发电机无刷励磁系统基本原理(修改版).ppt

发电机励磁系统 励磁系统主要类型 目前，国内、外汽轮发电机机组的励磁系统主要有以下两种方式：无刷励磁系统和自并励静态励磁系统。1、无刷励磁系统2、自并励静态励磁系统 国际上运行中的汽轮发电机主要采用无刷励磁的公司有：西屋、三菱、ALSTOM、西门子等；主要采用自并励静态励磁的公司有：ABB、东芝、日立等。国内135MW及以下容量汽轮发电机组采用无刷励磁系统及自并励静态励磁系统，300MW及以上的大部分采用自并励静态励磁系统。自并励静态励磁系统原理图无刷励磁与自并激静止励磁的比较表项目项目技术特点技术特点无刷励磁系统无刷励磁系统自并激静止励磁系统自并激静止励磁系统1轴系长度大，投资大；支点多，振动大，动平衡复杂；长度小，节能电站投资；支点少，振动小，动平衡简便；2主设备旋转励磁，两个旋转电机维护量大。免维护静止励磁，无旋转机械。3滑环和碳刷无刷，不耗能，免维护。有刷，有耗能，需维护。4整流盘故障检测间接，误动和拒动率高，检出率低不易检测，只能使用原厂产品。直接，可靠，有效，容易检测替换产品多。5时间常数大，秒级，反应慢。小，10ms级，反应迅速。6高起始响应，提高暂态稳定性需要通过提高副励磁机电压达到；对调节系统要求很高。稳定性差，从空载到满载控制角仅0.51度。固有高起始励磁系统；调节系统无须设特别保护功能；稳定性高，从空载到满载控制角变化约20度。7机端短路响应好，可提供强励。差，但由于封闭母线的采用，故障概率几乎为0；对主保护无影响，对后备保护采取适当措施也可正确动作。10灭磁无法安装灭磁开关，只能是自然续流灭磁，灭磁速度慢，尤其是故障情况下。可安装灭磁开关和非线性灭磁电阻，以实现逆变灭磁；灭磁速度快，可靠无损伤，防止事故扩大。无刷励磁主要部件1、永磁机2、交流励磁机3、旋转硅整流装置（旋转二极管+快速熔断器）4、自动电压调节装置发电机励磁一次系统旋转整流盘三相全波桥式整流电路励磁调节器基本任务 微机励磁控制柜的基本任务是维持发电机的机端电压恒定、通过合理的调差设置保证并列运行的机组间无功功率的合理分配，通过快速的励磁响应提高电力系统的暂态稳定和静态稳定。DVR-2100B励磁调节器主要功能1、自动运行方式即发电机恒机端电压PID调节；2、手动运行方式即发电机恒励磁电流PID调节；3、发电机恒功率因数运行；4、发电机恒无功运行；5、自动、手动之间相互跟踪，实现各种方式下无扰动切换；6、通道之间相互跟踪，实现通道之间无扰动切换；7、无功调差调节，可任意设置正、负调差方向；8、完成发电机在空载、负载等工况下的机组稳定运行及无功的平滑调节；9、电力系统稳定器（PSS）附加控制。DVR-2100B励磁屏主要结构(一）1、表计层表计层 表计层装设发电机机端电压表，永磁机电压表，励磁电流表，便于就地试验监视。2、操作层操作层 QK3 自动自动/手动开关手动开关：用来选择DVR-2100B微机励磁调节器在自动运行、手动运行方式。QK1 通道选择开关通道选择开关：可以通过此开关进行通道间的切换，共有四个位置可供选择，即切除、通道A（运行）、通道B（运行）、切除。QK2 就地就地/主控开关主控开关：该开关打到主控位置，本柜操作开关失效，DVR-2100B微机励磁调节器受主控开关的控制；该开关打到就地位置，DVR-2100B微机励磁调节器接受本柜开关的命令，主控室的对应开关失去作用。运行中如果进行主控运行中如果进行主控/就地切换时，应先将主控和就地的开关位置先对应就地切换时，应先将主控和就地的开关位置先对应成一致状态成一致状态。QK4 减减/增磁开关增磁开关：为自复归开关，用来调整发电机电压或无功功率的大小。QK5 方式选择开关方式选择开关：用来选择DVR-2100B微机励磁调节器在恒电压运行、恒功率因数运行、恒无功运行工作方式。DVR-2100B励磁屏主要结构(二）3、控制层控制层UG1:机端三相线电压平均值 IG1:定子三相电流平均值UFD:励磁电压,对于无刷励磁系统此处显示零 IFD:励磁电流,对于无刷励磁系统显示的为微机励磁控制柜输出电流UGR:自动（恒机端电压调节）PID的给定参考电压 IFR:手动（恒励磁电流或恒输出电流调节）PID的给定参考电流P:有功功率 Q:无功功率ARF:可控硅输出角 COS:功率因数F0:系统频率 ILD：本通道电流DVR-2100B励磁屏主要结构(三）4、开关层开关层 有交流电源开关QS1、直流电源开关QS2、通道A电源输入开关KKA、通道B电源输入开关KKB。QS1：DVR-2100B微机励磁控制柜的工作电源开关。机组达到额定转速，永磁发电机输出电压达到额定值时，合上该开关，永磁发电机向DVR-2100B微机励磁控制柜提供工作电源。QS2：DVR-2100B微机励磁控制柜辅助工作电源开关。机组未运行时合上该开关，220V直流母线向DVR-2100B微机励磁控制柜提供工作电源，也可用于DVR-2100B微机励磁控制柜静态时的参数调整或其他试验。机组运行时，合上该开关，220V直流为DVR-2100B微机励磁控制柜提供备用工作电源。KKA：通道A励磁电源输入开关。机组达到额定转速，DVR-2100B微机励磁调节器参数设定完成，机组具备投励时合上该开关。KKB：通道B励磁电源输入开关。机组达到额定转速，DVR-2100B微机励磁调节器参数设定完成，机组具备投励时合上该开关。DVR-2100B励磁屏主要结构(四）5、功率单元功率单元 有可控硅模块、二极管整流模块、熔断器。功率单元由可控硅模块和二极管整流模块组成单相可控桥式整流电路。功率单元A和功率单元B经过逆止二极管并联后向外供电。6、其它器件其它器件 包括电源变压器T、LEM、瓷管电阻、分流器FL1、FL2、FL3，继电器K1、K2、K3、K4等。电源变压器T将给DVR-2100B微机励磁控制柜供电的中频交流电隔离、降压，整流后与厂用直流电经过逆止二极管并联给DVR-2100B微机励磁调节器供电。LEM是用于DVR-2100B微机励磁控制柜励磁输出电流的测量。FL1、FL2用于发电机中控盘或DCS的显示，FL3用于本柜的励磁输出电流表的显示。DVR-2100B励磁调节器主要组成开关电源组件1（+5V，12V）(电源)开关电源组件2（24V1，24V2）(电源)主机板开关量输入输出板(开入开出)脉冲放大板模拟量信号处理板(信号处理)PT/CT及同步变压器板(PT/CT)功率单元总线后底板键盘及液晶显示面板自动励磁调节器电源系统为了提高系统的可靠性，系统的供电电源由两路冗余，来自永磁机发电机输出的交流电源经过隔离变压器隔离后，经过整流变为直流，并经过二极管和来自厂用蓄电池的直流电并联运行，共同为机箱内的开关电源供电，为了提高系统的抗干扰能力，按照不同的功能将系统电源分为3部分。CPU电源：5V，12V，其中DSP芯片的内核电压1.8V，外设电压3.3V,低压系统保证了高速CPU低功耗和高可靠性。操作电源：24V2，用于开关量的输入输出，对于双通道的励磁系统，其两个通道的24V2经过二极管并联，提供操作信号。两个通道的0V2直接并联。这样就保证了24V2电源的冗余。脉冲电源：24V1，用于脉冲放大和触发回路。自动励磁调节器功率系统 DVR-2100B微机励磁调节器的功率输出部件为单相半控晶闸管整流桥。为了保证其输出直流电压连续可调，要求控制角在0170度之间变化。DVR-2100B微机励磁调节器中由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通，用大规模逻辑器件直接将数字控制量转换成相应控制角的触发脉冲信号。脉冲放大板脉冲放大板 本板将主CPU板产生的双窄脉冲进行功率放大输出，每一路脉冲功率可驱动5组以上并联的可控硅桥。同时本板上有脉冲指示灯，用于显示脉冲是否正常，本板上可以通过跨接器选择脉冲变压器是内置式，还是外置式。晶闸管(可控硅)的控制原理晶闸管的导通条件：以下两条件须同时具备a.正向阳极状态（阳极电位高于阴极电位）；b.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a.主回路断开；b.晶闸管两端处于反向电压时（阳极电压低于阴极电压）c.流过晶闸管的电流下降到小于维持电流 晶闸管的控制原理单相半波可控整流电路控制角：从晶闸管承受正向电压起到触发脉冲加入时的电角度。导通角：晶闸管在一个周期内导通的角度。移相：改变的大小即改变脉冲在每个周期内出现的时刻；对单相半波电路的移相范围是0。a越大即脉冲向后移晶闸管导通时间越小，电阻上的输出电压越小。单相半波可控桥输出电压和电流为：单相全波半控桥式整流电路单相桥式整流模块 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。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。灭磁原理图DVR-2100B励磁调节器主要保护（一）1、PT断线保护断线保护 程序将测量到的仪表PT值和量测PT的值进行比较，如果其差值大于较大值的1/8，则发PT断线信号，如果是量测PT断线，除发信号外，运行方式由自动运行切换到手动运行方式。2、触发脉冲丢失触发脉冲丢失保护保护 触发脉冲重新被CPU重新回读，并进行综合判断，确定失脉冲的相，并显示在液晶显示器上。失脉冲发生时，发报警信号。3、系统自检故障检测、系统自检故障检测 系统自检功能含存储器校验、电源检测、可控硅故障，通讯故障等、当有故障发生时，发通道故障信号，同时本通道退出运行。对于主备用系统，备用通道自投。4、旋转二极管故障报旋转二极管故障报警警 通过检测励磁机励磁绕组电流的、次谐波的有效值和次谐波的有效值比值来判断旋转二极管是否发生故障：当、和次谐波的有效值之和与次谐波的有效值的比值小于时判为正常运行状态，比值大于时，判断为故障；当、次谐波有效值之和与次谐波有效值的比值大于时判为一臂短路故障；当、次谐波有效值分别与次谐波有效值相除，所得两个比值相乘，结果小于时判为一臂断路，小于而大于时判为一相开路，大于时判为多相开路。DVR-2100B励磁调节器主要保护（二）5 5、欠励限制和保护、欠励限制和保护欠励限制按两段整定，如图所示，第一条线为限制线，第二条线为保护线。当发电机无功功率进入低励限制区时，DVR-2100B微机励磁调节器将封闭减磁按钮，不会再继续减磁，并且发报警信号，同时自动进行增磁，直到退出低励状态。如果DVR-2100B微机励磁调节器在某种工况下进入低励限制区，而没有被控制住，无功功率继续减少，当无功功率低于保护线时，DVR-2100B微机励磁调节器发报警信号并且切手动方式运行。欠励限制线和欠励环参数可以在菜单上进行整定。保护线为对应的限制线上无功功率的1.25倍。其中，Qa点为零有功时，允许进相的无功功率值。Pb为点允许发电机无功为零进相运行时的最大有功功率。DVR-2100B励磁调节器主要保护（三）6、过励限制和保护、过励限制和保护 过励限制是为了防止发电机转子励磁绕组长期过负载而采取的限制励磁措施，从转子励磁绕组发热考虑，当强励时，其容许的强励时间t是随发电机励磁电流Ifd2的大小成反比关系。过励限制和保护按照下列原则：励磁电流 IfdIfd_max时，延时1.5秒直接封锁脉冲退出运行。Ifd_max为菜单整定的瞬时过励值；Ifd1.1Ifdn、Ifd1.0 Ifdn时计算反时限等效时间：Heat=(Ifd2-Ifdn2)*t ;Heat_n=(Ifd_2set-Ifdn2)*t_set;其中：Ifd_set:设定的强励倍数的电流值 t_set：强励时间；H0：显示在液晶上，便于监视。H050%，发信号，限制增磁 H080%，切手动运行，并且手动运行给定值设为90%Ifdn H010%，复归过励信号最大励磁电流反时限保护曲线DVR-2100B励磁调节器主要保护（四）7、V/HZ限制和保护限制和保护 V/Hz是为了防止发电机及其出口变压器出现磁饱和。限制和保护的原则是：(a)当 V/Hz设定值时，闭锁增磁,发过 V/Hz信号，限制增磁。(b)当 V/Hz(设定值时+0.05)，面板V/Hz故障指示灯亮，过V/Hz继电器动作，DVR-2100B微机励磁调节器转为手动方式运行。(c)当频率大于45Hz，小于47.5Hz，在自动励磁时，等比例减小自动运行电压给定值。(d)当频率低于40Hz时，通道退出运行并跳开关。跟踪切换手动运行方式时，自动通道实时跟踪发电机电压；自动运行时，手动通道延时30秒跟踪输出电流。两种运行方式之间能进行无扰动切换。双通道之间通过CAN总线高速通讯将双方的运行数据进行交换，完成备用通道对运行通道的跟踪，同时，DVR-2100B微机励磁调节器根据励磁电流计算出对应的触发角，这两种跟踪方式的跟踪结果实时进行比较，以防止由于通讯过程中可能发生的误码，导致错误跟踪，进一步保证了系统的可靠性。运行方式的选择运行方式的选择DVR-2100B微机励磁控制柜具有以下四种运行方式选择，并且四种运行方式可以进行无扰动切换，其中后两种调节方式是叠加在第一种调节方式上的辅助功能。恒机端电压调节恒励磁电流调节恒功率因数调节恒无功功率调节 1恒机端电压调节称为自动调节方式，其基本功能是比较发电机实际端电压与自动给定值，输出偏差信号送入PID控制器，再产生触发脉冲送给功率整流器，用以控制发电机端电压为恒定值。2恒励磁电流调节称为手动调节方式，其基本功能是比较发电机实际励磁电流与手动给定值，输出偏差信号送入PI控制器，再产生触发脉冲送给功率整流器，用以控制发电机励磁电流为恒定值。该运行模式主要用于调试（如在设备的投运或维护过程中），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的备用控制模式。3叠加的无功功率或功率因数控制 无功功率控制或功率因数控制可视作对自动电压调节器的叠加控制。在这两种情况下，控制信号来源于实际值和被选控制模式的控制点值之间的差值。另外，控制信号通过一个积分器作用到自动电压调节器的求和点上。PSS功能 电力系统稳定器(简称PSS)是励磁系统的一个附加功能，用于提高电力系统阻尼，解决低频 振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如 发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，由此可见PSS也属发电厂的一部分。第一就是抑制低频振荡，一般在系统发生低频振荡，PSS经过12 个周波振荡就完全平息了；第二是提高静稳定的功率极限，具有PSS 附加功能的调节器，可采用较大电压放大倍数，提高电压调节精度，维持发电机端电压不变，使单机-无穷大系统的静稳极限接近线路的功率极限；第三是有利于暂态稳定,能够在一定频率范围内提供正阻尼，抑制大扰动第一摇摆之后的后续振荡，缩短后续摇摆过程。就地运行启机操作1、将就地就地/主控主控选择开关QK2切换到“就地”位置。2、将通道选择通道选择开关QK1放“切除”位置，自动自动/手动手动开关QK3放“手动”位置。合上DVR-2100B微机励磁控制柜电源开关QSl，QS2，检查DVR-2100B微机励磁控制柜的两个液晶显示是否有故障，有故障按RST键复掉信号。3、分别合上励磁输入开关KKA、KKB。5、将通道选择通道选择开关QK1切到通道A或通道B运行，在手动状态正常时可将自动自动/手动手动开关QK3切到“自动”位置，连续按住零起升压零起升压按钮发电机电压升压到设定电压值，升压时间大约为20秒，中间可以松开按钮，再按下则继续升压。（注，零起升压只对自动运行时有效，手动运行此按钮无效）。6、用QK4减磁减磁/增磁增磁开关将发电机电压升至额定，并网后用QK4增减无功。7、切换操作：自动模式与手动模式的相互切换，均需要等30秒1分钟；CHA通道与CHB通道之间的切换，须检查：电压给定值 UGR 励磁电流给定值 IFR触发角 ARF停机操作1、将有功功率和无功功率减到最低，尤其是手动运行方式，发电机解列以前应将无功功率减到最低，否则解列以后发电机电压会上升，容易造成发电机过压。2、系统解列，跳发电机主开关。3、将QK1和QK1打至“切除”位置，切除KKA、KKB、QSl、QS2，将DVR-2100B微机励磁控制柜退出。故障处理（一）当通道A 或者通道B故障或异常，发出报警信号时，运行人员应立即采取相应措施。如果发生了切手动，例如：过励限制，欠励限制，V/Hz限制等等，首先，操作增磁/减磁开关，将发电机调节到正常的运行状态下，其次操作手、自动选择开关与当前的运行位置一致，如果发生了通道切换，则操作通道选择开关与当前运行的通道运行位置一致。回到DVR-2100B微机励磁控制柜前，先不要复归报警信号，先检查并记录面板显示的故障指示，观察显示屏上端的具体的故障显示并记录下来。故障处理（二）故障处理。故障处理完毕，如果需要切回到原通道运行，一定要在跟踪正确后再切换，切换前要检查以下三个量是否两个通道基本一致。（a）电压给定值 UGR （b）励磁电流给定值 IFR（c）触发角 ARF以上三个量如果相差较大时，要继续等到跟踪基本一致，再进行通道切换。如果运行工况发生改变后，进行人工操作自动/手动切换时，也一定要等侯30秒1分钟时间，进行方式跟踪。跟踪正确后才能保证无扰动切换。发生严重故障，造成停机，运行人员不要停掉DVR-2100B微机励磁控制柜的工作电源。要联系检修人员，将故障数据和事件记录下来再做处理。失磁原因及处理引起失磁的原因：（1）转子开路（2）转子回路短路（3）励磁系统同步电压信号消失（4）可控硅脉冲信号消失（5）调节器发生故障同时故障检测系统也损坏，导致无法切换到备用通道（6）灭磁开关误分（7）调节器的交直流供电开关电源故障