勵磁開關(guān)未合時主勵磁機勵磁電壓建立的原因

吳 劍 朱元武

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在汽機沖轉(zhuǎn)到3000RPM做并網(wǎng)準(zhǔn)備時，當(dāng)合上永磁機出口開關(guān)，雖然還沒有合勵磁開關(guān)，發(fā)電機尚未開始勵磁，細心的操縱員會發(fā)現(xiàn)此時主勵磁機勵磁電壓GEX001ID已經(jīng)滿量程，當(dāng)然勵磁電流依然為0，那么這個電壓是如何建立的呢？本文將嘗試解釋其中的原因。

1 勵磁原理

我廠的勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁系統(tǒng)，分為兩級，如圖1所示。

圖1 勵磁原理簡圖

永磁機與汽輪機同軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生274V，400Hz的三相交流電，經(jīng)三相全波整流，輸出鋸齒波直流（額定電壓18.6V，電流246A），該直流有效值由可控硅導(dǎo)通角控制大小，勵磁調(diào)節(jié)即通過改變可控硅導(dǎo)通角大小從而改變直流電流大小，由該直流再給交流勵磁機供勵磁電流，這樣在交流勵磁機的轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生了交流電 （額定電壓417V，頻率200Hz），這個交流電通過旋轉(zhuǎn)整流橋，產(chǎn)生額定電壓500V的直流電，直接和發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連，供給發(fā)電機勵磁。圖中顯示了主控GEX001ID的測點位置，該電壓顯示在勵磁開關(guān)41E的上游，如果可控硅沒有截止，則必然會產(chǎn)生電壓，那么又是什么原因?qū)е挛春蟿畲砰_關(guān)的條件下可控硅沒有截止呢？如果沒有截止，導(dǎo)通角會有多少？要解釋這些問題，必須要了解勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

勵磁調(diào)節(jié)：我廠采用日本三菱公司的AVR系統(tǒng)，取自GSY100TU的發(fā)電機端口電壓作為實際電壓參數(shù)，與自動調(diào)節(jié)器90R的設(shè)定值比較，差值經(jīng)一系列環(huán)節(jié)，控制可控硅的導(dǎo)通角，進而改變發(fā)電機端口電壓。整個控制回路還有PSS/MEL/VFL/OEL等環(huán)節(jié)的參與，由于與本文討論的主題無直接關(guān)系，不在此處展開，簡化的調(diào)節(jié)模擬圖如圖2所示。乍一看，似乎由于未合勵磁開關(guān)，電壓為0，使調(diào)節(jié)回路一直處于最大輸出狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致勵磁電壓滿量程，事實是否如此呢？

我們截取圖2的一個部分，如圖3，可以看出，當(dāng)勵磁開關(guān)41E未合時（41E ON為0），回路的調(diào)節(jié)信號被旁路，A處輸出為0，可見前述的猜想并不正確。而B處輸出也強制變?yōu)?2，C處輸出在勵磁開關(guān)未合條件下就是B的值，也為-2，此時勵磁電流Ife為0，故K2之前的輸入為-2，K2＝10，K3是個積分環(huán)節(jié)，所以此時輸出即刻就到了限幅環(huán)節(jié)的下限，即角度到達130度，可控硅反向?qū)ǎ孀儬顟B(tài)），也就是說此時磁場方向和正常運行時是相反的。但是由于電壓測量的只是平均值，不能反映方向，所以當(dāng)永磁機有電壓時（即合上永磁機出口開關(guān)，在并網(wǎng)前第二步操作票中執(zhí)行），GEX001ID也有了電壓指示，當(dāng)轉(zhuǎn)速3000RPM時，根據(jù)圖3提供的數(shù)學(xué)模型，可以大概算出電壓為Ufe＝1.35*274*cos130＝237V（VAC＝274V），主控 GEX001ID 中的電壓指示滿量程為50V（正常15.8v左右），就地盤柜上的儀表滿量程為200V，均被超出。那么這個初始電壓的存在，是否會導(dǎo)致在合勵磁開關(guān)后發(fā)電機立刻產(chǎn)生初始電壓呢（改變90R的預(yù)設(shè)升壓曲線）？我想應(yīng)該是不會的。由于勵磁機線圈是一個大電感，它會阻礙電流的產(chǎn)生，因此合勵磁開關(guān)瞬間并不會馬上產(chǎn)生勵磁電流，而投上勵磁開關(guān)后，調(diào)節(jié)回路會立即開始工作要求調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，導(dǎo)通角將馬上從130度回到＜90度，因而不會導(dǎo)致發(fā)電機非預(yù)期升壓。行文至此，關(guān)于本文開頭的問題已經(jīng)得到解答。但是對于余弦函數(shù)，0-90度的角度范圍其余弦代數(shù)值已覆蓋了最小到最大范圍，即為0-1，已可以滿足勵磁調(diào)節(jié)的需要，為何還要設(shè)計90度-130度的調(diào)節(jié)區(qū)間呢？

2 逆變滅磁的必要性

圖2 勵磁調(diào)節(jié)簡化圖

圖3 勵磁開關(guān)未合時的控制示意

如前所述，從圖3可以看出，只要勵磁開關(guān)斷開，可控硅即刻進入反向?qū)顟B(tài)，不難猜想，這種反向?qū)〞蜏绱庞嘘P(guān)。事實上這就是逆變滅磁。在一些電廠正常停機也正是依靠逆變滅磁的，此時，勵磁開關(guān)并不斷開，依靠逆變使磁場換向，從而快速降低勵磁電流，在勵磁電流為0時斷開勵磁開關(guān)，避免過電壓危害，但顯然這和我廠的 實際條件不符。我廠無論正常停機還是事故停機，均完全依靠滅磁電阻滅磁，在勵磁開關(guān)斷開時投入滅磁回路，自動接入滅磁非線性電阻。要使非線性電阻發(fā)揮作用一個必要條件就是非線性電阻兩側(cè)電壓必須高于一定值。如圖4所示，當(dāng)勵磁開關(guān)開斷時，由于電感的反電勢效應(yīng)，其兩端電壓U＝UK-Ud，為了導(dǎo)通非線性電阻，必須要有U＞UR，其中UR為達到滅磁要求放電電流所需的電壓閾值（殘壓），可見，當(dāng)可控硅逆變時，Ud反向，自然提高了U的值，因而有助于導(dǎo)通非線性電阻從而使滅磁成功。正是基于這個原因，所以導(dǎo)通角設(shè)置了90度-130度的區(qū)間段，并且在勵磁開關(guān)斷開時自動反向?qū)ā?/p>

圖4 勵磁開關(guān)開斷時的電壓分布示意（無逆變）

表1

本文解釋了在勵磁開關(guān)未合閘時主勵磁機勵磁電壓建立的原因，并粗淺討論了可控硅逆變在AVR系統(tǒng)中存在的必要性，希冀能對同仁有所幫助，囿于水平，錯誤之處，懇請指正。

（數(shù)據(jù)：1650RPM190V，1500RPM170V，線形OK，可以推算3000RPM340V，即永磁機電壓393V或者147度）

5）自動電壓調(diào)節(jié)器建壓后，測量的機組數(shù)據(jù)如下：

發(fā)電機二次電壓：100V；勵磁電壓：9V；AVR輸出：0；勵磁電流：60A。