發(fā)電機自并勵勵磁機硬件設計

李小紅

【摘 要】設計采用自并勵勵磁方式，通過同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的方案論證、設計和計算，得到滿足要求的勵磁系統(tǒng)。

【關鍵詞】自并勵;勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機重要組成部分，直接影響發(fā)電機運行性能。自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)中發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組由專用的直流勵磁機供電，調(diào)整勵磁機磁場電阻，可改變勵磁機勵磁電流，從而達到人工調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)載電流的目的，實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的手動調(diào)節(jié)。

一、設計方法

自并勵勵磁機由主回路（勵磁控制單元）和控制回路（勵磁調(diào)節(jié)器）組成。原理框圖如圖1.1所示，交流電源取自機端，經(jīng)整流回路供給發(fā)電機可控勵磁?？刂苹芈酚蓽y量比較單元、綜合放大單元、移相觸發(fā)單元及調(diào)差單元組成?？刂苹芈肥歉鶕?jù)機端電壓變化輸出可調(diào)脈沖作用于可控硅控制極，來調(diào)節(jié)主回路輸出直流勵磁電壓的大小。

圖1.1 ?自動勵磁系統(tǒng)基本原理框圖

在三相電網(wǎng)的功率因數(shù)測量中，一般假設電網(wǎng)是三相平衡的，此時任意一相的功率因數(shù)就相當于三相系統(tǒng)的功率因數(shù)。本文利用電網(wǎng)三相電壓、電流間的相位角關系，通過直接檢測相電流和線電壓的相鄰的兩個方波的上升沿的時間差，來確定功率因數(shù)以及功率因數(shù)的超前滯后情況，從而通過運算得到三相電網(wǎng)的功率因數(shù)。設θ為線電壓滯后相電流的相角，相電流滯后相電壓的相角為Φ。把電壓和電流方波信號經(jīng)異或門之后的方波作為過零點的檢測信號，為了節(jié)省外部中斷，采用一個反相傳輸門和模擬開門相結(jié)合的電路。由P3.0控制模擬開關的選通。這樣就可以控制用于脈寬測量的定時器T1的計數(shù)值n，即當方波的上升沿到來的時候，計數(shù)器T1啟動，開始計數(shù);當方波的下降沿到來的時候，T1停止計數(shù)。得到對應的脈寬計數(shù)值n。假設測量工頻的半個周期所對應的計數(shù)值N，通過N，n的關系推導出θ和Φ值，如公式所示。

單片機很容易完成上述計算，對Φ取余弦就得出功率因數(shù)cos?，如果sin?為正值，則說明負載呈感性，反之則說明負載呈容性。

調(diào)差系數(shù)δ表示無功電流從零增加到額定值時，發(fā)電機電壓的相對變化。調(diào)差系數(shù)δ表征了勵磁控制系統(tǒng)維持發(fā)電機電壓的能力。調(diào)差系數(shù)用δ表示，其定義為：

式中—發(fā)電機額定電壓;

、—分別為空載運行和帶額定無功電流時的發(fā)電機電壓。

為實現(xiàn)上述的功能，勵磁控制器需具備：電量測量、調(diào)節(jié)運算、同步信號檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據(jù)前文所訴的勵磁控制器的基本要求，勵磁控制器也由以下幾個基本單元組成：主控制單元、模擬量輸入通道、開關量輸入輸出通道、同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。

圖1.2 勵磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框

二、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的要求及分類

1.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的要求

在電力系統(tǒng)的運行中，同步發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)起著重要的作用，它不僅控制發(fā)電機的端電壓，而且還控制發(fā)電機無功功率、功率因數(shù)和電流等參數(shù)。在電力系統(tǒng)正常運行的情況下，維持發(fā)電機或系統(tǒng)的電壓水平;合理分配發(fā)電機間的無功負荷;提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性，所以對勵磁系統(tǒng)必須滿足以下要求：

（1）常運行時，能按負荷電流和電壓的變化調(diào)節(jié)（自動或手動）勵磁電流，以維持電壓在穩(wěn)定值水平，并能穩(wěn)定地分配機組間的無功負荷。

（2）應有足夠的功率輸出，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障，電壓降低時，能迅速地將發(fā)電機地勵磁電流加大至最大值（即頂值），以實現(xiàn)發(fā)動機安全、穩(wěn)定運行。

（3）勵磁裝置本身應無失靈區(qū)，以利于提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，并且動作應迅速，工作要可靠，調(diào)節(jié)過程要穩(wěn)定。

2.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類

一期是交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器的勵磁系統(tǒng)，即無刷勵磁系統(tǒng)。它的副勵磁機是永磁發(fā)電機，其磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是靜止的，而交流勵磁機正好相反，其電樞、硅整流元件、發(fā)電機的勵磁繞組都在同一軸上旋轉(zhuǎn)，不需任何滑環(huán)與電刷等接觸元件，這就實現(xiàn)了無刷勵磁。

二期是自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組由專用的直流勵磁機DE供電，調(diào)整勵磁機磁場電阻Rc可改變勵磁機勵磁電流中的IRC從而達到調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的目的。

三期采用的是靜止勵磁系統(tǒng)。這類勵磁系統(tǒng)不用勵磁機，由機端勵磁。

三、自并勵存在問題與解決方法

為了保證發(fā)電及安全穩(wěn)定運行，微機勵磁控制器內(nèi)部設有PT斷線、強力動作、欠勵動作、過壓限制、電壓/頻率限制、過無功功率保護、定子過電流保護等保護功能。

以上保護功能遠不能滿足電力系統(tǒng)的輸配電線路安全需求，為此采取如下措施：

（1）增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）;

（2）增加直流回路在線監(jiān)測器;

（3）轉(zhuǎn)子回路開路保護。

四、結(jié)束語

勵磁系統(tǒng)對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，一直是人們關心的課題和努力的方向，長期以來已經(jīng)進行了大量的工作。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部份，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身的安全穩(wěn)定運行有很大的影響。

參考文獻：

[1]商國才.電力系統(tǒng)自動化.天津：天津大學出版社，2000

[2]郭培源.電力系統(tǒng)自動控制新技術.北京：科學出版社，2003.4