CN2488225Y - 同步发电机开关电源励磁*** - Google Patents

Abstract

本实用新型采用超大功率开关电源取代交流励磁机、附励磁机和可控硅整流电路,使得发电机的励磁电流与电网电压、发电机的输出电压完全无关,因此,发电机运行稳定,对输出电压的波动调节平稳,反应迅速;采用远方检测方法,可自动稳定电网任意远地端的电压幅值;采用半导体器件取代机械开关,构成自动灭磁电路。整个励磁***结构简单,性能优异,体积小,重量轻,成本低,既适合中、小功率,也适合百万千瓦级大型同步发电机的励磁要求。

Description

同步发电机开关电源励磁***

本实用新型属于一种他励静止励磁***。

励磁***是发电机组的重要组成部份，它包括供给发电机组励磁电流及其电路的控制设备和自动装置等。在电力***发生故障或其他暂态过程中，发电机组的工作状态在很大程度上与励磁***有关。特别是近年来单机容量和输电距离不断增长，对励磁***的要求更高，励磁***对电力运行的稳定性和发电机组本身工作的可靠性的影响就更大。励磁***应有独立的励磁电源，不受外部电网影响，具有高度的可靠性，便于实现自动控制，励磁的顶值电压要高，上升速度要快，能满足发电机组和电力***运行稳定的要求，设备结构和接线要简单，便于布置和操作维护。

强行励磁和电压上升的速度：当发电机组电压降低至一定限度时，启动强励磁电路，其作用是，迅速提高发电机组的电势和加速故障后的电压恢复过程，阻止受干扰时发电机组功率角的过份增大，提高电力***的工作稳定性。实践证明，这是改善电力***的工作稳定性的一个极为重要的措施。从提高***的稳定来说，希望强励动作后的顶值电压愈高愈好，励磁电压上升速度愈快愈好，但提高这两项要受到励磁机结构条件和成本的限制。根据JB636-65和JB863-66的技术标准规定，励磁顶值电压为1.8-2.0倍，电压上升速度为1.3-2.0倍

水轮发电机组甩负荷时电压升高的强行减磁：当水轮发电机组甩负荷时，流经水轮机的水流并未中断，因此其转速会升高很多，发电机组的输出电压则增加得更多。为保证运行安全，水轮发电机组应具有防止过电压的强行减磁功能。当电压升高到一定数值时，强行减磁功能起作用，使励磁电压迅速衰减，防止危及绝缘安全。

撤除发电机组电压必须进行灭磁，灭磁的要求是：

1.灭磁的时间尽可能地短；

2.灭磁过程中转子的过电压不应超过容许值；

3.灭磁后的剩磁应不足以维持短路电弧。

在他励旋转半导体励磁电路中，转子的电流和温度不便测量，不能加入灭磁装置，而对于半导体元件及其保护元件的要求又过高，控制***复杂；在自励半导体励磁电路中，当发电机组三相短路时，发电机组便失去了励磁，而在发生不对称短路时，励磁电压又会出现严重崎变，使得励磁处于极为不利的条件。这里的半导体元件，实际上就是可控硅，当其作为可控整流的时候，使电流波形严重畸变，对电网造成谐波污染，并使功率因数大大降低。

随着电力***的发展，特别是发电机组采用直接冷却后，单机容量迅速提高，励磁容量急剧增大，20万千瓦汽轮发电机组励磁容量为600千瓦，满载运行时的励磁电流接近2000安，而在强励时则更大。在汽轮机高速施转下，由于换向整流的限制，制造这样大的直流励磁电机是非常困难的。即使对于较低速度的水轮发电机组而言，直流励磁电机也很难满足由于高压远距离输电而产生的对励磁顶值电压和电压上升速度的要求。目前，国内外解决这个问题的唯一办法是采用半导体整流励磁，其方法是：用可控硅整流向附励磁机提供励磁电流，再由附励磁机向交流励磁机提供励磁电流，交流励磁机最后才向发电机提供励磁电流。

图1是他励静止半导体励磁***，JL和JFL分别是交流励磁机和附励磁机，其励磁线圈LJ和LJF由可控硅三相全波整流电路TSCR1、TSCR2和TSCR3提供励磁电流，JL通过三相全波整流桥TBR3向大型发电机F的励磁绕组L01提供励磁电流。由于附励磁机带有可控硅负载，其输出波形产生崎变，使发电机组调节不稳定，无功摆动较大。由于整个励磁***的输入功率须由交流电压提供，当无交流电压时，发电机就不能启动发电。

本实用新型的目的旨在克服上述各种励磁电路存在的缺陷，用超大功率直流变换器接成无逆变器不间断电源的电路形式，产生一种直接进入大型发电机励磁绕组、能随发电机输出电压的波动作相反变化而又与发电机输出电压无关的励磁电流，此电流能根据强行励磁，强行减励和灭磁的要求，迅速增大，迅速减小和迅速中断，并能自动稳定任意远地端的电压幅值。

大型同步发电机励磁***采用超大功率直流变换器(申请号：01128301.7)HSW1和HSW2接成无逆变器不间断电源(申请号：97241194.1)的电路形式，产生不间断的励磁电流。具体方法是：HSW2的输出端接励磁绕组，输入端接蓄电池和整流器TBR2两路直流输入，检测电路反映了发电机输出电压或远端电压的变化，HSW2根据这一变化进行电压调节，改变进入励磁绕组的电流，使发电机输出电压或电网远端电压趋于稳定；当检测电路感知强行励磁信号时，HSW2根据要求向励磁绕组输出具有一定上升速度的顶值电压，使发电机进入强励状态，当检测电路感知强行减磁信号时，HSW2根据要求向励磁绕组输出具有一定下降速度的负顶值电压，使发电机进入强行减磁状态。当检测电路感知本地或远方灭磁信号时，一方面关断HSW2，另一方面触发SCR03导通，使励磁绕组上的感应电压通过R02迅速放电，进行超前灭磁。

无逆变器不间电源能向负载提供稳定的、不间断的直流电压，采用的是电压补偿法。其方法是：将一个较低且可调的直流电压(即补偿电压)，叠加在波动的输入电压上，形成稳定的输出电压，补偿电压的功率只占输出功率的10％以内。显然，无逆变器不间电源输出电压的调节范围是(90-100)％，远远无法满足励磁电压(10-100)％调节范围的要求，因此HSW2的输出电压不再与输入电压叠加，直接输出到发电机的励磁绕组，其调节范围理论上可达100％。

本实用新型由于免除了交流励磁机、附励磁机和可控硅整流电路，取而代之的是由超大功率直流变换器组成的无逆变器不间断电源，又由于开关电源相对于可控硅整流电路固有的优越性以及不间断电源的不仃电特性，本实用新型具有如下特点：

1.强行励磁的顶值电压和电压的上升速度可以做得非常大，极大地改善电网运行的稳定性；

2.将发电机输出电压纳入电网闭环控制，使发电机运行稳定，对输出电压波动调节平稳，反应迅速，极大地改善电网供电质量；

3.采用了远方检测方法，可自动调节任意电网远端的电压幅值，进一步提高供电质量。

4.开关电源稳定可靠，远方检测电路迅速准确，超前灭磁干脆利落，极大地提高了电网运行的安全性；

5.由于开关电源可直接输入直流，使得发电机的励磁***与电网电压、发电机的输出电压完全无关；

6.由于采用开关电源取代了大型励磁机、附励磁机和可控硅整流电路，使得本实用新型结构简单，性能优异，体积小，重量轻，成本低；

图1是他励静止半导体励磁***电路图。

图2是本实用新型的原理框图。

图3是可控硅灭磁原理图，

图4是无逆变器不间断电源电路原理图。

图5是三相整流电路TBR1和TBR2。

图6是超大功率直流变换器HSW1和HSW2的电路原理图；

图7是远端信号控制电路的检测电路。

图8是远端信号控制电路的驱动电路。

图2是本实用新型的原理框图，采用超大功率直流变换器HSW1和HSW2接成无逆变器不间断电源的电路形式，取代主励磁机JL和辅助励磁机JFL，以及可控整流电路TSCR1和TSCR2(请参考图1)，直接向同步发电机F的励磁绕组L01提供供电压变化范围为(5-100)％的励磁电流；用可控硅灭励电路取代机械灭磁，并在远端设立若干检测点，远端信号通过自动化远动***进入远端信号控制电路。

组成无逆变器不间断电源的单相全波流电路BR1和BR2由三相全波整流电路TBR1和TBR2取代(请参考图5)，开关电源SW1和SW2由超大功率直流变换器HSW1和HSW2取代(请参考图4)。

图3的灭磁电路由可控硅SCR02-SCR04，D01，R02，R03和C03组成，D01和R02串联后和励磁绕组L01并联，并联后再和SCR02串联，然后并接到HSW2的输出端，R03、SCR04、SCR03串联后也并接在HSW2的输出端，SCR02和SCR03的负极和HSW2的负极相连，R03的一端、D01的负极、L01的一端接HSW2的正极，SCR04的负极和SCR03的正极以及C03的正极相连，L01的另一端和SCR02的正极以及C03的负极相连。

各个远端检测信号通过自动化远动***以遥测值的形式发回，恢复成模拟量后，进入远端信号控制电路，远端信号控制电路由检测电路和触发电路组成，(请参考图3)。

图7的检测电路由n+2个检测通道组成，第一个通道由电阻R12和三极管D46串联组成，R12接三极管Q3的发射极，D46的负极接输出信号端VReg2；其余n+1个通道的结构相同：第一个通道由光电耦合器件OPT8、三极管Q18、定时电路U7及其周围元件组成，OPT8发光管部份的阳极通过电阻R114接输入信号端电容C007正极，其阴极通过电位器VR17接C00负极，OPT8三极管部份的集电极接+17V，其发射极通过电阻R113接地，同时接Q18的基极；Q18的集电极接+17V，其发射极通过电阻R112接地，通过电阻R116、R117分别接U7-2和U7-6，电阻R115和二极管D41串联，R115接Q18的发射极，D41的负极接输出信号端VReg2；U7-1接地，U7-5通过电容C80接地，U7-4、U7-8接+5V，U7-2、U7-6分别通过电位器VR19、VR18接地，U7-3输出接信号端AutoKill0；第二个通道的输入接信号端Remotel，输出接信号端AutoKill1，其余通道以此类推。

图8的触发电路由TTL电路U13-U17、结构相同的三个驱动电路以及开关电源SW5-SW8组成；拉电阻R163-R170接U13的1-6和11-12脚，U13-1接U15-5，U13-2接AutoKill0，U13-3接AutoKill1，以此类推，U13-8接U16-3，U16-4接输出信号SWOff2，SWOff2接U3-7，U13-8同时接U16-1、U17-5、U17-2；U14-3和U14-4相连，复位开关S4和电容C87并联，一头接U14-3，另一头接地，U14-3、U14-5、U14-11分别通过电阻R160、R161、R156接+5V，U14-11还通过电容C86接U14-10，U14-6接U15-3；U15-1通过电阻R158接+5V，通过电容C39接地，U15-4通过电阻R157接+5V，U15-6接U15-2，电阻R155接U17-1和U17-4，另一头接+5V；光电耦合器件OPT13发光管的阳极通过电阻R146接输入信号端U17-3，其阴极通过电位器VR32接地，OPT13三极管的集电极接SW5的正极，其发射极通过电阻R145接输出信号端G2，同时接三极管Q23的基极，三极管Q23、Q24的集电极接SW5的正极，它们的发射极通过电阻R144、R143接输出信号G2，SW5的负极接K2；其余两路结构相同，第二路的输入信号端接U17-6，输出信号端接G4，SW6的负极接K4；第三路的输入信号端接U15-2，输出信号端接G3，SW7的负极接K3。

超大功率直流变换器HSW2的输出端接发电机F的励磁绕组L01，输入端接两路直流输入，一路是蓄电池E01，一路是整流滤波器TBR2，HSW2的检测电路接发电机输出端和远方检测信号。检测电路反映了发电机输出电压和远方电压的变化，HSW2根据这一变化进行电压调节，改变进入励磁绕组L01的电流，使发电机输出电压或远方电压趋于稳定；当检测电路感知强行励磁信号时，HSW2根据要求向励磁绕组输出具有一定上升速度的顶值电压，使发电机进入强励状态，当检测电路感知强行减磁信号时，HSW2根据要求向励磁绕组输出具有一定下降速度的负顶值电压，使发电机进入强行减磁状态。超大功率直流变换器HSW1的输出端向蓄电池组E01充电，输入端接整流滤波器TBR1，其检测电路接蓄电池的端电压，HSW1对E01进行快充和浮充，使其永远处于最佳状态，保证HSW2无论有无交流电压都具有足够的直流输入功率，即使发电机发生三相短路，或不对称短路时，发电机组不会失去励磁，励磁电压也不会产生崎变。

灭磁电路的工作过程如下：当启动励磁***时，首先触发SCR04和SCR02导通，于是HSW2通过SCR02向L01注入励磁电流，同时，HSW2通过R03和SCR04向电容C03充电，当C03两端电压充到与L01上的电压相等时，充电电流为零，SCR04自动关断。当检测电路感知近地或远方的灭磁信号时，关断HSW2，禁止电流进入L01，同时触发SCR03导通，使C03上的正极电压加到SCR02的阴极，于是SCR02关断，使励磁绕组L01与HSW2断开。由于电感上的电流不能突变，L01上的电流便通过R02和D01迅速放电，达到超前灭磁。R02的大小，可根据灭磁的具体要求进行选择，R02越小，放电越快，灭磁越快。

励磁***的工作过程如下：在发电机F尚未发电的时候，B03无输出，只有蓄电池E01直流供电。加上直流电压以后，开关电源SW5-SW8有直流输出，加电后，在U14-3产生一个正跳变电压，此正跳变电压对U14无影响，因为74LS121的3、4脚是脉冲的下降沿起作用。此正跳变电压使U16C输出一个负跳变电压，使得U15A复位，U15-5输出的低平使U13-8输出高电平，由于U17-1、U17-4都通过R155接+5V，使得U17-3、U17-6输出高电平，U16-2输出低电平，结果是G2、G4的驱动电路导通，G3的驱动电路截止，于是，SCR02、SCR04开通，SCR03关断，由前述可知，励磁绕组L01流过励磁电流，F开始发电。在F发电期间，HSW2检测F的输出电压，自动控制注入L01中的励磁电流，从而使发电电压趋于稳定。这里的U17A、U17B是冗余门，防止逻辑电路的冒险和竞争，使得各个可控硅触发信号同时到达。

在检测电路的检测通道中，当输入端电压升高时，其VReg2输出端的电压也相应升高，n+2路输出信号在这里进行“或”操作，其结果是，具有较高输出电压的那一通道信号对注入L01的励磁电流起控制作用，调节输入端的电位器，例如第二通道中OPT8发光二极管的阴极电位器VR17，就可以调节输出到VReg2的电压。通道1是无逆变器不间断电源原有的一个检测通道，其检测输入是励磁绕组L01的端电压，通道2的检测输入是发电机F的输出电压，取自电容C00的两端，其余n路检测输入信号是Remitel-Remoten，检测n个远地端电网的电压值。一般将通道2输出到VReg2的电压调得稍高，从而使发电机F的输出电压用来直接控制注入L01的励磁电流。

当发电机F的输出电压升高时，VReg2变高，使得进入HSW2的检测电压变高，由于反馈控制的作用，HSW2输出电压降低，使注入L01的励磁电流变小，则发电机F的输出电压降低，从而自动稳定了F的输出电压。

其余n+1路输出到VReg2的控制信号虽然调得较低，但当某一远地端电压因意外事件突然过高时，其电压足以使这一路输出到VReg2的电压比第二路高，则本路通道上升为控制注入L01励磁电流的主角，当这一路电压归于正常时，其输出到VReg2的电压又较第二路为低。这种控制方式可以确保电网n个远地端的电压不致过高。

N+1个检测通道中的定时电路NE555，严密监视来自三极管发射极的控制信号电平，一旦大于设定的范围，其输出信号AutoKill变高，使得U12-8的输出电平变低，此时SWOff2为高，关断了HSW2的输出电压，同时使U17-3、U17-6变低，使SCR02、SCR04截止，即切断了注入L01的励磁电流。与此同时，U16-2变高，使SCR02导通，启动了灭磁程序。调节接在NE555第2和第6脚的电位器，可以调节启动自动灭磁的电压范围。开关S4是紧急情况下的人工手动灭磁，当按下S4时，在U14-3产生一个负跳变信号，此信号使得U16-6输出一个高电平，此高电平使U15翻转，U15-5的输出由低变高，U13-8输出由高低电平，使得U17-3、U17-6输出低电平，U16-2、U16-4输出高电平，启动了灭磁程序。在U14-3上产生的负跳变电压通过U16C以后，变成正跳变电压，由于74LS74的复位端是脉冲负跳变起作用，因此，复位开关S4的动作对U15的状态不产生影响。

由于开关稳压电源的瞬态响应特性好，强行励磁和强行减磁已经不再成为问题，只作为正常调节即可。

若励磁功率按发电机组输出功率的千分之三计算，则100万千瓦级同步发电机组的励磁功率为3000千瓦，满载运行时的励磁电流接近10000安。HSW2中的桥式电路，可采用德国西门子SKM500GA123D或日本富士IMBI600PX-120，额定电压1200V，额定电流分别是500A和600A，四个接成桥式电路，可输出功率200KW，用16个桥并联运行，即可输出3000KW的额定功率。高频变压器采用H7C1 5KW磁芯，40个磁芯分四组，每组装配成一个高频变压器，每个变压器10个H7C1 5KW磁芯，制成绕组后变比均为1比1，四个变压器初级串联，次级也串联。三相全波整流滤波后的电压为600VDC，输出电压为300VDC，占空比0.6左右，输出功率200KW，正好配接一个上述桥式电路。16个桥式电路的并联点在图6中的C-C点，共用PWM控制芯片，各自具有独立的驱动、倒相电路，总输出功率可达3000KW以上。HSW1用作向蓄电池E01充电之用，若按输出10000A计算，则充电电流为2000A。由于充电电压是整流滤波电压和HSW1输出电压的叠加，其输出功率为：P＝3000*0.2*0.1＝60KW，因此，HSW1只需要一个上述桥式电路足够(详见超大功率直流变换器：01128301.7)。。

同步发电机开关电源励磁***除应用于100万KW级的发电机外，同样可应用于中、小功率的同步发电机的励磁，其优点是显而易见的。

Claims (6)

1.一种同步发电机他励静止励磁***，其特征是：采用超大功率直流变换器HSW1和HSW2接成无逆变器不间断电源的电路形式，直接向同步发电机F的励磁绕组L01提供电压变化范围为(5-100)％的励磁电流；用可控硅灭励电路取代机械灭磁，并在电网远端设立若干检测点，远端信号通过自动化远动***进入远端信号控制电路。

2.根据权利要求1所述的励磁***，其特征是：组成无逆变器不间断电源的单相全波流电路BR1和BR2由三相全波流电路TBR1和TBR2取代，开关电源SW1和SW2由超大功率直流变换器HSW1和HSW2取代。

3.根据权利要求1所述的励磁***，其特征是：可控硅灭磁电路由可控硅SCR02-SCR04，D01，R02，R03和C03组成，D01和R02串联后和励磁绕组L01并联，并联后再和SCR02串联，然后并接到HSW2的输出端，R03、SCR04、SCR03串联后也并接在HSW2的输出端，SCR02和SCR03的负极和HSW2的负极相连，R03的一端、D01的负极、L01的一端接HSW2的正极，SCR04的负极和SCR03的正极以及C03的正极相连，L01的另一端和SCR02的正极以及C03的负极相连。

4.根据权利要求1所述的励磁***，其特征是：各个远端检测信号通过自动化远动***以遥测值的形式发回，恢复成模拟量后，进入远端信号控制电路，远端信号控制电路由检测电路和触发电路组成。

5.根据权利要求4所述的励磁***，其特征是：检测电路由n+2个检测通道组成，第一个通道由电阻R12和三极管D46串联组成，R12接三极管Q3的发射极，D46的负极接输出信号端VReg2；其余n+1个通道的结构相同：第一个通道由光电耦合器件OPT8、三极管Q18、定时电路U7及其周围元件组成，OPT8发光管部份的阳极通过电阻R114接输入信号端电容C007正极，其阴极通过电位器VR17接C00负极，OPT8三极管部份的集电极接+17V，其发射极通过电阻R113接地，同时接Q18的基极；Q18的集电极接+17V，其发射极通过电阻R112接地，通过电阻R116、R117分别接U7-2和U7-6，电阻R115和二极管D41串联，R115接Q18的发射极，D41的负极接输出信号端VReg2；U7-1接地，U7-5通过电容C80接地，U7-4、U7-8接+5V，U7-2、U7-6分别通过电位器VR19、VR18接地，U7-3输出接信号端AutoKill0；第二个通道的输入接信号端Remotel，输出接信号端AutoKill1，其余通道以此类推。

6.根据权利要求4所述的励磁***，其特征是：触发电路由TTL电路U13-U17、结构相同的三个驱动电路以及开关电源SW5-SW8组成；拉电阻R163-R170接U13的1-6和11-12脚，U13-1接U15-5，U13-2接AutoKill0，U13-3接AutoKill1，以此类推，U13-8接U16-3，U16-4接输出信号SWOff2，SWOff2接U3-7，U13-8同时接U16-1、U17-5、U17-2；U14-3和U14-4相连，复位开关S4和电容C87并联，一头接U14-3，另一头接地，U14-3、U14-5、U14-11分别通过电阻R160、R161、R156接+5V，U14-11还通过电容C86接U14-10，U14-6接U15-3；U15-1通过电阻R158接+5V，通过电容C39接地，U15-4通过电阻R157接+5V，U15-6接U15-2，电阻R155接U17-1和U17-4，另一头接+5V；光电耦合器件OPT13发光管的阳极通过电阻R146接输入信号端U17-3，其阴极通过电位器VR32接地，OPT13三极管的集电极接SW5的正极，其发射极通过电阻R145接输出信号端G2，同时接三极管Q23的基极，三极管Q23、Q24的集电极接SW5的正极，它们的发射极通过电阻R144、R143接输出信号G2，SW5的负极接K2；其余两路结构相同，第二路的输入信号端接U17-6，输出信号端接G4，SW6的负极接K4；第三路的输入信号端接U15-2，输出信号端接G3，SW7的负极接K3。

Images