新聞主題	發(fā)電機的他勵和無刷交流勵磁系統(tǒng)

一、概述

      從電機學(xué)課程知識可以知道，一臺同步發(fā)電機主要由定子繞組、鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成，當(dāng)繞于大軸上的轉(zhuǎn)子繞組在汽輪機拖動下高速旋轉(zhuǎn)時，若在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流，該電流將在鐵芯中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，定子鐵芯上所繞制的空間對稱三相繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場，從而在繞組中感生三相電動勢，若此時在發(fā)電機機端接上負(fù)荷，將有三相電流流通，發(fā)電機向外輸出功率。

      由于負(fù)荷特性的功率需求，同步發(fā)電機向系統(tǒng)（負(fù)荷）輸出分為兩部分，從發(fā)電機輸出電流來看，與發(fā)電機端電壓同相的稱為電流的有功分量，該分量與電壓構(gòu)成發(fā)電機輸出的有功功率；與發(fā)電機端電壓相差90°的稱為電流的無功分量，該分量與電壓構(gòu)成發(fā)電機輸出的無功功率。同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最重要的無功功率電源。

      要實現(xiàn)同步發(fā)電機將機械功率轉(zhuǎn)化為電磁功率輸出，必須有勵磁功率單元。勵磁功率單元的容量約為同步發(fā)電機的0.2％～0.6％，額定電壓400～2000V。同步發(fā)電機的勵磁功率單元作為發(fā)電機的專用可控的直流電源，應(yīng)具有高度的可靠性、足夠的調(diào)節(jié)容量以及一定的強勵倍數(shù)和勵磁電壓響應(yīng)速度等特點。同步發(fā)電機的勵磁功率單元有直流發(fā)電機供電、自勵整流供電、交流勵磁機經(jīng)整流供電三種方式。

二、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)

      交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的特征是由交流勵磁機提供勵磁功率，經(jīng)整流成直流電流后輸入同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組。從整流器的安排上可以分成靜止整流和旋轉(zhuǎn)整流兩種方式。

1、靜止整流器勵磁系統(tǒng)

      他勵交流勵磁機靜止整流器勵磁系統(tǒng)的勵磁機由兩部分構(gòu)成，即主交流勵磁機和副交流勵磁機，見圖1。兩勵磁機的轉(zhuǎn)子軸與同步發(fā)電機主軸連接，以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

      主勵磁機采用他勵形式，即其自身需要的勵磁功率是由副勵磁機提供的；而副勵磁機采用自勵形式（也可采用永磁機），即其自身需要的勵磁功率是由副勵磁機機端取得的。

      主交流勵磁機和副交流勵磁機輸出的三相交流電壓經(jīng)整流器整流成直流電流，分別輸入同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組和主交流勵磁機轉(zhuǎn)子繞組。

      由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的，因此我們面臨著一個問題，如何將直流電流送入旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子中。解決的一種方法是采用電刷，將其緊貼在轉(zhuǎn)子繞組的滑環(huán)上，提供直流電流通路。該種方法需經(jīng)常更換被磨損的電刷，需采取有效的防電火花措施。這在當(dāng)前大量使用氫氣進行機組冷卻方式下尤為重要。

      為減少整流后直流電壓中含有的紋波及提高效率，主交流勵磁機和副交流勵磁機增加磁極對數(shù)，所輸出的三相交流電的頻率分別為100Hz和400Hz。

2、交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器

      為解決將直流電流送入旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的問題，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)整流的方式。主要的方案是將主勵磁機改為主磁場固定不動，而把交流繞組跟隨同步發(fā)電機的主軸同速旋轉(zhuǎn)，并在主勵磁機交流繞組（旋轉(zhuǎn)的）與同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子之間安裝整流器，該整流器與發(fā)電機大軸固定同步旋轉(zhuǎn)，主勵磁機交流繞組所產(chǎn)生的三相電壓經(jīng)整流器整流成直流電壓，無轉(zhuǎn)速差地加在同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組上，無需電刷的靜止→旋轉(zhuǎn)的傳遞，即這種方式不需要電刷，故也稱無刷勵磁。副勵磁機采用永磁發(fā)電機，不需要啟動電源，勵磁系統(tǒng)見圖2。

      采用無刷勵磁方式解決了電刷問題，具有以下特點。

（1）無炭刷和滑環(huán)，維護工作量可大為減少。

（2）發(fā)電機勵磁由勵磁機獨立供電，供電可靠性高；并且由于無刷，整個勵磁系統(tǒng)可靠性更高。

（3）發(fā)電機勵磁控制是通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁實現(xiàn)的，因而勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。為提高其響應(yīng)速度，除前述勵磁機轉(zhuǎn)子采用疊片結(jié)構(gòu)外，還采用減小繞組電感、取消極面阻尼繞組等措施。另外，在發(fā)電機勵磁控制策略上還采取相應(yīng)措施-增加勵磁機勵磁繞組頂值電壓，引入轉(zhuǎn)子電壓深度負(fù)反饋以減小勵磁機的等值時間常數(shù)。

（4）發(fā)電機轉(zhuǎn)子及其勵磁電路都隨軸旋轉(zhuǎn)，因此在轉(zhuǎn)子回路中不能接入滅磁設(shè)備，發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路無法實現(xiàn)直接滅磁，也無法實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的常規(guī)檢測（如轉(zhuǎn)子電流、電壓，轉(zhuǎn)子絕緣，熔斷器熔斷信號等），必須采用特殊的測試方法。

（5）要求旋轉(zhuǎn)整流器和快速熔斷器等有良好的機械性能，能承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力。

（6）因為沒有接觸部件的磨損，所以也就沒有炭粉和銅末引起的對電機繞組的污染，故電機的絕緣壽命較長。

圖1 他勵交流發(fā)電機勵磁機整流器勵磁系統(tǒng)

圖2 交流發(fā)電機勵磁機無刷勵磁系統(tǒng)原理圖

 

三、靜止勵磁系統(tǒng)

      靜止勵磁系統(tǒng)（發(fā)電機自并勵系統(tǒng)）中發(fā)電機的勵磁電源不用勵磁機，而由機端勵磁變壓器供給整流裝置。這類勵磁裝置采用大功率晶閘管元件，沒有轉(zhuǎn)動部分，故稱靜止勵磁系統(tǒng)。由于勵磁電源由發(fā)電機本身提供，又稱為發(fā)電機自并勵系統(tǒng)。

      靜止勵磁系統(tǒng)如圖3所示。它由機端勵磁變壓器供電給整流器電源，經(jīng)三相全控整流橋直接控制發(fā)電機的勵磁。靜止勵磁系統(tǒng)的主要優(yōu)點有：

（1）勵磁系統(tǒng)接線和設(shè)備比較簡單，無轉(zhuǎn)動部分，維護費用少，可靠性高；

（2）不需要同軸勵磁機，可縮短主軸長度，這樣可減少基建投資；

（3）直接用晶閘管控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得很快的勵磁電壓響應(yīng)速度，可近似認(rèn)為具有階躍函數(shù)那樣的響應(yīng)速度；

（4）由發(fā)電機機端取得勵磁能量。機端電壓與機組轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故靜止勵磁系統(tǒng)輸出的勵磁電壓與機組轉(zhuǎn)速的一次方成比例；而同軸勵磁機勵磁系統(tǒng)給出的勵磁電壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，這樣，當(dāng)機組甩負(fù)荷時靜止勵磁系統(tǒng)機組的過電壓就低。

      靜止勵磁系統(tǒng)特別適宜用于發(fā)電機與系統(tǒng)間有升壓變壓器的單元接線中。由于發(fā)電機引出線采用封閉母線，機端電壓引出線故障的可能性極小，設(shè)計時只需考慮在變壓器高壓側(cè)三相短路時勵磁系統(tǒng)有足夠的電壓即可。

發(fā)電機靜止勵磁系統(tǒng)

 

 

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