励磁改造（精选8篇）
励磁改造 篇1
一、设备概况
中国石化股份有限公司镇海炼化分公司为国内特大型炼化企业, 炼油加工能力位居国内行业企业前列。炼油生产装置中有多套连续重整装置, 其中三套重整装置于1996年建成, 在当时属于是国内同类装置中生产规模最大的, 两台加氢压缩机组C302A、C302B为关键设备, 配套电动机为增安型无刷励磁同步电动机, 电动机额定功率为3500kW, 属于当时国内最大功率的同步电动机组。正常生产期间, 两台机组必须运行其中一台。
二、无刷励磁系统的工作原理简述
增安型无刷励磁同步电动机因对其取消了碳刷和滑环, 因此无需考虑电动机内部的正压通风系统, 同时励磁系统能量的传递是采用非接触式, 从而大大减少了日常维护的工作量, 满足了连续运行的要求, 其结构如图1所示, 其中励磁发电动机与同步电动机同轴转动。
工作原理:当发出启动机组的命令后, 高压断路器即合闸, 主电动机定子绕组受电后机组启动, 电动机进入异步运行升速状态, 此时旋转整流器灭磁回路可控硅导通, 将灭磁电阻连接至无刷同步电动机的转子励磁绕组上, 一方面, 为机组启动提供较大的启动转矩, 另一方面, 也降低励磁绕组的端电压, 防止过高的感应电压击穿投励回路中的电子元件 (此时旋转整流回路可控硅也处于截止状态) 。当电动机达到亚同步转速且满足准角度投入条件时, 旋转整流器控制模块触发整流可控硅t1～t3, 将励磁发电动机的电枢电压整流后, 加在同步电动机的励磁绕组上, 为同步电动机提供持续的励磁电流, 同时关断灭磁回可控硅。此时, 旋转整流器等效于三相二极管, 最终将电动机顺利地牵入同步状态, 并保持稳定运行。
三、机组存在问题
受当时国内在大型同步机组设计水平、材料供应、制造工艺等方面的制约, 两台压缩机组长周期运行状况不够理想, 压缩机故障比较频繁, 机组切换、维修频次高;同时电动机本体旋转整流部分故障率也很高。公司对电动机自1996年12月正式投入运行至2005年期间内故障情况进行了统计, 共计发生重要的故障7起, 其中因旋转整流环中投励模块的故障有4起, 因投励可控硅的故障有3起。此类故障直接导致机组无法正常启动或在运行中突然停机, 严重影响生产的平稳运行。
四、问题的原因分析
原有旋转整流环的控制原理 (图2) :交流励磁机转子输出, 经三相全桥整流后, 再经投励可控硅SCR3, 输出至主电动机转子绕组, 达到投励目的。启动回路由二极管D12、D13、可控硅SCR1、SCR2和灭磁电阻Rd组成, 在电动机异步启动的过程中, 转子感应电流正负半波分别流经二极管、可控硅和灭磁电阻。
经上述原理分析, 发现旋转励磁存在以下设计缺陷。
(1) 放电电阻模块Rd只有一个开通电压, 开通电压整定值为额定励磁电压值加200V时, 灭磁可控硅才开通;低于整定值时, 灭磁可控硅根本无法导通, 不能满足电动机启动的要求, 电动机启动末尾有脉振现象, 存在转矩的不对称性, 牵入力矩大大减小, 并且在电动机运行过程中, 灭磁可控硅存在误开通现象, 虽然有灭磁电阻误开通报警模块, 但报警模块为光电传输, 其可靠性较差。
(2) 触发控制模块由电阻及二极管组成, 没有滑差检测环节, 只是通过限流电阻, 提供投励可控硅SCR3的触发信号, 以达到投励目的。原有励磁系统投励过程为电动机启动时, 静态励磁靠人为定时投励, 只有当电动机完全进入亚同步转速后, 才能可靠投上励磁, 但电动机靠异步力矩加速至亚同步的时间受电网电压、负载影响较大, 若静态励磁投励时间延时短, 则会造成带励启动, 脉振程度加剧。静态励磁投励时间延时长, 捕捉不到最佳投励时机, 也容易造成投励失败, 同时电动机启动绕组长时间通大电流, 会使绕组的绝缘老化加速。
(3) 投励可控硅SCR3的散热器面积有限, 满负荷运行时发热比整流二极管严重, 易造成投励可控硅SCR3的老化。
五、改造方案
针对上述问题, 在充分论证的基础上, 选用WKLF-41型微机控制无刷同步电动机励磁系统旋转整流励磁装置, 对原有励磁系统进行全面的改造。
1. 新的旋转励磁环的控制原理
(1) 旋转主回路电气图见图3, 主回路包括三相半控桥式整流电路和启动回路。启动回路由启动可控硅、二极管及启动电阻组成。该回路取消了众多励磁厂家采用的直流回路投励主可控硅, 解决了由于直流侧电流大而引起的主可控硅过热的电流瓶颈问题, 同时还避免了由于主可控硅的损坏而导致电动机的失磁现象, 并且其中任意一个功率组件损坏, 都不会导致电动机立即失磁。
(2) 控制回路由主控模块ZK12控制, 电动机启动后, 交流励磁机输出为主控模块提供工作电源。主控模块控制三相半控桥式整流电路及启动回路的工作状况, 在电动机异步启动和再整步异步驱动过程中, 启动可控硅导通阀值被设定为低定值 (10几伏) , 使启动电阻能可靠接入, 保证转子感应电流正负半波对称, 使电动机异步启动和再整步过程中平稳快速。主控模块设有滑差投励和零压计时投励检测环节, 实现顺极性准角投励, 消除牵入同步过程中的振荡, 减小对电动机的冲击。投励完成后, 启动可控硅导通阀值被设定为高定值, 使启动电阻退出回路避免长时带电发热, 当转子回路实现过电压时, 启动回路重新接入电动机转子回路, 吸收过电压, 保护主桥。主控模块设有防止电动机运行中启动回路出现误开通的检测环节, 通过逻辑控制使整流电路工作处于失控工况, 利用其续流时刻将启动可控硅关断。
2. 整流环元器件的参数选择
主电动机参数:额定励磁电流Ife=188A, 额定励磁电压Ufe=195V;空载励磁电流Ife=85A, 空载励磁电压Ufe=60V;灭磁电阻Rd=6Ω, 满压启动感应电流Ifq=145A。
整流功率模块电流按两倍额定励磁电流选择, 电压按>1.5×1.414×Ifq×Rd选择;整流功率模块型号为ZL-400A/2 300V;启动功率模块型号为QD-300A/1 000V;主控制模块电压等级要满足空载和满载励磁电压的要求;主控制模块型号为ZK42-24V/270V。
六、实施效果
在经过充分的技术论证和细致的施工准备后, 公司于2006年10月、11月分别对两台机组旋转整流环进行了全面的改造, 带负荷运行均一次成功, 运行至今, 两台机组电气部分没有出现任何故障, 机组运行可靠性大幅度提高。也正鉴于改造取得的成功经验, 公司2010年6月对甚为关键的加氢裂化核心机组C302C进行了类似改造, 同样取得了十分满意的效果, 同时也获得了良好的经济效益。据统计, 改造后的机组每台每年可节约维修费用约4万元。
七、结束语
通过对3台大功率增安型无刷励磁同步机组旋转整流环的全面改造, 大大提高了机组运行的可靠性, 保障了石化企业生产的连续运行, 节省了大量的维修费用和人力, 同时也为国内同类机组进行类似改造提供了理论依据和实际经验。公司计划将对内部其他同类四台机组继续进行改造。
励磁改造 篇2
一、船舶轴带发电机主要参数及原理
1.轴带发电机主要参数：
发电机型号：DGASO 5621-6N
生产厂家：VEB ELEKTROMAS CHINENBAU DRESDEN
额定功率：1 250KVA
额定转速：1 000RPM
额定电压：390V
额定电流：1850A
额定频率：50Hz
功率因数：0.8
励磁电压：95V
励磁电流：210A
2.轴带发电机励磁系统组成及工作原理：
轴带发电机励磁系统原理图见图1。
该轴带发电机励磁系统采用单相桥式半控带电流复励的有刷自励恒压励磁系统，系统分别由扼流圈单元、功率单元、功率保护单元、调节单元、复励单元、复励变压器等部件组成（图2）。
轴带发电机励磁系统的基本工作原理：
由发电机R相与零线构成的URO 220V电压经扼流圈单元中的两个扼流圈（空心电抗器）后送功率单元，经功率单元内的单相桥式半控整流器整流后，作为励磁系统的自励分量给发电机励磁绕组供电。励磁系统的复励分量则通过复励变压器送入复励单元，经复励单元三相全波整流后输出，并在直流侧与自励分量叠加，共同给发电机励磁绕组供电。
发电机的输出电压UST在调节单元中与基准电压进行比较，其差值信号经整形、放大、移相等环节输出，作为可控硅的触发信号去功率单元中的单相桥式半控整流器，通过控制可控硅的导通角，对发电机输出电压进行自动调节，维持输出电压恒定。调节单元同时在轴带发电机起压时根据励磁指令控制发电机的起压。
电路中扼流圈（空心电抗器）单元主要作用是限制整流回路中电流上升的陡度和高频滤波，同时兼有移向作用。保护单元主要作用是防止励磁电压过高及起压、调节时的冲击对功率单元及复励单元的整流元件进行保护。
二、故障现象及检查
2010年2月10日，海上航行中船舶轴带发电机主开关突然跳闸，轴带发电机仪表显示电压迅速归零。船舶值班人员紧急启动柴油发电机组供电，在恢复主机动力及正常航行后，船舶电机员对轴带发电机进行了系统检查，轴带发电机各接线未发现有松动及脱落情况，检查轴带发电机滑环、四组碳刷接触良好，进一步检查励磁控制系统的各整流设备及其他部件也未发现问题。随后，主机降速合上轴带发电机离合器且逐步将转速调整到正常转速，对轴带发电机进行充磁起压，电压指针有晃动但无法起压。停机更换功率单元中的可控硅等元器件后试验，情况如前。进一步检查分析后，判断故障应该在该轴带发电机励磁控制系统的调压单元（REGULATE UNIT）， 由于船舶电机员自己无法修复，为此电请公司岸基支持。
船舶抵港后，我们即携带部分仪器上船对轴带发电机等设备进行了详细检查，确认船舶电机员的判断是正确的。发电机的调压单元（REGULATE UNIT）由10块不同功能的插板组成，而每块插板均由各分立元器件焊接组成（图3）：
也许该部分涉及当时生产厂家的核心技术，或船舶出厂后几经周折，船上无法找到厂家提供的内部接线图及相关的说明书等资料。我们拔下10块插板，对其外观进行检查，未发现有明显缺陷。更换10块备用插板试验，故障依然存在。于是我们安排相关专业修单位将该单元的10块插板拆厂检查修理，经几次反复修理及试验，无法找到故障板子。为此我们有理由判断该类故障以前也曾发生过，备用插板有可能就是换下来的，也是有同类问题的板子。考虑到原设备使用至今已有二十几年，且发电机励磁控制系统调节单元元器件老化严重，单元组合相对复杂，特别是各插板均由分立元器件焊接组成，即便本次找到毛病也可能无法找到替换元器件，或本次修复了，但老化了的元器件故障率会较高，导致单元的可靠性大幅下降，使轴带发电机无法正常连续运行，从而影响船舶安全。为此，我们决定寻找性能适合的调节单元予以更换，即对该轴带发电机的励磁控制系统进行更新改造。
三、改造方案的确定和试验
由于故障部分为轴带发电机励磁系统中的调节单元（REGULATE UNIT），我们在确定方案前，曾联系过国内几家主要发电机生产厂家，寻求相关功能的产品或请他们帮助设计相关功能的产品，也许是产值过小或产品仅为个案并无推广价值，所以他们都予以婉拒。为此，我们从寻找相关功能的产品着手，经与几家相关产品生产厂家沟通后，我们最终选定使用东莞市广聚电子有限公司生产的HJH-178发电机励磁调压器驱动板，作为轴带发电机励磁系统调节单元的替代单元。选用这家企业的产品，主要是考虑HJH-178发电机励磁调压器驱动板功能与我们轴带发电机励磁系统中的调压单元主要功能比较接近，对整个线路改动小。我们参考厂家的产品设计接线图，并进一步细化改进后对轴带发电机励磁系统进行改造。
HJH-178发电机励磁调压器驱动板外部接线图如图4。（资料来源于网上）：
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驱动板的主要技术参数（摘驱动板说明书）：
输入： 正常范围：150V～240V，最大277V。
输出： 正常范围：0～180V/0～300A。
最大： 210V/600A（持续一分钟）。
该驱动板的特点：
1.最低输入交流电压1.0V 时即可输出0.4V励磁电压。
2.能在低于150V的输入电压下工作10秒。
3.驱动设过流保护。
4.驱动板能驱动功率器件作半波和全波输出。
5.励磁信号输出最大电流3A（峰值，单路峰值1.5A），可安全的驱动600A或600A以下的可控硅正常工作。
HJH-178发电机励磁调压器驱动板实际图片如图5。
驱动板厂家设计的发电机励磁系统基本接线图如图6。
由于驱动板是该厂家2008年后刚上市的新产品，且厂方只提供驱动板产品及产品的外部接线图和励磁系统的理论设计，不参与实际施工与调试。该产品能否应用于我们的轴带发电机励磁系统，厂方不做担保。至于驱动板性能到底如何，是否与说明书中主要技术参数相符？厂方也不提供设计及试验数据。而我们的设计仅根据产品的说明及厂家提供的资料进行，理论上虽然能讲得通，但是否能替代原设备单元并无十分把握。为此我们分两步对轴带发电机励磁系统进行改造试验：
首选确认该驱动板的产品性能及板子能驱动的最大连续工作电流是否符合本轴带发电机的实际使用要求。
获得基本参数后，我们按细化设计的实际线路，测试发电机励磁系统在空载和航行最大负荷的120%工况下的自励分量和复励分量电流，尤其是确认自励分量是否在上述试验值范围内，只有保证在最大典型工况中驱动板的连续驱动电流在上述的测试范围内，才能保证轴带发电机在日常最大连续负载下的稳定可靠运行。
A.为此我们首先按下图接线，即将发电机励磁系统中的复励部分切除，对驱动板的性能及板子能驱动的最大持续电流进行实效试验。
接妥各接线并检查确认无误后，将推进器螺距置零位开启主机，运行一段时间后合上轴带发电机离合器，并逐步将主机加速到额定转速，然后对轴带发电机进行充磁建压，并调整空载电压（即调节驱动板上的P1）至额定电压，调整稳定性（即调节驱动板上的P2）至电压波动为最小，此时测试空载励磁电压为33V。但在发电机空载稳定运行约10分钟左右，驱动板即烧坏。我们将驱动板及试验情况反馈生产厂家，由生产厂家对驱动板进行改进，经来回反复几次试验改进，板子的性能逐步满足要求。
我们在收到最终改进后的驱动板后，按上述步骤对轴带发电机进行了再次试验。我们在轴带发电机空载稳定运行30分钟后，逐步增加负载，直至400kW，测试励磁电压：48V，励磁电流125A，运行15分钟左右情况正常。我们增加负荷至460kW，运行10分钟左右，轴带发电机主开关跳闸，检查驱动板发现有明显的烧坏痕迹，我们将驱动板及试验情况再一次反馈生产厂家，由生产厂家对驱动板进行再改进。
我们在收到改进后的驱动板后，对轴带发电机进行了再次试验。我们在轴带发电机空载稳定运行30分钟后，逐步增加负载，直至400kW，测试励磁电压：48V，励磁电流125A，运行15分钟左右情况正常。我们增加负荷至460kW，运行35分钟左右，轴带发电机情况正常，说明驱动板基本能满足我们要求。我们用点温计测试驱动板上各元器件，温升正常，测试各接线连接点温度，发现部分节点处温度过高，特别是R，N连接处50mm2线接头处温度高达85℃左右，即停机结束试验。
重新制作连接线及接头，对发热部分线路进行更换。更换后重新进行试验，轴带发电机负载加至470kW，测试励磁电压：48V，励磁电流110A；负载增加至520kW，测试励磁电压：51V，励磁电流115A。在520kW运行2.5小时，期间多次测试数据，基本稳定。我们对船舶最大负荷的两台电机（75kW的主机应急鼓风机）进行突卸突加试验，以检测大负荷突卸突加对主电网的冲击波动，测试的动静态指标符合规范要求。考虑到船舶平时航行工况电力负荷基本在420kW左右，试验数据已大于航行工况数据，基本确认驱动板符合本轴带发电机使用要求。从而结束第一步的试验。
B.随后我们进行第二步的试验：
按我们细化设计的实际线路连接，即图7。
加入发电机励磁系统中的复励部分。在轴带发电机正常发电后测试空载数据：发电机电压390V，励磁电压32V，励磁电流85A，其中自励分量为45A，复励分量为40A。负荷增加至480kW时测试数据：发电机电压390V，励磁电压49V，励磁电流128A，其中自励分量为56A，复励分量为72A。轴带发电机在480kW的负荷下连续运行3小时，期间测试各数据基本没什么变化。负荷在增减中及船舶最大负荷电机进行突卸突加试验中发电机的静态指标和动态指标符合规范要求。轴带发电机在额定功率48%负荷时，驱动板的驱动电流为第一步试验值（115A）的49%。通过实测我们认为该驱动板可满足本轴带发电机的实际使用要求，用该驱动板取代原轴带发电机的调节单元（REGULATE UNIT）性能上不存在问题，能投入正常使用。随后我们在船舶海上航行中对轴带发电机进行了3航次的运行试验，基本每航次负荷在420～470kW下连续运行30～32小时，轴带发电机运行正常，船舶对试运行情况进行了详细记载。至此我们可以确认该轴带发电机励磁控制系统更新改造工作是成功的。
四、结束语
我司“向泰”轮轴带发电机励磁控制系统改造后使用至今已近三年，设备运行状况一直比较理想，基本未发生过故障。上述整个改造费用约3.5万元左右（包括提供一块备用驱动板），其经济性是显而易见的。当然整个改造过程不会像以上论述的那么简单，从事一项新的没有前人经验可借鉴的改造工程，曲折、风险和困难是不可避免的。轴带发电机励磁控制系统更新改造的成功，为类似老发电机励磁系统的修理改造提供了一些借鉴经验，这也是本人发表这篇论文的初衷。科学技术的发展，科技新产品的不断问世，给船用发电机修理提供了多种新的途径和方案，关键是取舍和经验。
发电机励磁系统改造 篇3
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
碗窑水电站励磁系统改造 篇4
碗窑水库位于浙江西部, 钱塘江上游, 江山港支流达河溪下游碗窑村的附近, 距江山城11 km。其是集防洪、城市供水、灌溉、旅游、养殖、发电等综合功能于一体的大 (Ⅱ) 型水库。水库集雨面积276.5 km2, 正常库容2.08亿m3, 调节库容1.98亿m3。
碗窑电站属于坝后式电站, 于1997年5月建成发电, 装机容量2×6 300 k W, 设计发电量3 074万k Wh, 额定工作水头57.38 m, 设计流量2×13.09 m3/s, 发电机型号SF-J6300-12/2600, 到2003年底投入运行已有6个年头, 累计发电量达2.950 3亿k Wh, 为碗窑水库管理局创造了显著的经济效益, 随着运行时间的积累, 机电设备的缺陷增多, 特别是励磁装置的缺陷问题, 经常碰到不能正常开机和运行中因故障被迫停机等等, 已严重影响电站的经济效益和安全运行, 电站不得不提早实施技改方案。
1 原励磁装置及存在的缺陷
发电机原励磁装置的型号是BLZ-2E型可控硅静止励磁装置, 额定电压138 V, 额定电流300 A, 系采用直流侧并联的自复励系统。在此系统中, 发电机端电压经励磁变压器ZB降压和可控整流, 而发电机定子电流经功率变流器GLH和不可控整流, 两个回路在整流桥的直流侧并联起来, 向发电机的励磁绕组供电, 励磁调节器调节可控整流桥可控硅的控制角维持发电机端电压恒定。此励磁装置自投运以来一直不够稳定, 存在许多的缺陷, 电站曾对该励磁系统的某些部分的电路作了局部改进, 虽有所改善, 但由于整体结构上的欠缺未能有很大改观, 励磁系统仍然存在下列问题和不足:
(1) 励磁调节器柜内部电压测量放大单元YCF、电流测量放大单元LCF、移相单元YS等等采用印刷板插件, 印刷板插件与插座之间个别接触不良, 印刷板内元件虚焊等都将引起励磁装置运行不稳定和不可靠, 而且这种接触不良现象非常难以查找。
(2) 励磁调节器内部大多为分立元件, 易发热、易损坏, 故障率较高且故障查找相当困难, 检修、调试工作量极大。
(3) 发电机保护动作停机过程中经常出现过压而击穿过电压保护的电容和压敏电阻元件。
(4) 调节器的工作电源部分很不稳定。
(5) 许多元器件已属于淘汰型产品, 其备品很难购到。
2 改造方案
本站收集了周边电站励磁系统的信息, 进行分析、比较, 最后选择了广州电器科学研究院, 并请该院有关技术人员就本站励磁改造项目进行选型。结合电站目前的实际情况及以后往自动化监控方面发展的意向, 最终选择了FJL-2型双微机励磁装置, 实现一台励磁装置两个控制器, 一个工作, 另一个备用, 备用通道自动跟踪工作通道, 在检测到工作通道故障时自行切换到备用通道运行并告警。
3 FJL-2型微机型励磁装置的特点
(1) 该装置为单全控桥结构, 电路简结, 性能优越, 配以可编程序控制器 (PLC) 控制, 单片机监控的DLT6000型励磁调节器, 实现了调节和控制功能软件化, 集中了微机数字式调节器及集成电路模拟式调节器的优点。解决了模拟式调节器硬件多的矛盾;解决了计算机调节器需要大量模拟量、开关量等I/O接口器件的烦恼;梯形图编程比其他计算机语言简单、易学。
励磁系统组成原理如图1所示。
(2) 独特的外部总线结构, 如图2所示。调节器通过此外部总线, 采集外界开关量信号和模拟量信号, 并输出相应的开关量信号和模拟量信号, 使励磁系统接线从复杂、无序变为简单、有序。再也不用当心插件的接触不良等缺陷了。
(3) 采用高集成度的移相触发模块。高集成度的移相触发模块型号为MU004, 是IC数字电路和IC模拟电路的结合体, 充分发挥了两种电路各自的优越性。是一种模拟量控制的六相触发器, 适用于三相全控桥整流与逆变控制, 脉冲完全对称, 功能多, 可靠性高, 无需调试等。克服了以往由分立元件组成的移相触发电路的繁琐、维护困难、可靠性差等许多缺陷。
(4) 可编程控制器。可编程控制器是专门为工业控制领域开发的高科技产品, 具有高可靠性、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点。励磁调节器依赖PLC, 实现了保护功能和控制、限制功能等大部分功能的软件化。
由于PLC在DLT6000型励磁调节器中处于核心地位, 属于关键部件, 为保证PLC安全、可靠运行, 专门为PLC设计了硬件“看门狗”信号, 保证在软件“跑飞”或“死机”时, 能自动切换到备用通道运行。
(5) 优良的人机界面。DLT6000型励磁调节器使用带触摸键功能的液晶显视装置 (IOP) , 使人机界面智能化, 可以即时显示机组参数、调节器状况和故障信息, 并可通过IOP实现相关操作, 相当方便。
(6) 其他功能。
1) 本调节器的功耗仅为50 W, 低功耗消除了温升的影响。
2) 厂用电和直流电对微机励磁调节器并列供电, 保证了电源的可靠性, 消除了以往电源部分不稳定的缺点。
3) DLT6000型励磁调节器既可通过常规继电操作方式, 也可通过串行通讯方式, 甚至还可通过组网方式与计算机监控系统联接。调节器设计了近方、远方两套操作方式, 实现了开机后自动起励、停机后自动逆变灭磁, 并且在停机后自动返回空载状态。这为本站以后实现电站“少人值班、无人值守”作好了充分准备。
4) 在DLT6000型励磁调节器中, 专门配置了一块单片机用于调节器的电源故障、脉冲故障、软硬件故障的检测和通道间的自动切换, 彻底防止了漏发、误发故障信号, 充分保证了故障时通道间的顺利切换和励磁系统的正常运行, 同时还可通过运行于上位机的调试软件, 以监测模拟励磁调节器的实时运行状况。
4 FJL-2型励磁装置应用效果
在2003年10月的机组大修期间, 本站组织技术人员拆除原励磁功率屏和励磁调节屏及发电机中性点处励磁用的功率变流器, 并在拆除变流器处直接用铜排将发电机定子线圈三相尾端进行联结, 使发电机中性点完整。更换上新型FJL-2型励磁调节屏和功率屏, 并利用原来的电缆和控制线, 其装置联接线少而简单。在11月厂家派来了调试人员进行了一些简单的检查和调试后就顺利地通过了72 h带满负荷的运行。
以前, 机组因故障停机检修的时间每年约有40 h, 其中80%是励磁装置故障直接造成的, 并且因装置故障而导致水库发电量损失, 每年达3万元以上, 以及还需其他元件备品等等费用约2万元。而技改以后每年这些损失和费用几乎降到零, 凸显了该项技改的经济效益。
6年来FJL-2型励磁装置没出现过一次故障, 不但维护简单, 而且一直稳定、可靠运行。机组事故停机电压相应时间短, 大大减轻了对发电机的冲击。此励磁装置给电站带来了安全、经济效益的同时, 也得到了全站员工的交口称赞。
5结语
科技进步是电力生产技术进步的强大动力, 通过采用新技术、新工艺可以消除设备的安全隐患, 提高设备运行的可靠性, 同时还可提高电站的经济效益。
摘要：详细介绍了FJL-2型双微机励磁装置的基本原理, 并以碗窑水电站的机组改造取得的良好效果为实例, 证明该控制系统对实现电厂的自动化控制具有重要的实际意义。
发电机无刷励磁系统改造 篇5
屯生建电厂3#发电机无刷励磁调节器由山东博山电器设备厂生产, 自1997年投运以来误动多次, 特别在2003年的一次误动事故中引起机组解列。该调节器为模拟型调节器, 已被淘汰。由于调节器调节速度慢、可靠性差、接线繁琐、故障频发, 已不能满足现代电力系统对动态品质及稳定要求。为此, 采用WLZ型微机型发电机励磁调节器装置代替原调节器, 该装置具有以下特点: (1) 调节器由两个硬件完全独立的通道构成, 每个通道均有AVR和FCR两种运行方式。通道间相互跟踪控制, 故障时实现快速无扰切换。 (2) 具备恒压PID、恒流PI调节, 有功补偿、无功调差;转子、定子电流限制器, 软件给定, 满足软启动、零启升压、自动跟踪, P/Q、V/Hz限制器, 励磁监视、装置自诊断等功能。 (3) 具有故障录波和记忆功能, 为处理故障提供依据, 缩短故障处理时间。 (4) 液晶显示、键盘整定、操作简便直观, 完善的励磁系统管理软件, 可随时查看发电机励磁装置实时运行状态参数及故障信息, 方便运行人员操作维护。 (5) 采用非线性电阻灭磁。在发电机内部发生故障能快速灭磁, 缩短故障点燃弧时间, 避免事故扩大。 (6) 调节装置安装在原励磁调节柜内, 节约了材料费用和安装费用。
通过控制励磁调节器可控硅的导通角, 向发电机的无刷励磁机提供一个可调节的直流电流, 实现直接自动控制发电机励磁, 稳定发电机机端电压, 抑制动态过电压;提供同步发电机无功功率及无功调节, 提供电力系统动态及暂态稳定性。
3#发电机无刷励磁系统改造后, 自2006年12月投运以来有效防止了因系统振荡引起停机解列事故发生。
励磁改造 篇6
关键词：水电机组,励磁,变压器,晶闸管,计算
0 引言
紧水滩电站6台机组运行20几年, 机组定子相继出现矽钢片滑出导致定子接地, 近年, 电站开始对主设备进行改造。电站机组励磁系统采用的是广州电器科学研究院广州擎天电气控制实业有限公司开发的EXC9000型全数字式静态励磁系统, 运行情况良好, 机组增容后, 需要励磁系统对主要参数进行计算, 并提出励磁系统改造方案。发电机组增容后, 形式和结构不变, 容量由原来的50MW, 增至55MW。发电机额定励磁电压由原来的163V增至175V, 额定励磁电流由原来的1087A增至1169A。为此本文对励磁系统改造的参数进行了核算, 并结合计算结果提出了对应的改造方案。
1 励磁变压器主要参数计算
1.1 计算依据
(1) 满足发电机在1.2倍额定励磁电流下长期运行的要求, 并留有足够裕度;
(2) 发电机机端电压下降到80%额定值时, 能提供2倍强励电流。
(3) 整流桥为三相全控桥, 最小控制角角α=10.4º。
1.2 励磁变二次电压的选择
按公式 (1) 计算励磁变压器二次电压
式中:Ufn——发电机额定励磁电压, 为175V
ΔUT——电流回路中可控硅总压降, 一般取为2V
c——倾斜系数, 对于三相全控桥C=0.5
XT——变压器漏抗, 0.06
cosα——整流桥最小控制角系数, 为0.9836计算结果如下:
因变压器容量留有10-20%的余量, 发电机额定励磁工况下变压器阻抗压降将小于额定值, 故可取励磁变二次额定电压为:u2N=380V。
1.3 励磁变容量选择
励磁变额定容量应满足发电机在1.2倍额定励磁电流下长期运行的要求, 并且留有一定的裕度。按下式计算:
因此, 可选变压器容量为800k VA, 有足够裕度满足要求。通过以上计算, 得励磁变压器的参数为:
2 晶闸管元件参数计算
2.1 反向重复峰值电压验算
(1) 发电机组励磁绕组试验电压最大为工频10*175=1750V, 幅值2475V, 励磁绕组两端过电压瞬时值应不大于2475 0.7=1732V。晶闸管反向峰值电压VRRM应大于1732V。
原晶闸管的VRRM为2800V, 能满足以上各项要求。
2.2 晶闸管通态平均电流
根据下式 (2) 对晶闸管元件的通态平均电流进行计算:
式中:KSA-电流储备系数取2;Kji-电路系数, 对三相全控桥取0.367;K4-海拔高度系数, 取1.1;K6-风速降低, 温度上升, 取0.9;K2-风速系数, 5m/s, 取1.0;KS-环境温度系数, 40℃取1.0;Id-设计额定励磁电流, 取1169A;由此可得:
3 交直流电缆的载流量计算
增容后的发电机励磁的额定电压和额定电流分别为175V、1169A。以此为依据进行交直流电缆的选型计算。
3.1 交流电缆选型计算
(1) 励磁变至整流器之间的交流电缆采用三芯交联电缆, 交流电缆引至励磁功率柜的接线铜排上。
(2) 根据励磁电流的大小, 估计励磁变压器到整流器每相由4根电缆并联, 并行敷设。
(3) 整流器交流侧单相载流量估算:1169×0.816/ (1.12×0.85) =1002A。 (注:“1.12”为环境温度系数, “0.85”为敷设电缆时的校正系数)
(4) 假设每相4根电缆的话, 单根电缆载流量为:1002/4=250A。
(5) 考虑到1.1倍长期运行因素, 要求单根电缆载流量:1.1×250=275A。
(6) 对于截面为150mm2铜芯三芯交联电缆, 其标准载流量为360A, 可以满足要求, 且留有裕度。
(7) 励磁变副边电压约为380V, 故电缆额定电压可选为:1000V。
(8) 最终型号:YJV-150 mm2三芯交联电缆, 额定电压:1000V。
根据以上的计算, 交流电缆的数量及接线方式:每套励磁装置需要接4根YJV-150 mm2三芯电缆, 接至柜内的连接铜排上。
3.2 直流电缆选型计算
根据励磁电流的大小及考虑到1.1倍电流下长期运行等因素, 直流电缆单极总载流量:1169×1.1=1286A。考虑直流输出每极采用3根单芯电缆, 则每根载流量为:
其中“1.12”为环境温度系数, “0.85”为敷设电缆时的校正系数。额定电压为:
对于截面为240mm2铜芯单芯交联电缆, 其标准载流量为643A。每极采用3根240 mm2截面积的电缆时, 总载流量为3×643=1929A, 大于1286A, 可以满足1.1额定励磁电流状态长期运行的要求。
4 增容后励磁系统改造方案的建议
通过以上计算可以发现, 发电机组增容后, 励磁系统改造方案建议如下: (1) 励磁变需更换, 专门订制, 额定容量增加为800k VA, 变比为10.5k V/380V。其他技术参数和电缆引接方式, 再具体提出; (2) 励磁系统的原直流电缆的载流量, 不能满足要求, 每极需要再增加2根240 mm2的电缆或185 mm2的电缆。增加电缆后, 还需注意电缆的引接位置; (3) 原晶闸管元件的通态平均电流In=2625A。原晶闸管采用ABB 5STP24H2800 2625A/2800V, 且本方案中整流桥的并联支路数为2, 完全可以满足机组增容后的技术要求; (4) 原励磁系统的交流电缆采用总共6根型号ZR-YJV-3×150 mm2的三芯交联电缆, 6根电缆的载流量为6×360A=2160A, 可以满足1002A的载流量要求。可以不用更换。
5 结论
本文结合紧水滩电站发电机组增容改造对励磁系统进行了验算, 分别从励磁变压器容量、晶闸管和交直流电缆多个方面进行了验证。对比了增容前的励磁系统, 起结果显示, 励磁变压器、直流电缆需要更换, 晶闸管和交流电缆元件不用更换。
参考文献
[1]梁建行, 易先举, 邹来勇, 陈红君.三峡电站发电机励磁系统主要参数设计计算[M].人民长江, 2005, 36 (01) :1-3.
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[3]竺士章.发电机励磁系统试验[M].北京:中国电力出版社, 2005.
励磁改造 篇7
1 励磁系统概述
通常情况下, 励磁系统是指与同步发电机励磁回路的电压建立、调整以及使其电压消失的相关设备和元件的总称, 主要包括发电机绕组、励磁电源、励磁装置及与调节电压相关的其他设备。
2 梅山水电站励磁系统原状及缺陷
2.1 梅山水电站励磁系统原状
梅山水电站原励磁系统的励磁电源取自发电机出口母线侧, 经励磁变压器, 交流电通过可控硅整流成直流电, 供给发电机转子励磁。相关参数如下:发电机容量12 500 k VA, 定子电压10.5 k V, 转子电阻0.22Ω, 额定励磁电压161 V, 额定励磁电流502 A。梅山水电站励磁系统工作原理如图1所示。
2.2 梅山水电站原励磁系统缺陷
原励磁系统是20世纪90年代改造的国产可控硅励磁装置, 已运行十多年, 电气元件老化严重, 抗干扰能力差, 运行可靠性低, 可控硅运行稳定性也较低, 且该型装置属于早已停产设备, 维修配件无法采购。励磁变属于油浸变压器, 使用十多年, 存在渗漏油和桩头局部过热无法完全消除的现象, 无法保障发电机组的安全、稳定运行。
3 励磁系统技术改造试验
3.1 机组及励磁系统参数
机组及励磁系统参数如表1所示。
3.2 试验项目
3.2.1 开环试验
3.2.1. 1 接线方式
断开#1机功率柜交流、直流和灭磁开关, 拆除PT接线, 保证一次设备不带电。
三相调压器接线方式:原边经控制开关接三相交流电源, 副边并联接两组线, 一组给PT端子, 另一组给整流桥, 用电阻做整流桥的负载。将调压器调至零位, 同时标记三相调压器允许位置最大不超过130 V。
3.2.1. 2 开环试验过程及记录
开环试验主要分以下几步:①自动调节特性检查。给定不变, PT电压上升, A, B通道控制信号上升, 同时随PT电压下降而下降;C通道控制信号不随PT电压变化, 反馈信号为励磁电流。保持PT电压不变, 增磁时, 控制信号随之下降, α角也下降;减磁时则相反。②模拟逆变灭磁失败试验。模拟逆变灭磁不成功, 接受逆变命令起10 s后发电机电压仍大于额定值10%, 逆变灭磁失败, 保护动作跳开, 灭磁开关动作正常, 同时报警信号正确。③脉冲投切回路试验。投切功率柜退柜开关, “OFF”时投入, “ON”时切除。观察LCD显示、功率柜脉冲板脉冲指示灯及整流桥输出波形, 确认本开关功能正确。④分灭磁开关切脉冲检查。分灭磁开关后检查确认无脉冲输出。⑤BOD关断功能检查。模拟过压保护动作 (电容器放电) , 检查、确认直流输出电压波形过零点产生, 同时报警信号正确。⑥自动切换试验。模拟1PT断相、微机通道5 V电源故障及调节器故障等故障点。观察确认调节器在A通道运行时, 自动切换到B通道运行;调节器在B通道运行时, 自动切换到C通道运行。
3.2.2 空载闭环试验
空载闭环试验分为以下几步:①零起升压试验。从调节柜触摸屏选择投入“零起升压”, 视发电机建立电压, 调节机端电压达额定值, 同时记录空载特性相关数据。②逆变试验。A通道运行时, 检查自动逆变和手动逆变都正常, B, C通道运行时也正常。③V/f限制特性。当自动通道运行时, V/f限制值为额定值的110%.当频率小于45 Hz时, 调节器立即逆变, 且该频率暂不支持修改。④频率特性试验。调整#1机组转速, 观察并记录, 整理数据得出, 频率每变化额定值的±1%, 机端电压变化在额定值的±0.25%以内, 符合标准要求。⑤过励限制试验。以#1机空载时的励磁电流数值为限制值, 同时降低机端电压, 更改过励限制参数, 再次模拟过励限制, 检查确认过励限制动作稳定, 无异常。⑥阶跃试验。阶跃试验是为了检测励磁系统的动态性能。在触摸屏上选择10%阶跃, 试验时录波, 根据录波曲线整理如下。
3.2.3 负载闭环试验
负载闭环试验主要分为以下几步:①首次并网。首次并网时, 无法确定#1机机端CT接线是否正确, 因此在A, B通道手动方式下进行。并网后检查发现, 调节器上有功、无功显示值均正确, 判断接线正确。然后切换到A通道自动方式运行。②并网带负荷。③有功功率、无功功率、发电机电流校准。在发电机带较大负荷的情况下, 校准调节器的有功功率、无功功率、发电机电流。④系统电压校准。检查确认系统PT接入, 调整系数Kus, 使机端电压与系统电压保持一致。参数设置如表3所示。⑤欠励限制试验。修改整定值, 减少励磁进入欠励状态。欠励时, 无功功率波形无明显摆动, 系统运行稳定。欠励限制整定数据如下表3所示。⑥甩负荷试验。A通道运行, 调差挡位3, 相关数据记录如表4所示。
4 总结
梅山水电站经过改造励磁系统, 有效提高了机组励磁系统的安全运行水平。从改造后的运行情况来看, 该系统性能稳定、可靠, 动作准确, 达到了水电站计算机监控系统的可控要求, 并实现了电站无人值班 (少人值守) 的目标, 为电网的稳定运行提供了可靠保障, 同时为在役励磁机式同步发电机的改造提供了经验和实证。
参考文献
[1]郭成, 余波, 陈波, 等.同步发电机自并励励磁系统设计的讨论[J].四川工业学院学报, 2004 (S1) .
励磁改造 篇8
过渡湾水电站属于河床式径流电站,电站安装3X8 500kW轴流转桨式机组,是襄樊电网骨干调峰电站。原投产的励磁系统采用广控厂电子式调节器,运行多年后,出现了调节器、励磁风机故障等问题,影响了电网安全运行。为适应电网稳定运行的要求,应用新技术、新工艺和新模型算法等对励磁系统进行技术改造。
1 系统主要特点
1.1 系统原理
整个励磁控制设备由1面调节器柜、1面可控硅整流柜(单柜双桥)、1面灭磁及过电压保护柜组成,结构紧凑简单。励磁变压器保留电站现有设备。调节器柜采用美国TI公司针对励磁控制而开发的专业高速低功耗DSP控制器,调节器采用IES型励磁调节器。功率柜采用单柜双桥大功率功率柜,每台机组配置2个功率桥,型号为SCR-800/660II,配置ABB技术西整所的可控硅和SF15型散热器(配置热管)。灭磁柜型号为FB-630A,主要配置ABB技术DMX2型直流型断路器,采用交流灭磁技术。系统原理框图如图1所示。
1.2 主要特点
(1)整个励磁系统采用低功耗设计,CPU采用美国TI公司1.8V低功耗DSP,指示灯采用LED型,单个继电器线圈的驱动电流小于20mA。
(2)采用热管新工艺,功率整流系统能够摆脱风机引起的相应故障,实现自冷运行,且运行维护方便,从而解决了传统强迫风冷整流柜带来的噪音高、灰尘大、可靠性低等问题,大大地提高了功率整流柜的输出容量及运行可靠性,保证了电能质量。
(3)控制器软件中集成了ABB转让的调节器专家功能模块,可以灵活方便地针对不同用户进行调用和组态,同时便于扩展和维护。
(4)灭磁系统采用了交流灭磁技术,具有小电流自动灭弧功能,最大限度地提高了灭磁开关的使用寿命。
(5)同步回路断线保护。独特的同步电路设计,保证了同步信号稳定、可靠。主要表现在两方面:一是在发电机电压从残压到130%额定电压范围内变化,同步方波始终稳定;二是同步回路无论是在同步变压器原方还是在副方发生一相断线故障时,都能保证发电机在原工况下稳定运行。
(6)脉冲直接形成技术。采用新一代专业数据处理器DSP的高速输出作为智能脉冲处理,无需主控CPU的干预即可执行正常流程。这种脉冲产生方式简单自然,脉冲稳定可靠。
(7)容错及自诊断功能。微机系统自身具有自我诊断能力。软件时刻对DSP、辅CPU、开关量以及微机工作电源进行在线诊断,可以提前发现问题。发现故障立即由软件输出、硬件自动切换。完善的自诊断及软、硬件容错技术,保证设备稳定可靠运行,防止人为误操作。
(8)抗干扰、软硬件容错、自诊断功能。励磁调节器硬件上采用了行之有效的抗干扰措施,如电源噪声处理,电源地隔离,开关量光电隔离,励磁控制器采用先进的表面贴装技术、无源滤波、加装磁阻、使用工业级滤波器等多种电磁兼容技术等,可通过4级电磁瞬变干扰;同时采用大量容错技术使得系统更为可靠,如脉冲掉相处理、Watchdog、智能电源监测等。软件中对开关量采用“二值”判断、模拟量梯度识别、数据合法性判别等大量的容错算法。
(9)友好的人机界面。硬件采用智能前台管理机,超大屏幕液晶平板显示器。软件采用Windows界面,易于运行和维护人员掌握。实时显示机组运行状态、开关量状态、状态参数、控制参数、实时曲线等,并能在线修改及保存励磁系统所有参数,显示直观。
2 可控硅整流系统
2.1 基本配置
整流装置采用三相全控桥式整流方式,每套励磁系统可控硅整流桥按冗余方式配置,设计可控硅整流桥并联支路数为2,支路串联元件数为1,当并联运行的整流桥退出1个支路时仍能保证机组在所有运行工况下正常运行。采用国产ABB技术KP600A/1800V可控硅元件,冷却系统采用基于汽水分离环形热管散热工艺,满足整流柜额定1 500A输出散热的要求。
可控硅作为励磁装置的主要功率元件,其参数选型和性能好坏直接关系到整流桥的负荷能力。可控硅选择遵循以下原则:
(1)晶闸管整流桥按单桥满足最大励磁电流运行的原则设计考虑。
(2)在额定负荷运行情况下,可控硅整流器所能承受的反向峰值电压不小于2.75倍励磁变压器二次侧最大峰值电压。
2.2 热管工艺
热管是一种在封闭的真空腔体内,通过工作介质相变进行热量传递的元件。其工作过程为:工作介质在热管的蒸发段吸收外部热量,液体沸腾形成蒸汽(发生相变),因为腔体内部为真空状态,阻力小,工作介质的蒸汽在很短的时间内就会到达热管的冷凝段,在冷凝段工作介质释放热量,蒸汽冷凝变成液体(再次发生相变),工作介质的液体通过管内吸液芯的毛细作用回流到热管的蒸发段,完成一个工作循环。热管工作时,其工作循环不断地将热量传递出去。热管工作原理示意图如图2所示。
热管作为一个密闭封焊的蒸发冷却器件,由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。其中吸液芯由多孔物质组成,其原理是靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发段,并使液相工质在蒸发段沿径向均匀分布。工作时外部热源的热量传至蒸发段,通过热传导使工质的温度上升,进一步导致液相介质吸热蒸发。液体的饱和蒸汽压随着温度上升而升高,从而使蒸汽经蒸汽通道流向温度较低的冷凝段。蒸汽在该段冷凝,放出的热量通过充满工质的吸液芯和管壁的热传导,由管子外表面传给冷源。此后冷凝液体可以在没有任何外加动力的条件下,借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到加热段继续吸热蒸发,反复循环,达到热量从一处传输到另一处的目的。
由于液态介质的蒸发潜热大,同时蒸汽的流动阻力小,因此能够在温差较小的蒸发端至冷凝端间传送大量热量,即热管冷却装置的有效导热系数非常大,具有良好的冷却效果。此外,由于热管是利用蒸发和毛细现象进行介质循环,不需要借助泵等外力,因此免除了风机等旋转部件,运行时没有噪声,且可靠性高。
2.3 均流措施
整流装置并联支路可控硅元件的均流效果直接关系到可控硅元件的使用寿命,是一项重要的考核指标。为保证整流装置的均流效果,通过以下几种措施保证在整个负荷范围内各支路的均流系数达到0.95。
(1)电路配置和一次铜排走线均保证对称均衡。一般可控硅进入稳态正向导通后其通态压降低,相应的通态电阻小。为了较好地均流并减小这些因素的影响,可将并联支路的可控硅一次铜排的配置和走线对称均衡分布,使每条支路都尽可能对称。
(2)在选用可控硅元件时,使所有并联元件的通态伏安曲线偏差足够小,特别是在大电流工作区。匹配并联元件的通态伏安特性时,应主要考虑大电流区的特性,以保证大电流区有较好的均流,而小电流区由于所有器件负担都较轻,因此即使电流相差较大也不至使元件过热损坏。
(3)采用门极强触发及增加触发脉冲的宽度,同时选择开通时间参数基本一致的可控硅来构成并联臂,使所有并联元件的开通时间缩短,缩小并联元件开通时间的分散性,从而改善并联可控硅开通一致性。
(4)交流输入采用电缆连接,使每柜每相的所有电缆单独连接到电源变压器,并且长度均相同。利用单独连接的交流输入电缆的阻抗效应使得先开通晶闸管的交流输入电缆阻抗电压会加到未开通晶闸管的阳极电压上,利于克服未导通晶闸管的门槛电压,使之更易于导通;同时交流输入电缆电阻电压与晶闸管通态压降相当时,可以改善并联支路总的通态伏安特性,使均流效果更佳。
3 励磁调节器
3.1 设计理念
(1)提供完全独立的微机/微机/手动/手动四通道双模冗余结构,每个调节通道配有一套独立的智能化故障检测系统,通道间互为备用,备用通道自动跟踪运行通道,故障后自动实现无扰动切换,从根本上保证了调节器运行的可靠性。双通道中的一个通道出现故障,不会影响励磁系统的正常运行。
(2)调节器采用多CPU模式、电路表面贴装工艺和无风扇结构,主CPU用于调节和逻辑控制,高速DSP芯片用于交流采样,CPU之间通过双口RAM交换数据,以保证程序运行可靠,电气量采集计算速度快,抗干扰能力强。
(3)调节器具有完善的故障检测功能,检测范围覆盖电源系统、硬件系统、软件系统,采取自检与互检相结合的措施,确保故障检测和通道切换万无一失。
(4)采用PID+PSS调节规律,能有效抑制电力系统低频振荡,提高系统输送能力。
3.2 LOEC线性最优控制理论
多变量(ΔVt、ΔP、Δf)控制与单变量(ΔVt)PID控制相比,多变量PID控制具有明显的优势,其主要表现为显著增强系统阻尼,抑制低频振荡,有效提高发电机的静稳极限和与之相连的电力系统运行稳定性,具有优于PID+PSS(Power System Stabilizer)的性能。除LOEC线性最优控制算法之外,励磁调节器还提供P、PI、PD、PID+PSS多种控制算法。
3.3 高速数字信号处理器DSP
交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略,是微机励磁实现的关键性技术。本控制器采用的控制芯片是美国TI公司生产的32位浮点型高速数字信号处理芯片(DSP)TMS320C2812,运行处理速度高,适应工业环境运行条件。由于DSP芯片内集成了硬件乘法处理器,因此只要一个指令周期便可完成一次乘法运算,特别适用于自适应控制高速运算。
4 灭磁装置
4.1 主要配置
灭磁装置配置了DMX2型直流型断路器,该断路器的灭磁系统结合了交流电源自然换流的特点和非线性灭磁快速性的特点;同时为了保证可靠性,控制回路通过逆变灭磁或通过硬件切断整流桥触发脉冲的方法,帮助磁场断路器在转子上建立足够高的负方向电压(硬件封脉冲技术),以利于快速灭磁。另外灭磁装置使用了科聚公司的ZnO非线性电阻,该产品可保证发电机在机端短路、空载误强励等极端情况下快速可靠灭磁,可兼做转子双方向过电压保护,不仅具有灭磁时间短、灭磁效果好的优点,而且具有控制电压低的特性,自然均能性优越。
灭磁及过电压保护装置保证在任何需要灭磁的工况下(包括发电机空载误强励和发电机出口三相短路的最严重工况)可靠灭磁。发电机正常停机采用逆变灭磁;事故停机采用磁场断路器+非线性电阻灭磁,并辅助交流灭磁技术。
4.2 交流灭磁技术
交流电压灭磁就是在灭磁时需要切除励磁电源的晶闸管触发脉冲(简称拉脉冲),然后跳灭磁开关。发电机转子具有储能大电感,其释能的时间常数为秒级,拉脉冲后,它相当于直流恒流源,也就是使励磁电源的晶闸管始终有2只导通、4只关断。晶闸管触发脉冲被切除,4只关断的晶闸管不会导通,但因转子的直流恒流源作用,2只导通的晶闸管始终导通,且不可控,又因该直流恒流源的输出为单方向直流,2只导通的晶闸管在此仅相当于导体。这就使得在与励磁电源输入端相连的三相支路中有两相电流流过,一相无电流,在此过程中,三相励磁变压器只相当于单相交流电压源,其输出仅为单相正弦波电压,此时,励磁电源相当于一交流恒压源,拉脉冲后的电路等效图如图3所示。
电流回路由上述单相交流恒压源与转子形成的直流恒流源串联而形成闭合回路。当灭磁开关开断时,开关的断口处便产生弧压。利用上述开关断开时产生的弧压和励磁变压器所输出的单相交流电压叠加,当满足非线性电阻的开通电压时,系统将发电机转子储存的磁能经非线性电阻释放,完成快速灭磁。
5 结束语