励磁发电机

励磁发电机（精选11篇）

励磁发电机 篇1

0 引言

交流励磁发电机定子侧接电网,转子上采用三相对称分布的励磁绕组,由变频器提供对称交流电励磁,且励磁电压的幅值大小、频率、相位、相序都可根据要求加以控制,使得交流励磁发电机具有良好的稳定性及转速适应能力、独立的有功与无功调节能力和较强的进相运行能力,性能超越传统同步发电机和感应发电机,因而有着广阔的应用前景[1,2]。

变频器输出电压含有谐波,必定使交流励磁发电机转子电流、定子电流和感应电势含有谐波,抑制感应电势和电流谐波、保证输出电能质量是一个重要课题,同时还应竭力避免变频器对电网造成谐波污染、提高变频器输入功率因数。本文首先在Saber仿真平台下对矩阵式交-交变频器的性能进行仿真分析,研究发电机定、转子电流和感应电势及变频器输入电流波形,并作相应的谐波分析,然后与交-直-交变频器和交-交变频器作励磁电源时发电机的运行特性进行了对比分析。展示了以矩阵式交-交变频器作为交流励磁发电机励磁电源的可行性,并为交流励磁发电机的励磁系统工程设计提供了一定的理论参考依据。

1 矩阵式交-交变频器励磁的交流励磁发电机特性研究

根据交流励磁发电机系统对励磁变频器要求,提出采用矩阵式交-交变频器作为交流励磁发电机的励磁电源。矩阵式变频器主电路结构简单,号称“全硅”变频器,负载频率不受限制,可获得正弦波的输入和输出电流,任何负载时都可在接近于1的功率因数下运行;矩阵式变换器可实现能量双向流动,无中间直流环节,结构紧凑,体积小,效率高。如图1所示。

根据所建立的交流励磁发电机励磁控制系统的仿真模型,对交流励磁发电机稳态有功、无功、转速调节特性和暂态特性进行了仿真计算,研究表明,交流励磁比传统同步发电机具有更好调节特性,达到了发电机有功、无功、转速独立控制的目的[3]。

本文利用混合信号系统仿真软件Saber对矩阵式交-交变频器励磁的交流励磁发电机系统的谐波进行了仿真研究。研究结果如图3所示,从图可看出变频器的输入位移因数很高,输入相电流主要由基波分量和频率为输入滤波器截止频率的谐波分量组成。

2 矩阵式交-交变频器与其它变频器作励磁电源的比较

目前流行的变频装置为交-直-交变频器和交-交变频器[4,5],本文建立了交-直-交变频器的元件级仿真模型及交-交变频器的原理性仿真模型,将之用作交流励磁发电机的励磁电源进行仿真,并与矩阵式交-交变频器作励磁电源进行了比较。

2.1 矩阵式交-交变频器与交-直-交变频器的比较

采用PWM逆变电路的交­直­交变频器可以使输出电流接近正弦,也可用作交流励磁发电机的励磁电源。本文建立了交­直­交电压型变频器的元件级仿真模型,采用二极管不控整流,逆变级采用输出线电压空间矢量调制,其拓扑结构如图4所示。

交流励磁发电机在图2所示工况下运行时感应电势和定子电流、转子线电压和电流、交­直­交变频器输入相电压和相电流的仿真计算曲线及相应的频谱图如图6所示。

经计算,感应电势和定、转子电流波形的正旋性畸变率比矩阵式交­交变频器作励磁电源时(见表1),这是由于矩阵式变频器的虚拟中间直流电压是以6倍工频脉动的,而交­直­交变频器的中间直流环节有大容量储能电容起稳压作用,其输出线电压所含谐波的幅值应比矩阵式变频器小。但交­直­交变频器输入相电流波形的正弦性畸变率比矩阵式变频器大,还可看出输入相电流滞后于相电压。

2.2 矩阵式交-交变频器与交-交变频器的比较

图5为三相交­交变频器接线图,该变频器效率较高,可实现四象限工作,低频输出波形接近正弦波;但接线复杂,电力电子器件多,输出频率受电网频率和变流电路脉波数的限制,输入功率因数较低,输入电流谐波含量大,频谱复杂[6]。

本文利用余弦交点法调制算法模板,建立了交­交变频器的原理性仿真模型,图7(a)～图7(f)为交流励磁发电机以该变频器为励磁电源运行于图2所示工况下相应的波形图和频谱图。

经仿真计算,此时感应电势和定、转子电流波形的正弦性畸变率分别为2.3%、1.4%、1.9%,交­交变频器输入相电流波形的正弦性畸变率为32.3%,均比矩阵式交­交变频器或交­直­交变频器作励磁电源时大。

2.3 三种变频器作交流励磁发电机励磁电源的性能比较

表1对三种变频器作交流励磁发电机励磁电源的性能进行了比较,矩阵式交­交变频器比其余两种变频器的输入功率因数高,对电网的谐波污染小。交­交变频器的输出频率从2 Hz变为10 Hz时,输入功率因数显著降低,对电网的谐波污染明显增大,发电机定、转子电流波形畸变严重,故6脉波交­交变频器不宜用于风力发电等变速恒频发电领域。

仿真分析表明:(1)矩阵式交­交变频器励磁与不控整流交­直­交变频器相比,主要优点在于能方便地将转子回路的能量回馈电网,输入功率因数高,对电网的谐波污染小。(2)矩阵式交­交变频器励磁与交­交变频器相比,主要优点在于输出电流谐波含量小,输出频率范围宽,输入功率因数高,发电机系统对电网的谐波污染小。

3 结束语

本文分别以交-交变频器或交-直-交PWM变频器作交流励磁发电机的励磁电源进行仿真分析,前者输出电压中含有大量的谐波,输入侧功率因数也很低,对电网和发电机均有严重的谐波污染和负面效应;后者虽然改善了输出性能,但不控整流加电容滤波的变换造成输入电流畸变、谐波增大,输入功率因数低下,且需要大体积的直流贮能电容,更为不利的是难以实现同步速上、下运行时交流励磁电源必需的功率双向流动。因此交流励磁发电技术实现的关键在于寻求一种输入、输出特性好,无电力谐波,功率可双向流的“绿色”变频器。矩阵式交-交变频器正是能满足这些要求的功率变换器。本文在Saber仿真平台下对矩阵式变频器与交-交变频器或交-直-交PWM变频器进行性能对比分析,结果表明矩阵式变频器不但具有再生运行能力,解决了交流励磁发电机转子回路能量的回馈问题,而且其输入功率因数高,输入电流波形正弦性比交­直­交、交­交变频器好,对电网的谐波污染较小,因此它将可能成为交流励磁发电机理想的励磁电源。

参考文献

[1]徐锦才,等.多相励磁发电技术的研究概述[J].电力系统自动化,1997,21(4):44-46.

[2]邵为民.新型的转差频率励磁发电机[J].电工技术学报,1989(2):35-39.

[3]肖刚,等.矩阵式变换器励磁的双馈发电机系统建模与仿真[J].重庆大学学报(自然科学版),2003(,3):89-94.

[4]Holmes P G,et al.Cycloconverter Excited Divided-winding Doubly-fed Machine As a Wind-power Converter[J].IEE Proceedings,1984,131(2):61-69.

[5]Pena R,Clare J C,Asher G M.Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-back PWM Converters and Its Application to Variable-speed Wind-energy Generation[J].Electric Power Applications,IEE Proceedings,1996,143(3):231-241.

[6]王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2000.

励磁发电机 篇2

一种发电机励磁的模糊PID控制器的设计

本文建立了单机无穷大系统的小信号数学模型,将PID和线性多变量控制器的优点结合起来,利用模糊控制器进行协调控制,以增强系统的抗干扰性,增加系统的鲁棒稳定性.仿真结果表明所设计的.控制器具有良好的控制效果.

作 者：包宗贤 作者单位：四川建筑职业技术学院,四川・德阳,618000刊 名：科协论坛(下半月)英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY ASSOCIATION FORUM年，卷(期)：“”(10)分类号：Q153关键词：发电机励磁 模糊控制 线性多变量控制 协调控制

发电机励磁调节器的动态试验研究 篇3

本台产品的型号为ODFPZ-335000/500，一个变压器油箱内有两个铁心和两个器身，两个器身上的绕组互相连接，结构很复杂，具体的绕组连接图如下：

图1 变压器绕组连接结构图

该变压器分为主体和增压两个变压器，主体变为3柱铁芯，主柱上绕有平衡绕组TV，调压绕组TAP，公共绕组CV和串联绕组SV；增压变主柱上绕有增压绕组BV和励磁绕组EV。采用这一结构的目的是为了降低有载分接开关的绝缘水平，设置了高低压等匝的增压变，增压变的励磁绕组与主体变的调压绕组相并联。调压方式为主体变恒磁通调压方式，增压变变磁通调压方式。

发电机励磁系统改造 篇4

根据发电企业励磁专业技术监督工作“强条”要求, 并网发电机必须配置, 具有自动调整励磁功能的微机励磁装置。要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。提高励磁控制系统的可靠性并实现复杂控制规律的控制。近年来微机处理机发展迅速, 应用技术日趋成熟, 为微机型自动励磁调节器的开发提供了坚实的技术基础。我厂#1、#2发电机采用的是同轴直流发电机励磁系统励磁, 这是一种较为原始的方式, 虽然原理简单, 便于理解和操作, 但是直流励磁机励磁系统工作稳定性差, 运转噪音高, 反应速度慢, 故障率高, 整流子和碳刷维护困难, 而且维修期长, 已远远不能满足现代电网对发电机提出的快速励磁的要求, 目前已到必须由以半导体整流器为励磁功率单元, 由半导体元件构成的调节器共同组成的所谓半导体励磁系统所取代的时期, 采用此方式具有投资少, 使用灵活, 反应速度快, 便于维修的特点, 它以成为同步发电机的励磁发展方向, 其中全静态自并励以其接线简单, 可靠性高, 一次投资少等被广泛接受。因此, 我厂于2012年5-10月, 对#1、#2发电机同轴直流发电机励磁系统改造为全静态自并励励磁装置。本文就结合该发电机改造过程谈谈自并励汽轮发电机励磁电源的几个问题:自并励接线方式、自并励的起励、试验电源、保护可靠性等。

2 自并励装置的特点

全静态自并励励磁系统由励磁变压器、励磁调节装置、功率整流装置、发电机灭磁装置及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等组成。全静态自并励励磁方式与旧的励磁方式相比, 具有以下几方面的优点。

2.1 励磁系统可靠性增强

旋转部分发生的事故在以往励磁系统事故中占相当大的比例, 但由于全静态自并励磁方式取消了旋转部件, 减少了事故隐患, 可靠性明显优于直流励磁机励磁。在自并励励磁系统中采用了冗余结构, 故障元件可在线自动切换, 有效地减少了停机概率。该系统对运行、维护的要求相对较低。

2.2 电力系统的静态、暂态稳定水平提高

由于全静态自并励励磁系统响应速度快, 电力系统静态稳定性大大提高。自并励方式保持发电机端电压不变, 对单机无穷大系统静态稳定极限功率为:

式中Ug-机端电压

Us-系统电压

Xe-发电机与系统的等值电抗

而常规系统在故障过程中只能保持发电机暂态电势Eq'不变, 其极限功率为:

式中Eq'-发电机Q轴暂态电势

Xd'-发电机D轴暂态电势

根据公式 (1) 和 (2) 计算得出Pmax大于Pmax', 说明大大提高了静态稳定极限。

对于可能引起的系统低频震荡, 可采用先进的控制规律或配置电力系统稳定器加以解决。发电机出口三相短路是全静态自并励励磁系统最不利的工况, 此时机端电压及整流电源电压严重下降, 即使故障切除时间很短, 短路期间励磁电流衰减不大, 但在故障切除后机端电压恢复的时间里, 自并励系统的强励能力有所下降。为解决这一问题, 在系统设计中计算强励倍数时, 整流电源电压按发电机额定电压值的80%计算, 即机端电压为额定时强励能力提高25%, 因目前发电机出口母线均为封闭设计, 发电机三相短路可能性基本消除。因此自并励系统强励倍数高, 电压响应速度快, 再加上选择先进的控制规律, 能够有效提高系统暂态稳定性。

3 自并励接线方式

目前自并励的接线方式主要有三种方式:接于发电机出口母线、接于厂用母线、接于系统侧。比较三种接线方式第一种是比较简单、优先的方案。我厂#1、#2发电机的励磁系统改造选用了第一种方式。接于发电机出口母线的接线方式励磁电源取自发电机机端并联变压器。接线方式比较简单, 只要发电机在运行, 就有励磁电源。该方式可靠性高, 当外部短路切除后, 强励能力便迅速发挥出来。缺点是励磁电源受机端电压影响, 当线路首端发生三相短路故障时, 由于机端电压下降, 会使强励作用有所减弱, 对暂态稳定不利, 在负荷中心的发电机则可能对系统的电压稳定产生影响, 如果较长时间短路未被切除, 则不能保证励磁。我厂#1、#2发电机采用母线汇集接至110KV升压变的接线方式, 发电机三相短路的可能性很小, 其产生的不利影响可按升压变高压侧故障考虑。对于机端单相接地故障 (占短路故障总数的80%左右) , 机端电压可达0.7Ue以上, 仍可有效进行强励。而且对于这种接线方式, 机端故障后应切除发电机, 自并励的缺点不影响发电机。对于发电厂高压母线出口近端三相短路, 虽然母线电压大幅度下降会影响强励倍数, 但现代电网大都配有快速动作继电保护装置及快速断路器, 能够将短路迅速切除 (0.1~0.2) s, 短路一旦切除, 发电机电压迅速恢复, 强励能力也就跟着恢复。可以说采用现代技术的继电保护及快速断路器, 不但弥补了自并励系统在这方面的缺点, 而且对保持暂态稳定来说, 快速切除故障比提高励磁系统性能更为重要。如果不能迅速地将近端三相短路故障切除, 即使采用其它励磁方式, 也不能维持发电机的暂态稳定。

4 自并励方式的起励与试验电源

当发电机被汽轮机拖动至额定转速时, 发电机转子铁芯剩磁可能使发电机电压升至几十伏或数百伏 (约为额定电压的1%~2%) , 对于励磁变接于机端的方式, 励磁调节器由于同步电压太低, 无法形成触发脉冲, 励磁回路无法导通, 这就需要采取措施, 其中最常见的办法就是外加起励电源, 供给初始励磁, 待发电机电压升到一定值时自动退出, 由调节器自动升压至额定值。我厂#1、#2发电机励磁系统改造采用了此办法, 在380V厂用段上接出一回路供起励和试验电源用。

5 调节器的保护设置

我厂#1、#2发电机选用的是微机型励磁调节器, 随着励磁控制规律中单变量向多变量、线性向非线性发展使得励磁调节器能够在改善机组、电网稳定性方面起着重要的作用。

5.1 PT熔丝断

如果检测到仪表PT熔丝断, 发PT熔丝断信号, 如果是测量PT熔丝断, 则除发PT熔丝断信号外, 面板显示切手动故障, 励磁调节器转手动运行。

5.2 失脉冲检测

当检测到失脉冲故障后, 失脉冲经继电器动作, 面板显示失脉冲信号。

5.3 低励限制保护

低励限制作用于保证发电机在欠励磁工况下稳定运行和定子端部铁芯温度不超过容许值的措施。判定低励限制的条件是:bp-c Q>D。其中b、c由发电机及电网的参数和特性决定的系数。D的设定分为限制线D1与动作限D2。当低励磁条件D1满足时, 励磁调节器发低励信号, 闭锁减磁, 并自动进行增励操作直到低励故障消失。当低励条件D2满足时, 除执行上述操作外, 延时1s切手动。

5.4 过励限制保护

过励限制是用于防止发电机转子免受过热损害的保护措施 (该保护于并网后自动投入) 。采用反时限特性。当发电机转子电流大于2.25倍额定电流时, 瞬时封锁脉冲退出运行。当发电机转子电流大于1.06或小于1.0倍额定电流时, 进行反时限积分, 当积分值达到定值时, 发出“过励”信号并自动进行减励操作, 直到转子电流回到额定值。当发电机转子电流在1.0到1.06倍额定电源时, 积分值保持不变。

5.5 过磁通V/Hz限制保护

V/Hz保护用来保护发电机和升压变免受过磁通损害的保护措施。当发电机端电压V/Hz比大于整定值Ⅰ段时 (1.05) 时, 发“V/Hz”报警信号, 并自动进行减励磁操作, 直到故障消失, 当发电机端电压V/Hz比大于整定值Ⅱ段时 (1.10) 时, 除执行上述动作过程外, 延时1s发切手动信号, 励磁调节器转为手动方式运行。

6 灭磁及过压保护装置

在发电机转子回路设置灭磁开关, 配备相应的非线性灭磁电阻。转子过压保护装置采用压敏电阻。

结束语

励磁发电机 篇5

【摘要】介绍赛珠电站3台机组励磁系统改造方案，对HWJT-08DS型微机励磁调节器与EXC9100型全数字式微机励磁系统的性能及使用情况进行了对比和分析。

【关键词】赛珠水电站；机组励磁系统；励磁调节器改造； HWJT-08DS；EXC9100

1、概述

赛珠水电站位于昆明市禄劝县境内，属于金沙江普渡河流域的洗马河支流下游河段，电站首台机组于2008年6月投入商业运营，电站装机三台，每台34MW，总装机102MW。赛珠水电站1号机组和主变采用单元接线，2号、3号机组及变压器采用扩大单元接线，主变高压侧220KV采用单母线接线，通过中屏变并入云南电网。电站3台机组均选用武汉洪山电工科技有限公司生产的HWJT-08DS型微机励磁调节器。

2、励磁系统情况

2.1励磁系统改造原因

发电机励磁系统的作用是在发电机正常运行时，供给发电机维持一定电压及一定无功输出所需的励磁系统；当电力系统突然短路或负荷突然增、减时，对发电机进行强行励磁或强行减磁，以提高电力系统运行的稳定性和可靠性；当发电机内部出现短路时，对发电机进行灭磁，以避免事故扩大；是水轮发电机组重要的组成部分。赛珠电站励磁系统改造主要有以下原因：

1、电站3台机组均选用武汉洪山电工的HWJT-08DS型微机励磁调节器，全部都是2008年投产，硬件已趋于老化。

2、HWJT-08DS型微机励磁调节器在使用中出现过工控机死机、功率柜均流系数不满足要求、PLC掉程序等问题。

3、HWJT-08DS型微机励磁调节器运行操作不便，例如零起升压操作步骤过多且要依靠工控机进行操作，如工控机故障将不能进行零升操作。

4、HWJT-08DS型微机励磁调节器设计不完善，无转子正负极对地电压监视装置，给运行监视工作带来不便。

2.2HWJT-08DS型微机励磁调节器介绍

2.2.1HWJT-08DS型系统结构：

采用四柜结构由HWJT-08DS型励磁调节器柜、HGL-01型可控硅功率柜、HMC-01型灭磁及转子过电压保护柜、励磁变压器及附件等组成；励磁系统控制、监控、整流、起励、灭磁、过压保护、直流电压、电流变送器等装置分置其中。

2.2.2励磁系统原理图

3、励磁系统改造方案

经过多方调查论证后发现，中国电器科学研究院有限公司/广州擎天实业有限公司开发的第五代微机励磁系统EXC9100型全数字式（微机）励磁系统符合改造需求。

3.1保留的部分

1、HGL-01型可控硅功率柜。

2、HMC-01型灭磁及转子过电压保护柜。

3、励磁变压器及附件。

3.2此改造方案的优点

1、保留部分还可用的设备以降低费用。

2、改造后的励磁调节器能满足机组励磁系统相关技术规范及日常运行要求。

3、改造后的系统能满足南网对PSS、机组AVC调节的相关技术要求。

4、增加转子正/负极对地电压检测功能，方便运行监视，提高运行安全性。

5、改造后励磁系统性能及稳定性得到显著提高。

6、简化操作步骤，降低误操作风险。

7、EXC9100型全数字式（微机）励磁系统在市场上拥有较好的口碑，售后服务完善。

3.3 EXC9100型励磁系统介绍

3.3.1主要技术特点

1、具备励磁标准所要求的全部功能，各项性能指标均达到或优于标准要求。

2、功能软件化、系统数字化、检测智能化。

3、EXC9100励磁调节器核心控制单元采用主流ARM+新型FPGA的嵌入式精简系统。充分发挥出ARM和新型FPGA各自的功能特点。软件、硬件结构简明，效率高，全部调节运算过程（包括PSS计算在内）可达到300次/秒。

4、可灵活地配置为A/B/C三对等通道模式或A/B双对等通道模式，通道间主/从工作，对等冗余。全新的故障检测方式，以通道的可用状态自动划分级别，使调节器间热备用更加合理、更加智能。

5、控制电路板的电磁兼容性良好；电子元器件（芯片）全部选用优质、工业级产品，速度快，功耗低，广泛采用贴片工艺，大大提高了励磁系统的工作可靠性。

6、采用可控硅高频脉冲列触发技术，使得可控硅的导通快速、可靠。采用低残压快速起励技术，在自并励静止励磁系统，借助于发电机的残压即可实现发电机起励、建压。

7、拥有智能化功率柜智能均流技术发明专利（专利号：ZL_02_1 _52084.4）。采用这项技术可以确保并联运行功率柜间均流系数大于95%。在此技术基础上，EXC9100励磁系统在智能化功率柜中更实现了智能化功率柜间的桥臂均流。

3.3.2主要功能

1、按发电机机端电压偏差进行两级超前/滞后补偿的自动调节方式（即自动方式）；

2、以励磁电流作为反馈量的手动调节方式（即手动方式）；

3、具备国际标准的IEEE-PSS2A功能；

4、可附加电力系统电压调节器（PSVR）功能和鲁棒非线性PSS功能；

5、励磁电流瞬时强励限制及反时限过励限制；

6、五点拟合的欠励限制；

7、软件无功调差；

8、发电机机端电压V/F限制；

9、具有方便的用于励磁系统模型测试及PSS试验的输入、输出接口；

10、软件实现励磁调节器自动方式/手动方式的数字给定，无触点、无磨损。通过整定参数改变数字给定调节速度；

11、以FPGA实现精确的数字移相触发控制。角度分辨率可达0.003度；

12、设有通道间自动跟踪和故障自切换功能；

13、采用可控硅高频脉冲列触发技术和低残压快速起励技术；

14、选用智能化功率柜时，保证功率柜间的桥臂均流系数达95%以上；

15、同步交流采样功能，降低了测量环节时间常数；

16、其他必备的辅助功能。

4、结束语

赛珠水电站励磁系统改造成EXC9100型励磁系统，可彻底解决励磁系统现存问题，满足电网及机组运行需求，同时具有技术先进、投资小、稳定性高等优点。改造后将有效提高电站运行的稳定性、安全性、可靠性。

参考文献

[1]李基成.現代同步发电机励磁系统设计及应用.北京：中国电力出版社，2009

[2] GB/T 7409.3-2007《同步电机励磁系统大、中型同步电机励磁系统技术要求》

[3] EXC9100型全数字式（微机）励磁系统说明书，2014

[4] HWJT-08D微机励磁调节器使用说明书，2009

作者简介

发电机励磁系统参数辨识综述 篇6

建立准确的动态数学模型和系统动态参数的准确测量是电力系统稳定安全计算问题的关键之一。发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要作用,尤其是对故障状态下的暂态稳定影响更大[1]。暂态稳定研究表明,用现场工业试验取得的励磁系统详细模型比采用Eq′恒定模型暂态稳定极限可提高4%~6%[2]。因此,对励磁系统有必要采用其详细模型、准确参数进行电网稳定计算。目前,IEEE等国际组织已提出了各种标准化的励磁系统模型可供选择[3],各种电力系统仿真软件多采用这些标准化模型,而实际励磁系统结构千差万别,因此需要运用参数辨识法对实际励磁系统模型进行辨识,得到其在所用仿真软件下的标准模型,或按实际系统结构自定义建模。模型结构一旦确定,下一步工作就是确定模型的参数。

一个精确的励磁系统模型不但要考虑励磁系统各个元件的特性,如自动电压调节器(AVR)、电力系统稳定器(PSS)、励磁机、电压/电流变换器等,还应该能反映它们之间的线性的或非线性的相互作用。制造厂家提供的参数通常是在离线试验的条件下,分别对每个元件进行测试得到该元件的参数,然后将它们综合在一起得到集成的系统模型参数,该参数没有反映元件间的相互作用,如果把这些参数直接用于电力系统的稳定计算仿真,所得的结果与实际情况会有差别[4]。因此,对现场运行的励磁系统进行辨识试验,根据现场采集的数据进行励磁系统参数辨识是一项非常重要的工作。为此,近年来,在发电机励磁系统参数辨识的方法和应用方面,国内外电力工作者做了大量的探索和实践工作。

1 国内外研究现状

在国外,早在20世纪70年代美国电力科学院(EPRI)即已提出用在线测试技术测试电机参数,并强调电机参数与运行方式密切相关,其后Demello、Dandero、Bollinger、UTA和GE公司先后对4大参数(指发电机、励磁机、原动机和调速器、负荷模型的有关参数)开展工作。在此基础上,IEEE所属电力系统各分委自1972年起相继发表了有关励磁系统、原动机和调速器、负荷的数学模型。在现场测试方面,日本的日立公司和关西电力公司于1981年对全套发电机组参数进行了现场在线测试。

在国内,清华大学电机系较早开展辨识技术的研究和应用,并取得了可喜成果[5]。20世纪90年代以来,东北、华北、西南等地区的电力试验研究院和电力公司都做过励磁系统参数辨识的工作,用的方法主要是时域法和频域法。之后人工智能方法在励磁系统参数辨识中得到较好的应用。

2 励磁系统参数辨识

系统辨识就是通过观测一个系统,或一个过程的输入与输出的关系,确定描述该系统或过程动态特性的数学模型。按照对待测系统的了解程度,可将系统分为黑箱(black box)、灰箱(grey box)、白箱(white box)3类。励磁系统属于灰箱系统,即可按物理机理先列出数学模型,再用系统辨识求出参数。

辨识过程如下:规定一代价函数(或称等价准则)Jθ,它通常是误差e的函数,实际系统和模型系统在同一激励信号x的作用下,产生实际输出信号yr和模型输出信号ym,其误差为e,经辨识准则计算后,去修正模型参数,反复进行,直至误差e满足代价函数最小为止。从不同的角度看,参数辨识有不同的分类方法[6]。对于发电机励磁这一连续系统,按照电力工程的习惯分类方法,将参数辨识方法分类为:时域法、频域法和人工智能法。

2.1 时域辨识法

按模型分类,时域辨识法可分为2类。第1类是非参数模型辨识法,即对待测系统首先辨识出非参数特性——时域响应(如阶跃响应),再用动态拟合技术,从动态特性曲线求取模型参数。第2类是参数辨识法,即经过积分、滤波及正交变换等处理,直接求得微分方程的各阶系数,或者用状态空间模型,以具体参数为估计对象,通过最小二乘法直接得到具有物理意义的特性参数。由于电力系统的科研和工程技术人员习惯于在计算和分析中应用具有明确物理意义的参数,从辨识方法的操作过程看,参数辨识法更简便,故在发电机励磁系统参数辨识中应用较多。参数辨识法包括时域最小二乘法和状态滤波法、矩形脉冲函数(BPF)法、分段线性多项式函数(PLPF)法等直接辨识法。

其中时域最小二乘法的特点是:采用状态空间模型,因此适用于多输入多输出(MIMO)系统,经线性化近似处理后还可用于非线性方程,可应用于系统某些状态量进入非线性区域的情形(其原理可参考文献[6])。但由于最小二乘法采用输出误差(OE)模型,必须采用非线性规划技术,这必然带来不收敛、多解等问题。而状态滤波法、BPF法、PLPF法则不存在这些问题,它们是基于方程误差(EE)模型的时域辨识方法。状态滤波法中滤波器的实现较麻烦,BPF法和PLPF法实现较容易。BPF法和PLPF法的优点是:直接从时域采样信号,无需进行快速傅里叶变换(FFT)运算,计算方法简捷,测试方法简单,不需要外加信号,仅仅需要系统自身充分激励就可以实现。这2种方法中,PLPF法比BPF法更精确,因而在国内得到广泛应用,并取得了较好的效果[7,8]。

下面描述PLPF时域辨识法的原理。

设待辨识系统为单输入单输出(SISO)模型:

在零初始条件下,对式(1)求n重积分,则

式(2)相当于对式(1)各阶导数项逐次积分,如果设法求出输入信号u(t)和输出信号y(t)的多重积分,则可以估计模型参数ai和bi。采用PLPF解决积分求解问题后,可以直接引用离散的最小二乘辨识来估计模型参数。

输入、输出可以用采集的离散数据向量与一个函数的内积表示:

定义分段线性多项式:

将F0(t)、F1(t)、…、Fm(t)积分得到:

其中,H为m×m维常矩阵:

此时式(2)可以改为

消去F(t)可得:

等式两边都转置后式(7)成为

利用最小二乘法就可以求解出模型参数ai和bi。

PLPF法的特点是:采用EE模型方法,辨识的是微分方程的系数,也即传递函数模型的系数。它不用迭代计算,不存在收敛性问题,且计算量较小。而且PLPF法可以在估计参数的时候,估计状态初始值,可应用于初始状态未知的情况。但辨识模型参数还需列方程转换成实际参数,有时实际参数个数多于模型参数系数,得不到实际参数的唯一解。这时需增加测量点,而有些测量点现场无法测得。PLPF法适用于SISO、MISO模型,也可推广到MIMO模型,但应用于MIMO模型时,模型参数与实际参数的关系可能很复杂,难以求解实际参数。另外,PLPF法只适用于线性模型。这些缺点在一定程度上局限了它的应用。但目前它是国内电力系统辨识领域应用较广泛的一种连续系统直接辨识方法,通过对待测系统输入、输出信号积分方式的改进,一些学者提出了新的励磁系统参数辨识方法[9,10]。

2.2 频域法

频域法应用信号处理技术,通过FFT将时域信号转换到频域,再利用最小二乘法原理辨识出励磁系统的模型参数,其优点是输入为伪随机信号,不影响机组正常发电,测试方法实用,可以直接求得传递函数系数。目前,它在励磁系统辨识中得到了广泛的应用[11,12,13,14],深得电力工作者信赖。

频域辨识法是将以维纳-何甫方程为基础的相关辨识法通过FFT转换到频域上得到的。由于时域上的卷积能转化为频域上的简单乘积,所以在频域上的计算将更加方便。维纳-何甫方程的傅里叶变换为

推导得:

式中Kf为相关积分与相关函数间的比值常数。

得到系统的频域响应后,再通过最小二乘法拟合,最后获得估计的参数。

频域FFT辨识法的特点是:具有滤波功能,当系统存在噪声干扰时,只要在统计学上不相关,就能得到良好的辨识效果;系统辨识不依赖于正常运行记录,不要求有先验的统计学知识;白噪声为伪随机码信号,对系统的扰动小,故可用于在线辨识,且易构成在线调试;可提供频域信息,如频率响应函数的幅频、相频特性,能够较好地与经典频域调节理论相配合,对调节系统进行有效的动态校正。除了不能用于非线性系统,FFT法理论上是一种很好的参数辨识方法,但在实际应用中,理想的伪随机码难以得到,对伪随机码的时间间隔、周期、采样频率、截止频率的取值间的配合难以掌握,应用结果表明频域法能较准确地辨识低阶系统,而对于三阶以上的系统参数辨识则效果较差。另外,频域辨识法和PLPF法一样也存在辨识模型参数转换成实际参数的问题。

2.3 人工智能方法

目前见之于文献并在实际中用于发电机励磁系统参数辨识的人工智能方法是遗传算法(GA)[15,16]。GA法鲁棒性强,对目标函数没有连续可微的要求,而且能避免陷入局部极小,适用于处理传统搜索方法无法解决的复杂和非线性问题[17]。正是基于GA法的这些特点,可将GA法应用于非线性系统的参数辨识。

用GA法进行系统参数辨识的步骤如下:对于一个实际的励磁系统,GA法首先选择相应结构的标准模型,或直接按照实际系统建模,然后任意设定多组模型参数,包括其中非线性环节的待优化参数,得到多个结构和参数都确定的模型,将现场采样得到的激励信号x加入到每一个确定模型中,可以得到对应的输出ym,将ym与实际系统的输出yr比较得到模型误差e,再用GA法不断进行优化,最终获得最优参数模型。

GA辨识法流程图如图1所示。

人工智能方法的特点是:原理简单;对激励信号没有特殊要求;能辨识非线性系统。但是,它没有滤波功能,而且对系统的先验知识要求较高,如必须先确定系统的详细模型结构,要了解待辨识的系统参数范围。这些先验知识制约着GA法辨识系统参数的精度。幸运的是,灰箱建模是电力系统辨识的一个特点,许多先验知识是可以得到的。仿真及实际应用的结果表明了该方法的有效性。笔者已将GA辨识法编制成软件包,用于福建电网主要机组励磁系统的参数辨识,该软件包也包括了频域和时域辨识法。通过测试发现,GA法克服了频域法和时域法的局限性,在各种测试条件下都能得到比较满意的效果,因此,GA法已被确定为福建电网励磁系统参数辨识的主要方法。关于该方法的详细应用情况可参考文献[17]。

3 结论

柴油发电机励磁绕组的改进 篇7

经过对施工环境、发电机使用情况的调查和对故障的分析研究，满载运行时间过长、负载功率因素低、三次以上的高次谐波严重、三相负载严重不平衡、频繁起动较大功率的异步电动机、发电机及负载短路、保安装置失灵或不完善以及高温高湿环境连续作业等是造成发电机温升过高、从而最终导致励磁绕组被烧毁的主要原因。

1 改进措施

拆除烧损的励磁绕组，按原线径匝数采用高强度聚脂漆包线重新下线，绕组浸漆(常用1032三聚氰胺醇酸树脂漆或1012耐油清漆适用于E级或B级绝缘)，经用500伏兆欧表测量，绝缘电阻达100MΩ以上。参考各类发电机励磁系统，结合具体情况分析原励磁系统设计上的缺陷和不足，我们重新设计了励磁恒压系统。采用单相半波可控整流，整流电压最大值为103V，导通角≤180°。

根据设计计算采用3CT50/500V可控硅代替原3 C T 1 0/5 0 0 V的可控硅，经试运转及电路测量、元件调整，各项指标均符合要求，达到了改进目的。励磁电流为26A，励磁电压为64V，当外负载变化时，瞬态电压调整率≤±25%，瞬态频率调整率≤±8%，电压稳定时间≤1.5s，频率稳定时间≤6s，稳态电压调整率≤±5%，稳态频率调整率≤±6%，电压频率波动率≤±0.6%，接近新品指标。

2 使用控制措施

1)严格控制发电机温升(以气温40℃为基准)不超过50℃。运行中经常以触摸感觉、温度计检测的方式，当发现轴承外圈温度超过95℃、润滑脂有稀释流出现象，或轴承有沙沙磨擦声时，均应立即停车查明原因，排除故障后方可运行。

2)保持调速器良好，稳定发电机转速在1 500r/min，使周波达50Hz，运行中发现周波有变化，应及时调整柴油机油门稳定周波，并检查调速器是否运行正常。

3)发电机二级保养时斟情更换润滑脂，润滑脂数量应为轴承空隙的1/2～2/3左右。应按使用说明书规定仔细检查轴承，如果滚珠或轴承内、外圈等处出现蓝紫色时，说明轴承受热退火，应注意使用或更换。更换轴承时，轴承内外孔和轴及机体配合应符合规定的过盈量，太松时应在轴承内外圈挂锡，精磨后装配;过紧时应用00号砂纸细心打磨后装配，既防止轴承配合过松打滑、磨擦生热，又防止过紧时减小轴承游隙，增大磨损，增加温升。

4)发电机使用时应尽量使用电设备合理分配，三相功率平衡(其中整流励磁的A相已消耗电力2kW)，三相不平衡不应超过20%。尽量使用三相电焊机，使用两相对焊机时应停用其它设备，并间歇对焊。工作中密切注视机体温度，如果温升过高，应立即停机降温。

5)发电机在高温、高湿环境下作业应采取降温和除湿措施，如采用吹风机改善通风条件、间歇运行，使之冷却，控制机体温度不超过90℃，或减轻负载不超过发电机容量的85%，作好发电机顶部密封，防止雨淋。

6)原则上禁止发电机过载使用，特殊情况过载使用时，如使用发电机进行钢筋对焊时，应间歇作业，并严格控制发电机温升，一旦温升过高，应立即停机采用吹风机冷却，待降温后再投入使用。负载电动机最大容量不应超过发电机容量的40%，间断起动电动机间隔时间不应低于1min，尽量避免频繁起动。

7)发电机运行中应密切观察励磁电流，若超过额定值时应减轻负载。若调整无效应停机检查励磁绕组是否因绝缘下降(发电机冷态低于2MΩ，热稳定状态低于0.5MΩ)而严重漏电或短路接地，不可强制运行以免造成机器损坏。

8)发电机若长期不用，使用前应将定子采用稳态短路电流法对绕组进行烘干驱潮，当绝缘大于2MΩ以后方可使用。

3 效果

重新设计、安装了新的励磁恒压系统，并实施了一系列措施，严格执行操作规程，加强设备管、用、养、修工作，经过一段时间检验，设备状态良好，消除了类似故障。我们又陆续对其他几台有故障的75kW～250kW柴油发电机励磁系统进行设计改装,并在全集团公司进行推广，改造、安装新装置，改善了技术性能和各项经济指标,充分发挥了设备的使用性能，提高了设备完好率、利用率，保证了施工生产的顺利进行，取得了较好的经济效益。

摘要：本文介绍了柴油发电机组励磁系统出现的故障及原因,设计了新的励磁装置,并制定了使用控制措施,通过实践检验,排除了类似故障,从而保证了工程施工的安全、质量、进度和效益,取得了较好的经济效益。

发电机励磁系统调差系数分析 篇8

关键词：电压,励磁系统,调差

电压是电能质量的重要指标。合格的电压质量是电力系统安全运行的前提。发电机是电力系统中重要的无功源, 其电压支撑能力对电网电压水平具有重要影响。励磁控制系统作为同步发电机的重要组成部分在维持机端电压恒定、保证机组间无功负荷合理分配中起着至关重要的作用, 其电压无功调节能力决定着发电机机端电压水平。因此励磁系统参数的优化整定对提高发电机的效能及电网电压水平具有重要的意义。

1 励磁系统调差系数的概念

发电机电压调差是指发电机带负荷时机端电压的自然下降, 发电机电压调差率则是发电机带额定负荷时的机端电压自然下降的百分率。发电机有功电流变化对发电机端电压影响很小, 而且励磁调节只影响无功电流, 所以发电机电压调差率的定义是发电机功率因数为零、无功从零变化到额定无功时机端电压的变化率。

自然调差率又称静差率, 对于有差调节的励磁系统, 发电机负荷从空载到额定变化时, 需要有一定的端电压偏差来保证所需的励磁增量, 端电压偏差的百分值即自然调差率, 近似为励磁系统稳态增益KA的倒数。

2 自然调差与附加调差

附加调差系数, 在AVR量测回路引入一与无功电流成比例的电压, 使机端电压随无功变化而改变。

(1) 对于发电机出线直接并联的发电机AVR如为无差调节, 为了均流调节, 需采用附加电抗补偿, 所加的附加正调差即为发电机的电压调差。但因为发电机电压调差率的计算是以QÁ为额定, 而附加调差系数的计算是以SN为额定, 以便于核算补偿变压器电抗的百分值。两者的数值是不同的, 例如要求的电压调差率为Xc=3%, 当发电机额定功率因数为0.85时, 附加调差系数

(2) 对于发电机变压器组, 则需采用负调差, 以补偿一部分升压变压器电抗, 如变压器电抗为XT, 要求的调差率Xc=3%, 则附加的调差系数为:

式中:D为负值, 即负调差系数。因为XT以SN为标

么值, 所以D亦以SN为标么值。

设XT=11%, Xc=3%, cos 0.85, 由式 (1) 求得D=-5%, 如发电机的SN与升压变压器的SN不同, 则需进行基值换算。上例中附加调差为-5%, 变压器电抗的补偿度为 (5/11) ?100%?45%。发电机无功从零变化到额定时, 变压器高压侧电压下降3%, 发电机电压上升△Ut=D×sinφ=5%×0.53=2.6%。

(3) 对于发电机变压器组经一段输电线路并联时, 除要补偿变压器电抗压降外, 还要补偿输电线路的压降, 输电线路的电阻与电抗为同一数量级不可忽略。因此, 不但要补偿输电线路的电抗压降, 还要补偿其电阻压降。有功电流在电阻上的压降与端电压同方向, 可采用有功电流或有功功率作为电阻压降补偿。

(4) 扩大单元机组之间的电抗为变压器两低压绕组之间的电抗, 比变压器高低压绕组之间的电抗小很多。如果G1机与G2机的励磁独立调节则G1、G2机需有一定的正调差, 这时变压器高压侧的调节率就很大;如果G1机和G2机作为一台机组进行励磁调节, 或G1机与G2机采用成组励磁调节方式, 则可以采用负调差, 使高压侧的调差率保持在要求的水平。

3 正调差与负调差

所谓正调差就是励磁系统当发电机无功增加时, 让励磁装置检测到的机端电压“升高”, 反之则增大。其作用是调节机组间的无功分配, 防止发电机出口直接并联的机组简出现抢无功。

负调差与正调差符号相反, 即在无功增大时引入的无功反馈使励磁再增大些, 以补偿变压器的电压降 (或则说变压器的无功损耗变压器是有阻抗的) , 以使我们调节的电压 (无功) 尽可能对应电网 (主变高压侧) 的值。

为了使同一母线上并联运行发电机之间无功电流能稳定分配, 需要有一定的正调差, 要使发电机组电压保持相对“恒定”, 以提高电力系统稳定, 调差率又不能太大。现代励磁控制系统稳态增益很大, 自然调差率很小, 等于或近似于无差调节, 因此, 发电机出口直接并联的发电机的励磁调节器 (AVR) 应采用均流补偿, 此时的附加调差是正调差。对于发电机变压器组在高压侧并联的机组, 由于升压变压器电抗大, 发电机无功负荷增大时, 高压母线电压下降过多, 不利于稳定运行, 需要采用负调差以补偿变压器电抗, 负荷增大时机端电压上升, 以补偿一部分变压器电压降, 但在并联运行点的高压侧, 负荷增大时, 电压仍略有下降, 以保持无功的稳定分配。国外大部分资料把正调差称为均流补偿, 负调差称为变压器电抗补偿。

4 结论

4.1 发电机有较大的调差率有利于无功稳定分配。从过去的运行经验, 电压调差率不小于3%~4%时, 发电机无功能稳定分配。

4.2 从提高发电机组高压母线电压精度、提高电力系统的静态稳定及电压稳定的目的出发, 均要求发电机组有较小的调差率。

2#发电机励磁机故障处理与分析 篇9

停机后, 对励磁机整流子进行了外观检查, 发现整流子表面磨损十分严重, 换向器上有灼痕、整流子发黑, 沟深不够1.0mm。

根据上述现象, 在处理过程中, 首先加强整流子沟深, 即所谓挠沟, 然后用水砂子及帆布对整流子进行表面光滑处理, 对励磁机本体没有解体, 只打开端部处理连线接触面, 最后分别交流法调整电刷的中心位置, 并测直流电阻合格后交付运行转机。

当发电机在额定转速下, 合上励磁机刀闸后 (励磁电压表有10~15V指示) , 当合上励磁开关后, 电压表指标为零。调整励磁电阻R, 进行升压, 但主电压表, 励磁电压表均无指示, 经查找确定不是发电机PT回路和表计回路的问题, 而是励磁机本身的问题。

经过初步分析认为有二种可能:

1) 励磁机回路没有剩磁了, 没有剩磁的理由是在用交流法找电刷几何位置给去磁了。

2) 极性反了, 理由是一个是接反了, 二是做试验做反了。

根据初步分析的意见, 采取了以下两种措施, 一是充磁, 用干电池4节, 每节1.5伏, 串接成6伏电源给励磁机充磁。

经过正反两次助磁, 都未能建立起电压, 有人认为电枢绕组可能有问题, 而不是没有剩磁。怎样证明电枢绕组是否有问题呢, 又进行了三次空载特性试验。

空载特性:在3000转/分时

端电压 (V) 3.3 16 36.7 59.4 85 110 127.3 145

场电流 (A) 0 0.51 12.53 2.7 4.06 5.6 6.8 8.4

从励磁机所测的空载特性数据可知, 励磁电枢绕组, 磁路及激磁线圈是完好。为什么就建立不起电压呢, 有人认为是电枢中性位置改变造成的, 经过改正过来试验, 还是没能升起电压。进一步分析, 总觉得激磁回路没有助磁而去磁, 为了证明这一判断, 又做了两次它激试验, 它激能使电压建立, 但电刷火花仍然很大, 它激情况下仍然有较强的火花, 这一点证明了不是电磁性原因而是机械性原因造成的, 或者说主要是由机械原因造成的。

经过上述各种试验, 决定将#2机励磁机解体检查, 车整流子。

整流子拆下后运到修配公司, 首先按照励磁机转子的特点制作一个胎具, 上床子后进行找正车削, 有关数据如下。

车削前以侧钢环为基准找正由4mm到0.05mm, 然后用表测得整流子表面 (外侧运行中炭刷没磨到部分) 最大误差为0.5mm, 然后进行车削第一次刀0.8mm后, 有40%的面积没车着, 第二次进刀0.9m m后, 90%地方车亮, 有10%地方还没车到, 两次进刀1.7m m, 为了不使整流子外径过小, 就不车了。

车削后用水砂子在高转速下正转两次研磨, 停车用用卡尺和直尺分别测得整流子外径为198mm。

经过上述车削整流子后又重新找沟, 侧角磨光处理, 励磁机达到额定转速后, 合上励磁刀闸和开关检查表计指标残压约4伏。调整励磁电阻R, 发电机主电压, 励磁电压表逐渐升起, 当主电压升到4KV时, 检查电刷冒火情况, 无火花可见, 继续升到额定电压并网发电。

分析电刷打火原因, 是由于换向器表面高低不平, 电刷压力不均, 部分整流子没有接触着, 电刷与整流子的接触电阻急骤增大, 结果是不但不且励磁, 而且电刷打火产生的电抗还有去磁作用, 使励磁回路电阻大于临界电阻。

从整流子被车削的数据, 我们可以看出整流子高低不平, 无论从整流子的不平度和不圆度都十分严重, 使电刷压力极为不均, 所有电枢绕组在高速旋转的情况下, 电刷只与换向器表面最高点相接触, 在有一点的整流子倒脚不符合要求, 在高速旋转的情况下具有一定的风压往上来, 将电刷压力抵消, 使电刷悬空, 这样, 换向器就没有按正常规律进行换向, 而是出现了间断跳跃性的换向。这样一来在换向元件中, 就感应出很高的电势, 所以当电刷离开换向器片的瞬间, 这部分能量将通过打火的形势释放出来, 使电刷打火十分严重。

分析主电压建立不起来的原因:

激磁回路电阻由励磁回路固定电阻Rg, 电枢绕组电阻Re, 磁场调整节电阻R及电刷与换向器的接触电阻R1组成。

在自激情况下, 由于电刷接触电阻大, 使励磁回路电阻大于临界电阻, 发电机主电压就建立不起来。

在它激情况下, 虽然建立起电压, 是由外施电源强行激磁, 但电刷冒火情况严重, 也证明了换向不良, 接触电阻增大是发电机建立不起电压的主要原因。

以上是本人参加这次故障检修试验学习的一点看法, 同时出一个建议, 以后对整流子的检修要特别细心, 最好用车床找沟、倒脚, 这是完全可办到, 避免工艺上存在过多的问题。

摘要：从励磁机所测的空载特性数据可知, 励磁电枢绕组, 磁路及激磁线圈是完好。为什么就建立不起电压呢, 有人认为是电枢中性位置改变造成的, 经过改正过来试验, 还是没能升起电压。进一步分析, 总觉得激磁回路没有助磁而去磁, 为了证明这一判断, 又做了两次它激试验, 它激能使电压建立, 但电刷火花仍然很大, 它激情况下仍然有较强的火花, 这一点证明了不是电磁性原因而是机械性原因造成的, 或者说主要是由机械原因造成的。

励磁发电机 篇10

关键词：直流电机；励磁过压；过温；换向火花大显示对应的拉丁字符的拼音

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0082-02

1 驱动及调整改造需要

平台泥浆泵采用的是直流电机驱动：电机型号为GE782（800 HP 750 VDC 励磁电流50.5 A 励磁回路100v 40-60a），调速系统原先是西门子的模拟电路调速。属于20世纪70年代产品，因年代久系统故障率高，备件采购成本高且有些配件厂家已不再提供。因此，需要对原调速系统进行升级改造。使调速系统由原来的模拟控制改为数字控制。因为后者具有以下优点：

①精度高、速度快、存储量大，有强大的计算、调节和逻辑判断功能，可实现许多过去无法实现的高级复杂的控制方法，从而获得快速、精密的控制效果。

②可以在统一的硬件电路和基础软件上，根据现场需要调整软件设计来实现不同的控制系统要求，既标准，又灵活，成本低。同时也为系统开发和升级提供方便，可靠性高。

③有强大的诊断、报警、数据处理及数字通信功能，为实现远程控制、集中控制提供了条件。

由直流电动机的转速公式：n=U/CeΦ-TM×（Ra+Rj）/CeCMΦ2

式中：U为电枢电压；Ce为电动势常数；CM为转矩常数；TM为电磁转矩，TM=CMΦIa；Φ=NIf磁通量；Ra为电枢电阻；Rj为电枢回路调节电阻。

可见只要改变电枢电压U，或者改变励磁电流If，或者调节电枢回路电阻Rj。那么转速n都会相应的改变。此次升级采用了现在比较成熟和普遍的调节电枢电压调速方案。

2 升级改造方案

设备升级改造的提供方从成本考虑，其解决方案是：使用小功率的直流调速器SIMOREG DC-MASTER系列6RA7018-6S22 0型。

因为泥浆泵原有电机为GE752型，额定功率800HP， 额定电压750 VDC；励磁电压100 VDC，励磁电流 50.5A。然而此型号的整流控制器功率小，不能直接驱动600v伏KP1600A型SCR，所以要在脉冲触发电路上增加功率放大环节。实际的接线如图1所示。

3 改造后出现的问题

在系统投入运行一段时间后，我们发现泥浆泵电机出现以下问题：

①电机电枢铁心过温，用红外温枪测试，在正常负荷下温度85～93℃。

②电动机发生过烧毁，经检测是励磁绕组断相。

③运行时换向器火花大，换向器表面有比较严重的烧蚀；

④碳刷磨损速度快，正常钻井生产平均20d左右更换一次碳刷。

⑤电机启动冲击大，电机传动轴发生疲劳剪断。

4 分析问题原因

然而，对比改造前后的工作环境（负载转矩和转速）和电机都没有变化，冷却风机的风压和风量也没有变化。问题应该出在整流调速系统上。经检测我们发现整流调速器柜上的电量仪表读数与实际值差别很大，尤其是励磁电流，表上显示是50A但实际值是62.5A，相差很大。为什么会有这么大的差别呢？对照推荐接线图和实际设计接线图，能够发现因为电压不同驱动的SCR，为了“小马拉大车”在实际设计中增加了用户自己制作的驱动放大板和励磁整流部分，这与原厂的设备匹配会存有差异。而如果还采用原先的整流器板载仪表驱动电路，那么一定会有现实上的误差。以励磁电流表为例，励磁电流表的显示值通过图2所示计算得出。因为改造后所采集到的基值不精确，比例值和偏移值的设置误差，使输出结果不能真实反映现实的励磁电流。

如果以此值作为优化系统、设定和调整的依据，那么必然出现误差使电动机工作在非额定状态——过励磁运行。电机工作在过励磁电流下就会出现上述的一些列问题：

①电机过热。因为励磁绕组的电阻热Q=If2Rf（If励磁电流Rf励磁绕组电阻），当励磁电流增大时，产生的电阻热增加，电动机的温升升高。当持续温升大于电机的散热时，电机出现热绝缘疲劳，严重时因为过热绝缘击穿最终烧毁。另一方面，励磁电流过大，铁心过饱和，部分磁力线要通过电机外壳等构成回路，使机壳因涡流产热，使电机温度进一步升高。

②碳刷磨损快，换向器表面火花点蚀严重。励磁电流过大以及交轴电枢反应现象增强的共同作用，使换向电流火花变大。在换向器表面产生的火花烧灼换向器，使换向器表面产生很多的点蚀降低换向器表面的光洁度，反过来粗糙的换向器表面增加了对碳刷的磨损。

大励磁电流产生的电火花，也使得碳刷的组织结构发生改变，耐磨度降低。

③启动冲击大。电动机的转矩：TM=T2+T0= TM=CMΦIa

式中：T2 为负载转矩，T0为空载转矩。当励磁电流增大时磁通量增加，电动机的转矩增加转速降低，在启动时电磁转矩除了克服负载转矩和空载转矩外，所余用来使系统加速。即TM=T2+T0+J×dΩ/dt（式中，J为转动惯量，dΩ/dt为角加速度）。可见当励磁电流增大时，电磁转矩增大，而在启动时负载转矩很小，电磁转矩主要转变为系统的加速上了，所以启动时的冲击力很大，电机输出轴上承受很大的剪力，时间久了就会出现疲劳损伤。

3 结 语

找到使电动机工作环境恶化的原因和产生不良后果的理论分析，我们将原先的励磁电流表，改成在励磁回路串接分流器直接驱动直流电流表，并重新校准励磁电流和重新做系统优化。经调整后开机试验电机工作平稳。后经长时间工作检验，换向器火花明显减小，碳刷使用寿命显著延长，电击温升稳定在正常范围内。前期的问题得到了有效解决。

参考文献：

[1] 《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.

发电机励磁系统智能化设计初探 篇11

当前电网正在推行智能化建设,随着智能化进程的深入,发电机励磁系统智能化也将提上日程[1]。智能化的概念从人类自身引申而来,人主要由大脑、四肢躯干、感觉器官、血液及神经系统等功能部件和支撑系统组成。在励磁系统智能化设计时,也可将系统的各部分与人的各部分功能相关联,由智能控制技术、电力电子技术、电源管理系统、现代通信与信息技术汇集而成。

1 基本原理

一台发电机励磁系统主要设备有励磁调节器、励磁变压器、整流装置、灭磁及过压保护装置这几个部分,同时在设备内集成了电源系统和信息交互系统[2],如图1所示。

可以将励磁调节器当作人的大脑看待,将励磁变压器、整流装置和灭磁及过压保护装置当作人的四肢躯干看待,励磁变压器与整流装置,为发电机转子提供可调节的励磁电流;在紧急情况下,灭磁及过压保护装置可以终止励磁电流的输出。

2 励磁调节器的设计

励磁调节器相当于人的大脑,也是整个系统最核心的部分。它主要负责与外部和自身各部分的交流,收集、返回相关信息,对信息进行分析、处理,并向身体各部分下达命令,接收外部命令并向外部反映自身状态,如图2所示[3]。

2.1 大脑的基本硬件组成

励磁调节器应具有完全独立的双通道,各通道之间没有任何共用元件或板件,以保证双套可以独立完成励磁控制功能,真正达到互相备用的目的;每个通道又包含自动调节(AVR)、手动调节(FCR)功能,通过励磁控制的冗余设计来提高可靠性。

2.2 与四肢躯干的交流接口组成

调节器具备与四肢躯干的交流及指令下达通道,包括完备的通信接口(包括各种电缆和光纤),能够可靠准确地进行可控硅控制脉冲的产生与分配,从而调节励磁电流的大小,并能有效地收集其他装置的实时信息,对其进行实时监控。

2.3 与外界交流的感官组成

人与外界交流需要眼耳口鼻等,所以调节器应配备机端电压、励磁电流、阳极电压等信号的采集功能,通过工业交换机和工控机进行人机交互,并具备多种对外接口,如MODBUS485通信、以太网光纤通信等,并引入IEC 61850通信规约增强通信的标准化和可靠性,为了保证信息交互的实时有效性,还具有GPS对时等功能。

2.4 大脑功能的实现

CPU、DSP或者现场可编程门阵列(FPGA)等计算处理芯片作为大脑的核心部分,应具备快速处理信息及完成计算的基本能力,并能根据需求情况同时处理不同优先级的任务。

1)正常的调节功能:主要是完成自动电压调节、励磁电流调节、无功功率调节等功能。

2)数据集中采集功能:将励磁系统实时采集的励磁电压、励磁电流、阳极电压等模拟量信号,放置到电站的站控层公共信息平台上,方便其他智能控制单元的取用。

3)控制功能:机组开停机时励磁系统的顺序操作、起励控制等,同时向监控系统反馈必要的状态量及控制信息。

4)限制功能:空负载电压电流限制、欠励限制、过励限制、强励限制与定子电流限制与电压/频率限制。

5)附加功能:电力系统稳定器(PSS2A/2B/3B/4B可选)、无功功率补偿、AVR/FCR自动跟踪、系统电压自动跟踪、电网次同步振荡抑制功能SEDC、无功分配及无功协调控制功能AVC、无功调差功能、试验录波及故障录波功能。

6)容错控制:开关量容错和模拟量容错,控制功能及信号处理的容错。

7)人机接口与专家系统:人机界面人性化、直观化,方便励磁参数的设定及指令的下达,试验数据存储、读取便捷,变位记录、故障录播能够断电保存,类似飞机的黑匣子可以事故追溯。具备详细的专家系统,能够指导现场技术人员进行参数设置、故障分析,并对设备的维护提供规范说明。

8)其他保护功能:调节器软件与硬件自诊断、同步监测与保护、同步锁相环、空载过电压保护、PT断线(包括双PT断线)保护、顺序逻辑控制、自动/手动通道之间自动跟踪切换、调节器工作/备用故障预警及智能检测和自动切换等。

3 整流装置的设计

作为大脑命令的主要完成者,整流装置必须可靠地接收和严格执行励磁调节器下达的每项命令,所以整流装置也应考虑智能设计,如图3所示。

1)功率冗余设计。整流装置能够提供满足发电机/电动机任何运行工况的励磁电流,并保留足够裕度。通过优化设计保证多柜并联运行时满足电流出力的要求,并在退出1-2柜时,仍能保证机组运行。

2)信息收集与处理。可控硅整流柜的智能控制模块收集各可控硅电流与温度、风机的风速、熔断器状态等运行数据,判断整流柜的运行情况,对异常状况进行分级处理:启动备用风机、告警、退出本柜等,在保证整流柜自身安全的前提下,向机组提供足够的励磁电流。

3)可控硅精确模型过电压保护设计。可控硅整流装置在将交流电向直流电转换过程中,会在一次回路上出现多种形式的过电压,为了保护可控硅元件不受损坏、主回路绝缘不受损伤,必须针对性地设计过电压吸收回路,对各种形式过电压进行合理吸收,以控制过电压不越限。

4)热设计。整流柜在工作中会产生大量的热量,通过对散热器的合理选择、风道设计、器件布局,提高可控硅的散热效率,同时达到节能降耗的目的,例如让风机运行自动化、电源自动切换、主备用风机根据运行情况自动启停等。

4 灭磁及过压保护装置的设计

作为快速切断励磁电流和保护机组的灭磁及过压保护装置,要求有快速的信息采集系统,对励磁电压、励磁电流这些重要信号及时采集,并对转子温度进行间接测量,能最先感知自身及外部危险,根据危险等级决定如何处理并传达给大脑,必要时接收保护指令进行相应处理。

在发电机发生电气事故时,灭磁系统应迅速切断发电机励磁回路,并将储藏在励磁绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁电阻中。同步发电机安全可靠的灭磁,不仅关系到励磁系统本身安全,而且直接关系到电力系统的安全稳定。发电机组正常停机时,采用逆变灭磁方式;发电机组事故停机时,直接跳开磁场断路器进行灭磁,并与发电机出口断路器联动,如图4所示。

1)基本功能。磁场断路器的合、分闸控制回路的设计,保证磁场断路器的可靠动作。设计转子过电压保护兼具大滑差保护功能,防止在发电机异步运行时对转子回路造成损伤。

2)冗余灭磁设计。励磁系统采用逆变灭磁、非线性电阻或线性电阻组合灭磁的多种灭磁技术,确保发电机在故障情况下的快速、可靠灭磁;同时还采用两级过电压保护技术,使得过电压保护既能够吸收瞬时过电压而不产生太大的冲击电流,又能够控制过电压在允许范围内长时间的运行,为保护可靠动作提供足够的时间。为进一步提高灭磁的可靠性,还可以配合采用电子和机械跨接器以及双套冗余过电压触发装置。

5 励磁的其他补充设计

1)黑启动功能设计。为了保证电网安全,机组应设计在电网失电的情况下黑启动功能,使机组能快速可靠启动并网,进行事故备用。

2)励磁变与整流桥之间应该设计具有分断能力的负荷开关,用来在机组停机状态下断开励磁变与整流桥之间的电气连接,避免整流桥交流侧长期带电。

6 结语

本文根据常规励磁系统构造,参照人体功能结构进行了思考与借鉴,提出了智能化设计的初步构想。将励磁系统智能化的关键环节和重点技术问题在不同具体工程项目中进行研究设计以及实践检验,最终形成先进的具备适用性和实用性的统一方案和要求,将是一种可行性较强的方案。虽然以当前的科技水平,智能设备还不能拥有像人一样思考和处理问题的能力,但是可以以此为努力方向,不断探索,最终达到设备智能化的目的,实现发电站乃至整个电网能够在无人值守的情况下安全稳定运行。

参考文献

[1]刘振亚.智能电网知识读本[M].北京:中国电力出版社,2010.

[2]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].2版.北京:中国电力出版社,2009.