董彩宏，葛艷蕊，管 恩

可控硅勵(lì)磁裝置殘壓起勵(lì)研究與實(shí)現(xiàn)

董彩宏，葛艷蕊，管 恩

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北石家莊050222）

介紹1種簡(jiǎn)單可靠的自并勵(lì)發(fā)電機(jī)利用具有自配套電池的UPS和開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的輔助起勵(lì)電路，該電路使得一些中小型水電站在無(wú)直流屏和廠用電的情況下可對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行自并勵(lì)發(fā)電，相對(duì)于利用外部電源或者蓄電池進(jìn)行輔助起勵(lì)，節(jié)約了成本，且操作簡(jiǎn)單。圖3幅。

中小型水電站；自并勵(lì)發(fā)電機(jī)；可控硅；勵(lì)磁系統(tǒng)

1 概 述

在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)起勵(lì)方式有直流電源起勵(lì)、交流電源起勵(lì)及殘壓起勵(lì)。前二者是在發(fā)電機(jī)具備升壓條件后，給轉(zhuǎn)子線圈注入一定的直流電流給轉(zhuǎn)子充磁，經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子定子電樞反應(yīng)，使發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生電壓而使發(fā)電機(jī)建壓的過(guò)程。而殘壓起勵(lì)是當(dāng)發(fā)電機(jī)端殘壓達(dá)到一定值時(shí)，利用殘壓起勵(lì)裝置，在有或無(wú)外界助磁的情況下，發(fā)電機(jī)自動(dòng)建壓的過(guò)程。

無(wú)殘壓起勵(lì)功能時(shí)，交流或直流起勵(lì)需對(duì)轉(zhuǎn)子提供一定的電流，該電流最大允許達(dá)發(fā)電機(jī)空載額定電流10%，起勵(lì)時(shí)將對(duì)電廠的直流或交流供電系統(tǒng)造成沖擊。因起動(dòng)的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中存在剩磁，發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)后機(jī)端便有殘壓，為殘壓起勵(lì)創(chuàng)造了條件，所以發(fā)電機(jī)組在起勵(lì)時(shí)最好是具有殘壓起勵(lì)功能，而輔助電源起勵(lì)只在發(fā)電機(jī)初次充磁及機(jī)端殘壓不足以進(jìn)行殘壓起勵(lì)時(shí)才投入。

2 殘壓起勵(lì)原理

2.1 直流電源起勵(lì)

下圖中起勵(lì)電源用廠用直流電源，稱為直流起勵(lì)（見(jiàn)圖1）。圖中KM為起勵(lì)接觸器，擔(dān)任起勵(lì)回路的投入與切除；二極管V的作用是防止發(fā)電機(jī)建壓過(guò)程中向直流電源方向充電，引起直流電源的過(guò)電壓導(dǎo)致直流系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的損壞；電阻R為限流電阻，用于限制初勵(lì)電流的大小。

直流電源起勵(lì)將增加廠用蓄電池的負(fù)擔(dān)。

圖1 自并勵(lì)系統(tǒng)直流起勵(lì)接線原理

2.2 交流電源起勵(lì)

下圖中起勵(lì)電源用廠用交流電源，經(jīng)整流后提供勵(lì)磁電流，稱為交流起勵(lì)（見(jiàn)圖2）。采用交流電源起勵(lì)，當(dāng)廠用電消失時(shí)機(jī)組便不能起勵(lì)，對(duì)于與系統(tǒng)聯(lián)系較弱的電站，應(yīng)慎重考慮此種方式。

2.3 殘壓起勵(lì)原理

在一些中、小型水電站中，尤其是單機(jī)容量在1000kW及以下的小型水電站中，為了節(jié)約電站成本，省去對(duì)直流電源系統(tǒng)的采購(gòu)，換為UPS（不間斷電源）來(lái)對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和一些保護(hù)設(shè)備提供工作電源；由于UPS本身容量的限制，不適合直接當(dāng)做起勵(lì)電源。這時(shí)，我們針對(duì)上述兩種電源他勵(lì)起勵(lì)的自并勵(lì)的方式，進(jìn)行了改進(jìn)。利用站內(nèi)配置的UPS以及新增1個(gè)開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成起勵(lì)回路，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)停電且沒(méi)有直流電源系統(tǒng)的情況下對(duì)機(jī)組進(jìn)行起勵(lì)建壓到發(fā)電完成的操作（見(jiàn)圖3）。

圖2 自并勵(lì)系統(tǒng)交流起勵(lì)接線原理

圖3 開(kāi)關(guān)電源殘壓起勵(lì)接線

2.3.1 主要設(shè)備

（1）UPS。提供勵(lì)磁設(shè)備和其他保護(hù)設(shè)備的工作電源，另外給開(kāi)關(guān)電源提供220V的電源。容量根據(jù)實(shí)際情況選取，在本系統(tǒng)中UPS的容量最小配置1kW即可滿足要求，一般情況下電站的監(jiān)控系統(tǒng)中都配置1～5kW的UPS。

（2）開(kāi)關(guān)電源。提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈所需的直流電壓。電壓變換為AC220V／DC12V，能滿足給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子助磁效果，節(jié)約了成本。開(kāi)關(guān)電源的容量選擇根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小進(jìn)行選擇，范圍一般為200～500W。

（3）V為二極管。防止發(fā)電機(jī)建壓過(guò)程中的反充電。

（4）KM。調(diào)節(jié)器控制的起勵(lì)繼電器觸點(diǎn)。2.3.2 工作原理

正常開(kāi)機(jī)，按下起機(jī)令后5s內(nèi)，調(diào)節(jié)器給三相整流橋上加的觸發(fā)脈沖為2000Hz的高脈沖列，促使晶閘管在低電壓時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于三相全控橋變?yōu)槿嗖豢煽貥?，達(dá)到殘壓起勵(lì)的目的。如果發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到15%額定電壓，則高頻脈沖列立即停止，代替的為正常的觸發(fā)脈沖。

如果5s后，發(fā)電機(jī)電壓還沒(méi)有達(dá)到15%，則調(diào)節(jié)器程序控制啟動(dòng)起勵(lì)繼電器，通過(guò)其觸點(diǎn)KM投入附加的開(kāi)關(guān)電源直流起勵(lì)。例如，某水電站發(fā)電機(jī)銘牌勵(lì)磁值為50V、200A，則其在正常工作下，勵(lì)磁電壓在20～30V之間；我們所加的開(kāi)關(guān)電源回路中輸出12V直流電給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，足以使發(fā)電機(jī)端電壓迅速上升，而且回路中起始電流在12～20A之間，在額定勵(lì)磁電流值10%以內(nèi)。此時(shí)，勵(lì)磁變二次側(cè)電壓通過(guò)三相不可控橋整流輸送給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到15%額定電壓后，高頻脈沖列停止，轉(zhuǎn)為正常的觸發(fā)脈沖，起勵(lì)繼電器自動(dòng)返回。

如果10s后，發(fā)電機(jī)電壓仍然沒(méi)有建立，則本通道立即退出運(yùn)行，并發(fā)“起勵(lì)失敗”信號(hào)。

這套改進(jìn)系統(tǒng)和蓄電池輔助起勵(lì)電路比較，省掉了廠用電和笨重、昂貴且難維護(hù)的蓄電池，取而代之的是更為經(jīng)濟(jì)可靠的UPS和開(kāi)關(guān)電源。對(duì)于中小型機(jī)組的起勵(lì)電路而言，已經(jīng)可以向輔助起勵(lì)蓄電池說(shuō)不了。更重要的是，通過(guò)此次改進(jìn)，解決了許多中、小型水電站在沒(méi)有廠用電和直流屏的情況下水輪發(fā)電機(jī)組如何進(jìn)行發(fā)電的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

勵(lì)磁系統(tǒng)改造后，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性，解決了勵(lì)磁系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行不穩(wěn)定等實(shí)際問(wèn)題，并且節(jié)約了水電站的投資成本。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和運(yùn)行的實(shí)踐檢驗(yàn)，我公司KLD—1000系列勵(lì)磁調(diào)節(jié)器配合UPS和開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的起勵(lì)回路，省去價(jià)錢昂貴的蓄電池的同時(shí)也省去了維護(hù)及檢修等諸多麻煩，還打破了必須有廠用電的限制，對(duì)1000kW及以下的發(fā)電機(jī)組運(yùn)用該電路的發(fā)電機(jī)均能成功起勵(lì)建壓。

［1］ 王華君．中國(guó)水電機(jī)組勵(lì)磁裝置的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．電器工業(yè)，2002（9）．

［2］ 周 雪．模擬電子技術(shù)［M］．第2版．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005．

［3］ 魏全浩．自勵(lì)動(dòng)力制動(dòng)裝置應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題［J］．電機(jī)技術(shù)，2004（1）．

［4］ 孫津平．?dāng)?shù)字電子技術(shù)（第2版）［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005．

［5］ 黃耀群，李興源．同步電機(jī)現(xiàn)代勵(lì)磁系統(tǒng)及其控制［M］．成都：成都科技大學(xué)出版社，1998．

［6］ 何 維．淺析同步電機(jī)自勵(lì)磁數(shù)字仿真算法及其推論［J］．電機(jī)技術(shù)，2004（4）．

［7］ 李基成．現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2002．

責(zé)任編輯 吳 昊

2014－12－12

董彩宏（1966－），女，工程師，主要從事水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究工作。

E_mail：KE85231088＠163.com