CN109412480B - 一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法，该装置包括励磁回路，所述励磁回路中设有晶闸管无线控制的信号电路，所述励磁回路中并入软开关回路，所述信号电路包括电源部分、信号接受部分、信号放大部分、触发电路四部分。本发明还公开了一种刷励磁发电机灭磁特性的方法。经分析和验证，本发明提高了无刷发电机灭磁的快速性、安全性和可靠性。

Description

一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法，具体地说，涉及一种基于无线触发和软开关技术的无刷励磁发电机灭磁特性方法。

背景技术

研究表明，当发电机励磁电流大于8000A时，由于受滑环材质、冷却条件以及碳刷均流等因素的影响，制造相应容量的滑环比较困难。20世纪60年代初，美国西屋公司（Westinghouse）首先研制成功的无刷励磁系统为转子高速旋转的大型汽轮发电机组励磁提供了新方法。因此，随着同步发电机组单机容量的进一步提高，励磁系统出现了一个重要的发展趋势，就是越来越多的大容量发电机采用无刷励磁，特别是目前新建的百万千瓦及以上核电机组，包括浙江秦山一期、二期核电站，广东大亚湾核电站，广东岭澳一期、二期核电站，江苏连云港（田湾）核电站，辽宁江沿河一期核电站，福建宁德核电厂，浙江方家山核电厂，福建福清核电厂等均采用无刷励磁系统。这样，励磁电流不必通过电刷和集电环引入，有效避免了因大电流通过电刷和集电环组成的滑动接触而引起严重发热问题和大量电刷磨损问题。具有维护工作量少、电枢绕组绝缘寿命较长、励磁功率不受电力系统电压波动影响、强励能力不受系统短路影响等优点。

但是，目前无刷励磁系统只能在主励磁机磁场回路中设置灭磁装置，发电机的励磁电流只能靠自然衰减灭磁，因而发电机灭磁时间很长，这对发电机的安全是一个很大的隐患，因此损坏发电机或减少发电机寿命的事故时有发生。

综上所述，如何在空载误强励和系统故障等极端条件下，确保大容量无刷励磁发电机灭磁的快速性、安全性、灵活性和可靠性，已经成为亟待研究和解决的课题。本发明提供的思路和方法具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

西门子、三菱、英国GEC公司等研发推出无刷励磁发电机，典型结构及原理如图1所示。

这是目前三机旋转无刷励磁系统，主励磁机为一旋转电枢型交流发电机，其励磁绕组装在定子上，电枢装在转轴上，电枢上产生的交流电流经旋转二极管整流器整流后供给发电机的励磁绕组。副励磁机为一永磁发电机，磁极装在转轴上，定子发出的交流电流经可控硅整流器整流后供给主励磁机的励磁绕组。正常运行情况下，通过调节器的控制改变可控硅整流器的控制角，使可控硅的输出电流（即主励磁机的励磁电流）改变，从而相应地改变了主励磁机的输出电流（发电机励磁电流），从而自动调节发电机端电压和无功输出。当发电机出现内部短路时，由继电保护动作，通过控制回路使可控硅处于逆变状态，主励磁机励磁电流随之下降，随后灭磁装置动作，将可控硅输出回路切断，并将主励磁机励磁绕组短接在在灭磁电阻上，励磁电流最后逐渐下降至零。

可见，三机旋转无刷励磁发电机只能在主励磁机磁场回路中灭磁，无论是励磁过程还是灭磁过程的控制都不是直接的，相比自并励静止励磁，时间是漫长的。特别是在空载灭磁时，灭磁时间约为有刷系统30倍之多。

目前，对无刷灭磁的研究还十分有限。由于无刷发电机的结构限制，所谓灭磁是对励磁机的间接灭磁，再加上无刷发电机转子的阻尼绕组作用，灭磁时间很长，发电机一旦发生内部故障，灭磁作为唯一限制故障扩大的手段将失效，后果将是十分严重的。

无刷励磁是大容量发电机最有前途的励磁方式，目前，百万千瓦级的核电机组普遍采用无刷励磁。但无刷励磁方式取消了滑环和电刷后带来了两方面新的问题：一是无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度、监视转子回路对地绝缘，监视旋转整流桥上的熔断器等，而必须采用特殊的测量和监视手段； 二是无法采用发电机磁场回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设灭磁开关，因而发电机灭磁时间很长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，无刷电机灭磁主回路及励磁控制方式，从根本上改变发电机励磁电流依赖自然衰减灭磁的现状。提供一种刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法。达到以下两个目的：

一是把旋转整流器的二极管用晶闸管取而代之，采用无线触发控制晶闸管，这样就能使励磁和灭磁特性大为改观；二是创新灭磁过程中建压、换流、移能、耗能的新原理，利用电力电子软开关技术对灭磁主回路拓扑结构进行优化，降低灭磁过程中的过电压和开关损耗，有效保护发电机灭磁开关、励磁绕组和灭磁电阻。

该方法促进磁场断路器和灭磁电阻的配合，降低磁场断路器和灭磁电阻的在容量、耐压和通流等方面的要求，这是突破传统灭磁原理、改善灭磁断路器和灭磁电阻工作条件的关键。

其具体技术方案为：

一种刷励磁发电机灭磁特性的装置，包括励磁回路，所述励磁回路中设有晶闸管无线控制的信号电路，所述励磁回路中并入软开关回路，控制信号电路包括电源部分、信号接受部分、信号放大部分、触发电路四部分。

进一步，所述晶闸管无线控制的信号电路包括无线信号接收电路、AD/DC电源模块、DC/DC模块、带CPU异相触发控制电路、主电路整流桥可控硅、阻容吸收支路、同步信号及电源变压器；

电源部分从晶闸管整流电路的阻容吸收支路中的电阻上耦合取能。为获取相应电压的交流电，采用变压器隔离和降压。然后进行整流，得到12V直流电压，供放大和触发电路使用；通过DC/DC模块，斩波得到5V电压，供带CPU的移相触发控制电路和无线信号接收电路使用。

同步信号是可控硅整流器触发控制必须的，也从阻容吸收支路的电阻上取，用变压器隔离和降压，所以同步信号与工作电源采用一个有两个副边的变压器。

无线信号接受电路用于接收控制信号，并传送给CPU。带CPU的移相触发控制电路，根据无线电信号接受模块送来的控制信号和同步信号，经计算后，发出触发可控硅的触发脉冲。触发脉冲经三个三极管构成脉冲放大电路，CPU与R1连接的引脚输出高电平，Q1导通，引起Q2导通，Q2再引起Q3导通，从而给可控硅加上触发脉冲。所有二极管用于保护，稳压管用于限幅，电阻用于分压或限流。

一种无刷励磁发电机灭磁特性的方法，包括以下步骤：

励磁装置得到励磁系统退出命令，即在时间t1处，此时本灭磁系统开始启动，同时励磁整流装置停止整流触发，在时间t2处触发全控型器件GTO1、GTO2，使其导通，开始励磁系统主电路电流换流和软开关电容放电过程，时间t1、t2之间相差5毫秒，随后励磁主回路开关MK在t3时刻打开，时间t2、t3之间相差40-60毫秒，励磁绕组中能量开始为并联电容反向充电，在时间t4时刻关闭全控型器件GTO1、GTO2，开始非线性电阻和线性电阻耗能阶段，时刻t4在不同的系统中各不相同，由系统内部电压监测信号给出。

三相交流电经过晶闸管控制的整流电路输出直流电，C1、C2为灭磁主充电电容，同时在励磁系统正常工作中起滤波的作用，R1、R2、R3线性电阻在灭磁过程中消耗一部分磁场能量，全控型器件GTO1、GTO2根据外部继电保护信号和内部电压建压大小判断其开断，以达到软关断的目的，灭磁电阻R为ZnO非线性电阻，作为主要的耗能原件，励磁绕组等效为纯电感原件L。在励磁系统正常运行过程中，该灭磁装置并联在励磁绕组上，对发电机励磁正常运行没有任何影响，且回路对整流输出电流的高次谐波进行滤波，有利于发电机安全可靠运行，在该回路进行滤波的同时，对主电容C1、C2进行充电，为灭磁过程中软开关启动时刻做准备。

该灭磁系统的主动灭磁能力使其更加适应不同容量发电机的要求，当发电机需要停运灭磁时，发电机检测内外部故障的保护装置或其他灭磁指令发出相应的动作指令，首先关闭晶闸管整流器整流触发脉冲，并触发全控型器件GTO1、GTO2导通，使励磁主回路电流转移到该灭磁系统中，在此过程中，由高频谐波充电的电容器开始放电，迫使励磁主回路电流降低，在二者的双重作用下，励磁主回路电流下降为零，此时拉开励磁主回路开关MK，实现励磁主开关的零电流关断，励磁电源与励磁系统分离，有利于系统快速灭磁的实现。开关MK拉开之后，励磁绕组等值电感中的能量开始向并联电容反向充电，电压监测系统监测1、2点的电压U12和3、4点的电压U34，并求其代数和，来作为全控型器件GTO1、GTO2开断的逻辑判断信号，当二者的建压达到非线性灭磁电阻的启动电压时，励磁绕组停止给并联电容反向充电，关断全控型器件GTO1、GTO2，此时电容C1、C2呈串联结构，构成的电压为二者的电压和，构成足够高的电压启动非线性电阻，以改善非线性电阻的导通条件，并实现了“并联充电，串联放电”，最终磁场中的剩余能量被非线性电阻ZnO和三块线性电阻消耗，达到快速灭磁的目的。

步骤1、无刷发电机继电保护动作或发电机断路器跳闸，启动灭磁装置软开关系统工作；

步骤2、检测发电机端电压及转子电流，迭代计算铁心饱和条件下的灭磁边界条件及灭磁参数计算；

步骤3、启动软开关灭磁装置工作，创造灭磁零点，检测励磁整流端口输出电流是否小于灭磁参数要求的电流；

步骤4、当励磁整流端口输出电流小于灭磁参数要求的电流，启动晶闸管无线触发装置发出触发脉冲，如励磁整流端口输出电流大于于灭磁参数要求的电流，继续让电力电子软开关工作，直到满足灭磁要求；

步骤5、启动耗能非线性ZnO电阻，消耗励磁绕组上储存的电磁能量；

步骤6、检测通过励磁绕组电流和电压，小于一定值时，灭磁结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、突破无刷发电机的结构约束，采用晶闸管无线触发方式，给出了实现无限触发的电路示意图和触发时序；

2、突破传统灭磁电路中灭磁断路器和非线性电阻的瓶颈，引入电力电子软开关技术，创新灭磁过程中换流原理；

3、利用新的灭磁拓扑结构，在直流电流中创造过零点，为灭磁创造条件，同时降低了对灭磁断路器和非线性电阻的要求；

4、经分析和验证，该发明成果，提高了无刷发电机灭磁的快速性、安全性和可靠性。

附图说明

图1为无刷励磁回路原理图；

图2为无刷励磁系统各部件之间电气连接示意图；

图3 为晶闸管无线控制电路示意图；

图4 为晶闸管无线控制时序示意图；

图5为后的灭磁主电路；

图6 为灭磁过程图；

图7为电流变化曲线图；

图8为励磁主回路电压电流曲线；

图9为主电容建压图；

图10 为励磁等值电感电流波形；

图11 为基于软开关和无线触发的无刷灭磁系统技术路线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

刷励磁发电机灭磁特性的的实现。

为改善其励磁和灭磁特性，本发明将把整流二极管换成晶闸管，采用晶闸管无线控制。以大亚湾无刷励磁系统为例，各部件之间电气连接如图2所示。

本发明设计的无线触发电路如图3所示。这里仅展示励磁回路中一个晶闸管无线控制的信号电路。

该控制电路包括电源部分、信号接受部分、信号放大部分、触发电路四部分。

电源部分从晶闸管整流电路的阻容吸收支路中的电阻上耦合取能。为获取相应电压的交流电，采用变压器隔离和降压。然后进行整流，得到12V直流电压，供放大和触发电路使用；通过DC/DC模块，斩波得到5V电压，供带CPU的移相触发控制电路和无线信号接收电路使用。

同步信号是可控硅整流器触发控制必须的，也从阻容吸收支路的电阻上取，用变压器隔离和降压，所以同步信号与工作电源采用一个有两个副边的变压器。

无线信号接受电路用于接收控制信号，并传送给CPU。带CPU的移相触发控制电路，根据无线电信号接受模块送来的控制信号和同步信号，经计算后，发出触发可控硅的触发脉冲。触发脉冲经三个三极管构成脉冲放大电路，CPU与R1连接的引脚输出高电平，Q1导通，引起Q2导通，Q2再引起Q3导通，从而给可控硅加上触发脉冲。所有二极管用于保护，稳压管用于限幅，电阻用于分压或限流。

晶闸管控制时序，如图4所示。

发电机事故停机灭磁时序图如图2所示，励磁装置得到励磁系统退出命令，即在时间t1处，此时本灭磁系统开始启动，同时励磁整流装置停止整流触发，在时间t2处触发全控型器件GTO1、GTO2，使其导通，开始励磁系统主电路电流换流和软开关电容放电过程，时间t1、t2之间相差5毫秒，随后励磁主回路开关MK在t3时刻打开，时间t2、t3之间相差40-60毫秒，励磁绕组中能量开始为并联电容反向充电，在时间t4时刻关闭全控型器件GTO1、GTO2，开始非线性电阻和线性电阻耗能阶段，时刻t4在不同的系统中各不相同，由系统内部电压监测信号给出。

灭磁主回路拓扑

在传统励磁回路中，并入软开关回路，改善灭磁过程中建压、换流、移能、耗能的条件。具体电路如图5所示。

图5中，主回路除了传统的整流部分、磁场断路器MK、非线性电阻耗能部分、发电机绕组等之外，加入了电力电子软开关换流电路部分。基本工作过程为：三相交流电经过晶闸管控制的整流电路输出直流电，C1、C2为灭磁主充电电容，同时在励磁系统正常工作中起滤波的作用，R1、R2、R3线性电阻在灭磁过程中消耗一部分磁场能量，全控型器件GTO1、GTO2根据外部继电保护信号和内部电压建压大小判断其开断，以达到软关断的目的，灭磁电阻R为ZnO非线性电阻，作为主要的耗能原件，励磁绕组等效为纯电感原件L。在励磁系统正常运行过程中，该灭磁装置并联在励磁绕组上，对发电机励磁正常运行没有任何影响，且回路对整流输出电流的高次谐波进行滤波，有利于发电机安全可靠运行，在该回路进行滤波的同时，对主电容C1、C2进行充电，为灭磁过程中软开关启动时刻做准备。

该灭磁系统的主动灭磁能力使其更加适应不同容量发电机的要求，当发电机需要停运灭磁时，发电机检测内外部故障的保护装置或其他灭磁指令发出相应的动作指令，首先关闭晶闸管整流器整流触发脉冲，并触发全控型器件GTO1、GTO2导通，使励磁主回路电流转移到该灭磁系统中，在此过程中，由高频谐波充电的电容器开始放电，迫使励磁主回路电流降低，在二者的双重作用下，励磁主回路电流下降为零，此时拉开励磁主回路开关MK，实现励磁主开关的零电流关断，励磁电源与励磁系统分离，有利于系统快速灭磁的实现。开关MK拉开之后，励磁绕组等值电感中的能量开始向并联电容反向充电，电压监测系统监测1、2点的电压U12和3、4点的电压U34，并求其代数和，来作为全控型器件GTO1、GTO2开断的逻辑判断信号，当二者的建压达到非线性灭磁电阻的启动电压时，励磁绕组停止给并联电容反向充电，关断全控型器件GTO1、GTO2，此时电容C1、C2呈串联结构，构成的电压为二者的电压和，构成足够高的电压启动非线性电阻，以改善非线性电阻的导通条件，并实现了“并联充电，串联放电”，最终磁场中的剩余能量被非线性电阻ZnO和三块线性电阻消耗，达到快速灭磁的目的。

效果分析及验证

图1灭磁系统原理图设置电路主原件参数，灭磁主充电电容C1、C2为1000μF，R1电阻值为5Ω，R2电阻值为0.01Ω，R3电阻值为10Ω，励磁绕组L为0.3H，灭磁电阻R为ZnO非线性电阻，其启动电压为2300V。

正常情况下，通过回路，各高次谐波给两个主电容充电，其电压平均值为2204V，为事故灭磁时刻做准备。当发电机开始灭磁时，停止整流电路触发脉冲，并打开全控型器件GTO，形成如图6（1）所示的电路模型。

当t=0.0065s时，电流降为零，此时励磁主回路开关打开，形成了如图6（2）的电路模型，当∆t=0.0635s时，主电容建压1174.4V，达到非线性灭磁电阻导通条件并启动，从开始灭磁到非线性电阻启动所用时间为0.07s，实现非线性电阻的快速启动，达到了快速灭磁的目的。励磁主回路电流变化波形如图7所示。

下面，对励磁主回路电压电流、主电路建压过程及发电机励磁绕组电流等重要参数特性进行仿真分析和验证。发电机灭磁过程是一个复杂了机电过程，需将各灭磁原件理想化处理，大型发电机系统仿真，空载误强励状态按照额定励磁电流的3倍计算，约为13000A。根据以上分析，运用MATLAB对该灭磁系统进行仿真。

励磁主回路电压电流曲线如图8所示，当励磁系统在2.16秒达到大型发电机空载误强励状态后，开始启动发电机软开关灭磁系统，在电流换流电路和软开关的双重作用下，电流迅速降为零，此时拉开励磁主回路开关MK，虽然同样产生了6.5×10⁴V的过电压，但此时电流已经降为零，在拉开主回路开关MK时间段内不产生燃弧，主回路开关MK可以安全打开。

主电容建压图如图9所示，在励磁系统正常工作时，整流输出电流的高次谐波通过主电容回路为两个主电容充电，当灭磁开始时，主电容开始向外放电，与换流回路一起将励磁主回路电流降为零，同时励磁绕组反向向主电容开始充电，当励磁主回路开关MK打开后，主电容产生足够高的电压，开始由并联连接切换为串联连接，并反向放电，开始消耗内部能量。

励磁等值电感电流波形如图10所示，当在2.16s时达到发电机内部故障事故环境，通过新型灭磁系统的快速灭磁实施，励磁等值电感电流开始下降，大约在2.56秒时，完全降为零，此灭磁过程大约持续0.4秒即可完成。

图11为基于软开关和无线触发的无刷灭磁系统技术路线示意图。包含了软开关和无线触发相关工作过程、基本原理和评价指标。·

结论

按照三峡电厂水轮机发电机组的参数特性，满足空载额定的理想灭磁条件的事故灭磁的参数配置为Tm o=0.167Tdo，约为1.8秒，事故短路灭磁时间应为T'd/6≈0.6秒左右，这是事故灭磁快速有效在两种典型工况下的具体指标，是合格的事故灭磁功效的量化指标和衡量准则。根据上述仿真结果可以看出，在空载误强励状态下灭磁时间约为0.4秒，满足事故快速有效灭磁的要求，可以认为该设计达到了预期的效果。但其不足之处在于，电路结构由并联切换到串联时，由于参数设置等因素，导致两个电容所处支路的电流不同，在切换时刻后的0.05毫秒内产生一定的冲击，对电容的安全造成一定的危害，需进一步优化系统参数，有待进一步的研究。

通过对运用的电力电力器件运行的分析，充分运用励磁系统的能量，将励磁整流回路电流中的高次谐波为主电容充电，不仅提高了励磁设备运行的稳定性，同时使该灭磁系统时刻处于灭磁准备阶段，无论何时都能够使该灭磁系统快速的投入，并能快速的实现灭磁，实现了事故灭磁的最基本的要求。同时有效地证明了新型灭磁建压方案“并联充电，串联放电”的可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置，其特征在于，包括励磁回路，所述励磁回路中设有晶闸管无线控制的信号电路，所述励磁回路中并入软开关回路，所述信号电路包括电源部分、信号接受部分、信号放大部分、触发电路四部分；所述晶闸管无线控制的信号电路包括无线信号接收电路、AC/DC电源模块、DC/DC模块、带CPU异相触发控制电路、主电路整流桥可控硅、阻容吸收支路、同步信号及电源变压器；

电源部分从晶闸管整流电路的阻容吸收支路中的电阻上耦合取能；为获取相应电压的交流电，采用变压器隔离和降压；然后进行整流，得到12V直流电压，供放大和触发电路使用；通过DC/DC模块，斩波得到5V电压，供带CPU的移相触发控制电路和无线信号接收电路使用；

同步信号是可控硅整流器触发控制必须的，也从阻容吸收支路的电阻上取，用变压器隔离和降压，所以同步信号与工作电源采用一个有两个副边的变压器；

无线信号接受电路用于接收控制信号，并传送给CPU；带CPU的移相触发控制电路，根据无线电信号接受模块送来的控制信号和同步信号，经计算后，发出触发可控硅的触发脉冲；触发脉冲经三个三极管构成脉冲放大电路，CPU与电阻R1连接的引脚输出高电平，三极管Q1导通，引起三极管Q2导通，三极管Q2再引起三极管Q3导通，从而给可控硅加上触发脉冲；所有二极管用于保护，稳压管用于限幅，电阻用于分压或限流。

2.一种无刷励磁发电机灭磁特性的方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的装置包括以下步骤：

步骤1、继电保护装置动作，启动灭磁装置工作；

步骤2、灭磁装置发出控制信号，转子信号接收部分接收到信号，启动软开关灭磁装置工作，创造灭磁零点；

步骤3、检测灭磁开关电流，接近0时，启动灭磁开关拉开灭磁；

步骤4、启动耗能电阻，消耗励磁绕组上储存的电磁能量；

步骤5、检测通过励磁绕组电流和电压，小于一定值时，灭磁结束。