发电机的心脏——励磁系统
( E& ?5 J4 ] h/ u发电机励磁系统概述 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：（如图一所示）一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求： 5 U' u- M3 k9 a; `6 r) k- o0 r. h* f) l3 Y, f
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8 I% `7 n4 H8 [6 l, X0 n: m 图 一 8 p7 u9 G/ C g- B8 n: j a. l9 P' a" b0 Z: l7 M2 ?& p
1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自
* f! j+ V. a1 o9 W0 [% L 动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。 ) D! Z: |: k( n1 r
- J- d9 K M% x3 X2 N 2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。 / q! V4 v8 L; P8 B$ |0 \" o, ~' b+ I9 c% [" T ?
3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。我热电分厂现共有三期工程，5台同步发电机采用了3种励磁方式: % B) n9 |4 U# s! i3 u! c$ w% {6 x. d7 W
1、图二为一期两台QFG-6-2型发电机的励磁系统方框图。
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图 二
3 e F& w+ p/ B& ] 2、图三为二期两台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图。
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图 三 " N, i1 @; |- n5 x8 h% w7 ]4 ~* P. A1 Y( A5 Z
3、图四为三期一台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图 & M- U q" K [
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8 T: I+ |; w) i 图 四 4 C3 t! i; {; p8 F& m8 J- ?" i" L# P; s8 V/ R1 h
一、三种发电机励磁系统的组成 2 A* a9 J( @( p W h4 }# u, D2 r3 `( K- n
一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。如图二所示，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，而交流励磁机正好相反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。二期是自励直流励磁机励磁系统。如图三所示，发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。三期采用的是静止励磁系统。这类励磁系统不用励磁机，由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。 , Y! @0 m) H# `" `; b# I0 F
5 s, N$ A4 J Z) w4 m0 \/ C8 L- e 二、励磁电流的产生及输出 0 o, }, C0 Z% v3 c
一期励磁系统原理图如图五所示。其中主励磁机的励磁 / J% y, x, t$ V I5 W. f/ N
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图 五 励磁系统原理图 w0 t9 a" Y) p9 m# J D3 Y0 Y2 F0 {0 B8 o) T+ M& u, g
电源由永磁机的定子绕组经三相可控硅整流桥或三相不可控硅整流桥提供，同时直流稳压单元的交流电源也取自永磁机。发电机端电压的变化通过调差单元、放大单元后去控制可控硅的导通角，以此来调节主励磁机的磁场电流，达到是发电机稳定运行的目的。另外，为了提高主励磁机供电的可靠性还设有手动控制，通过调整调压器来调节整流桥的输出直流电压达到调整磁场电流的小的目的。两种控制方式通过DZA、DZB来进行切换。二期励磁系统如图六所示。整流励磁机与发电机同轴，由剩磁建立电压，通过整流子整流经电刷送出。手动状态下经磁场变阻器、KFD-3励磁调节器、碳刷、滑环给转子提供励磁电流。三期采用双微机单模拟的励磁控制系统，取消了励磁机。期励磁系统原理图如图七所示。发电机的励磁电流由机端励磁变压器经可控硅整流桥提供。其可控硅的导通角可由微机或模拟方式控制，在正常情况下，只有一台微机处于在线状态，能发出控制信号，其它则处于离线热备用状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状态，发出信号，当两套微机通道均出现故障，在正常运行情况下，只有一台微机处于在线状态，其给定值、在线参数、控制信号均处于跟踪工作状态。在线通道一旦故障，其发出的控制信号将被闭锁转为离线通道；离线通道自动投入转为在线状 # o1 ~2 y+ d! I5 f
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3 d9 _2 O4 b$ B% @4 v, B. s 图 六 KFD-3 快速励磁调节器原理图 # y! `9 b' K* v b% i
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图 七 HWLT-4励磁系统原理图 , D0 F5 _( `7 i! W& V3 S* x$ [
3 W# g/ d8 _, Z- i: d1 W3 A 态，发出控制信号，当两套微机通道均出现故障时，模拟通道自动投入。为了保证励磁电源的可靠性，采用了电力专用电源为调节器提供＋24VDC电源，每个电源由交、直流两路输入。它们分别来自三种独立的电源：厂用220VAC、厂用220VDC、自用电220VAC，同时采用厂用电380VAC经三相桥式整流为发电机提供励磁电流，以便发生故障时有足够的调节容量及较高的响应速度。
- a" u% S$ D2 |" F 三、励磁系统的控制部分 9 Z8 y9 Y/ m- J+ B9 l# F
一期的自动励磁调节器由可控硅整流功率单元、移相触发单元、直流放大单元、电压反馈单元、调差单元、直流电源单元和电源监视单元组成。整流功率单元采用的是三相桥式全控整流电路，主要是将交流电压变成直流电供给励磁机的励磁绕组；移相触发单元由六个完全相同的触发器插件组成，其构成环节如下图所示： 1 T- ^" }8 @. i% I5 R. c% U% V8 |0 f4 S6 W
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本单元根据输入控制信号Usm的大小，改变晶闸管的控制角，以控制整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流；直流放大单元由两级直流放大器组成，是PID放大器和综合放大器。其调节的过程是指当发电机受到无功扰动电压产生变化的开始瞬间，PID便输出一个与变化率（dv/dt）成正比的信号去改变励磁，以阻止电压的变化。由于PID放大器自身带负荷的能力较差，故还需在PID和触发器之间设一综合放大器，对PID放大器的输出信号进行反相和功率放大；无功调差单元是指当发电机并联运行时能使个机组间无功电流分配稳定，当发电机经升压变压器与电网并联时，能克服升压变压器的电抗压降；无功调差单元是将发电机端电压的变化转变为一交流电压信号，而PID的输入端要直流电压反馈信号，因此在此二单元之间加一电压反馈单元，将交流电压信号转为直流电压信号；直流电源单元为励磁调节器提供+24V直流电压；本调节器所选用的集成元件工作电源为＋15V，故需设＋15V的稳定电源；电源监视单元起对两套工作电源进行监视的作用，当任一组电源发生故障时均能报警。 ( K& {# t. ~) w9 l- G
二期所采用的是KFD－3型快速励磁调节器。如图六所示。调节器由电流互感器及电压互感器供电，包括可控相复励变压器和电压校正器。可控相复励变压器BKF是调节器的主要元件，它是一个有直流磁化的、双初级绕组的变压器或磁放大器。第一个串联绕组由电流互感器LH供电；第二个并联绕组由电压互感器YH供电。次级绕组的感应电势是这两个绕组磁化安匝的感应电势的几何和。次级电流经过输出整流器组ZC整流后输送至励磁机励磁绕组。电压校正器由三相测量变压器BC及磁放大器FC组成，三相测量变压器BC由电压互感器YH经调整自藕变压器TBZ供电。他是一个三相饱和变压器，初级电流具有非线性的特性，而次级电流是线性的，在经非线性整流器ZFL、线性整流器ZXL整流后而输出至磁放大器FC的两个极性相反的直流控制绕组，磁放大器输出电流的大小由这两个电流差来控制。当发电机电压增加时，测量机构输出的线性与非线性电流差迅速增加，相应地磁放大器的输出电流也急剧增加，因此由测量机构与磁放大器所组成的电压校正器具有反接的特性。在正常工作时，校正器由一定的磁化电流送至BKF的控制绕组，使BKF的铁芯工作于较饱和的程度从而控制BKF的输出，达到控制发电机励磁的目的。 4 @9 e5 D) l, X4 ?) ]5 A+ y1 V- }8 I: ^; }* r0 S6 G9 {
三期所采用的是HWLT-4型微机励磁调节器。它提高了发电机运行的自动化程度。各功能均实现了模块化，通过不同功能的组合来满足不同用户的要求。在硬件方面，该调节器由两套独立的微机通道和一套独立的模拟通道组成。每个微机通道分为：电压环和电流环。模拟通道为电流环。电压环是取自机端电压信号进行闭环的，亦称为自动环；电流环是取转子电流信号进行闭环的，亦称为手动环。为了保证调节的快速性，系统连续采样即在一个工频周期内完成各种运算，其操作回路的动作由工业控制机和继电器共同完成的。在软件上调节器的控制方式分为四种：
, }; Q# N5 h, U% d! y; H4 x' C1 \8 S0 A 1、自动电压调节(AVR) . Q. S$ V4 e# {. J9 d0 m o
2、磁场电流调节(FCR) $ v1 h; F% L) g
( }7 h% C" a K6 e, q( m 3、恒无功调节 ( [1 E9 K& S' i
4、恒功率因数调节 / Z6 x* f5 l' {/ T% C g
0 X8 `. `& Q* k3 V+ ]$ ^6 H& _ 在正常情况下，可由AVR方式手动切换至FCR方式，在故障情况下自动切换。后两种控制方式只能在AVR方式下投入使用。另外，本调节器还具有四种限制功能:
) v- }& B& l$ G: q @0 Q. Y$ ? 1、定子电流限制 8 B( ]) f: v8 O, J4 ], x
2、磁场电流限制 ) ^1 R5 J# `" c" y) |; }" a9 t* B1 P* d: \" A, Z% Y
3、欠励限制
# ]8 h% F; n% x7 f+ k( T 4、伏特赫兹限制
7 H% Q6 l5 U% ^3 b4 `! N8 l( G 调节器通过控制功能、限制功能及其它的一些辅助功能来控制发电机的励磁电流，使发电机工作在最佳状态。 3 N/ J. t7 C9 H. p% `/ M) z# X3 d; y
四、三种励磁系统的强行励磁情况 ! }% E- W1 C6 @$ u
三种励磁系统均具有强励功能。一期强励是由电子开关和PID放大器一起控制的。电子开关原理图如图所示。在运算放大器FD2 " B6 f) a6 A M: W; Y
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图八 电子开关原理图 " G, h0 F9 |0 q' x6 N
反相端输入一个负电压VR≈-8V,当反馈电压|Vi|<8V时（反馈电压8V相当于机端电压85%）FD2输出为正电位，二极管D3截止，场效应管导通，积分电容C2被短接，使PID放大器失去积分功能；当|Vi|>|Vr|时，FD2输出为负电位场效应管截止，使PID恢复积分功能。通过PID的有差积分调节可维持电压恒定不变，即当发电机电压出现偏差时，如负的偏差，积分调节逐渐给一个强励信号，使发电机电压回升，这时负偏差减小，输出信号减小,减小强励信号直到电压恒定不变。出现正偏差时，其过程和上相反。二期的励磁系统还采用了继电强行励磁装置。当机端电压下降到额定电压的80％～85％时，强行励磁装置动作，短接磁场变阻器的部分电阻使励磁电流猛增到最大值，励磁电压升到额定值的1.8~2倍，实现继电强行励磁。三期强励主要是通过软件来实现的。由高可靠智能励磁调节器完成励磁系统所需的各种功能。在自动电压调节下，对于自并励励磁系统采用PID控制算法，以稳定发电机机端电压。
, ?$ c! o$ L& a$ E1 v9 { 五、三种励磁系统的运行情况 # n% p1 f/ f& p' l0 j% y6 L5 d
6 y+ _& \# x0 G3 D 一期发电机自一九八四年投运以来，无刷励磁系统运行正常，自动励磁调节器经常投入而且维护量很小。二期发电机自一九九四年投入运行以来，直流励磁系统多次发生故障。两台机调试时均发生过转子滑环处短路事故，严重的影响了生产运行，且在正常运行时需经常检查和调整滑环及更换整流子碳刷，运行维护工作量很大，费用很高，其自动励磁调节器由于不能长期稳定运行而经常退出不用。随着对二期运行经验的积累及运行维护的加强还是能保证正常运行的。三期采用了微机控制励磁调节系统。该调节系统自投运以来运行稳定可靠，性能优良，特别是全部汉化的人机界面，为现场运行检修人员提供了方便。 # F( e+ E W9 r6 ~. @# n# S* g/ {8 t8 T) t( ]
通过对这三期发电机励磁系统结构、原理和运行情况的比较可以看出：一期的无刷励磁系统运行可靠，维护量和检修量大大优于二期直流励磁系统，但是一期的励磁系统在开机调试时比二期难。三期采用了静止励磁系统，由HWLT-4微机励磁调节器进行控制，取消了励磁机，缩短了主轴长度，降低了制造费用和土建费用，且微机控制是工业发展的趋势，其生产技术水平逐渐成熟，是未来励磁系统发展的主流。 |
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