勵磁開關未合時主勵磁機勵磁電壓建立的原因

吳 劍 朱元武

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在汽機沖轉到3000RPM做并網準備時，當合上永磁機出口開關，雖然還沒有合勵磁開關，發電機尚未開始勵磁，細心的操縱員會發現此時主勵磁機勵磁電壓GEX001ID已經滿量程，當然勵磁電流依然為0，那么這個電壓是如何建立的呢？本文將嘗試解釋其中的原因。

1 勵磁原理

我廠的勵磁系統為無刷勵磁系統，分為兩級，如圖1所示。

圖1 勵磁原理簡圖

永磁機與汽輪機同軸旋轉，產生274V，400Hz的三相交流電，經三相全波整流，輸出鋸齒波直流（額定電壓18.6V，電流246A），該直流有效值由可控硅導通角控制大小，勵磁調節即通過改變可控硅導通角大小從而改變直流電流大小，由該直流再給交流勵磁機供勵磁電流，這樣在交流勵磁機的轉子側產生了交流電 （額定電壓417V，頻率200Hz），這個交流電通過旋轉整流橋，產生額定電壓500V的直流電，直接和發電機轉子相連，供給發電機勵磁。圖中顯示了主控GEX001ID的測點位置，該電壓顯示在勵磁開關41E的上游，如果可控硅沒有截止，則必然會產生電壓，那么又是什么原因導致未合勵磁開關的條件下可控硅沒有截止呢？如果沒有截止，導通角會有多少？要解釋這些問題，必須要了解勵磁系統的調節。

勵磁調節：我廠采用日本三菱公司的AVR系統，取自GSY100TU的發電機端口電壓作為實際電壓參數，與自動調節器90R的設定值比較，差值經一系列環節，控制可控硅的導通角，進而改變發電機端口電壓。整個控制回路還有PSS/MEL/VFL/OEL等環節的參與，由于與本文討論的主題無直接關系，不在此處展開，簡化的調節模擬圖如圖2所示。乍一看，似乎由于未合勵磁開關，電壓為0，使調節回路一直處于最大輸出狀態，結果導致勵磁電壓滿量程，事實是否如此呢？

我們截取圖2的一個部分，如圖3，可以看出，當勵磁開關41E未合時（41E ON為0），回路的調節信號被旁路，A處輸出為0，可見前述的猜想并不正確。而B處輸出也強制變為-2，C處輸出在勵磁開關未合條件下就是B的值，也為-2，此時勵磁電流Ife為0，故K2之前的輸入為-2，K2＝10，K3是個積分環節，所以此時輸出即刻就到了限幅環節的下限，即角度到達130度，可控硅反向導通（逆變狀態），也就是說此時磁場方向和正常運行時是相反的。但是由于電壓測量的只是平均值，不能反映方向，所以當永磁機有電壓時（即合上永磁機出口開關，在并網前第二步操作票中執行），GEX001ID也有了電壓指示，當轉速3000RPM時，根據圖3提供的數學模型，可以大概算出電壓為Ufe＝1.35*274*cos130＝237V（VAC＝274V），主控 GEX001ID 中的電壓指示滿量程為50V（正常15.8v左右），就地盤柜上的儀表滿量程為200V，均被超出。那么這個初始電壓的存在，是否會導致在合勵磁開關后發電機立刻產生初始電壓呢（改變90R的預設升壓曲線）？我想應該是不會的。由于勵磁機線圈是一個大電感，它會阻礙電流的產生，因此合勵磁開關瞬間并不會馬上產生勵磁電流，而投上勵磁開關后，調節回路會立即開始工作要求調節導通角，導通角將馬上從130度回到＜90度，因而不會導致發電機非預期升壓。行文至此，關于本文開頭的問題已經得到解答。但是對于余弦函數，0-90度的角度范圍其余弦代數值已覆蓋了最小到最大范圍，即為0-1，已可以滿足勵磁調節的需要，為何還要設計90度-130度的調節區間呢？

2 逆變滅磁的必要性

圖2 勵磁調節簡化圖

圖3 勵磁開關未合時的控制示意

如前所述，從圖3可以看出，只要勵磁開關斷開，可控硅即刻進入反向導通狀態，不難猜想，這種反向導通會和滅磁有關。事實上這就是逆變滅磁。在一些電廠正常停機也正是依靠逆變滅磁的，此時，勵磁開關并不斷開，依靠逆變使磁場換向，從而快速降低勵磁電流，在勵磁電流為0時斷開勵磁開關，避免過電壓危害，但顯然這和我廠的 實際條件不符。我廠無論正常停機還是事故停機，均完全依靠滅磁電阻滅磁，在勵磁開關斷開時投入滅磁回路，自動接入滅磁非線性電阻。要使非線性電阻發揮作用一個必要條件就是非線性電阻兩側電壓必須高于一定值。如圖4所示，當勵磁開關開斷時，由于電感的反電勢效應，其兩端電壓U＝UK-Ud，為了導通非線性電阻，必須要有U＞UR，其中UR為達到滅磁要求放電電流所需的電壓閾值（殘壓），可見，當可控硅逆變時，Ud反向，自然提高了U的值，因而有助于導通非線性電阻從而使滅磁成功。正是基于這個原因，所以導通角設置了90度-130度的區間段，并且在勵磁開關斷開時自動反向導通。

圖4 勵磁開關開斷時的電壓分布示意（無逆變）

表1

本文解釋了在勵磁開關未合閘時主勵磁機勵磁電壓建立的原因，并粗淺討論了可控硅逆變在AVR系統中存在的必要性，希冀能對同仁有所幫助，囿于水平，錯誤之處，懇請指正。

（數據：1650RPM190V，1500RPM170V，線形OK，可以推算3000RPM340V，即永磁機電壓393V或者147度）

5）自動電壓調節器建壓后，測量的機組數據如下：

發電機二次電壓：100V；勵磁電壓：9V；AVR輸出：0；勵磁電流：60A。