发电机残压起励的研究与实现

·电机电器技术· 《电机电器技术> 2003年第2期 ．17． 发电机残压起励的研究与实现 张兴旺 (广州电器科学研究院，广州 510300) 摘 要：介绍了发电机残压起励原理及实现方法。对自并励励磁系统中用高频脉冲触发晶闸管方 式进行残压起励的原理、方式及脉冲传输线路的参数设置等进行了论述。 关键词：残压起励；自并励；高频脉冲；晶闸管 1 引言 在 自并励励磁系统中，发电机起励方式有直流 电源起励、交流电源起励及残压起励。前二者是在 发电机具备升压条件后，给转子线圈注入一定的直 流电流，给转子充磁，经发电机转子定子电枢反应， 使发电机端产生电压而使发电机建压的过程。而残 压起励是当发电机端残压达到一定值时，利用残压 起励装置，在有或无外界助磁的情况下，发电机 自动 建压的过程。 无残压起励功能时，交流或直流起励需对转子 提供一定的电流，该电流最大允许达发电机空载额 定电流的 10％，起励时将对电厂的直流或交流供电 系统造成冲击。因起动的发电机组转子中存在剩 磁，发电机空转后机端便有残压，为残压起励创造了 条件，所以发电机组在起励时最好是具有残压起励 功能，而辅助电源起励只在发电机初次充磁及机端 残压不足以进行残压起励时才投入。残压起励具有 良好的应用前景。 2 残压起励原理 2．1 开关控制二极管整流型残压起励 以自并励励磁系统为例加以说明。自并励励磁 系统残压起励原理如图 1所示。 图 l 励磁系统残压起励接线图 开关控制二极管整流型残压起励其工作原理简 单，只需在发电机起励时将 K1(见图 2)投入，K1由 自动起励控制机构投入、切除。切除条件可用机端 电压(如 30％机端电压)或起励时限(如 5s)的共同 作用。 二极管整流型残压起励虽原理简单，但实现起来 存在以下不足：需另增加主回路控制器件，如二极管 整流桥 V1及接触器 Q1、Q2。随着机组容量的增加， 起励电流变大，主回路二极管及接触器的规格随着增 大，需另考虑设备的安装位置，增加了设备的成本。 由于增加了残压起励回路(V1、Q1、Q2)及控制回路， 降低了整个励磁装置的可靠性，所以二极管整流型残 压起励逐渐被晶闸管控制型的残压起励所替代。 2．2 晶闸管控制型残压起励 晶闸管控制型残压起励的主回路原理图如图 1 中虚线部分所示。它实际上就是发电机的自并励励 磁的主回路，不需另外增加一次设备。与二极管整 流型残压起励比，具有接线简单、节省成本的特点， 在自并励励磁系统中得到越来越广泛的应用。 其原理可描述如下：发电机具备起励条件后，空 转至接近额定转速，由于转子剩磁的存在，在机端将 感应残压。当残压大于转子回路压降时给残压起励 信号，即给晶闸管以连续的触发脉冲，使晶闸管导 通，用残压给发电机转子供电充磁，达到残压起励的 目的。当发电机电压升至残压起励退出整定值时， 自动切除残压起励功能，恢复正常的励磁调节。 3 残压起励的实现 残压起励的一次回路，无论是二极管整流型，还 是晶闸管触发型都相对简单，残压起励的实现主要 是二次控制回路。二极管型的控制是简单的继电器 操作，由于以上的分析原因，在励磁系统中已越来越 维普资讯 http://www.cqvip.com · 18· 2003年第2期 <电机电器技术> ·电机电器技术· 少使用。本文主要详细介绍晶闸管残压起励型的控 制回路及实现中注意的问。 典型晶闸管控制型残压起励的二次控制回路的 硬件图如图2所示，图中仅画出一路脉冲回路原理 图，其余 5路脉冲控制原理与本路相同，只是正常控 制时脉冲的相位不同而已。 ．D6 L ． SCRl __＼ ． D {4 A Ea 图 3 晶 闸臂工作 原理 图 ’ ' ； 晶闸管关断的条件为使晶闸管电流低于维持电 ； l 流。 I 用晶闸管整流桥给发电机转子供电的原理图可 ： 简化为如图4(a)所示。 图 2 晶 闸臂控制型残压起 励二次 回路 原理 图 晶闸管残压起励硬件由一次回路及控制回路组 成，一次回路如图 1中虚线框中部分所示。二次回 路如图2所示，正常运行时残压起励单元退出，双脉 冲信号经 D3进入 Q1放大后输出至脉冲变压器 T1 的原边，再经脉冲变压器放大后输出至晶闸管 V11 的控制极。残压起励时，控制单元接到残压起励命 令后，立即启动高频脉冲发生器产生高频脉冲，同时 闭合 K1使脉冲并联输入至 Q1的基极 ，这样 ，在晶 闸管控制极得到的将是高频脉冲列 ，促使晶闸管在 低电压时导通，达到残压起励的目的，残压起励结束 后，励磁调节器自动切除残压起励回路，恢复正常调 节 。 4 残压起励中的若干问题及残压起励机理 分析 4．1 正常的双脉冲触发回路不能用于残压起励 先看看晶闸管的导通机理，可以把晶闸管看成 两个晶体管互联如图 3所示，给门极注入触发电流 Ig，在外界负载足够小时，Ig将形成强烈的正反馈， 使两管饱和导通。正反馈的过程是： Ig十一Ic2十--~Ia十一Icl十一Ig十 晶闸管的电流放大系数随着发射极电流变化而 变化，即发射极电流较小时电流放大系数小，反之则 大。而发射极电流还受到外加电压及外界负载的限 制。 L (b) L 图 4 转子励 磁原理 图 图4(b)是一个晶闸管导电回路简化图，ux是整 流变副边线电压，R是转子回路电阻，L是转子电感。 我们只关心晶闸管导通瞬间的转子电流的动态 过程，可用如下微分方程描述 U2一Vt—L· 1311 一 R·i=0 (1) Vt是管压降、电刷接触及其它电压降。ux是一 正弦函数，为简便起见，在 6o度范围内可用导通起 始电压瞬时值代替 ， ux=42‘o2‘sin号=1．225u2 U2是励磁变副边线电压有效值，解之，得 i：Tu2-Vt ·(1一et ) (2) 式中r=告 n 设机组频率为50Hz，由(2)式知，在一个正弦周 期内，由于双脉冲的脉宽很窄 ，通常晶闸管的一次脉 冲触发若不足以使流过晶闸管的电流正向导通，故 双脉冲的残压起励失败。 4．2 高频脉冲残压起励机理分析 从晶闸管导通机理知，晶闸管的导通是触发电 流形成的，当晶闸管的导通电流达到维持电流时晶 闸管导通。采用宽脉冲或频率足够高的高频脉冲触 发，在晶闸管正向电压存在且足够高时可使流过晶 闸管电流达维持电流而导通。 维普资讯 http://www.cqvip.com ·电机电器技术· 《电机 电器技术> 2003年第2期 ．19． SRM常见的几种功率变换器主电路及原理 杨岳峰，张奕黄 (北方交通大学电气工程学院，北京市 100044) 1 前言 SRM开关磁阻电机的绕组只需要单方向电流， 但应能迅速从电源接受 电能，又能迅速向电源回馈 能量。由于 SRM功率变换器只需要给电动机提供 单方向电流，故其比异步电动机 PWM变频器简单、 可靠。然而，SRM 的工作 电流、电压波形并非正弦 波，而且波形受系统的运行条件及电动机设计参数 的制约，很难准确预料。这就使得其主开关器件的 定额计算较为复杂。 从功率变换器应与电动机结构匹配、效率高、控 制方便、结构简单、成本低等基本出发，一个理想 的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件： (1)最少数量的主开关元件； (2)可将全部电源电压加给电动机相绕组； 假设机组残压起励回路参数如下：串联两晶闸 管压降为 2．5V，其它回路压降为 0．5V，转子回路电 阻为 1欧，转子 电感为 2亨，晶闸管维持电流为 80mA，整流变副边线电压有效值 U2为 8V，则根据式 (2)可计算得使晶闸管达到维持电流的最小时间 t， 计算得 t=1．9mso 考虑晶闸管导通时有延迟时间(Ddlay Time)、上 升时间(Rise Time)、扩散时间(Spread Time)的影响， 在以上条件下，从触发到导通的实际时间是大于 t 的。同时采用的是脉冲列，其占空比为 1，如果导通 不能在一个脉冲的“l”完成，则在脉冲的“0”段，晶闸 管尚未导通，便转入截止，直到下一个脉冲“1”的到 来，这时上次转子中电流并未衰减至 0，这样，经过 若干个脉冲周期，晶闸管将达到维持电流而导通。 4．3 残压起励不成采取的措施 (1)增大高频脉冲列的频率 (2)适当提高触发电压、电流，即适当减小触发 回路电阻 Rl或改变 Tl匝比(见图 2)，增加 Tl副边 线圈匝数。 (3)可在转子回路并联一合适电阻。 (3)主开关器件的电压额定值与电动机接近； (4)具备迅速增加相绕组电流的能力； (5)可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； (6)在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给 电源。 下面扼要介绍 SRM功率变换器几种常见的线 路，着重比较这些不同线路中主开关器件的定额大 小、元器件的数量、能量回馈的方法以及适用的场合。 2 电机双绕组型 图 l所示是早期使用的双绕组结构，通常主副 绕组采用双线并绕的形式，以得到最大的互感系数， 主绕组开关元件 Sl断开后，主绕组的能量通过互感 传到副绕组，再通过二极管续流 Dl。该电路主开关 元件的额定工作电压为 2(1+D)V，其中v是整流桥 5 实际应用及现场试验 某电站使用本残压起励，机组参数为：额定功率 12500kW，额定励磁电压 261V，额定励磁电流 460A， Td0’=3．29s；高频脉冲列频率为 2K，正常调节时触 发脉冲采用 60~双脉冲，Tl匝比为 l：2，机组启动空 转至额定转速时，实际测量励磁变副边残压大于 8V。在以上条件，进行两组残压起励试验如下： (1)R1=100欧时投残压起励，起励失败；将 Rl 改为 50欧时，投残压起励，起励成功。 (2)R1=l00欧不变，在发电机转子侧并联一电 阻的方式，并联电阻值为 134欧时投残压起励，起励 不成；并联电阻改为 67欧时，起励成功。 根据本电站的特点，在 l撑、3撑机励磁采用 Rl 电阻为 50欧的方式投残压起励；在 2撑、4撑机励磁 中采用在转子侧并电阻的方式投残压起励，直流起 励辅助电源可不投，取得满意效果。 参考文献： [1] 周明宝，器文龙．电力电子技术[M]．机械工业出版社，1997年8月． [2] Jai P．衄舯 ． Electronic Systems andDesi~EM]．清 华大学出版社Prelmoe—Hall 2001年8月． 口 维普资讯 http://www.cqvip.com