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發(fā)電機勵磁原理和作用
閱讀：930 發(fā)布時間：2024-1-9勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的穩(wěn)定運行的重要組成部分,其主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)勵磁繞組的電流來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流電壓來控制發(fā)電機機端電壓,滿足發(fā)電機正常發(fā)電的需要,同時控制發(fā)電機組間無功功率的合理分配,提高同步發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性,可靠性。
同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。
維持機端電壓
在發(fā)電機正常運行情況下,勵磁調(diào)節(jié)裝置應(yīng)維持發(fā)電機端電壓或主變壓器高壓側(cè)電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機負(fù)荷變化時,要保證發(fā)電機的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵磁。
勵磁系統(tǒng)主要任務(wù)
1.維持發(fā)電機機端電壓在給定水平；
2.控制無功功率的分配；
3.提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性；
4.提高電力系統(tǒng)繼電保護裝置動作準(zhǔn)確性；
5.快速滅磁。
維持機端電壓
在發(fā)電機正常運行情況下,勵磁調(diào)節(jié)裝置應(yīng)維持發(fā)電機端電壓或主變壓器高壓側(cè)電壓在給定水平。當(dāng)發(fā)電機負(fù)荷變化時,要保證發(fā)電機的端電壓為給定值則必須調(diào)節(jié)勵磁。
從發(fā)電機簡化相量圖可知：Eq=Uf+jLXd
其中，Eq-發(fā)電機空載電勢；Uf-發(fā)電機機端電壓；If-發(fā)電機定子電流；Xd-發(fā)電機同步電抗。
由上式可知,在發(fā)電機空載電勢Eq恒定的情況下,發(fā)電機機端電壓Uf會隨發(fā)電機定子電流 If增加而降低,隨發(fā)電機定子電流 If降低而增加。要保證發(fā)電機的機端電壓Uf恒定,必須隨發(fā)電機負(fù)荷電流的增加或減小而增加或減小發(fā)電機的空載電勢Eq。而Eq是發(fā)電機勵磁電流IL的函數(shù),若不考慮飽和,則空載電勢Eq和勵磁電流IL成正比。故在發(fā)電機運行中,隨著發(fā)電機負(fù)荷電流變化,發(fā)電機的端電壓也將隨之變化,要使發(fā)電機的機端電壓維持在給定水平,需要通過勵磁裝置的調(diào)節(jié)作用,自動增加或減少勵磁電流。
無功功率分配
當(dāng)發(fā)電機并列于電力系統(tǒng)運行時,它輸出的有功取決于原動機輸入的機械功率,而輸出的無功則與發(fā)電機的勵磁電流有關(guān),實際運行中,發(fā)電機并列運行的母線不會是無窮大母線,這時改變發(fā)電機勵磁會使發(fā)電機機端電壓和無功功率都發(fā)生變化,但端電壓變化較小,而無功功率會有較大的變化。控制并列運行的發(fā)電機之間的合理無功分配是勵磁調(diào)節(jié)裝置的一個重要功能。并列運行的發(fā)電機機組之間是如何合理分配無功功率的呢這與發(fā)電機機端電壓的調(diào)差率有關(guān)。發(fā)電機機端電壓的調(diào)差率是這樣來定義的勵磁裝置調(diào)差功能投入,發(fā)電機給定電壓不變,發(fā)電機功率因數(shù)為零的條件下,當(dāng)發(fā)電機的無功負(fù)荷從零增加至額定時,用發(fā)電機額定電壓百分?jǐn)?shù)表示的機端電壓變化率K,即公式二：K(%)=(UF0-UFR)/UFE式中，K-發(fā)電機調(diào)差率；UFO-發(fā)電機空載機端電壓；UFE-發(fā)電機額定電壓；UER-發(fā)電機無功電流為定子額定電流時的機端電壓。
發(fā)電機機端電壓的調(diào)差率反映了在勵磁調(diào)節(jié)裝置作用下發(fā)電機機端電壓UFR隨無功輸出的變化率。發(fā)電機端電壓UF可能隨發(fā)電機輸出無功電流IR的加大而降低,即UF<ufo,這時,稱發(fā)電機有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機端電壓uf可能隨發(fā)電機輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>UFO,則稱發(fā)電機有負(fù)的電壓調(diào)差;若發(fā)電機端電壓UF不隨發(fā)電機輸出無功電流IR的變化而變化,即UF=UFO稱發(fā)電機沒有電壓調(diào)差,為無差調(diào)節(jié)。</ufo,這時,稱發(fā)電機有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機端電壓uf可能隨發(fā)電機輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>
<ufo,這時,稱發(fā)電機有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機端電壓uf可能隨發(fā)電機輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>當(dāng)多臺發(fā)電機機端直接并聯(lián)在一起工作時,為了使并聯(lián)機組間有穩(wěn)定的無功分配,這些發(fā)電機都必須有正的電壓調(diào)差,且要求調(diào)差率K=3%~5%。若發(fā)電機是單元接線,即它是通過升壓變壓器在高壓母線上并聯(lián),則要求發(fā)電機有負(fù)的調(diào)差,負(fù)調(diào)差的作用是部分補償無功電流在升壓變壓器上形成的壓降,從而使電廠高壓母線更加穩(wěn)定。
提高運行穩(wěn)定性
電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題分為三類,即靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及動態(tài)穩(wěn)定問題。所謂靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾作用是的穩(wěn)定性,即受到小干擾作用后恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力而暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾主要是短路作用是的穩(wěn)定性,即在大干擾作用后系統(tǒng)能否在新的平衡狀態(tài)下穩(wěn)定工作而動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到干擾后包括小干擾和大干擾,在考慮了各種自動控制裝置作用的情況下,長過程的穩(wěn)定性問題。
運行的基本要求是并入系統(tǒng)的所有發(fā)電機要保持同步運行。系統(tǒng)運行中,隨時會遭受到各種擾動,要求自動勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的三類穩(wěn)定運行的改善都有顯著的作用。靜態(tài)穩(wěn)定性
若發(fā)電機的空載電動勢Eq恒定,則發(fā)電機的有功功率Pf將隨功率角δ變化,通常將如△P/△t作為電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù),當(dāng)如△P/△t時,系統(tǒng)是穩(wěn)定的,反之是不穩(wěn)定的。對于無自動勵磁調(diào)節(jié)的發(fā)電機來說,在△δ<90°占的情況下,系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。即穩(wěn)定極限角為90°。
若發(fā)電機在運行中可自動調(diào)節(jié)勵磁,則此時Eq為變化的值,當(dāng)由于的增加引發(fā)的發(fā)電機定子電流增加使發(fā)電機機端電壓減小時,勵磁調(diào)節(jié)裝置將調(diào)節(jié)勵磁電流使Eq增加,使發(fā)電機電壓穩(wěn)定在一定水平,從而實現(xiàn)了靜態(tài)調(diào)節(jié)的功能。
暫態(tài)穩(wěn)定性
當(dāng)發(fā)電機受到大的擾動時,能否繼續(xù)保持同步運行,是暫態(tài)穩(wěn)定研究的問題。而提高勵磁系統(tǒng)的強行勵磁能力提高電壓強勵倍數(shù)及電壓上升速度通常被認(rèn)為是提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的經(jīng)濟及有效的手段之一。與勵磁系統(tǒng)的強行勵磁關(guān)，主要以勵磁頂值電壓倍數(shù)、勵磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時間、勵磁電壓響應(yīng)比為考量。
動態(tài)穩(wěn)定
態(tài)穩(wěn)定是研究電力系統(tǒng)受到擾動后,恢復(fù)到原始平衡點或過渡到新的平衡點過程的穩(wěn)定性。可以理解為電力系統(tǒng)機電振蕩的阻尼問題。當(dāng)阻尼為正時,動態(tài)是穩(wěn)定的當(dāng)阻尼為負(fù)時,動態(tài)是不穩(wěn)定的阻尼為零時,是臨界狀態(tài)。對于零阻尼或很小的正阻尼,都是電力系統(tǒng)運行的不安全因素,應(yīng)采取措施提高阻尼。
勵磁控制系統(tǒng)中的自動電壓調(diào)節(jié)作用,是造成電力系統(tǒng)機電振蕩的阻尼變?nèi)跎踔磷冐?fù)的最重要的原因之一,在正常應(yīng)用的范圍內(nèi),勵磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼作用會隨著開環(huán)增益的增大而加強,而提高電壓調(diào)節(jié)精度的要求和提高動態(tài)穩(wěn)定的要求是矛盾的。目前采用PPS（電力胸膛穩(wěn)定器）來提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。
提高繼保準(zhǔn)確性
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路時,發(fā)電機的短路電流衰減較快,可能使發(fā)電機后備保護無法動作,此時由于勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)對發(fā)電機進行強勵作用,使發(fā)電機的短路電流甚至略有上升,這樣,使電力系統(tǒng)的短路電流大大加大,從而使繼電保護裝置動作的靈敏度得到提高。
如何快速滅磁
當(dāng)發(fā)電機或者升壓變壓器采用單元式接線內(nèi)部故障時,為了降低故障所造成的損害,要求發(fā)電機能夠快速滅磁,這樣防止轉(zhuǎn)子過壓,保證發(fā)電機在事故情況下的安全。
勵磁電流的獲取方式
直流發(fā)電機供電的勵磁方式
這種勵磁方式的發(fā)電機具有專用的直流發(fā)電機，這種專用的直流發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發(fā)電機同軸，發(fā)電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。
這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，具有較成熟的運行經(jīng)驗。缺點是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少采用。
交流勵磁機供電的勵磁方式
現(xiàn)代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。
交流副勵磁機可以是永磁機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100——200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400——500HZ的中頻發(fā)電機。
這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。
無勵磁機的勵磁方式
在勵磁方式中不設(shè)置專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復(fù)勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護工作量少等優(yōu)點。
自復(fù)勵磁方式除沒有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機提供較大的勵磁電流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。
在改變發(fā)電機的勵磁電流中，一般不直接在其轉(zhuǎn)子回路中進行，因為該回路中電流很大，不便于進行直接調(diào)節(jié)，通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機勵磁回路的電阻，改變勵磁機的附加勵磁電流，改變可控硅的導(dǎo)通角等。
這里主要講改變可控硅導(dǎo)通角的方法，它是根據(jù)發(fā)電機電壓、電流或功率因數(shù)的變化，相應(yīng)地改變可控硅整流器的導(dǎo)通角，于是發(fā)電機的勵磁電流便跟著改變。這套裝置一般由晶體管，可控硅電子元件構(gòu)成，具有靈敏、快速、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點。
在事故情況下能有效地抑制發(fā)電機的過電壓和實現(xiàn)快速滅磁。自動調(diào)節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。被測量信號（如電壓、電流等），經(jīng)測量單元變換后與給定值相比較，然后將比較結(jié)果（偏差）經(jīng)前置放大單元和功率放大單元放大，并用于控制可控硅的導(dǎo)通角，以達到調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。
同步單元的作用是使移相部分輸出的觸發(fā)脈沖與可控硅整流器的交流勵磁電源同步，以保證控硅的正確觸發(fā)。調(diào)差單元的作用是為了使并聯(lián)運行的發(fā)電機能穩(wěn)定和合理地分配無功負(fù)荷。
穩(wěn)定單元是為了改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而引進的單元。勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定單元用于改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。限制單元是為了使發(fā)電機不致在過勵磁或欠勵磁的條件下運行而設(shè)置的。必須指出并不是每一種自動調(diào)節(jié)勵磁裝置都具有上述各種單元，一種調(diào)節(jié)器裝置所具有的單元與其擔(dān)負(fù)的具體任務(wù)有關(guān)。
自動調(diào)節(jié)勵磁的組成部件有機端電壓互感器、機端電流互感器、勵磁變壓器；勵磁裝置需要提供以下電流，廠用AC380v、廠用DC220v控制電源.廠用 DC220v合閘電源；需要提供以下空接點，自動開機.自動停機.并網(wǎng)（一常開，一常閉）增，減；需要提供以下模擬信號，發(fā)電機機端電壓100V，發(fā)電機機端電流5A，母線電壓100V，勵磁裝置輸出以下繼電器接點信號；勵磁變過流，失磁，勵磁裝置異常等。
勵磁控制、保護及信號回路由滅磁開關(guān)，助磁電路、風(fēng)機、滅磁開關(guān)偷跳、勵磁變過流、調(diào)節(jié)器故障、發(fā)電機工況異常、電量變送器等組成。在同步發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部故障時除了必須解列外，還必須滅磁，把轉(zhuǎn)子磁場盡快地減弱到最小程度，保證轉(zhuǎn)子不過的情況下，使滅磁時間盡可能縮短，是滅磁裝置的主要功能。根據(jù)額定勵磁電壓的大小可分為線性電阻滅磁和非線性電阻滅磁。</ufo,這時,稱發(fā)電機有正的電壓調(diào)差也可能發(fā)電機端電壓uf可能隨發(fā)電機輸出無功電流ir的加大而升高,即uf>