励磁系统原理.ppt
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1、励磁系统介绍励磁系统介绍励磁技术交流u 建立发电机机端电压:电磁感应原理u 最主要功能:维持发电机机端电压恒定、稳定 交流输电系统的输送功率极限公式:u 在并列运行的发电机间合理分配无功功率u 提高电力系统的运行稳定性第1部分 励磁系统的基本作用同步发电机的工作原理同步发电机的工作原理:原动机带动转子旋转后,给转子通直流电,形原动机带动转子旋转后,给转子通直流电,形成旋转磁场,旋转磁场的磁力线切割定子绕组,产成旋转磁场,旋转磁场的磁力线切割定子绕组,产生感应电动势,建立起机端电压,当发电机并网与生感应电动势,建立起机端电压,当发电机并网与负载相连时产生电流,发出电能。发电机内电势负载相连时产生
2、电流,发出电能。发电机内电势Eq=BLV。励磁设备的基本任务励磁设备的基本任务:给发电机转子提供直流给发电机转子提供直流电流电流形形成磁场。成磁场。励磁系统能够快速而精确地维持电压恒定,可以提高静态有励磁系统能够快速而精确地维持电压恒定,可以提高静态有功输送极限和系统电压稳定。功输送极限和系统电压稳定。电力系统稳定器(电力系统稳定器(PSS)可以增加电力系统正阻尼,用于抑制电)可以增加电力系统正阻尼,用于抑制电力系统低频振荡力系统低频振荡 。TsTDTEPe/Pe、Pm、Pa正阻尼区负阻尼区TDTE发电机电气功率发电机电气功率Pe/PePe/Pe、机械功、机械功率率PmPm、加速功率、加速功率
3、PaPa、同步转矩、同步转矩TsTs、阻尼转矩、阻尼转矩TDTD、电磁转矩、电磁转矩TETE、转子角、转子角、转子角速度转子角速度的的正方向相位关系如正方向相位关系如下图所示:下图所示:加速功率加速功率PaPa机械功率机械功率PmPm电气功率电气功率PePe 由励磁系统引起的附加电由励磁系统引起的附加电磁转矩,包含同步转矩磁转矩,包含同步转矩TsTs和和阻尼转矩阻尼转矩TDTD两个分量。当发两个分量。当发电机采用高放大倍数、快速励电机采用高放大倍数、快速励磁系统时,阻尼转矩可能会出磁系统时,阻尼转矩可能会出现负值(如图中的现负值(如图中的TDTD),),引起发电机阻尼不足,当系统引起发电机阻尼
4、不足,当系统发生扰动时造成发电机低频振发生扰动时造成发电机低频振荡。荡。PSS的原理的原理v在发电机的励磁控制系统中,采用在发电机的励磁控制系统中,采用Pe、f等一个或几个信号,经适等一个或几个信号,经适当放大、相位补偿后作为励磁附加反馈控制,可以增加电力系统的正阻尼,当放大、相位补偿后作为励磁附加反馈控制,可以增加电力系统的正阻尼,从而阻尼电力系统功率振荡,这种用于增加电力系统正阻尼的附加励磁控制从而阻尼电力系统功率振荡,这种用于增加电力系统正阻尼的附加励磁控制装置称为电力系统稳定器(装置称为电力系统稳定器(Power System Stabilizer,简称,简称PSS)。)。它不降低励磁
5、系统电压调节环的增益,不影响励磁控制系统的暂态性能,而它不降低励磁系统电压调节环的增益,不影响励磁控制系统的暂态性能,而对抑制电力系统低频振荡效果显著。对抑制电力系统低频振荡效果显著。PSS在国内外都得到了广泛应用。在国内外都得到了广泛应用。v 因此,通过因此,通过PSS实现的主要目标就是:获得一个附加的电磁力矩,在电力实现的主要目标就是:获得一个附加的电磁力矩,在电力系统低频振荡区(系统低频振荡区(0.12.0Hz)内使该力矩向量对应)内使该力矩向量对应轴在超前轴在超前10滞滞后后45以内,并使本机振荡频率下的力矩向量对应以内,并使本机振荡频率下的力矩向量对应轴在轴在0滞后滞后30以以内,以
6、尽可能的提供较大的正阻尼力矩,抑制低频振荡。内,以尽可能的提供较大的正阻尼力矩,抑制低频振荡。附加电磁力矩的相位附加电磁力矩的相位Pe/Pe、wPm、Pa快速励磁及较高的强励倍数,可以提高电力系统暂态稳定极限快速励磁及较高的强励倍数,可以提高电力系统暂态稳定极限。v第一位的措施是继电保护正确、快速动作,如第一位的措施是继电保护正确、快速动作,如0.1s内切除近端故障。内切除近端故障。v在在0.1s内各种励磁系统作用没有明显差别。内各种励磁系统作用没有明显差别。v故障切除后,快速励磁及较高的强励倍数,可以提高系统暂态稳定极故障切除后,快速励磁及较高的强励倍数,可以提高系统暂态稳定极限,有利于暂态
7、稳定的恢复。限,有利于暂态稳定的恢复。采用可靠性高、控制性能强的励磁系采用可靠性高、控制性能强的励磁系统,是保证发电机安全稳定运行并提高电统,是保证发电机安全稳定运行并提高电力系统稳定性的经济而有效的措施。力系统稳定性的经济而有效的措施。第2部分 励磁系统的几种主要类型v直流励磁机励磁系统:直流励磁机励磁系统:70年代以前年代以前v交流励磁机励磁系统:交流励磁机励磁系统:80、90年代,直流励磁机制造容量有限,大年代,直流励磁机制造容量有限,大型机组采用。俗称三机励磁。型机组采用。俗称三机励磁。v无刷励磁系统:三机励磁的变形。用于励磁电流大(无刷励磁系统:三机励磁的变形。用于励磁电流大(600
8、0A以上)以上)的超大型机组,比如核电;或有腐蚀性气体的环境,比如石油加工的的超大型机组,比如核电;或有腐蚀性气体的环境,比如石油加工的自备电厂。自备电厂。v自并励励磁系统:自并励励磁系统:自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机励磁自并励静止励磁系统取代直流励磁机和交流励磁机励磁系统是技术发展的必然。国内所有的新建水电站和大部分的火电厂都使用自系统是技术发展的必然。国内所有的新建水电站和大部分的火电厂都使用自并励励磁系统。并励励磁系统。自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中型发电机组中普遍采用。其主要技术特点:u接线简单、结构紧凑;u取消励磁机,发电机组长度缩短,减小轴系振动,节约
9、成本;u典型的快速励磁系统;u调节性能优越,通过附加PSS控制可以有效提高电力系统稳定性。第3部分 自并励励磁系统的基本构成3.1 自并励励磁系统的主要组成部分3.2 励磁变压器v将高电压隔离并转换为适当的低电压,供整流器使用。一般接线组别:将高电压隔离并转换为适当的低电压,供整流器使用。一般接线组别:Y/d-11。v励磁变的额定容量要满足发电机励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要求。倍额定励磁电流的要求。v励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。v励磁变的绝缘等级:励磁变的绝缘等级:F级或级或H级。级。v励磁变的额定最大
10、温升:励磁变的额定最大温升:80K或或100K。3.3 可控硅整流桥 可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方式,实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务,给发电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性电力电子技术的发展:IGBT晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通条件:以下两条件须同时具备晶闸管的导通条件:以下两条件须同时具备n n正向阳极状态(阳极电位高于阴极电位);正向阳极状态(阳极电位高于阴极电位);n n控制极加上触发电压(或触发脉冲);控制极加上触发电压(或触发脉冲);晶闸管的关断条件:以下任一条件即可关断晶闸管的关断条件:以下
11、任一条件即可关断1.1.主回路断开;主回路断开;2.2.晶闸管两端处于反向电压时(阳极电压低于阴极电晶闸管两端处于反向电压时(阳极电压低于阴极电压)压)3.3.流过晶闸管的电流下降到小于维持电流流过晶闸管的电流下降到小于维持电流三相全控桥电路结构SCRSCR循环导通顺序:至少有循环导通顺序:至少有2 2个个可控硅开通。可控硅开通。12123232343454545656161612 112 1个工频周期完成个工频周期完成1 1个换个换相导通循环。相导通循环。换相是严格按顺序的。换相是严格按顺序的。发电机转子相当于大电感。三发电机转子相当于大电感。三相全控桥带电感负载下的二个主相全控桥带电感负载
12、下的二个主要工作状态:要工作状态:整流状态:整流状态:交流变直流,能量供交流变直流,能量供给,输出电压给,输出电压Ud0Ud0。逆变状态:逆变状态:直流变交流,能量反直流变交流,能量反送,输出电压送,输出电压Ud0Ud0。U Ud d=1.35U=1.35U2 2cosacosa,a a为整流桥触发控制角为整流桥触发控制角I I2 20.816I0.816Id d U Ud d、I Id d直流输出侧电压、电流;直流输出侧电压、电流;U U2 2、I I2 2交流输入侧线电压、相电流;交流输入侧线电压、相电流;三相全控桥电路要点三相全控桥带电感负载下的二个重要关系公式:三相全控桥带电感负载下的
13、二个重要关系公式:触发控制角的理论范围0180,超出此范围外的触发信号就会造成混乱。触发控制角的角度控制是严格的,一般实用范围:10150 090:整流状态;90180:逆变状态。逆变状态时为什么是负的?电流方向与原来一致,而电压方向反,因此功率传送方向会反转,从整流态到逆变态,完成能量消耗。自并励情况、发电机空载状态下,可实现逆变灭磁。转子电流通过发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长,10s左右。三相全控桥电路的三种典型波形=00:自然换相点,二极管整流,AC变DC=0900:整流状态,AC变DC=1500:逆变状态,DC变ACv可控硅流过电流,会在可控硅两端产生电压降(一般可控
14、硅流过电流,会在可控硅两端产生电压降(一般12V),造成),造成可控硅发热,温度升高。可控硅内部的最大承受结温(可控硅发热,温度升高。可控硅内部的最大承受结温(PN结)是结)是125。v可控硅散热方法:可控硅压装散热器,并启动冷却风机进行风冷散热。可控硅散热方法:可控硅压装散热器,并启动冷却风机进行风冷散热。三相全控桥的散热v可控硅过流保护:每个可控硅串联快速熔断器。可控硅过流保护:每个可控硅串联快速熔断器。v可控硅换相尖峰过电压保护:可控硅两端并联可控硅换相尖峰过电压保护:可控硅两端并联R、C吸收电路,或采吸收电路,或采用集中式阻容保护。用集中式阻容保护。v由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变
15、的漏感,集中式阻容保护可以由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感,集中式阻容保护可以直接吸收,保护效果更好。直接吸收,保护效果更好。三相全控桥的保护三相全控桥的保护三相全控桥的集中式阻容保护电路:C1主要吸收3.4 灭磁系统灭磁系统 灭磁,即是快速把转子电感中储存的大电流释放掉,以保证发电机安全运行,保护机组和其它设备安全。转子电感是大的储能元件,电感中的电流是不能突变的。储存能量为:灭磁系统由灭磁开关、灭磁电阻及灭磁回路开通控制单元组成。灭磁,就是把转子中储存的能量转移到灭磁电阻中,来消耗掉。灭磁系统的构成原理图 发电机正常运行中,励磁电压比较小,控制单元不能触发可控硅开通,灭磁电阻回路中
16、没有电流通过。当灭磁开关分断后进行灭磁时,转子电感两端出现较大的反向电压,同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路,把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通,转子电流就可以快速转移到灭磁电阻回路,通过灭磁电阻把电流转换为热量释放。灭磁系统的基本工作原理 灭磁开关l灭磁开关的基本作用:控制转子绕组中励磁电流的接通、分断;灭磁开关分断后,配合灭磁电阻完成灭磁的任务。l l耗能型灭磁开关耗能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后,利用开关断口将灭磁开关分断励磁回路后,利用开关断口将灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧,使电弧能量灭磁能量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧,使电弧能量消耗完毕,实现灭磁。灭磁
17、能量有限。很少采用。典型产品:国消耗完毕,实现灭磁。灭磁能量有限。很少采用。典型产品:国产产DM2DM2型。型。l l移能型灭磁开关移能型灭磁开关灭磁开关分断励磁回路后,将转子电流转移灭磁开关分断励磁回路后,将转子电流转移到灭磁电阻上消耗或吸收,开关本身基本不吸收灭磁能量。灭磁到灭磁电阻上消耗或吸收,开关本身基本不吸收灭磁能量。灭磁能量大,灭磁时间快,普遍采用。典型产品:国产能量大,灭磁时间快,普遍采用。典型产品:国产DM4DM4、DMXDMX,进口进口ABB-EABB-E、URUR、HPBHPB型。型。v灭磁过程中,移能成功的条件:灭磁过程中,移能成功的条件:灭磁开关要有足够高的弧压,才能顺
18、利实现移能。灭磁开关要有足够高的弧压,才能顺利实现移能。瑞士瑞士ABB公司生产的公司生产的E系列开关的弧压可达系列开关的弧压可达1500V。UR、HPB型灭磁开关的弧压,都在型灭磁开关的弧压,都在4000V以上。以上。灭磁中的移能v线性电阻,汽轮发电机励磁系统经常采用;灭磁时间较长。线性电阻,汽轮发电机励磁系统经常采用;灭磁时间较长。v氧化锌氧化锌ZnO非线性电阻,国内生产,应用普遍;灭磁时间短,较为理想。非线性电阻,国内生产,应用普遍;灭磁时间短,较为理想。vSiC非线性电阻,国外生产,经常采用英国非线性电阻,国外生产,经常采用英国M&I公司的产品,超大型机组应公司的产品,超大型机组应用较多
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