交流励磁电机（通用10篇）
交流励磁电机 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
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[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.
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[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.
发电机励磁装置可靠性研究 篇2
关键词：设备老旧 工作原理 可靠运行
一．现状分析：机组型号：QFW-6-2，额定电压：6300V、额定电流：688A、励磁电流：238A，采用与发电机同轴的交流励磁机输出经整流装置整流后提供给发电机励磁，即无刷励磁。
励磁机型号JL-50，功率：49.5KW、电压：120V。励磁调节控制保护系统型号：KWLZ-KW，额定输出电压：45V、额定输出电流：3.44A。生产厂家：河北工业大学电工厂于1999年12月出厂。该装置为直流串联自复励系统，复励桥和可控硅桥在直流侧串联起来供给交流励磁机，调节功能由PLC完成，该装置的主要作用：自动调节发电机励磁，在发电机正常运行的情况下，在要求的调差率内保持电压恒定，或者独立于机端电压，实现恒励磁电流运行。
存在问题：
（1）电压调节通道出现发电机无功功率数值在运行时波动频繁，有时受矿负荷的变化，根本无法正常运行，只能切换到电流调节通道运行。
（2）随着电气设备新技术的不断发展，现原厂家无刷励磁调节控制装置内的配件，厂家已不生产，系统出现故障后无法找到新替换配件，会制约3#机组的正常运行。
（3）现电流通道PLC故障灯显示，在2011年11月与河北工业大学电工厂技术人员联系处理，无配件更换未处理好。
（4）电压调节通道作为主要运行通道，已不能安全正常运行，出现系统故障时无法自动切换电流调节通道运行，会造成机组无功系统故障停运。
二、励磁调节原理
三．可靠性分析：系统采用完全独立的双自动通道配置，同时每通道带有手动控制。采用该系统后，回路简单、结构清晰，满足相关标准的技术要求。发电机运行可靠性大幅提高。
参考文献：
[1]徐洪亮，吴学坤. 对河口水库电站水轮发电机组励磁系统的技术改造[J]. 小水电，2012，（5）.
[2]夏丽静，王之猛，孙庆彬，芦伟，刘奇. 改进的乒乓式转子接地保护在无刷励磁发电机中的应用[J]. 陕西电力，2012，（8）.
交流励磁电机 篇3
风力发电在国内外发展迅速[1]。变速恒频双馈( doubly fed induction generator DFIG)风力发电是风力发电的主流类型之一,与传统的同步发电机直流励磁不同,DFIG实行交流励磁,可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位。通过改变励磁电流频率,双馈电机可以调节转速,从而实现变速恒频运行;通过调节励磁电流的幅值和相位,可达到调节有功功率和无功功率的目的。与同步发电机相比,控制量多了两个,控制上更加灵活,但控制也更加复杂[2,3,4]。
双馈发电机的控制策略取得了很多成果,应用最广的控制策略是矢量控制策略(vector control)[5],矢量控制实现了电动机有功和无功功率的解耦控制,动态性能好,但控制策略比较复杂且需要精确的定子磁链和转子位置角。直接功率控制(direct power control)[6,7]利用直接转矩控制的思路,将电力电子变流器和电机合并,通过开关矢量直接控制电机的有功和无功功率,简化了控制策略的设计,但由于其开关频率不固定增加了滤波器设计的难度。转子磁链幅值和角度控制(flux magnitude and angle control)[8,9,10,11,12]通过转子磁链的角度和幅值来控制定子的有功和无功功率,但控制复杂。
通过对电压电流等易测量的磁链观测估计转速和转子位置信号的无速度传感器方法[13,14],一方面增加了控制系统的复杂性,另一方面其估计精度受参数变化、运行状态的影响。
本文从双馈电机的原理出发,简要叙述了电网侧和转子侧变频器矢量控制策略;为了避免转子位置编码器的影响,提出了无需测量转子位置信号的幅度频率控制策略;仿真验证了幅度频率控制策略的有效性,提高了系统的可靠性。
1 双馈风力发电机原理
对于一台确定的风力机,在风速和桨叶节距角一定时,总存在一个最佳叶尖速比对应着一个最大的风能转换系数,此时风力机的能量转换效率最高。图1为不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线,从图1中看出,对于一个特定的风速,风力机只有运行在一个特定的机械角速度下,风力机才会获得最大的能量转换效率[15]。因此,变速风电机组才能捕获最大风能,提高发电效率。
双馈风力发电机组的结构示意图如图2所示,DFIG的转子经变流器与电网相连,利用交流转子励磁和DFIG配合实现变速恒频。
变速恒频原理如式(1)所示:
Npfm+fr=fs (1)
式(1)中,fm,fr,fs分别代表转子转速、转子电流和定子电流的频率,Np表示双馈电机的极对数。当双馈风机发电机运行时,风力机带动转子以fm的频率旋转,形成电角频率为Npfm的旋转磁场,由于转子励磁电流矢量的频率为fr,气隙中感应出与定子电流同频率的合成磁场,频率由式(1)表示。因此双馈电机实现了变速恒频[16]。
将转子侧的各个物理量折合到定子侧,通过Park变换将abc坐标系下的异步电机方程变换到一般的dq旋转坐标系可以推导出双馈电机的电压和磁链方程分别如式(2)和式(3)所示(定子侧按发电机惯例,转子侧按电动机惯例)[16]。
undefined
(2)
undefined
(3)
转矩方程可以表示成:
Tem=NpLm(iqsidr-iqrids) (4)
转子运动方程可以表示成:
Jpωm+Dωm=Tm-Tem (5)
式(2)到式(6)中,uds,uqs为定子电压的d,q轴分量,udr,uqr为转子电压的d,q轴分量,Ids,Iqs为定子电流的d,q轴分量,Idr,Iqr为转子电流的d,q轴分量,ψds,ψqs为定子磁链的d,q轴分量,ψdr,ψqr为转子磁链的d,q轴分量,rs,rr,Ls,Lr为定、转子的电阻、电感,Lm为互感,ωs,ωr,ωm为定子磁链、转子电流、转子旋转的角速度,Tm,Tem为机械转矩、电磁转矩,P为微分算子,J,D为转动惯量、摩擦系数。取ωs等于定子旋转磁场的角速度,这样dq坐标系就变成了同步旋转坐标系,ABC坐标系下的正弦量对应于dq坐标系下的直流量。
2 双馈电机电网侧变流器控制
网侧变流器是一个电压源型PWM整流器,控制变流器直流母线电压,且功率因数可调,实现功率的双向流动。其矢量控制框图如图3所示[4]。
图3中,idg,iqg为网侧变流器电流的d,q轴分量, Lg为网侧变流器电感, udc为网侧变流器直流电压,us为网侧变流器交流电压d轴分量,ωs为网侧变流器交流电压频率,Qg为电网侧变流器的无功功率,θs为电网电压位置角。dq轴电压通过dq→ABC变换之后得到PWM整流器输出的三相电压。
3 双馈电机转子侧变流器控制
双馈电机并网时,转子侧变流器控制目标为控制定子的有功和无功功率,双馈电机定子的有功功率Ps和无功功率Qs可以表示成:
undefined
(6)
按照定子磁链定向的方式,忽略定子磁链的暂态和定子电阻,将d轴固定在定子磁链矢量的轴线ψs上,于是 ψds=ψs,ψqs=0,代入式(2)的前两式可以得到:
undefined
(7)
将式(7)代入式(6)可以得到
undefined
(8)
再将磁链定向结果代入式(3)可以得到
undefined
(9)
将式(9)代入式(8)可以得到:
undefined
(10)
从式(10)可以看出,如果定子磁链和频率保持不变,按照定子磁链定向之后,定子的有功功率和转子q轴电流成正比,定子的无功功率和转子d轴电流成正比。
控制策略框图如图4所示:其中undefined表示双馈电机的漏磁系数。θr,θsr为转子磁链角度、转差角度。
4 同步化双馈电机
4.1 同步化的双馈电机数学模型
虽然双馈电机工作在异步状态下,但是其转子励磁磁场的旋转速度和定子磁场的旋转速度相等,具有和同步电机类似的控制特性[17,18]。双馈电机的功角δ为q轴暂态内电势矢量Eundefined和定子电压Us之间的夹角,双馈电机的有功和无功表达式可以写成:
undefined
(11)
式(11)中X`s为定子暂态电抗。可以看出,如果将d轴放在转子合成磁势的轴线上,经过整理后,双馈电机具有和同步电机类似的有功和无功表达式。也就是说,从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效。
省略定子磁链动态过程的同步化双馈电机三阶方程为式(12):其中Xs为定子电抗,Edf、Eqf为折合到定子侧的转子dq轴励磁电压,undefined表示转子回路的时间常数:
undefined
(12)
此外还有两个定子电压方程和一个附加的转子电压方程:
undefined
(13)
式(13)中s为转差率,Tr0为 双馈电机在同步点运行时,有约束条件Npωm=ωs,ωr=0。将约束条件代入式(12),同步化双馈电机三阶方程就变成了同步电动机的三阶方程[8,15]。
4.2 双馈电机与同步电机的比较
通过上面的分析可以看到,双馈电机和同步电机有相似的地方也有不同之处,归纳如下:
a) 相同点:
1) 从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效;
2) 都可以通过励磁控制来调节定子输出的无功功率。
b) 不同点:
1) 励磁调节:同步电机的励磁电压为直流,只有其幅值可以调节;但双馈电机的励磁电压为交流,有电压幅值、频率和相位三个可调量,控制更加灵活;
2) 转速范围:同步电机的转速等于同步转速,但双馈电机既可以超同步运行,也可以次同步运行;
3) 转子励磁的功能。同步电机的转子仅提供无功励磁,但双馈电机的转子除提供无功励磁外,还要提供转差有功功率。
5 幅度频率控制策略
矢量控制策略中所需的转子位置信息一般通过增量式或绝对式光电编码器来获得,实际中增量式编码器应用最广,但由于风力发电系统运行的环境比较恶劣,编码器信号很容易受到干扰,这会对系统稳定运行带来负面影响[13,14]。
5.1 幅度频率控制
对式(12)第一项进行分析可以看出,当双馈电机转子电流的角频率ωr≠sωs时,双馈电机的功角δ就会发生变化。从式(11)可以看出,功角的变化可以引起有功和无功功率的变化。
根据同步电机理论,同步电机输出有功功率主要和功角δ有关,输出的无功功率主要和暂态励磁电压E`q的大小有关[8]。根据式(11)可知,这个关系在双馈电机中仍然适用。
当Npωm+ωr>ωs时,功角增大,有功功率增大;当 Npωm+ωr<ωs时,功角减小,有功功率减小。由于转子侧采用全可控电力电子变流器,转子电压和电流矢量的旋转角速度ωr完全可控,因此控制ωr就可以控制双馈电机定子的有功功率。
有功功率给定和实际的有功功率相减之后通过PI控制器得到转子电压的频率;
从式(12)和(13)中的第三项可以看出,双馈电机的暂态励磁电压E`q和转子电压的大小有关。转子电压Edf部分表示无功励磁分量,而Edf表示在变频过程中,转子侧需要提供的电压,这部分电压和转子侧提供的转差有功功率相关。改变转子电压的幅值可以改变E`q进而改变定子发出的无功功率[17,18,19,20]。
根据式(11)可知,双馈电机定子的无功功率主要和定子电压有关,因此可以在电压环外面加上无功功率外环。无功功率给定和实际无功功率相减之后通过PI控制器得到定子电压的给定值。定子电压给定和实际电压相减之后通过PI控制器得到转子电压幅值,有了转子电压的幅值和频率给定之后经过简单运算就可以生成转子的三相电压给定值uar,ubr,ucr,三相电压再通过PWM调制送到转子侧变流器。其控制框图如图5所示。
当然也可以将无功外环和电压环进行合并,无功功率控制器直接输出双馈电机转子电压的幅值。
5.2 仿真验证
为了验证图5中的控制策略,在PSCAD里面搭建模型进行仿真,仿真中用附录中的参数。电机定子有功功率给定在第2s从2kW阶跃到6kW,然后在第9s又阶跃回2kW,定子无功功率给定为0kVar并保持不变,双馈电机的转速为0.9倍的同步转速。仿真结果如图6所示。图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。
6可以看出,有功功率给定变化前,双馈电机的转子电压频率等于转差频率5Hz。当有功功率给定增大时,从图6(b)和(c)可以看出,双馈电机转子电压和电流的频率增加,使得图6(d)中的功角增大,定子有功功率增加。由于无功控制器的作用,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在 6kW时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程,功角有一些超调。
从图
当有功功率给定减小时,双馈电机转子电压的频率减小,功角减小,使得定子有功功率减小,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在20时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程。
从仿真结果可以看出,幅度频率控制可以独立控制双馈电机定子的有功和无功功率。
5.3 幅度频率控制在容错控制上的应用
幅度频率控制既可以直接控制并网后的双馈电机,也可以在角度传感器出现永久性故障的情况下作为容错控制策略。采用矢量控制和幅度频率控制组成的容错控制系统的逻辑图如图7所示,当容错控制系统判断角度传感器出现永久性故障时,就从矢量控制切换到幅度频率控制策略。
正常情况下控制系统采用矢量控制,转子电压选择矢量控制的输出电压,当角度传感器出现永久性故障时,转子电压就选择幅度频率控制的输出电压。由于幅度频率控制刚投入时输出的电压为0,为了保证切换过程尽可能地平滑,需要计算出故障前矢量控制输出电压的幅值|ur0|和频率ωr0,将它们作为初始值分别叠加在幅度频率控制的输出上。其中|ur0|叠加在无功功率控制器输出上,ωr0叠加在有功功率控制器的输出上,如图8所示。幅度频率控制的采样和控制信号与矢量控制完全相同。
在PSCAD里建立模型,对图7和图8所示的容错控制系统进行仿真。电机参数为附录中的参数,定子电压为380V。控制系统先采用矢量控制,有功功率给定为 6kW,无功功率给定为0kVar,双馈电机转速为0.9倍的同步转速,故障出现以前控制系统已经达到稳态。在第 5s角度传感器出现永久性故障,根据图7容错控制系统切换到幅度频率控制,并将故障前的转子电压的幅值和频率作为初始值叠加到幅度频率控制的输出,如图8所示。
仿真的结果如图9所示,图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。 按照图7和图8的容错控制方法,当角度传感器出现永久性故障时,可以用幅度频率控制代替矢量控制,控制策略切换的过渡过程比较平稳,满足容错控制的要求。
6 结论
双馈电机以其自身显著的优点,成为现在风电的主力机型之一,并且由于双馈电机具有一定的同步机特性,可以从同步机类比的角度讨论新的控制策略。具体研究内容如下:
1) 简述了双馈电机变速恒频原理及其dq坐标系下数学模型,简要分析了双馈电机网侧变流器和转子侧变流器的矢量控制策略。
2) 根据双馈电机dq坐标系下的模型,推导了同步化双馈电机数学模型,归纳了双馈电机与同步电机的异同点。
3) 基于同步化模型提出了幅度频率控制策略。此策略通过控制转子电压的幅值和频率来控制定子无功和有功功率,不需要角度传感器,简化了控制器设计,避免了转子角度编码器对发电系统的影响。
交流励磁电机 篇4
摘要：双凸极电机是一种新型无刷直流电机，按励磁方式主要分为永磁、电励磁、混合励磁双凸极电机等。双凸极电机作为一种低成本、高可靠性的电机，具有良好的电气特性，正在受到广泛的关注。文章对110kW双凸极电机进行介绍，有限元分析计算电机运行时磁场、功率、电机铁耗等数据，并根据仿真计算结果来对设计和生产起到借鉴作用。
关键词：电励磁；双凸极电机；有限元分析；电机功率；铁耗
中图分类号：TM359 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0055-03
1 概述
双凸极（DSEM）是在开关磁阻电机基础之上发展起来的，是一种新型无刷电机，具有结构简单、效率高、绕组电流可双极性控制等优点。转子上没有绕组和磁钢，结构简单、坚韧可靠，可应用于航空航天、风力发电等场合，以此受到国内外学者的关注。
传统的双凸极电机研究大都集中在三相结构如6/4、12/8等结构，而针对四相以及多相结构的双凸极电机的研究尚处于起步阶段。东南大学的程明等学者针对8/6结构双凸极电机（“8/6极双凸极电机的转矩脉动减小方法及其8/6极双凸极电机”，中国发明专利：ZL200410014568.5）提出了一种减小转矩脉动的控制方案，但是目前专门针对四相双凸极电机的研究文献及成果较少。
本文以48/36极110kW额定转速为110r/min双凸极电机作为研究对象，对新型的DSEM的电磁特性、功率进行了理论分析和试验对比，以便为该电机的设计和生产提供
参考。
2 电机结构
48/36极110kW双凸极电机结构如图1所示，定转子均为凸极齿槽结构，定子槽里面装有电枢绕组和励磁绕组，转子上面没有绕组。文章针对该发电机空载和负载情况进行了计算和分析。
3 磁感应变化
双凸极发电机空载情况下，各部分磁场密度随时间变化而变化，采用有限元分析软件进行分析计算，得到如图2所示图片：
从图2知道，在励磁电流为35A时，电机内部磁密已达到最大值，即磁饱和状态。
4 负载仿真计算和分析
负载情况下，计算分析得到的数据，如下表2和图3
所示：
并且，根据有限元分析软件Ansoft还得到如下表3和图4所示：
综上所述可知，当励磁电流达到45A时，电机的运行数据结果已达到趋于稳定状态。
5 电机铁耗计算和分析
双凸极电机外电源供电运行情况下，电频率的增加导致转速的增加，随之铁心内部的磁场变化也较大，导致铁耗较大，增大了它在总损耗中的百分比，因此分析铁耗同样值得关注。
本文中主要是分析各部位磁密，得到材料在不同频率下的损耗曲线之后，将其导入有限元软件中，采用有限元分析法对电机铁耗进行估算。
根据文献，推导公式，得到新的计算公式即单位损耗为单位磁滞损耗和单位涡流损耗之和，数学表达式如下
所示：
P=Pr+P'Φ=σrfB2+σΦ（?fB）2
式中：
σr——钢片损耗常数
ρ——材料的电阻率
γ——密度
采用上述计算公式，由于电机额定转速为110r/min，给出40Hz下材料B-P曲线，如下图5所示。然后将上述所得的B-P曲线输入到电机仿真模型中，仿真过程会对电机每个单元进行铁损进行计算，然后进行相加，最后得到电机总的铁损数值。仿真计算结果如后面实例计算表格中得到的数值。
图5 B-P曲线
6 试验研究分析
以一台110kW极数48/36额定转速110r/min双凸极电机为例，进行负载测试和铁耗测试。下图6为生产的样机。
图6 110kW电励磁双凸极测试样机
双凸极电机负载状况下，通过测试仪器，得到的实验数据。其中测得的铁耗为已经除去了风阻损耗、铜耗与附加损耗的结果。将实验结果与仿真结果进行了对比，如表4和表5所示：
从表4和表5中可以看出，仿真数值比实验结果小，存在的误差大小在接受的范围内。这是由于得到的BP曲线存在一定误差，特别是当磁密变大时，误差也变大。
7 结语
本文中利用有限元分析软件，建立电机合理的有效模型、电路模型，并根据公式得到电机在一定频率下的B-P曲线，再将曲线导入软件中进行计算，计算过程中充分考虑了电机各部分的磁密分布，计算了负载消耗功率和每一个单元的损耗，然后以此为基础，最终计算出电机的铁心损耗。在计算结果中，由于外界有关因素的限制，导致测得的结果存在一定的不确定性，而计算机仿真为理想条件，所以二者结果存在一定的误差，经过比较对比误差在可接受范围内，证明了此方法来计算电机的负载功率和铁耗可行性。
参考文献
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交流励磁电机 篇5
关键词：电动汽车,驱动系统,混合励磁无刷直流电机,2812
1 引言
能源紧缺与环境污染等问题带来的负作用日益增加,使电动汽车在近些年成为各国竞相研究的热点。电机驱动系统作为电动汽车重要组成部分,其性能优劣直接关系到整车性能。目前,电动汽车上所采用的电机驱动系统以无刷直流电机(BLDCM)驱动系统综合性能最为理想,较好地满足了电动汽车对效率、功率密度等众多指标的要求[1]。但是无刷直流电机中永磁体对外加磁势的磁阻很大,电机气隙磁场难以调节致使其使用范围受限。混合励磁无刷直流电机(Hybrid Excitation BLDCM,HEBLDCM)通过安装励磁绕组的方法较好地解决了无刷直流电机调磁困难的问题,在适应不同负载方面具有明显优势,是未来电动汽车电机驱动系统的有力竞争者[2]。
2 HEBLDCM基本原理与控制策略分析
HEBLDCM在普通无刷直流电机的结构上进行了改造,在电机定子侧安装与电枢绕组正交的直流励磁绕组,转子侧安装铁磁极作为调磁极以及相间地安装N极、S极,电机整体结构如图1所示。
2.1 电机结构及调磁原理
由图1可看出,HEBLDCM气隙总磁通由永磁磁极产生的永磁磁通Φp和励磁电流If产生的励磁磁通Φf两部分组成。由于永磁磁极对外加磁势的磁阻很大,因此永磁磁极上磁通基本维持为永磁磁通Φp,铁磁极为励磁磁通Φf主要通道。从励磁角度来看,HEBLDCM的运行方式可分为:(1)零励磁运行(If=0),励磁磁通Φf为零,电机工作于普通无刷直流电机状态;(2)增磁运行(If>0),此时励磁磁通Φf与Φp方向相同(即Φf>0),电机气隙总磁通Φ增加为Φp+Φf;(3)弱磁运行(If<0),这时Φf与Φp方向相反(即Φf<0),Φ削减为Φp-Φf。
下面以If>0为例说明If对电机转矩及转速的影响,设U为电枢电压,E为电枢反电动势,R为电机内阻,L为电枢绕组各相自感,I为电枢电流,KE为反电势系数,n为电机转速,则HEBLDCM的电压平衡方程为:
式(2)中,Φf=KfIf,Kf为与励磁绕组设计有关的常数。结合(1)、(2)两式可得出n与U、If的关系表达式为:
由式(3)有,转速n可通过调节U、If来实现。
同样,电机转矩M与If及I之间关系式为:
式(4)中,KM为转矩系数,则调节I和If可实现对电机转矩M的调节[3,4]。
经以上分析可知,通过对励磁电流If的方向控制,可起到增强或削弱电机内部磁场的作用,而改变If大小则可控制调磁的强度,通过对磁场的控制最终达到控制电机转速和转矩的目的。
2.2 控制策略分析
引入励磁电流If的同时将带来励磁损耗,因此在不采取电励磁能满足运行需求的情况下电机零励磁运行。为方便分析,做如下定义:电机工作在额定电枢电压UN及额定电枢电流IN,零励磁运行时的转速为额定转速nN;电枢电流达到额定值IN时,零励磁运行的转矩为额定转矩MN;为保证主回路的调节能力,取电机零励磁恒功率运行下最高转速的90%为电机弱磁基速nf。根据电动汽车各种运行工况特点,以MN、nN、nf为临界点将系统工作状态划分为低速零励磁运行、低速增磁运行、高速零励磁运行、高速弱磁运行[5,6]。
当电动汽车低速运行(n
(1)汽车轻载低速运行时,电机负载转矩M小于额定转矩MN,此时电枢电流I未达到额定值IN,可通过调节I来满足负载转矩需求,零励磁运行。
(2)汽车处于爬坡或带负载启动等工况下时,负载转矩需求M可能超过额定转矩MN。由MN定义及式(4)可知,此时电枢电流I已达到额定值IN,假若继续增加I来获得转矩的提升,可能会导致电枢损耗急剧上升,严重时将造成电机损坏,因此调用正向励磁电流(If>0)增磁以提升电机转矩。
当电动汽车高速运行时(n>nN),此时转矩M不再是主要运行指标,仅考虑速度运行情况,以弱磁基速nf为临界值判断是否需要弱磁升速。
(1)当汽车运行在nN
(2)当汽车运行速度n大于nf时,由nf定义知此时电枢电压的利用率达到90%,不宜再采取调压调速,为避免主回路失去调节作用,引入反向励磁电流(If<0)削弱磁场提升速度,电机转矩也随速度上升而成比例下降,高速弱磁运行仍为恒功率运行。
3 系统硬件设计
HEBLDCM驱动系统需要协调控制电枢电流及励磁电流,因此比普通无刷直流电机驱动系统复杂了很多,这样对主控芯片的性能也提出了更高的要求。美国TI公司的TMS320F2812是目前在电机控制领域应用最为广泛的32位定点DSP,这款DSP的CPU主频高达150MHz,拥有精度达12位的片内AD模块,支持CAN2.0B协议的eCAN模块,两个专用于电机控制的事件管理器模块(EV)等诸多外设模块[7],基本满足了HEBLDCM系统控制的需求。
主电路功率模块选用日本三菱公司的IPM模块PM75CVA120,该模块额定电流75A,额定电压1200V,其将IGBT和驱动电路及过流、过压、欠压等保护电路集成在一起,简化了设计。励磁电路由四个IXYS公司的功率MOS管IFFN100N50P构成全桥电路,通过改变MOS管的导通次序和开关频率改变励磁电流的方向和大小。
图2为基于2812的HEBLDCM驱动系统硬件框图,硬件系统主要分为电枢主回路控制、励磁电路控制两部分,其中2812外部输入信号主要有位置、速度及电流的反馈信号以及运行参数给定信号(键盘或管理系统)等。DSP输出信号有故障保护信号和PWM驱动信号,其中E-VA中6路PWM用于驱动主回路IPM模块,EVB中4路PWM作为励磁电流方向切换信号,下面主要介绍系统部分接口电路的设计。
3.1 位置检测电路
转子位置信号及速度信号是决定电机运行的关键参数,采用日本TAMAGAWA公司的增量式光电编码器TS5214N510作为位置/速度传感器。这款编码器的分辨率为2500C/T,供电电源为+5V,输出6组差分信号:,其中为速度反馈信号,为磁极位置信号。
如图3所示,编码器端输出位置及速度差分信号经由接口板上SN75175转换为单端信号,再由高速光电耦合器6N137对单端信号进行隔离处理后送至2812捕捉单元,经捕捉单元完成位置/速度信号的采集,最后由CPU完成转子位置判断以及速度计算。
3.2 CAN收发电路
CAN总线是在汽车行业应用最为广泛的现场总线,为加强系统与电动汽车管理系统的通信,扩展CAN外围电路。选用TI公司的SN65HVD230作为CAN控制器和物理总线接口,其T、R引脚分别连接2812的CANTXA、CANRXA引脚,如图4所示。
3.3 AD采样调理电路
系统采用的电流互感器输出满量程为±6V,然而2812AD模块输入模拟电压范围为0~3V,采取图5所示电路将电流传感器输出电压信号限制在3V以内,然后再送入AD摸块,确保采样的正确性。
4 系统软件设计
由控制策略分析可知,HEBLDCM驱动系统设计的关键在于如何根据电动汽车运行工况的改变自动切换工作状态,选择运行方式,尽可能的发挥出混合励磁无刷直流电机的性能优势。
图6为系统主程序框图,主程序中主要包括系统初始化、运行命令给定与显示、外部输入信号检测、速度计算、故障检测及处理、状态判断、通信等子程序。电机运行方式选择首先通过当前运行速度n与nN的比较初步判断高、低速状态。若n>nN(高速),则n再与nf比较决定是否弱磁升速;若n
5 结束语
一个性能优越的电机驱动系统不仅可提高电动汽车整车性能,对促进电动汽车的发展和推广也具有重要的意义。本文在分析混合励磁无刷直流电机调磁原理和系统控制策略的基础上,分别介绍了驱动系统硬件电路设计和软件框架,该电机驱动系统具有磁场可调、低速大力矩及调速范围广等众多优点,在电动汽车驱动方面有着良好的应用前景。
参考文献
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[6]葛善兵.混合励磁双凸极电机调速系统控制策略研究[D].南京:东南大学,2006.
发电机励磁系统的运行分析 篇6
关键词：发电机,励磁,运行
励磁系统在电力系统正常运行的情况下, 维持发电机或系统的电压水平;合理分配发电机间的无功负荷;提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性, 所以对励磁系统必须满足以下要求:正常运行时, 能按负荷电流和电压的变化调节 (自动或手动) 励磁电流, 以维持电压在稳定值水平, 并能稳定地分配机组间的无功负荷。应有足够的功率输出, 在电力系统发生故障, 电压降低时, 能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值 (即顶值) , 以实现发动机安全、稳定运行。励磁装置本身应无失灵区, 以利于提高系统静态稳定, 并且动作应迅速, 工作要可靠, 调节过程要稳定。
1 励磁系统的运行监督工作
做好励磁系统障碍和缺陷及处理情况的统计工作, 对统计资料进行分析, 并根据分析结果采取相应的措施, 以提高励磁系统的可靠性和电力系统稳定性。
1.1 励磁限制环节监督重点
1.1.1有进相运行工况的发电机, 其低励限制的定值应在制造厂给定的容许值和保持发电机静稳定的范围内, 并定期校验。
1.1.2自动励磁调节器的过励限制和过励保护的定值应在制造厂给定的容许值内, 并定期校验。
1.1.3励磁系统内各限制器和各种保护的定值以及与相关继电保护装置动作特性之间的配合关系应正确。
1.1.4励磁调节器的自动通道发生故障时应及时修复并投入运行。严禁发电机在手动励磁调节下长期运行。在手动励磁调节运行期间, 在调节发电机的有功负荷时必须先适当调节发电机的无功负荷, 以防止发电机失去静态稳定性。
1.1.5电源电压偏差为+10%~-15%、频率偏差为+4%~-6%时, 励磁控制系统及其继电器、开关等操作系统均能正常工作。
1.1.6在机组起动、停机和其它试验过程中, 应有机组低转速时切断发电机励磁的措施。
1.1.7定期用红外测温仪测量集电环和碳刷的温度, 夏季大负荷期间应缩短温度测量间隔, 一旦发现集电环与碳刷之间出现打火现象, 应立即停机处理, 避免事故扩大;运行中要始终保持碳刷和集电环通风顺畅。
1.1.8对新购进的碳刷进行验收。测定碳刷的固有电阻值, 测量碳刷引线接触电阻, 阻值要符合制造厂和国家标准。更换碳刷时必须使用同一型号的碳刷, 并且碳刷接触面应大于碳刷截面的80%。一次更换碳刷的数量不得超过单极总数的10%;碳刷弹簧的压力要符合制造厂家的规定。碳刷顶端低于刷握顶端3mm的碳刷应立即更换。
1.1.9运行中发现集电环上有油污时, 要采取办法清除。
1.1.10对励磁系统自动电压调节器 (包括电力系统稳定器, 即PSS) 自动投运率进行监督。投入率应满足相关标准及电网的要求。
1.1.11对励磁系统故障引起的发电机强迫停运次数和励磁系统强行切除率进行监督。因励磁系统故障引起的发电机强迫停运次数不大于0.25次/年。励磁系统强行切除率不大于0.1%。
2 励磁系统强励特性应满足以下要求:
2.1励磁系统具有短时过载能力, 电压强励倍数不低于2倍, 当发电机机端电压降至80%时, 仍有2倍强行励磁的能力, 其长期输出电流不小于1.1倍的发电机最大连续出力工况下的励磁电流能力。电流允许强励倍数为2。允许强励时间不小于20秒 (可以从0秒开始整定, 分辨率不大于1秒) 。
2.2发电机调差率为±10%连续可调。当励磁电流不大于1.1倍额定值时, 发电机转子绕组两端所加的整流电压最大瞬时值应不大于转子绕组出厂工频试验电压幅值的30%。系统事故导致发电机机端电压低于20%的额定电压值时, 可控硅保证可靠导通, 发电机不失磁。功率整流装置的一个柜 (插件式为一个支路) 退出运行时应能满足发电机强励及1.1倍额定励磁电流运行要求。
2.3风冷功率整流装置风机的电源应为双电源, 工作电源故障时, 备用电源应能自动投入。如采用双风机, 则两台风机接在不同的电源上, 当一台风机停运时应能保证励磁系统正常运行。冷却风机故障时应发信号。功率整流装置的均流系数应不小于0.85, 并定期进行检查。
2.4自动励磁调节器直流稳压电源应由两路独立的电源供电, 其中一路应取自厂用直流系统。
3 励磁系统限制功能应满足以下要求:
3.1自动励磁调节器的过励限制单元应具有与发电机转子绕组发热特性匹配的反时限特性, 在达到允许强励时间时, 将励磁电流限制在不大于额定值。强励电压倍数大于2倍的励磁系统应有强励电流瞬时限制功能。
3.2自动励磁调节器的低励限制特性应由系统静稳定极限和发电机端部发热限制条件确定。低励动作特性一般应计及发电机端电压的变化。
3.3自动励磁调节器的V/Hz限制特性应与发电机及主变压器的过励磁特性匹配。V/Hz限制及保护应有一定时延, 使发电机动态过程的励磁调节不受V/Hz限制单元动作的影响。自动励磁调节器应具有电压互感器回路失压时防止误强励的功能。
3.4励磁调节装置的各通道间应实现互相监测, 自动跟踪。任一通道故障时均能发出信号。运行的通道故障时能自动切换。通道的切换不应造成发电机无功功率的明显波动。空载起励电压不高于发电机机端额定电压的10%。
3.5自动励磁调节器应具有电压互感器回路失压时防止误强励的功能。励磁调节装置的各通道间应实现互相监测, 自动跟踪。任一通道故障时均能发出信号。运行的通道故障时能自动切换。通道的切换不应造成发电机无功功率的明显波动。空载起励电压不高于发电机机端额定电压的10%。
4 励磁调节器的调压范围应能满足以下要求:
自动励磁调节器的调压范围, 发电机空载时能在10-120%额定电压范围内稳定平滑调节, 整定电压的分辨率不大于额定电压的0.05%。手动调压范围, 下限不高于发电机空载励磁电压的5%, 上限不低于发电机额定励磁电压的130%。
5 励磁系统在发电机近端发生对称或不对称短路时应保证正确工作。励磁调节装置应具有过励限制、低励限制、电压/频率比率限制、电力系统稳定器 (PSS) 附加功能单元。励磁调节装置的各项限制和不正常运行时的调节通道切换应与发电机变压器组继电保护协调。
5.1自并励励磁系统引起的轴电压应不破坏发电机组轴承油膜, 否则应采取措施。
5.2励磁装置在一路工作电源失去和恢复时应保持发电机工作状态不变, 且不误发信号。
5.3大型发电机的励磁调节装置应有两个独立的自动通道, 通道间不共用电压互感器、电流互感器和稳压电源。这两个通道可并列运行或互为备用方式运行。
5.4手动励磁控制单元作为自动通道备用时, 应具有远方调整功能和跟踪功能。在自动通道故障时自动切到手动运行。
6 灭磁性能应满足如下要求
在强励状态下灭磁时发电机转子过电压值不应超过4~6倍额定励磁电压值。灭磁开关在操作电压额定值的80%时应可靠合闸, 在30%~65%之间应能可靠分闸。发电机转子过电压保护装置应简单可靠, 动作电压值应高于强励后灭磁和异步运行时的过电压值, 同时应低于转子绕组出厂工频耐压试验幅值的70%。起励电源容量一般应满足发电机建压大于10%额定电压的要求。起励成功后或失败时, 起励回路均应能自动退出
参考文献
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。
发电机无刷励磁系统改造 篇8
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。
交流励磁电机 篇9
[摘要]随着电力系统自动化程度的提高，发电厂自动化设备得到广泛应用。发电机功率作为其中的一个重要参数，其可靠性、稳定性不但直接影响自动化设备的运行，而且对发电机组的安全运行也产生着十分重要的影响。本文阐述了关于主变压器投运时产生的励磁涌流及和应涌流对发电机功率测量的影响及改进方法。从而使变送器在发生励磁涌流影响时能更加准确地测量出发电机功率变化。
[关键词]发电机；励磁涌流；和应涌流；功率变送器
引言
功率变送器作为发电机组的重要测量元件之一，其测量准确性、抗扰动能力及可靠性直接关系到发电机组能否稳定运行。对于大容量机组如600Mw以上的发电机组，其DEH系统和DCS系统的负荷调节、控制是根据发电机出口的功率测量值和给定的指令值来进行逻辑判断，从而对水、煤、风、汽的入口量进行调节，最终实现对机组的负荷调节。当发电机出口的有功功率值发生大的非正常的波动时，可直接导致发电机的出力发生大的变化，甚至打闸，DCS系统退出CCS控制模式，AGC、AVCC系统退出自动模式等等。
1励磁涌流形成的原因及危害
变压器励磁涌流是指变压器全电压充电或零起升压时，在其绕组中产生的暂态电流。产生励磁涌流的原因是：变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量，因此产生较大的涌流，其中最大峰值可达到变压器额定电流的6-8倍。励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能导致保护的误动作。通过对励磁涌流波形的分析，其有以下特点：含有很大的非周期分量，使曲线偏向时间轴的一侧：含有大量的高次谐波，其中二次谐波所占比重最大。励磁涌流的危害性包括：（1）诱发邻近正在运行机组的主变产生和应涌流而误跳闸，造成大面积停电；（2）引起合闸变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运失败；（3）造成系统电压骤升或骤降，影响其它电气设备正常工作；（4）励磁涌流中的非周期分量可能导致测量和保护CT磁路被过度磁化，降低测量精度和继电保护装置的正确动作率。
2010年5月21日，中海福建燃机#3机组（395Mw）跳闸，原因是#4主变全电压冲击合闸时致#3发电机功率变送器输出发生畸变。2011年12月24日国华徐州#2机组（1000MW）跳闸，原因是#1机并网瞬间，导致#2发电机功率变送器输出发生畸变。2013年10月21日，大唐吕四电厂#2机组（600Mw）协调控制自动退出，原因是东洲变电站（距吕四电厂约40Km）主变空载合闸致#2机功率变送器输出发生畸变。
2.励磁涌流对功率变送器测量的影响
2.1功率变送器测量原理
功率变送器基本都采用时分割乘法器测量原理，时分割乘法器的特点是：测量频率较低，线性度，一般用于测量精度要求较高的场合。功率变送器的工作原理如图（1）所示，可见时分割乘法器在整个变送器测量过程中起到至关重要的作用。时分割乘法器的工作原理是：一个对被测量进行调宽和调幅的工作过程，图（2）是时分割乘法器的工作原理框图，图中运算放大器A和电容C1组成积分器，对R1和R2输入的电流做求和积分，VR+和VR一是两个基准电压，开关S是受比较器控制而同时动作的模拟开关，积分器输出的电压和三角波发生器产生的三角波电压经过比较器比较，当积分器输出电压大于三角波的电压时，开关S接VR+，反之接VR-，乘法器输出的E0得到的幅值为±EY的方波经低通滤波后的直流成分。
2.2涌流引起的测量误差
2.2.1高次谐波引起的误差。
式（9）中I0和τ分别为衰减的非周期直流分量的幅值和时间常数，Ih、φh为h次谐波分量幅值和初相角，ω为基波信号的角频率。
由式（9）可以看出直流分量k可使电压或电流曲线偏向时间轴的一侧，从而导致功率测量值偏离标准值。
3.改进措施
从以上的分析看，发生涌流时产生的谐波功率及非周期分量产生的功率突变并非发电机发出的真实功率，因此传统的模拟乘法器构成的功率变送器在发生励磁涌流或和应涌流时已经无法准确、真实地测量出发电机实际输出的功率值。在这种情况下，采用CPU进行数据处理的数字智能型功率变送器就展示出其强大的优势了。由此我们设计出了一款新的数字智能型功率变送器RGHD-103，其测量原理如图3所示，内置高速A中转换器及高性能的CPU。变送器对电压或电流每个周波进行高速采样，采用点数为128点，数字滤波方式，去除高次谐波及非周期分量的影响，计算出当前的基波功率值，通过与稳态时的功率测量值对比，CPU可判断出当前系统是否发生涌流现象，并根据该机组DEH的调节特性，采取相应的措施，从而使变送器的输出更加稳定，降低受外界信号突变的干扰影响。
4.結论
交流励磁电机 篇10
目前, 大型同步电机广泛应用于大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业, 其在工作中发挥着重要的作用。同步电机的可靠起动、稳定运行、失步再整步、安全停机直接关系着它本身的使用寿命, 励磁控制系统对同步电机的可靠性和稳定性起着决定性作用。因此, 对励磁控制技术的研究对于同步电机的工效提高和寿命延长有着重要意义[1,2]。
1 当前励磁控制技术
目前, 大型同步电机中的励磁控制装置主要采用二极管和晶闸管元器件作为励磁装置的主要器件, 这种控制装置由于受到控制技术和电路中元器件的影响, 造成技术性能差、故障发生率高。
1.1 失步保护不可靠
1.1.1 断电失步
大型同步电机在工作过程中, 当电网由于供电网络发生相间短路的缘故而造成电压下沉时, 此时同步电机会发生失步, 为了保护电机, 一般采取欠压继电保护动作跳闸的方式对同步电机进行保护。然而, 当瞬间短路故障排除, 电网电压恢复时, 由于之前的跳闸, 同步电机已停机, 此时造成排灌站、泵站以及企业连续生产的中断。另一种情况, 当电网进线发生误操作引起跳闸, 由于没有准备备自投BZT或者重合闸ZCH, 无法自动恢复供电, 此时又由于同步电机已作欠压跳闸处理, 从而同步电机也会出现断电失步, 同样造成排灌站、泵站以及企业连续生产的中断。
1.1.2 带励失步
同步电机发生带励失步时, 此时, 虽然仍有直流励磁, 但是由于励磁电流和定子电流因失步产生强烈脉振, 同步电机也会遭受强烈脉振, 严重时甚至产生电气共振、机械共振等, 这种带励失步的往复工作引起同步电机的疲劳损伤, 最终甚至发展成短路事故或断轴事故等。
1.1.3 失励失步
同步电机发生失励失步时, 在轻载情况下, 电机丢转情况不明显, 此时, 电机负载基本保持不变, 定子电流会产生波动, 其峰值电流超出了电机额定电流的0.7倍左右, 其谷值电流超出了电机额定电流的0.2倍左右, 虽然此时电机无异常声音, 但是GL型继电器往往拒动或者因为动作时间过长, 会引起电机转子绕组的过热、变形以及开焊等问题出现[3]。
1.2 起动损伤
目前同步电机中的控制装置主回路主要有半控桥和全控桥2种形式。
由于同步电机在起动过程中存在转差, 因此在定子绕组中能够感应一交变电势, 当转子感应电势在正半周时, 此时产生电流+If, 当转子感应电势在负半周时, 此时产生电流-If, 由于正半周产生的电流+If和负半周产生的电流-If不对称, 引起电机的脉振转矩, 从而引起电机受到强烈振动, 当电机牵入同步时, 这种强烈振动才会消失, 其发生时间长, 从而会造成电机的损伤[4]。
2 新型励磁控制技术
针对以上对目前的同步电机励磁控制技术存在问题的分析, 本文提出了一种改进式的新型同步电机励磁控制技术, 并从电机励磁装置主电路接线方式、主回路元件、控制系统、控制环节等4个方面对其进行分析。
2.1 主电路接线方式
图1是改进后的主电路, 新型同步电机励磁主电路在原来的全控桥基础上进行改进。这种主电路形式与半控桥式相比, 其波形更加对称, 谐波分量更小, 励磁电流小时不易发生失控现象。但是需注意的是在电机停机时, 一般采用逆变灭磁的方式, 这种灭磁方式要求苛刻, 需保证电网电压相对稳定, 主电路及控制回路完好, 停机时主电路电源不能马上停止才能顺利的完成逆变灭磁[5]。
2.2 主回路元件选择
2.2.1 灭磁电阻的选择
灭磁电阻是影响同步电机的起动性能的重要元件。合理的灭磁电阻对应着电机的异步驱动特性。当电阻较小时, 会出现凹坑, 当电阻较大时, 电机的稳态转速低, 从而可能造成电机转速不能进入临界转差, 无法达到真正的同步。因此, 灭磁电阻需合理选择。
2.2.2 晶闸管、二极管的选择
图1中主电路中的晶闸管和二极管是构成励磁主电路的重要组成元器件。选择晶闸管和二极管时, 需要考虑主电路在工作过程中的特殊情况。如当同步电机在正常运行时, 需要满足不停机的情况下能够进行在线更换插件, 亦能够满足工作时出现的各种暂态扰动对元器件的冲击。又如当电网不正常时, 往往会发生短暂波动、负载波动等问题, 由于这些不正常现象的发生会使同步电机的转子回路产生2~3个周波的感应交变电势。这种电势需要释放, 由于受到瞬间电流的强烈冲击, 元件需要承受额定电流的数倍, 从而造成晶闸管等元器件的损坏。
2.3 控制系统
本研究设计的励磁控制而言, 其控制系统须具备以下2个方面的功能:
(1) 基本逻辑功能。控制系统能够对电机的运行状态进行检测, 能够对起动时的投励时序进行控制, 能够对电机的实时运行进行控制, 能够对电机出现的故障进行诊断和保护, 能够对电机停机时序进行控制。
(2) 控制系统具备的新技术。本控制系统的核心部件采用集成微机控制器进行控制, 这种控制器的CPU采用看门狗定时器和低电压复位电路来防止控制器死机以及程序跑飞, 所有的外部电路接口全部采用光电进行隔离, 以保证处理器的可靠工作, 通信接口采用RS485主从式通信接口, 支持多记联网和远程操作。
2.4 主要控制环节
2.4.1 异步驱动环节
本文设计的新型同步电机励磁主电路无续流二极管。其具有较好的异步驱动特性和同步运行特性。当电机在异步驱动状态时, 由于主电路的控制元器件在较低的电压下便能够开通, 从而能够满足带载起动及再整步的要求;当电机在同步运行状态时, 由于主电路的控制元器件在过电压情况下才会开通, 不易出现误导通, 此时既对元器件起到保护作用, 同时不会影响电机的正常运行。
2.4.2 失步保护环节
对于带励失步和失励失步的保护电路, 其所取的信号是从串接在励磁回路中的分流器上测量得到, 此时测得的是不失真的毫伏信号, 通常需要经过放大处理、变换处理、光耦隔离处理后输入到微处理器的控制系统中, 控制系统再对其波形特征进行智能分析和判断。
2.4.3 灭磁环节
灭磁环节是同步电机励磁控制技术中的重要环节。工作时, 根据具体的工作状况, 选择合适的每次方式进行灭磁。常用的是阻容灭磁和断励续流灭磁。本文设计的新型励磁控制系统可采用多种闭环调节运行方式, 采用微处理器为指挥中心, 通过软件编程进行控制, 从而实现励磁控制技术的数字化控制, 其控制方式高效可靠[6]。
3 结语
励磁控制技术是实现大型同步电机可靠稳定工作的关键技术。通过研究目前励磁控制技术存在的问题并加以改进, 解决了目前励磁控制技术中存在的失步和起动损伤等问题, 并设计了一种新型励磁控制技术, 其在大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业的运行稳定、工作性能可靠, 具有重要的应用价值。
摘要：大型同步电机因其运行稳定、输出功率大、能向电网发送无功功率、支持电网电压、提高功率因数等优点被广泛应用于大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业的生产中。励磁控制系统是同步电机的重要组成部分, 其特性好坏直接影响到同步电机的可靠性和稳定性。文章针对目前同步电机中励磁控制技术存在的弊端加以改进, 提出切实可行、行之有效的改进技术措施, 大大提高了电机工作的可靠性和稳定性。
关键词：同步电机,励磁控制,失步,起动脉振
参考文献
[1]姚志刚.励磁控制技术的研究与应用[J].电工技术杂志, 2003 (5) :60-61, 79.
[2]魏东海.浅析励磁系统的应用[J].中国科技博览, 2012 (24) :612-612.