發電機自并勵勵磁機硬件設計

李小紅

【摘 要】設計采用自并勵勵磁方式，通過同步發電機勵磁系統的方案論證、設計和計算，得到滿足要求的勵磁系統。

【關鍵詞】自并勵;勵磁系統

勵磁系統是同步發電機重要組成部分，直接影響發電機運行性能。自勵直流勵磁機勵磁系統中發電機轉子繞組由專用的直流勵磁機供電，調整勵磁機磁場電阻，可改變勵磁機勵磁電流，從而達到人工調整發電機轉載電流的目的，實現對發電機勵磁的手動調節。

一、設計方法

自并勵勵磁機由主回路（勵磁控制單元）和控制回路（勵磁調節器）組成。原理框圖如圖1.1所示，交流電源取自機端，經整流回路供給發電機可控勵磁。控制回路由測量比較單元、綜合放大單元、移相觸發單元及調差單元組成。控制回路是根據機端電壓變化輸出可調脈沖作用于可控硅控制極，來調節主回路輸出直流勵磁電壓的大小。

圖1.1 ?自動勵磁系統基本原理框圖

在三相電網的功率因數測量中，一般假設電網是三相平衡的，此時任意一相的功率因數就相當于三相系統的功率因數。本文利用電網三相電壓、電流間的相位角關系，通過直接檢測相電流和線電壓的相鄰的兩個方波的上升沿的時間差，來確定功率因數以及功率因數的超前滯后情況，從而通過運算得到三相電網的功率因數。設θ為線電壓滯后相電流的相角，相電流滯后相電壓的相角為Φ。把電壓和電流方波信號經異或門之后的方波作為過零點的檢測信號，為了節省外部中斷，采用一個反相傳輸門和模擬開門相結合的電路。由P3.0控制模擬開關的選通。這樣就可以控制用于脈寬測量的定時器T1的計數值n，即當方波的上升沿到來的時候，計數器T1啟動，開始計數;當方波的下降沿到來的時候，T1停止計數。得到對應的脈寬計數值n。假設測量工頻的半個周期所對應的計數值N，通過N，n的關系推導出θ和Φ值，如公式所示。

單片機很容易完成上述計算，對Φ取余弦就得出功率因數cos?，如果sin?為正值，則說明負載呈感性，反之則說明負載呈容性。

調差系數δ表示無功電流從零增加到額定值時，發電機電壓的相對變化。調差系數δ表征了勵磁控制系統維持發電機電壓的能力。調差系數用δ表示，其定義為：

式中—發電機額定電壓;

、—分別為空載運行和帶額定無功電流時的發電機電壓。

為實現上述的功能，勵磁控制器需具備：電量測量、調節運算、同步信號檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據前文所訴的勵磁控制器的基本要求，勵磁控制器也由以下幾個基本單元組成：主控制單元、模擬量輸入通道、開關量輸入輸出通道、同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵磁控制器的硬件總體結構框圖如圖1.2所示。

圖1.2 勵磁控制器的硬件總體結構框

二、發電機勵磁系統的要求及分類

1.發電機勵磁系統的要求

在電力系統的運行中，同步發電機的勵磁控制系統起著重要的作用，它不僅控制發電機的端電壓，而且還控制發電機無功功率、功率因數和電流等參數。在電力系統正常運行的情況下，維持發電機或系統的電壓水平;合理分配發電機間的無功負荷;提高電力系統的靜態穩定性和動態穩定性，所以對勵磁系統必須滿足以下要求：

（1）常運行時，能按負荷電流和電壓的變化調節（自動或手動）勵磁電流，以維持電壓在穩定值水平，并能穩定地分配機組間的無功負荷。

（2）應有足夠的功率輸出，在電力系統發生故障，電壓降低時，能迅速地將發電機地勵磁電流加大至最大值（即頂值），以實現發動機安全、穩定運行。

（3）勵磁裝置本身應無失靈區，以利于提高系統靜態穩定，并且動作應迅速，工作要可靠，調節過程要穩定。

2.發電機勵磁系統的分類

一期是交流勵磁機旋轉整流器的勵磁系統，即無刷勵磁系統。它的副勵磁機是永磁發電機，其磁極是旋轉的，電樞是靜止的，而交流勵磁機正好相反，其電樞、硅整流元件、發電機的勵磁繞組都在同一軸上旋轉，不需任何滑環與電刷等接觸元件，這就實現了無刷勵磁。

二期是自勵直流勵磁機勵磁系統。發電機轉子繞組由專用的直流勵磁機DE供電，調整勵磁機磁場電阻Rc可改變勵磁機勵磁電流中的IRC從而達到調整發電機轉子電流的目的。

三期采用的是靜止勵磁系統。這類勵磁系統不用勵磁機，由機端勵磁。

三、自并勵存在問題與解決方法

為了保證發電及安全穩定運行，微機勵磁控制器內部設有PT斷線、強力動作、欠勵動作、過壓限制、電壓/頻率限制、過無功功率保護、定子過電流保護等保護功能。

以上保護功能遠不能滿足電力系統的輸配電線路安全需求，為此采取如下措施：

（1）增加電力系統穩定器（PSS）;

（2）增加直流回路在線監測器;

（3）轉子回路開路保護。

四、結束語

勵磁系統對提高電力系統穩定的作用，一直是人們關心的課題和努力的方向，長期以來已經進行了大量的工作。勵磁系統是發電機的重要組成部份，它對電力系統及發電機本身的安全穩定運行有很大的影響。

參考文獻：

[1]商國才.電力系統自動化.天津：天津大學出版社，2000

[2]郭培源.電力系統自動控制新技術.北京：科學出版社，2003.4