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1、7.1 励磁系统的分类,7.1.1 风力发电机的交流励磁,Q、P,水电、火电发电机：改变直流励磁，无功改变，有功的瞬时值改变，但有功的平均值不变，亦即发电机输出的有功功率不变！,改变交流励磁的相位和大小，无功改变，有功小范围变化！,7.1.2 抽水蓄能机组交的交直流励磁,改变d轴直流励磁，无功改变，改变q轴直流励磁，有功小范围改变！,7.1.3 直流励磁机励磁系统,20世纪60年代出现了与直流励磁机配用的可控硅开关式励磁调节器，80年代又出现了与直流励磁机配用的大功率晶体管开关式励磁调节器靠机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只能在100MW以下中小容量机组中采用
2、直流励磁机大多与发电机同轴，靠剩磁来建立电压的按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又可分为自励和他励两种方式。1. 自励直流励磁机励磁系统磁场电阻可改变励磁机励磁电流，从而改变发电机励磁电流。IEE=IRC+IAVR 式中：IEE为发电机的励磁电流；IAVR为自动励磁调节器输出的电流；IRC为励磁机提供的励磁电流。由于电流互感器和电压互感器的容量有限，也由于当时的整流技术输出较大的电流有困难，所以IAVR很小，只占IEE的一小部分，励磁机的励磁电流大部分是由励磁机经过磁场变阻器提供。, 励磁机和发电机同轴，靠剩磁启起励建立电压。 由于励磁机向它自己提供励磁电流，所以称为自励。 励磁机发出的电流，一
3、部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过磁场变阻，送给励磁机的励磁绕组。发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电，调整励磁机,7.1.3 直流励磁机励磁系统,2. 他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机没有IRC和UDE的相互依赖的关系，励磁时间常数就是励磁机励磁绕组的时间常数，其只决定于励磁机励磁绕组的结构和参数。所以他励直流励磁机的时间常数比自励直流励磁机的时间常数小，即提高了励磁系统的电压增长速率。由于水轮发电机的机械转动惯量大、励磁绕组的时间常数大，会使得励磁自动控制系统的动态指标变差。这种情况下，减小励磁机的时间常数对保证励磁自动控制系统的稳定性和动态指标具有重要作用。因此，他励直流励磁机励
4、磁系统多用于水轮发电机。,它与自励的不同之处在于： 多了一台副励磁机，励磁机的励磁电流不再由它自己供给，而是由另一台与励磁机同轴的副励磁机PE供给，所以称为他励。 他励直流励磁机的励磁电流：IEE=IPE+KZIAVR 自励直流励磁机中，IRC的增加促使励磁机电压UDE增加，而IRC的增加又依靠UDE的增加，IRC和UDE的这种关系就使得励磁机的励磁时间常数增大了。,7.1.3 直流励磁机励磁系统,3. 自励与他励直流励磁机励磁系统的比较 他励比自励多用了一台副励磁机。 他励方式励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的时间常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁系统的电压增长速率。 他
5、励直流励磁机励磁系统一般用于水轮发电机组。4. 对直流励磁机励磁系统的基本评价 结构简单、运行可靠。 直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的薄弱环节。机组容量越大，励磁电流也越大，当发电机容量大于100MW时，直励机供给励磁换向问题难以解决。 与同容量的交流励磁机或变压器相比，直流励磁机体积大，造价高。 励磁调节器常采用电磁型调节器，反应速度慢。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,整流技术发展和大容量硅整流元件的出现，产生了交流励磁机励磁系统。同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，励磁功率单元由与发电机同轴的交流励磁机和整流器组成，根据励磁机电
6、源整流方式及整流器状态的不同分为自励和他励两种方式。1. 他励交流励磁机系统1）静止整流器系统（三机它励励磁系统） 励磁系统由与主机同轴的主交流励磁机、中频交流副励磁机和调节器等组成，因交流励磁机的励磁电流不是由它自己供给的，所以称这种励磁机为他励交流励磁机系统。 副励磁机可以是自励式和他励式，自励式其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,1. 他励交流励磁机系统1）静止整流器系统（三机它励励磁系统） 交流副励磁机配有一个自励恒压调节器维持其端电压为恒定值。交流副励磁机输出的交流电经过可控整流器整流后给励磁
7、机励磁。 交流励磁机输出的交流电经过“不可控整流器”整流后变成直流，供给发电机作励磁电流。 励磁调节器通过控制“可控整流器”中可控硅整流元件的控制角改变交流主励磁机的励磁电流，来控制发电机励磁电流。该励磁系统的特点： 交流主励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。 由于取消了直流励磁机，不存在换向问题，而交流励磁机的容量可以做得很大，所以这种励磁系统的励磁容量不受限制。 交流励磁机的时间常数较大，为了提高励磁系统的响应速度，励磁机转子采用叠片结构，以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100Hz或150Hz ；交流副励磁机频率为400500Hz。主
8、励磁机、副励磁机与发电机同轴，加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加，因此造价较高。 有滑动接触部件滑环，需要一定的维护工作量。 一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁，如果采用永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性也可大为提高。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,1. 他励交流励磁机系统2）旋转整流器系统（无刷励磁系统）它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流主励磁机正好相反。交流主励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。旋转整流器系统（无刷
9、励磁系统）与他励交流励磁机静止整流器励磁系统区别在于： 没有炭刷，交流副励磁机为永磁发电机。 交流主励磁机的励磁绕组和电枢绕组的位置与一般发电机相反， 励磁绕组放在定子上静止不动； 电枢绕组放在转子上和发电机同轴旋转，而且永磁发电机的永磁极也在转子上。在发电机旋转时， 交流励磁机的电枢绕组、整流器和发电机转子一起同轴旋转。 由于整流器和发电机转子是相对静止的，所以不需要由滑环和炭刷将整流器的输出和转子绕组连接起来，可直接连接，简化了运行维护，可靠性提高，无碳粉污染，电机寿命增长，适用于大机组。,他励交流励磁机静止整流器系统对发电机提供励磁电流的路径中有滑环与炭刷转子滑环通过的极限电流约为800
10、010000A，发电机的励磁电流超过这一极限应取消滑环，使整个系统都无滑动接触元件，产生了无刷励磁系统。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,1. 他励交流励磁机系统2）旋转整流器系统（无刷励磁系统）该励磁系统的特点： 解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难，为制造巨型机组提供了技术保证。 取消了滑环和炭刷，维护量小，不易引起火灾。 发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。 因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对发电机绕组的污染，故消除了炭粉和铜末对发电机绝缘的影响。 发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速
11、度较慢。为了提高励磁系统的响应速度，励磁机转子采用叠片结构，以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗；还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。整流器的元器件是随转子一起转动的，由此引起了一系列技术问题。如下： 无法实现转子回路直接灭磁（励磁开关跳闸后发电机自然灭磁相对时间较长，一般用逆变灭磁）； 无法对励磁回路直接测量（如转子电流、电压、转子绝缘、熔断器熔断信号等），必须采用特殊的方法测量； 无法对整流元件的工作情况进行直接监测； 要求整流器和快速熔断器等有良好的力学性能，能适应高速旋转的离心力。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,2. 自励交流励磁机系统自励交流励磁机系统与自励直流励磁机
12、系统一样，自励交流励磁机的励磁电源也是从本机获得，自励直流励磁机为了调整电压需要一个磁场电阻，自励交流励磁机为了维持其端电压恒定，则改用了可控整流元件。1）静止可控整流器系统,发电机的励磁电流由交流励磁机经可控整流装置供给。它与他励静止整流器励磁系统区别在于这种励磁系统取消了副励磁机，自动励磁调节器通过控制可控整流器中整流元件直接控制发电机的励磁电流。与他励静止整流器励磁系统相比有以下特点： 交流励磁机采用自励方式，缩短了机组主轴长度；起励电压较高。 正常工作时由励磁调节器直接控制可控整流器中整流元件直接控制发电机的励磁电流，对发电机励磁电流进行控制，所以时间常数小，快速性好。 可控整流器控制
13、的电流较大，需要的可控整流元件容量大。,7.1.4 交流励磁机励磁系统,2. 自励交流励磁机系统2）静止整流器系统,发电机的励磁电流由交流励磁机经硅整流装置供给，励磁调节器控制可控整流装置控制励磁机的机端电压，从而达到调节发电机励磁的目的。与自励交流励磁机静止可控整流器系统相比其响应速度较慢，应为增加了交流励磁机自励回路环节，使动态响应速度受到影响。交流励磁机自并励方式使励磁系统结构大为简化，过去是汽轮发电机常用的励磁方式。,7.1.5 静止励磁系统,静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，
14、故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机（励磁机）式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励系统。如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变压器（或串联变压器），二者结合起来，则构成所谓自复励系统。结合的方案有下列四种：直流侧并联自复励系统、直流侧串联自复励系统、交流侧并联自复励系统、交流侧串联自复励系统。,7.1.5 静止励磁系统,1. 自并励（自并激）励磁系统 直接用可控硅控制转子电压，获得很快励磁电压响应速度，近似认
15、为像阶跃函数那样的响应速度。 由发电机机端取得励磁能量，甩负荷时机组过电压低。 在故障情况下，强励不能充分发挥，发电机不能向系统提供充分的无功功率，这对整个系统的反事故能力是十分有害的。,发电机的励磁功率电源取自发电机端，经励磁变压器降压、可控整流器整流后给发电机励磁。由于励磁变压器是并联在发电机端的，且发电机向自己提供励磁功率，所以这种系统叫做自并励励磁系统。发电机的励磁电流通过励磁调节器直接通过控制可控整流器中整流元件直接控制发电机的励磁电流。这是自励系统中接线最简单的励磁方式，目前被普遍采用的励磁系统。其特点如下： 励磁系统接线和设备非常简单，无转动部分，可靠性高，造价低，维护费用省。
16、无同轴励磁机，缩短了主轴长度，减少基建投资，改善了发电机轴系稳定性。,7.1.5 静止励磁系统,1. 自并励（自并激）励磁系统自并励励磁系统特别适宜用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。由于发电机引出线采用封闭母线，机端电压引出故障的可能性极小，设计时只需考虑在变压器高压侧三相短路时励磁系统有足够的电压即可。,对于自并励励磁系统的疑惑：1）由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能正确的动作。对于大、中容量的机组，由于其转子时间常数较大，转子电流要在短路0.5s后才显著衰减。因此，在短路刚开始的0.5s内自并励励磁方式和他励方式的励磁电流是很接近的，只是在短路0.5s后，才有明显的差
17、别。考虑到高压电网中重要设备的主保护动作时间都在0.1s之内，且都设双重保护，因此没有必要担心。2）自并励励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影响，在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的励磁，以致于影响电力系统的稳定。,7.1.5 静止励磁系统,2. 自复励励磁系统1）直流侧叠加自复励系统自并励的基础上加一台与发电机定子回路串联的励磁变压器，后者另供给一套“硅整流装置”，二者在直流侧叠加，则构成直流侧叠加的自励方式。叠加方式分为电流叠加（直流侧并联）和电压叠加（直流侧串联）两种。发电机的转子励磁电流由“硅整流桥”与“可控硅整流桥”并联供给。“硅整流桥”由励磁变压
18、器ZB供电，可控硅桥由励磁变压器GLH供电。励磁变压器ZB并接于机端，硅整流励磁变压器GLH串接于发电机出口侧或中性点侧。发电机空载时由“可控硅桥”单独供给励磁电流，发电机负载时，由“可控硅桥”与“硅整流桥”共同供给励磁电流。“硅整流桥”的输出电流与发电机定子电流成正比，“可控硅桥”的输出电压受励磁调节器的控制，起电压校正作用。,直流侧并联的自复激方式，在我国一些中、小型汽轮发电机和水轮发电机上采用较早，有一定的运行经验，但未得到推广。因为在系统短路时，复励部分与自并励部分协调配合较差，此外，励磁变流器副边尖峰过电压问题也比较严重。,直流侧并联的自复激励磁系统,7.1.5 静止励磁系统,2.
19、自复励励磁系统2）交流侧电压叠加的自复励系统励磁变压器的输出与励磁变流器的输出，先叠加再经过整流供给发电机励磁，则构成交流侧叠加的自复励方式，注意这时励磁变流器原边电流要转换成副边电压信号，变流器铁芯必须加有空气隙，这将大大增加变流器的体积。,交流侧串联的自复励系统：励磁变压器的副边电压与励磁变压器的副边电压相联（相量相加），然后加在可控“硅整流桥”上，经整流后供给发电机的励磁。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到可控硅整流桥上的阳极电压增大，故这各种励磁方式具有相复励作用。交流侧叠加的自复励方式，由于反应发电机的电压、电流及功率因数，故又称为相补偿自复励方式。,交流侧并联的自复激励磁系统,交流侧并联的自复励系统：励磁变压器串联一个电抗器之后与励磁变流器并联，经“硅整流桥”整流后，供给发电机的励磁。,交流侧串联的自复激励磁系统,
