態(tài)，直到電感中能量放完。 如果不是在ω t2 時(shí)刻，而是提前一段時(shí)間，即相應(yīng)提前β min角（約取 30176。加有觸發(fā)脈沖，由 SCR1與 SCR6構(gòu)成逆變的通路。最小逆變角可由下式?jīng)Q定 ： β min＞γ +δ （ 28） 其中δ代表可控硅關(guān)斷時(shí)間 t0ff相應(yīng)的電角度。隨著控制角ɑ的變化，逆變角β在 0176。 ɑ叫作逆變角。 (b)相電壓波形 。從這些波形可以看到，六個(gè)橋臂上的可控硅元件，每個(gè)元件都是連續(xù)導(dǎo)電 120176。 時(shí)， SCR1接受觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，這時(shí) Uab雖然過(guò)零開(kāi)始變負(fù)，但電感 L上阻止電流 id減小的感應(yīng)電勢(shì) е較大，使 eLUab仍為正，故 SCR1與 SCR6仍在正向陽(yáng)極電壓下工作。 ，則加到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電壓變負(fù)，能訊速進(jìn)行減磁。ɑ =90176。到ω t’ 2時(shí)刻， SCR2接受觸發(fā)脈沖，此時(shí) c相電位最低，故 SCR2導(dǎo)通并將 SCR6關(guān)斷，電流從 SCR6換流到 SCR2。 然而當(dāng)α＞ 600后，輸出電壓 ud的瞬時(shí)值將出現(xiàn)負(fù)的部分，如圖 229中的（ c）和（ d） 。電流的通路換成： a→ SCR1→ R→ SCR2→ c。由于工作于整流狀態(tài)時(shí)通常共陰極組是在相電壓的正半周時(shí)觸發(fā)，共陽(yáng)極組是在負(fù)半周時(shí)觸發(fā)，故接在同一相上的兩可控硅的觸發(fā)脈沖，例如 a相的 ug1與 ug4,b相的 ug3與 ug6， c相的 ug5與 ug2，相位應(yīng)該差 1800。) 0 30 60 90 120 150 180I 2 / I dU d / U 2I D / I dI SCR / I d 圖 225 三相半控橋有關(guān)電量與α的關(guān)系 、三相全波全控整流電路 在三相全波整流接線中，六個(gè)橋臂元件全都采用可控硅管，就成為圖 226（ a）所示的三相全波全控整流電路。 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)培訓(xùn)教材 南京南瑞電氣控制公司 21 圖 223控制角α改變時(shí)輸出電壓波形的變化圖 圖 224計(jì)算 Ud的積分面積