自動勵磁調(diào)節(jié)器中低勵磁限制的應(yīng)用分析

張璐璐

【摘 要】大、中型發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器增設(shè)低勵磁限制部件容易實現(xiàn)對于完善勵磁調(diào)節(jié)器功能，保證勵磁調(diào)節(jié)器安全可靠運行有一定作用。本文通過做發(fā)電機(jī)進(jìn)相試驗，提出自動勵磁調(diào)節(jié)器中低勵磁限制的應(yīng)用及加裝低勵限制方案。

【關(guān)鍵詞】低勵磁；調(diào)節(jié)器；應(yīng)用；分析

1.自動勵磁調(diào)節(jié)器

發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)電壓互感器降壓后輸入到測量單元，電壓訊號在測量單元中經(jīng)測量比較后，將電壓偏差量輸入到中放單元放大，并作為移相單元的控制電壓以相應(yīng)改變觸發(fā)單元的觸發(fā)脈沖相位角，從而改變了自動可控硅的控制角和交流勵磁機(jī)勵磁電壓值，相應(yīng)地改變了主發(fā)電機(jī)的勵磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增大而使發(fā)電機(jī)電壓下降時調(diào)節(jié)器使自動可控硅整流器的控制角檢小，以增大發(fā)電機(jī)的勵磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)減少負(fù)荷時，其操作以上述相反，減少勵磁來維持發(fā)電機(jī)端電壓為給定值。

2.低勵磁限制

當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行時，發(fā)電機(jī)輸出一定的有功功率P，由于勵磁電流If的不足，發(fā)電機(jī)的同步電勢Eg下降，負(fù)荷電流I由落后于發(fā)電機(jī)電壓U變成超前，發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收感性無功功率。隨著勵磁電流If減少，發(fā)電機(jī)的同步電勢Eq進(jìn)一步減小，發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收的無功功率就增加，這將引起功率角δ的增大。當(dāng)功率角δ增大到一定值時發(fā)電機(jī)就不能再保持靜態(tài)穩(wěn)定運行。故在發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行時，需對發(fā)電機(jī)最小勵磁電流實行限制，以保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運行。這種限制稱為低勵磁限制。

3.發(fā)電機(jī)低勵磁限制的條件

3.1靜態(tài)穩(wěn)定性的限制

以隱極發(fā)電機(jī)為例，設(shè)電勢為Eq，電抗Xd=Xq，端電壓為Ug，外電抗為Xs功率角。

P=UGI*Cosφ=UGCos（φ-δG）=UgI（Cosφ*CosδG +Sinφ*SinδG……（1）

Q=UGISinφ=UGSin （φ-δg）=UGI（Sinφ*CosδG -Cosφ*SinδG）…（2）

由向量圖可知：Isinφ=Id=（UGcosδG-Ucosδ）/Xs

Icosφ=Iq= UGsinδG/Xd

代入式（1）和（2）經(jīng)整理得：

P=[UG2（1/Xs+1/Xd）UGsin2δG]/2-UGUcosδsinδG………………（3）

Q=[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2+[UG2（1/Xs+1/Xd）cosδG]/2-UGUcosδsinδG…（4）

從（3）、（4）可以看出，P和Q均為δ的函數(shù)。靜態(tài)穩(wěn)定的極限是δ=90°，這時cosδ項為零。sinδ項為1。將此條件代入式（3）、（4）并兩邊平方相加得：

{P2+{Q-[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2}2={[UG2（1/Xs+1/Xd）]/2}2………（5）

由式（5）可以看出，計及外部阻抗時進(jìn)相運行的靜穩(wěn)定極限為原特性。其圓心在交軸上距原點O為[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2，其半徑為UG2（1/Xs+1/Xd），最大進(jìn)相無功功率為UG2Xd。

應(yīng)當(dāng)指出，以上分析是在發(fā)電機(jī)沒有自動勵磁調(diào)節(jié)器的情況下進(jìn)行的。有自動勵磁調(diào)節(jié)器時，容許的出力大。

如果一個電廠有幾臺機(jī)在同一條低壓母線上運行并都裝有自動勵磁調(diào)節(jié)器，對于其中的某一臺機(jī)可以認(rèn)為直接接到無限大母線（低壓母線電壓恒定不變）。

3.2端部漏磁發(fā)熱的限制

發(fā)電機(jī)端部的漏磁是由定子繞組端部與轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁組成的合成磁通。它的大小除與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、型式、材料、短路比等因數(shù)有關(guān)外，還與定子電流的大小，功率因數(shù)的高低等因數(shù)有關(guān)。

在遲相運行時這種發(fā)熱是在發(fā)熱是在容許范圍內(nèi)。而在進(jìn)相運行時，隨著進(jìn)相功率的增大，發(fā)熱越來越嚴(yán)重。這是因為功率因數(shù)的變化和轉(zhuǎn)子磁性護(hù)環(huán)的影響使端部合成漏磁通隨功率因數(shù)往進(jìn)相方向變化而增大的緣故。

遲相運行時，出于定子漏磁和轉(zhuǎn)子漏磁的迭加，轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)幾乎處于飽和狀態(tài)，磁阻較大，使定子端部漏磁減小。而進(jìn)相運行時，轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)中定子漏磁通與轉(zhuǎn)子漏磁通方向相反，轉(zhuǎn)子磁性護(hù)環(huán)的飽和程度進(jìn)一步降低，逐漸恢復(fù)磁性，使定子端部漏磁通途徑的磁阻減少，磁通增多。這樣就使端部合成漏磁通隨功率因數(shù)往進(jìn)相的變化而增大的趨勢，定子端部發(fā)熱隨之嚴(yán)重。

3.3廠用電電壓降低的限制

廠用電一般引自發(fā)電機(jī)出口或機(jī)端母線，在進(jìn)相運行時，隨發(fā)電機(jī)電壓的降低，廠用電電壓也要降低。一般，不可能所有的發(fā)電機(jī)都失磁進(jìn)入進(jìn)相運行。因此可以保證廠用電電壓降低不致太多而影響廠用輔機(jī)的穩(wěn)定運行。

4.低勵磁限制的接線方式

基本有兩類：一是利用相敏電路檢測發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率，模擬靜態(tài)功率圓或以一條直線來代替靜態(tài)功率圓作為限制動作線。另一類是用模擬的方法測量發(fā)電機(jī)電勢和系統(tǒng)某點電壓間的相角（轉(zhuǎn)子角），當(dāng)轉(zhuǎn)子角超過某個預(yù)定值時動作增磁。

常用的低勵限制原理主要有以下幾種：

（1）模擬轉(zhuǎn)子角δ的低勵磁限制原理。

（2）模擬功率圓圖的低勵磁限制電路。

（3）以直線模擬功率圓圖的低勵磁限制電路。

下面主要介紹模擬功率圓圖的低勵磁限制電路：

限制電路的輸出電壓是由運算放大器A的輸出經(jīng)過二極管D9加到自勵調(diào)節(jié)器的綜合放大級去的。|U1|<|U2|時，運放A的輸出為正，由于D9的反偏，不能送到綜合放大級中；|U1|>|U2|時，V0送到綜合放大級，作用于增磁。由此可見，|U1|>|U2|是限制動作條件，|U1|=|U2|為動作邊界。

變壓器1B、2B、3B、4B等元件組成測量回路。以下說明動作原理：

與電壓U2成比例的交流電壓Ucb的有效值是模擬功率圓圖的整定半徑。

U2=Kucb=K|Uco+Uob|

式中K為變壓器4B的變比及整流系數(shù)有關(guān)的比例常數(shù)。

首先假定阻容移相橋W1C1中的W1阻值為0，即b'點與b點重合，Uob'=Ucb其數(shù)值模擬[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2，而Uco'模擬UG2/Xd的大小，即發(fā)電機(jī)的有功功率P為零時容許的最大進(jìn)相無功功率。在W1的阻值為零時，合成電壓Ucb'就代表功率圓圖的整定半徑[UG2（1/Xs+1/Xd）]/2。見相量圖如下：

與電壓U1成比例的交流電壓Uab的有效值，反應(yīng)發(fā)電機(jī)的運行工況。

U1=Cuba'=K|Uao+Uob|

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行時，A相電流IA超前于電壓UA為功率因數(shù)角Φ，見相量圖（a）.電流IA在R4上的壓降Uao與A相電流IA同相而Uab'與Ucb相同。

當(dāng)發(fā)電機(jī)運行在額定電壓并帶有一定的有功功率P時，若進(jìn)相無功功率Q較小，電壓向量Uab'的絕對值小于整定半徑Ucb'的數(shù)值，即|U1|<|U2|，低勵限制不動作。在同一有功功率下，若進(jìn)相的無功功率過大，例如IA增大到IA'，Φ增大到Φ'，雖然電流的有功分量IA'COSΦ'=IACOSΦ未變，但無功分量IA'SinΦ'>IASinΦ，電壓Uao增大到U'ao.這時，Uab的絕對值大于整定半徑U'cb的數(shù)值，即|U1|>|U2|，低勵限制動作。動作邊界由U'cb為半徑的圓周確定，見相量圖（b）。

整定電位器W2的不同位置可以改變C'點的取值，即改變U'co的數(shù)值，也就是整定有功功率P=0時容許的最大進(jìn)相無功功率Q。

當(dāng)整定電位器W1的數(shù)值由零增大時，b'點離開b點，沿著阻容移項橋所決定的半圓周移動，如相量圖（c）所示，相應(yīng)地改變了功率圓整定半徑U'cb'的數(shù)值，動作邊界相應(yīng)的由相量圖（C）中的虛線1變成虛線2。

根據(jù)發(fā)電機(jī)參數(shù)及系統(tǒng)聯(lián)系阻抗，可以分別調(diào)整W1和W2得到所希望的控制進(jìn)相無功功率Q隨有功功率P變化的曲線。

5.小結(jié)

在勵磁調(diào)節(jié)器中增設(shè)低勵磁限制回路并不困難，低勵磁限制電路簡單，是比較容易實現(xiàn)的。采用低勵磁限制電路可以保證發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運行時安全運行。采用低勵磁限制可以部分防止由于調(diào)節(jié)器部件損壞而引起失磁故障，減輕運行人員對無功功率監(jiān)視的負(fù)擔(dān)。 [科]