【文章內(nèi)容簡介】 量受換向器換流能力和離心力的限制，很難滿足勵磁功率大于500KW的要求，于是就出現(xiàn)了齒輪減速或電動發(fā)電機組的低速直流勵磁機方式和水銀整流器勵磁方式。個別電廠為了解決高速大容量直流勵磁機的穩(wěn)定運行難題，創(chuàng)造了直流勵磁機加發(fā)電機定子電流復(fù)勵的方式。國內(nèi)最大容量的高速直流勵磁機為550KW，配用于QFS型雙水內(nèi)冷125MW等多種規(guī)格的發(fā)電機。20世紀(jì)50年代至60年代，出現(xiàn)了大功率半導(dǎo)體整流元件，于是就創(chuàng)立了交流勵磁機－整流器勵磁系統(tǒng)，取代大容量的直流勵磁機。隨著永磁材料不斷進步，永磁式副勵磁機又取代了非永磁副勵磁機。目前交流勵磁機－整流器勵磁方式（含無刷勵磁）廣泛主用于100MW以上的汽輪發(fā)電機組，直到目前最大的1450MW核電1500r/min核電發(fā)電機。20世紀(jì)60年代中期，出現(xiàn)了大功率晶閘管元件，于是又創(chuàng)立了多種與晶閘管元件有關(guān)的勵磁方式，有交流勵磁機或廠用電晶閘管勵磁方式、并聯(lián)自復(fù)勵或串聯(lián)自復(fù)勵的勵磁方式、自并勵靜止勵磁方式以及三次諧波勵磁方式等。當(dāng)汽輪發(fā)電機的勵磁電流達到數(shù)千安以上時，滑環(huán)和碳刷的矛盾比較突出，同時防爆防火場合要求無火花，于是又開發(fā)了交流勵磁機無刷勵磁方式?？梢?，勵磁系統(tǒng)技術(shù)是跟隨機械換向器整流－不可控整流－可控整流的發(fā)展而發(fā)展的，它們各有特點。 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)應(yīng)注意事項對中小容量的同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求：1） 按照發(fā)電機負(fù)載情況，調(diào)節(jié)其勵磁電流，能維持發(fā)電機端電壓為一定的水平，且應(yīng)能根據(jù)運行要求，對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。也就是說，在發(fā)電機空載運行給定最高功率因數(shù)的情況下，并考慮到發(fā)電機有可能運行在電壓降低和頻率上升（在允許偏差范圍內(nèi)），以及發(fā)電機和勵磁機溫升較低時的影響，發(fā)電機所要求的勵磁功率最小。當(dāng)發(fā)電機運行在滿負(fù)載給定最低功率因數(shù)的情況下，并考慮到發(fā)電機有可能運行在電壓升高和頻率下降（在允許偏差范圍內(nèi)），以及發(fā)電機和勵磁機溫度較高時的影響，發(fā)電機所要求的勵磁功率最大。2） 勵磁系統(tǒng)應(yīng)具有快的反應(yīng)速度（即小的反應(yīng)時間），以利于提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定。故在他勵式勵磁系統(tǒng)的交流勵磁機勵磁繞組的時間常數(shù)應(yīng)盡量小。為此，交流勵磁機的頻率一般采用100HZ—150HZ。無刷勵磁系統(tǒng)采用的交流勵磁機頻率往往采用200HZ—400HZ。但不管是他勵式還是自勵式勵磁系統(tǒng)，都應(yīng)該具有快速動作的自動勵磁調(diào)節(jié)裝置（自動勵磁調(diào)節(jié)器）。3） 勵磁系統(tǒng)應(yīng)能夠使并聯(lián)運行各機組的無功功率得到合理分配，保證調(diào)差系數(shù)（調(diào)差率和靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)精度）的正確選擇。在選擇調(diào)差系數(shù)時應(yīng)兼顧對發(fā)電機電壓水平和無功分配穩(wěn)定性的影響。調(diào)差系數(shù)越小，無功負(fù)載的變動對電壓變化的影響就越小，而無功負(fù)載的分配則不容易穩(wěn)定。反之，情況相反。與大電力系統(tǒng)并聯(lián)的中小容量的發(fā)電機，由于電壓水平取決于大電力系統(tǒng)，當(dāng)電壓變化時其無功率的波動受影響很大，宜將調(diào)差系數(shù)選擇較大一些，一般可謂10%。對于單獨運行的發(fā)電廠，在其公共母線上直接并聯(lián)的發(fā)電機，則應(yīng)考慮供電的電壓水平，宜選擇較小的調(diào)差系數(shù)，一般可為3%左右，且只能在具有正調(diào)差特性的情況下，無功負(fù)載分配才能正常運行。4） 在發(fā)電機定子繞組出現(xiàn)匝間短路等故障時，應(yīng)進行滅磁，以免事故擴大。理想的滅磁條件應(yīng)該是：一方面希望滅磁過程進行得越快越好；另一方面希望在滅磁過程中勵磁繞組兩端產(chǎn)生的電壓越低越好。采用滅弧柵放電滅磁或全控整流器的逆變滅磁（只適用于他勵的可孔硅勵磁系統(tǒng)）的方法，可以接近理想的滅磁條件。但這兩種方法多用于大容量機組。對于中小容量機組，多采用恒值放電電阻滅磁的方法。5） 電力系統(tǒng)突然甩負(fù)荷時，應(yīng)對發(fā)電機實行強行減磁，一面發(fā)電機端電壓過分升高。6） 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或其他原因使發(fā)電機端電壓嚴(yán)重下降時，應(yīng)對發(fā)電機實行強行勵磁，以提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定，提高繼電保護動作靈敏度和加速異步電動機的再啟動。為此，勵磁系統(tǒng)應(yīng)具有要求的頂值電壓和電壓增長速度。為保證發(fā)電機所需頂值電壓倍數(shù)，通常對他勵式勵磁系統(tǒng)的勵磁機，應(yīng)設(shè)計得使其負(fù)載特性直到額定狀態(tài)時，仍保持線性。所以，一般取氣隙磁通密度等于4000高斯左右，并控制電樞齒部磁通密度在所用硅鋼片材料磁化的飽和點以下?！??！?。同時，為改善電壓突然增長的瞬變特性，提高電壓增長速度，—。對于自勵式勵磁系統(tǒng)，由于是一種高起始反應(yīng)的勵磁系統(tǒng)，—，[10]。第2章 無刷同步發(fā)電機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點 引述由于電能具有生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟，傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便等優(yōu)點，因而成為現(xiàn)代最常用的一種能源。并且隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，自動化程度越來越高，對電的需求量越來越大，不僅要求用電數(shù)量，同時對用電質(zhì)量也提出了要求，無疑對同步發(fā)電機的性能也提出了高要求。而勵磁方式直接影響到發(fā)電機的性能、可靠性和技術(shù)要求，因此勵磁方式的研究成了電機發(fā)展的一個重要課題。原來一直采用直流發(fā)電機來勵磁，即用直流發(fā)電機發(fā)出來的直流電，通過滑環(huán)和電刷引進同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組，但隨著電機容量的不斷增大，直流電機的換向已成為一大難題，并且需要碳刷和滑環(huán)，存在碳刷磨損和碳刷粉末玷污線圈絕緣和其它零部件問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的非常有發(fā)展前途的無刷勵磁方式，推動了無刷勵磁發(fā)電機的發(fā)展。 無刷同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點無刷同步發(fā)電機由主發(fā)電機(同步發(fā)電機)，交流勵磁機，旋轉(zhuǎn)整流器等主要部分組成，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機電樞和旋轉(zhuǎn)整流器都裝在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，勵磁機磁極固定在定子內(nèi)側(cè)。主發(fā)電機結(jié)構(gòu)大同小異，都是轉(zhuǎn)場式的，有隱極和凸極兩種，交流勵磁機為轉(zhuǎn)樞式的。同步發(fā)電機由有刷進化到無刷化主要是有了交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器。近代同步發(fā)電機為了獲得高質(zhì)量的電氣性能，均配備了自動電壓調(diào)整裝置，組成了自勵恒壓式同步發(fā)電機。無刷發(fā)電機也不例外，也配有自動電壓調(diào)裝置?？傮w來說無刷發(fā)電機結(jié)構(gòu)由以下五個部分組成：1． 主發(fā)電機：是隱極轉(zhuǎn)場式發(fā)電機或凸極轉(zhuǎn)場式發(fā)電機。2． 交流勵磁機：是一種電樞式三相交流同步發(fā)電機，即定子為凸極或隱極勵磁磁極，轉(zhuǎn)子為電樞。3． 永磁發(fā)電機：作為副勵磁用，是旋轉(zhuǎn)磁場式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵磁極，定子為電樞。但在一般的中小型無刷同步發(fā)電機中，該環(huán)節(jié)省略不用，而以在主機定子中的輔助繞組或主機定子繞組抽頭來代替。4． 旋轉(zhuǎn)整流器：是一個隨發(fā)電機主磁場和交流發(fā)電機電樞一起旋轉(zhuǎn)的圓盤體，其上裝有旋轉(zhuǎn)型整流二極管（或晶閘管）及其附屬保護元件。5． 自動電壓調(diào)節(jié)器：是一個電子元件式的電壓自動控制裝置。 交流勵磁機交流勵磁機是一臺旋轉(zhuǎn)電樞式的三相交流同步發(fā)電機，即定子為凸極或隱極勵磁磁極，轉(zhuǎn)子為電樞。旋轉(zhuǎn)電樞的交流輸出接到旋轉(zhuǎn)整流橋進行整流，把直流電直接引入發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組。電樞鐵心用優(yōu)質(zhì)的電工硅鋼片沖制后，緊密迭壓在電樞支架上，然后再熱套到軸上，電樞繞組端部用玻璃鋼綁扎，以便能承受高速旋轉(zhuǎn)下的離心力。磁極用特殊硅鋼片組成，具有適當(dāng)?shù)拇拍芊e，以保證交流發(fā)電機能自立建壓，為主發(fā)電機提供勵磁電流。交流勵磁機—般依靠自己的剩磁建壓，有時為了提高起勵的可靠性，不僅在勵磁回路中采取起勵措施，而且還在交流勵磁機的定子磁極極靴安放小塊永久磁鐵加以勵磁。為了提高勵磁系統(tǒng)的反應(yīng)速度，交流勵磁機的頻率一般比主發(fā)電機的高，可高達數(shù)百赫茲，故交流勵磁機的極數(shù)比主發(fā)電機的多，但最好不成簡單的整數(shù)倍。 旋轉(zhuǎn)整流器旋轉(zhuǎn)整流器由半導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)整流二極管、快速熔斷器、過電壓保護器等組成。快速熔斷器作為過電流或短路保護串聯(lián)于每個二極管支路，浪涌抑制器或壓敏電阻并聯(lián)于旋轉(zhuǎn)整流裝置的直流側(cè)兩端可以吸收瞬時過電壓，作過電壓保護。旋轉(zhuǎn)整流器與主發(fā)電機轉(zhuǎn)子也是同軸安裝，整流電路(單相、三相)應(yīng)與交流勵磁機的相數(shù)相同，可以是全橋整流式或半橋整流式，旋轉(zhuǎn)整流器的輸入端(交流側(cè))接交流勵磁機的輸出端，其輸出端(直流側(cè))通過轉(zhuǎn)軸中心的軸孔與主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組相連，供給主發(fā)電機勵磁。[12]。 無刷同步發(fā)電機接線原理圖1定子出線端 2主機定子 3主機轉(zhuǎn)子 4壓敏電阻5旋轉(zhuǎn)整流器 6勵磁機轉(zhuǎn)子 7勵磁機定子 8調(diào)壓器連接端子旋轉(zhuǎn)整流器不僅工作在高速、高溫和有振動的場合，而且還承受過流過壓沖擊的可能，是電機故障率較高的部件，因為在電機受到外界干擾時，盡管由負(fù)載電流產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組間無相對運動，但隨著定子磁場幅值的突變，在轉(zhuǎn)子繞組中便會感應(yīng)出變壓器電勢；而當(dāng)電機負(fù)載不對稱時，定子繞組中將會流過負(fù)序電流，這個負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場對轉(zhuǎn)子有兩倍同步轉(zhuǎn)速的相對速度，將在轉(zhuǎn)子磁場繞組中感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)電勢；異相合閘常發(fā)生在同步設(shè)備檢修后，因電壓互感器一相錯誤連接而造成，當(dāng)發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓之間的相位角為60度合閘時，會導(dǎo)致很高的轉(zhuǎn)子電壓，在非對稱短路或并網(wǎng)的誤操作過程中，上述旋轉(zhuǎn)電勢和變壓器電勢將可能于某一瞬間同時產(chǎn)生，這兩個瞬時電勢加上交流勵磁機電樞輸送給旋轉(zhuǎn)整流器的電勢，再和主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場繞組中原有的電流相迭加(轉(zhuǎn)子磁場繞組是感性元件)，共同作用于旋轉(zhuǎn)整流二極管，可使導(dǎo)通的二極管流過很大的正向電流，也可能使截止二進極管承受很制高的反向電壓，將可能損壞二極管，在氣隙較小、阻尼不良或沒有阻尼的凸極同步發(fā)電機中，這一現(xiàn)象更為突擊。若交流勵磁機的極對數(shù)是主發(fā)電機的極對數(shù)的整數(shù)倍，當(dāng)發(fā)電機三相對稱短路時，轉(zhuǎn)子線圈中的感應(yīng)電流也將流過正在導(dǎo)通的二極管，使二極管受損?；谝陨戏治?，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣眍A(yù)防可能發(fā)生的故障：在轉(zhuǎn)子磁極表面上裝有阻尼繞組，以改善動態(tài)性能；交流勵磁機的極對數(shù)和主發(fā)電機的極對數(shù)不成整數(shù)倍；對旋轉(zhuǎn)二極管采取過壓和過流保護；選擇旋轉(zhuǎn)二極管額定容量時留有較大裕量。因此，旋轉(zhuǎn)整流裝置在安裝方式、絕緣方式、振動、熱容量等方面須經(jīng)過精心設(shè)計、制造和嚴(yán)格的振動、超速、高溫等試驗，使其具有很高的可靠性，整流橋輸出側(cè)裝有壓敏電阻，以防發(fā)電機磁場繞組出現(xiàn)過電壓時損壞整流二極管，而熔斷器則作為過流或短路保擴串聯(lián)于每個二極管支路，萬—整流管出現(xiàn)故障，則與之串聯(lián)的快速熔斷器可保證其自動斷開，從而防止勵磁機局部嚴(yán)重超載過熱；整流橋和勵磁機的設(shè)計容量應(yīng)考慮即使在一個整流管斷開的情況下，仍能為發(fā)電機提供勵磁電流，則發(fā)電機仍可帶病輕載運行而不會出現(xiàn)故障擴大現(xiàn)象。若在控制系統(tǒng)中配以適當(dāng)?shù)墓收媳O(jiān)測裝置．則可以在最合適的時刻停車和排出故障。 交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器的安裝把交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器裝在主發(fā)電機非傳動端的外側(cè)，從轉(zhuǎn)軸中心打孔，用導(dǎo)線穿過軸孔，將整流器整流后的直流電輸送到主發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁繞組，這樣可以給旋轉(zhuǎn)整流裝置的檢修，維護帶來方便，使二極管和熔斷器的更換比較容易，提高運行的可靠性。 交流勵磁機的電壓響應(yīng)特性在評價無刷勵磁系統(tǒng)大信號暫態(tài)響應(yīng)特性時，涉及到勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓響應(yīng)特性。對于無刷勵磁系統(tǒng)，其勵磁電壓響應(yīng)特性與交流勵磁機的特性密切相關(guān)，在本節(jié)中將對在不同工作狀態(tài)下的交流勵磁機的勵磁電壓響應(yīng)特性作一敘述。交流勵磁機電壓響應(yīng)包括以下三種情況： 空載勵磁電壓響應(yīng)當(dāng)交流勵磁機輸出端開路不接任何負(fù)載時，其電樞回路中不存在電樞反應(yīng)電壓降。當(dāng)在交流勵磁機勵磁繞組側(cè)供給強行勵磁電壓時，交流勵磁機端輸出電壓的變化速率與交流勵磁機空載時間常數(shù)有關(guān)，因空載時交流勵磁機具有最大時間常數(shù)值，故由此狀態(tài)所確定的勵磁電壓響應(yīng)比偏低。 負(fù)載勵磁電壓響應(yīng)如令空載時交流勵磁機的時間常數(shù)為，則在負(fù)載時相應(yīng)的時間常數(shù)為：　　　 ()式中　　?。涣鲃畲艡C空載時間常數(shù)－交流勵磁機縱軸同步和瞬變電抗－由交流勵磁機負(fù)載功率因數(shù)所決定的等效有功及無功分量　　　　 ()?。涣鲃畲艡C負(fù)載阻抗，以標(biāo)么值表示=1；通常，勵磁機負(fù)載時間常數(shù)較空載時的相應(yīng)值小1/2左右，即K≈。由于交流勵磁機的負(fù)載為主發(fā)電機的勵磁繞組，主機的時間常數(shù)比交流勵磁機的時間常數(shù)大一個數(shù)量級，這一差別決定了負(fù)載時勵磁電壓響應(yīng)的特征，使強行勵磁暫態(tài)過程大致分為如下兩個過程：在第一階段，具有較小時間常數(shù)的交流勵磁機，其勵磁電流較快達到頂值。交流勵磁機電壓亦同時達到頂值。在此過程中，具有較大時間常數(shù)的發(fā)電機勵磁繞組回路中的電流仍近似地維持原來電流不變，使勵磁電壓存在超調(diào)。相應(yīng)的勵磁電壓上升段稱為恒定電流特性曲線段。在第二階段，發(fā)電機勵磁電流開始增長，由于電樞反應(yīng)，勵磁機的電壓由定電流特性曲線的最大頂值電壓開始下降，最終達到穩(wěn)定值。第一階段延續(xù)時間不長，決定于交流勵磁機的時間常數(shù)。第二階段持續(xù)時間較長，決定于發(fā)電機勵磁繞組時間常數(shù)。實際上，在交流勵磁機電壓達頂值前的第一階段中，發(fā)電機的勵磁電流仍有一定程度的上升。當(dāng)發(fā)電機勵磁繞組的時間常數(shù)較小時，發(fā)電機的勵磁電流隨勵磁電壓成比例地上升，相應(yīng)特性稱為恒值電阻特性。 發(fā)電機三相短路的勵磁電壓當(dāng)發(fā)電機突然三相短路時，在其轉(zhuǎn)子勵磁繞組中將引起自由分量電流。當(dāng)此電流流過整流器及交流勵磁機電樞時，等效換相電壓增加，使發(fā)電機勵磁電壓瞬時降落，交流勵磁機的勵磁電壓響應(yīng)有所下降。綜上所述，在二極管無刷勵磁系統(tǒng)中，交流勵磁機的勵磁電壓響應(yīng)特性隨運行方式的不同而有很大的差異，由此看出，以發(fā)電機短路時的勵磁電壓響應(yīng)為最低，以恒流特性條件下的勵磁電壓響應(yīng)為最高。 無刷同步發(fā)電機的工作原理當(dāng)原動機拖動主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，交流勵磁機的電樞繞組首先將切割剩磁自勵發(fā)出交流電，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電后進入主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組以勵磁。這時主發(fā)電機的輸出端有電壓。勵磁電源取自發(fā)電機輸出端電壓，稱這種為自勵恒壓發(fā)電機。只要調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁電流，就可以改變主發(fā)電機的勵磁電流，從而控制主發(fā)電機的輸出端電壓，依靠連接于主發(fā)電機輸出端和交流勵磁機定子磁場繞組之間的自動電壓調(diào)節(jié)器就可以穩(wěn)定主發(fā)電機的端電壓。 具有可控硅電壓調(diào)節(jié)器的相復(fù)勵勵磁系統(tǒng) A電壓調(diào)節(jié)器 C1電容器 G主電機 G勵