發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁機(jī)硬件設(shè)計(jì)

李小紅

【摘 要】設(shè)計(jì)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，通過同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的方案論證、設(shè)計(jì)和計(jì)算，得到滿足要求的勵(lì)磁系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】自并勵(lì);勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)重要組成部分，直接影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能。自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組由專用的直流勵(lì)磁機(jī)供電，調(diào)整勵(lì)磁機(jī)磁場電阻，可改變勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，從而達(dá)到人工調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)載電流的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的手動(dòng)調(diào)節(jié)。

一、設(shè)計(jì)方法

自并勵(lì)勵(lì)磁機(jī)由主回路（勵(lì)磁控制單元）和控制回路（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）組成。原理框圖如圖1.1所示，交流電源取自機(jī)端，經(jīng)整流回路供給發(fā)電機(jī)可控勵(lì)磁。控制回路由測量比較單元、綜合放大單元、移相觸發(fā)單元及調(diào)差單元組成。控制回路是根據(jù)機(jī)端電壓變化輸出可調(diào)脈沖作用于可控硅控制極，來調(diào)節(jié)主回路輸出直流勵(lì)磁電壓的大小。

圖1.1 ?自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)基本原理框圖

在三相電網(wǎng)的功率因數(shù)測量中，一般假設(shè)電網(wǎng)是三相平衡的，此時(shí)任意一相的功率因數(shù)就相當(dāng)于三相系統(tǒng)的功率因數(shù)。本文利用電網(wǎng)三相電壓、電流間的相位角關(guān)系，通過直接檢測相電流和線電壓的相鄰的兩個(gè)方波的上升沿的時(shí)間差，來確定功率因數(shù)以及功率因數(shù)的超前滯后情況，從而通過運(yùn)算得到三相電網(wǎng)的功率因數(shù)。設(shè)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(hào)經(jīng)異或門之后的方波作為過零點(diǎn)的檢測信號(hào)，為了節(jié)省外部中斷，采用一個(gè)反相傳輸門和模擬開門相結(jié)合的電路。由P3.0控制模擬開關(guān)的選通。這樣就可以控制用于脈寬測量的定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)值n，即當(dāng)方波的上升沿到來的時(shí)候，計(jì)數(shù)器T1啟動(dòng)，開始計(jì)數(shù);當(dāng)方波的下降沿到來的時(shí)候，T1停止計(jì)數(shù)。得到對(duì)應(yīng)的脈寬計(jì)數(shù)值n。假設(shè)測量工頻的半個(gè)周期所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值N，通過N，n的關(guān)系推導(dǎo)出θ和Φ值，如公式所示。

單片機(jī)很容易完成上述計(jì)算，對(duì)Φ取余弦就得出功率因數(shù)cos?，如果sin?為正值，則說明負(fù)載呈感性，反之則說明負(fù)載呈容性。

調(diào)差系數(shù)δ表示無功電流從零增加到額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓的相對(duì)變化。調(diào)差系數(shù)δ表征了勵(lì)磁控制系統(tǒng)維持發(fā)電機(jī)電壓的能力。調(diào)差系數(shù)用δ表示，其定義為：

式中—發(fā)電機(jī)額定電壓;

、—分別為空載運(yùn)行和帶額定無功電流時(shí)的發(fā)電機(jī)電壓。

為實(shí)現(xiàn)上述的功能，勵(lì)磁控制器需具備：電量測量、調(diào)節(jié)運(yùn)算、同步信號(hào)檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據(jù)前文所訴的勵(lì)磁控制器的基本要求，勵(lì)磁控制器也由以下幾個(gè)基本單元組成：主控制單元、模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出通道、同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵(lì)磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。

圖1.2 勵(lì)磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框

二、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求及分類

1.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)起著重要的作用，它不僅控制發(fā)電機(jī)的端電壓，而且還控制發(fā)電機(jī)無功功率、功率因數(shù)和電流等參數(shù)。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，維持發(fā)電機(jī)或系統(tǒng)的電壓水平;合理分配發(fā)電機(jī)間的無功負(fù)荷;提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，所以對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)必須滿足以下要求：

（1）常運(yùn)行時(shí)，能按負(fù)荷電流和電壓的變化調(diào)節(jié)（自動(dòng)或手動(dòng)）勵(lì)磁電流，以維持電壓在穩(wěn)定值水平，并能穩(wěn)定地分配機(jī)組間的無功負(fù)荷。

（2）應(yīng)有足夠的功率輸出，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障，電壓降低時(shí)，能迅速地將發(fā)電機(jī)地勵(lì)磁電流加大至最大值（即頂值），以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）勵(lì)磁裝置本身應(yīng)無失靈區(qū)，以利于提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，并且動(dòng)作應(yīng)迅速，工作要可靠，調(diào)節(jié)過程要穩(wěn)定。

2.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的分類

一期是交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的勵(lì)磁系統(tǒng)，即無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。它的副勵(lì)磁機(jī)是永磁發(fā)電機(jī)，其磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是靜止的，而交流勵(lì)磁機(jī)正好相反，其電樞、硅整流元件、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都在同一軸上旋轉(zhuǎn)，不需任何滑環(huán)與電刷等接觸元件，這就實(shí)現(xiàn)了無刷勵(lì)磁。

二期是自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組由專用的直流勵(lì)磁機(jī)DE供電，調(diào)整勵(lì)磁機(jī)磁場電阻Rc可改變勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中的IRC從而達(dá)到調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。

三期采用的是靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。這類勵(lì)磁系統(tǒng)不用勵(lì)磁機(jī)，由機(jī)端勵(lì)磁。

三、自并勵(lì)存在問題與解決方法

為了保證發(fā)電及安全穩(wěn)定運(yùn)行，微機(jī)勵(lì)磁控制器內(nèi)部設(shè)有PT斷線、強(qiáng)力動(dòng)作、欠勵(lì)動(dòng)作、過壓限制、電壓/頻率限制、過無功功率保護(hù)、定子過電流保護(hù)等保護(hù)功能。

以上保護(hù)功能遠(yuǎn)不能滿足電力系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）;

（2）增加直流回路在線監(jiān)測器;

（3）轉(zhuǎn)子回路開路保護(hù)。

四、結(jié)束語

勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，一直是人們關(guān)心的課題和努力的方向，長期以來已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作。勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。

參考文獻(xiàn)：

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