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發(fā)電機的他勵和無刷交流勵磁系統(tǒng)(圖文)
發(fā)布時間:2022-09-23 16:06:50  ▏閱讀:

 

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。


他勵交流發(fā)電機勵磁機整流器勵磁系統(tǒng).png

圖1 他勵交流發(fā)電機勵磁機整流器勵磁系統(tǒng)

交流發(fā)電機勵磁機無刷勵磁系統(tǒng)原理圖.png

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).png

發(fā)電機靜止勵磁系統(tǒng)

 

 


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