【正文】 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)。 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。 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)。 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。 （ 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。 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(mǎn)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。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。所以自并勵(lì)方式被廣泛采用。 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)。 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)。 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(mǎn)足小的勵(lì)磁電流的要求，原理和參數(shù)計(jì)算下一部分。 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。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，整流變壓器，可控硅在滿(mǎn)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。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。 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。 （ 1）變壓器二次電壓的初步計(jì)算。 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。 248=(A) （ 3）整流變壓器容量的計(jì)算 Se= 3 178。 I2= 3 179。 = 考慮到留有一定裕度，故選容量為 72KVA，變比為 31。 對(duì)三相全控橋有： 178。 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(chēng)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%。 ，有的 資為取 ? min=5176?！?0176。 （ 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。 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=176。 Ufd(e) 179。 4054V 各種工況計(jì)算得下表： I1(q)=KeIfd(e)=179。 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。三相全控橋電路是六個(gè)橋臂全部采用可控硅元件。如圖示 點(diǎn)分別為可控硅 SCR1， SCR3， SCR5的自然換相點(diǎn)， c180。,b180。 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。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)。,b,a180。點(diǎn)為起點(diǎn)的 180186。 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。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(lèi)推，作出 Umn波形如圖 a 所示， a=60186。類(lèi) 14 似，當(dāng) 60186。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。時(shí)全控橋 Umn波形）。時(shí)全控橋 Umn波形） （ c 圖：控制角 60186。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(lèi)似，作出 Umn波形如圖 c 所示。a90186。時(shí)，正值部分面積和負(fù)值部分面積相等，輸出電壓平均值降為零，即 =0。；在電源變化一周期內(nèi)， Umn的波形分為均回六段，每段 15 內(nèi)的平均值即是 求得為 = х .COSa,可以看出，當(dāng)a90186。 23 半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù) 整流 裝置中的硅元件是半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置中的重要器件。主要是過(guò)電壓及過(guò)電流保護(hù)。 過(guò)電壓的來(lái)源： 由輸電線路供電的降壓變，因進(jìn)線遭雷擊或靜電感應(yīng)過(guò)電壓時(shí)，變壓器副方也產(chǎn)生過(guò)電壓。 變壓器高壓繞組的漏抗與低壓繞組分布電容組成振蕩回路，在變壓器合閘瞬間，突然加工廠創(chuàng)躍電壓，產(chǎn)生過(guò)電壓。 當(dāng)整流裝置負(fù)載被切除，或整流裝置有直流側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，在交流電源回路的電感上，特別在整流變漏抗止因電流突變而產(chǎn)生過(guò)電壓。 當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中突然短路或先步時(shí)，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組回路將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。 過(guò)電壓保護(hù) 阻容保護(hù) 由電阻，電空串聯(lián)形成的 Rc 過(guò)電壓保護(hù)原理，利用電容器而商奄壓不能突變，而能儲(chǔ)存電能的基本特性，可以吸收瞬間的浪涌能量，限制過(guò)電壓。為了限制電容器的放電電流，降低可控硅開(kāi)斷瞬間電容放電電流引起的正向電流上升率 di/dt，以及避免電容與電感產(chǎn)生振蕩，通常在電容回路上串入適當(dāng)電阻。阻容保護(hù)元件參見(jiàn)下一部分。如圖（ a）在正常電壓下，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，流過(guò)只有極其微弱的泄漏 電流。式中 K 為器件常數(shù)， a 為非線性系數(shù)，相當(dāng)于器件靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻的比值，即（ U/I） /（ du/di） 。正反浪涌均可吸收。（ 4）可靠性較高，本設(shè)計(jì)采用壓敏放電阻做為直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)。如果浪涌電壓的能量地大，使硒堆出現(xiàn)擊穿電流，由限制電壓 U 上升到極限電壓時(shí)，在硒堆片之間將有放遠(yuǎn)銷(xiāo)點(diǎn)發(fā)生擊穿。容量受朝而特性改變。 （ 2） 整流橋中某 一元件坪，引起其它元件過(guò)電流。由于硅整流元件過(guò)載能力很差，其原因是可控硅過(guò)載時(shí)，將導(dǎo)致結(jié)溫升高，當(dāng)升高到 180℃以上時(shí)，可控硅反向漏電流急劇上升，最后將導(dǎo)致 P— N 結(jié)被燒毀，安全失去整流作用，因此，常采用快速熔斷器，快速開(kāi)關(guān)，以及快速過(guò)電流繼電器等保護(hù)措施。 24 整流元件參數(shù)確定及元件選擇 由于整流元件過(guò)負(fù)載能力相對(duì)勵(lì)磁變壓器而言要差一些，因此在整流元件參數(shù)的選擇一般都以整流元件所允許通過(guò)的最大電流以及所能承受的最大反向壓降來(lái)決定。并且應(yīng)考慮元件工作的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。 橋臂的反向工作電壓最大瞬時(shí)值 VARM= 2 U1= 2 ? = 可控硅的額定電壓，即重復(fù)正向阻斷電壓 VARM或重復(fù)反向峰值電壓的計(jì)算；選擇時(shí)應(yīng)與使元件的額定正向與反向電壓比實(shí)際工作中所承受的正向與反向峰值電壓最大值高 2 倍以上（考慮到電壓波動(dòng)及抑制后的過(guò)電壓）。 179。 = SCR 元件額定電流 IT（ AV）的計(jì)算。 248=,由此可選硅元件的額定正向平均電流為：IT(AV)=KiIA(AV)=(35)IA(AV)=(248~)A Ki— 電流裕度系數(shù)，此取 3~3 強(qiáng)勵(lì)工況下： Ifd(q)=Ke178。 248= I’A(AV)= 31 Ifd(q)= I’A(AV)=Ki’ 178。 = Ki— 強(qiáng)勁工況下電流裕度系數(shù)，此取 ∮ 25 交直流側(cè)保護(hù)參數(shù)計(jì)算 整流變壓器（勵(lì)磁變壓器）參數(shù)有 VK%=5%， Iq%=% Se=72KVA V2= I2= 則 V（ 0） 2=5%179。 = 阻容保護(hù) 交流側(cè)： CS 交流側(cè)： CS=10000179。 ? =? F Rs=(～ )2)( 2)0(OIV=～ ? 所選電容量的額定電壓，應(yīng)小于交流側(cè)最高工作電壓，峰值的~ 倍，即 Vce≥ 179。 =，故選 400V。 ） 2179。 =~ R 取 直流側(cè)： Cd=70000178。 ? =? F Rd=179。 2)2/1 0 6(2 8 2 CdfnRd V ?? ??178。 Cb=(2～ 5)IT(AV) 179。 VI：被保護(hù)電路的線間電壓有效值（ V） 壓敏電阻保護(hù)（浪涌吸收器）采用人形接線，按下式來(lái)選擇標(biāo)稱(chēng)電壓 U1MA≥ 2 U= 2 179。 U1MA≥ K6178。 U/=179。 式中： K6 為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般為 ~，此取 ， 其值可根據(jù)整流裝置具體情況而定。 （ 2）硒堆做成的浪涌吸收器：正常運(yùn)行時(shí)消耗功率不大，使用時(shí)可注意組合，早期小容量的整流勵(lì)磁裝置上采用此種保護(hù)。 （ 4）非線性電阻 RNL，在同步發(fā)電機(jī)上采用非線性電阻與大局磁繞組并接，作為非線性電阻滅磁，同時(shí)，又兼做電壓抑制裝置。 23 過(guò)電流保護(hù) 本設(shè)計(jì)采用具有快速熔斷特性的熔斷器，其熔斷時(shí)間一般在 以?xún)?nèi)，專(zhuān)門(mén)用作硅元件的過(guò)電流保護(hù)的器件。 = 再次，熔體的熔斷特性的值與整流裝置中元件的短時(shí)過(guò)載能力相配合 25 起勵(lì)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用自并勵(lì)勵(lì)磁，功率單元電源 來(lái)自發(fā)電機(jī)機(jī)端。這時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的觸發(fā)電器，由于同步電壓太低，還可能正常工作，可按硅平開(kāi)放，平能送出勵(lì)磁電流使遇機(jī)建立電壓，因此必須采取措施，先供給發(fā)遇機(jī)的初始勵(lì)磁使發(fā)電機(jī)逐步建立起一定的電壓，這一過(guò)程稱(chēng)為起勵(lì)。 本設(shè)計(jì)采用他勵(lì)起勵(lì)，起勵(lì)電源取自廠用低壓母線，因?yàn)閺S用 母線一般情況下常帶電，所以可靠性比較高，另外廠用母線帶負(fù)荷不大，所以可以提供足夠的功率來(lái)初始勵(lì)磁。原因是如果起勵(lì)電源是廠用電，當(dāng)廠用電消失時(shí)機(jī)咀就可能起勵(lì)，這尤其是對(duì)于系統(tǒng)弱聯(lián)第的電站更為重要。 起勵(lì)電源的容量估算如下。 401 =72179。 41 =179。 26 五磁設(shè)計(jì) 發(fā)電機(jī)五磁方式很多，有： 1）單獨(dú)勵(lì)磁機(jī)五磁 2）放電電阻五磁 3）非線性電阻五磁 4）五弧柵五磁 5）可按硅逆變五磁 本設(shè)計(jì)應(yīng)用放電電阻五磁，非線性電阻作為輔助五磁。 RM(4~5) 179。因此它是勵(lì)磁系統(tǒng)的一戶(hù)重要環(huán)節(jié)。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由基本裝置和輔助裝置兩部分組成，基本裝置是主體部分，包括側(cè)量比較、綜合放大，移相觸發(fā)異單元。 27 圖 33 基本裝置調(diào)差電路的原理圖，在此電路中，測(cè)量變壓器ZB 副