CN1595792A

CN1595792A - 同步发电机半导体励磁系统

Info

Publication number: CN1595792A
Application number: CN 200410024289
Authority: CN
Inventors: 王旭; 王鹏万
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2005-03-16

Abstract

一种同步发电机半导体励磁系统。本发明针对现有励磁系统不稳定和故障率高的不足提出了一种同步发电机半导体励磁系统。它由于采用铁磁稳压器保证稳流输出，因而具有造价低、使用灵活、故障率低，可靠性高等特点。它包括机端变压器、整流变压器、整流电路、灭磁回路、控制回路、铁磁稳压器、感应调压器及与之匹配的伺服电机。本发明主要用于发电机励磁系统。

Description

同步发电机半导体励磁系统

技术领域

本发明涉及一种发电机部件，尤其涉及一种同步发电机半导体励磁系统。

背景技术

我国目前的中小型发电机组采用的励磁方式大致有两种。一种是传统的直流励磁机励磁，优点是电气方面可靠性高，缺点是工程投资大，响应速度慢，机械运转部件的故障率高，维护工作量大，维护周期长，使用不灵活。另一种是采用可控硅作整流输出的半导体励磁系统，分模拟控制和数字控制两种，无论采用哪一种控制方案，均需使用大量电子元件，因而导致故障率较高，系统运行不稳定。为了提高可控硅励磁系统的可靠性，国内许多厂家一般采用两套以上的控制系统，即一套用于正常运行，其它热备用。虽然这种励磁系统相对于直流励磁机励磁系统而言投资少、使用灵活、易于维修，但是故障率高是其难以克服的缺点。

发明内容

本发明针对现有励磁系统不稳定和故障率高的不足提出了一种同步发电机半导体励磁系统。它由于采用铁磁稳压器保证稳流输出，因而具有造价低、使用灵活、故障率低，可靠性高等特点。

本方案是通过如下技术措施来实现的：包括机端变压器、整流变压器、整流电路、灭磁回路、控制回路、与机端电压互感器连接的电压采样比较控制回路，所述整流变压器次级与整流电路的输入端连接，整流电路输出端与灭磁回路和励磁绕组并联，其特点是，还设置有铁磁稳压器、感应调压器及与之匹配的伺服电机，所述机端变压器一次侧与发电机输出端连接，其二次侧与铁磁稳压器输入端连接，铁磁稳压器输出端与感应调压器输入端连接，感应调压器输出端与整流变压器一次侧连接，所述控制回路输入端与机端变压器二次侧连接，其输出端与伺服电机连接，所述伺服电机为锥形转子三相异步电动机、所述整流电路包括供励磁用的三相桥式二极管整流电路和与之并联的强励三相桥式二极管整流电路，所述整流电路的输入端与整流变压器的连接是指，整流变压器3个次级线圈一端呈星形连接，三相桥式二极管整流电路与整流变压器3个次级线圈上的抽头分别连接，强励三相桥式二极管整流电路对应与3个线圈的另一端连接，该抽头将整流变压器次级线圈分为励磁绕组和强励绕组，所述励磁绕组和强励绕组的匝数比为1.4～2.5。本方案的具体特点还有，所述铁磁稳压器包括3组谐振回路及跨接在3组谐振回路两端的刀闸，每组谐振回路输入端分别与机端变压器二次侧连接，其输出端与感应调压器输入端连接，所述谐振回路包括谐振电容、线性电感线圈、电压补偿线圈、非线性磁饱和线圈，所述非线性磁饱和线圈与谐振电容并联，所述非线性磁饱和线圈一端与其它2只非线性磁饱和线圈呈星形连接，其另一端与电压补偿线圈连接，所述线性电感线圈一端与机端变压器二次侧连接，其另一端与非线性磁饱和线圈上的抽头连接，所述线性电感线圈与电压补偿线圈串联且绕在同一铁芯上的成为线性变压器，电压补偿线圈和线性电感线圈的电压方向相反，通过电压补偿线圈的作用，整个谐振回路能在输入电压变化时，其输出电压反向变化，具有励磁系统所要求的反调功能。在谐振电路上增加三只一端呈星形连接的电容，每只电容的另一端串联控制继电器触点后并联连接到电压补偿线圈与非线性磁饱和线圈连接点。所述励磁绕组和强励绕组的匝数比优选1.8或2。所述控制回路包括与机端变压器的次级400伏侧的输出端子连接的刀开关，与刀开关串接的熔断器，以及在熔断器后分开的伺服电机控制回路和继电器控制回路，所述伺服电机控制回路通过交替吸和的2组继电器触点与伺服电机连接，控制伺服电机正反转，所述继电器控制回路包括降压变压器和与其次级线圈连接的继电器控制电路。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知。由于采用铁磁稳压器、感应调压器及与之匹配的伺服电机和可靠性比可控硅高的二极管作整流输出，因而避免使用大量的电子元件，所以降低了系统故障率。在采用了铁磁稳压器的技术方案后，保证励磁系统稳流输出。采用感应式调压器机电一体化结构，实现了电压跟踪调整自动控制。本发明与现有技术相比，实现了的技术目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为本发明电路框图；

图2为本发明主回路电气原理图；

图3为控制回路电气原理图；

图4为电压采样比较控制回路电气原理图；

图5为铁磁稳压器原理图；

具体实施方式

如图1所示，本发明包括机端变压器、铁磁稳压器、感应调压器及与之匹配的伺服电机、整流变压器、整流电路、灭磁回路、控制回路、电压采样比较控制回路组成，所述机端变压器一次侧与发电机输出端连接，其二次侧与铁磁稳压器输入端连接，铁磁稳压器输出端与感应调压器输入端连接，感应调压器输出端与整流变压器一次侧连接，所述控制回路输入端与机端变压器二次侧连接，其输出端与伺服电机连接，电压采样比较控制回路输入端与机端电压互感器PT二次侧连接，电压采样比较控制回路输出端与控制回路连接。所述整流变压器次级与整流电路的输入端连接，整流电路输出端与灭磁回路和励磁绕组并联。

如图2所示，本发明同步发电机半导体励磁系统主回路工作过程说明：自同步发电机的机端电压经熔断器RD1、RD2、RD3至机端变压器B1。机端变压器B1输出电压变为400伏，但此时机端变压器B1输出电压是随机端电压变化的，为此设置了铁磁稳压器B2。当机端变压器输出电压波动较小时，铁磁稳压器B2保持400伏稳压输出，同时确保在感应调压器B3不动作的状态下，整个励磁系统稳流输出。当机端变压器输出电压波动较大时，铁磁稳压器B2小幅反调输出。如图5所示，当机端变压器输出电压下降较大时，铁磁稳压器B2中谐振电路的辅助控制回路将三只一端呈星形连接的电容与其串联的控制继电器触点并联连接到电压补偿线圈与非线性磁饱和线圈连接点上，使铁磁稳压器B2获得较高稳压输出。与此同时，感应调压器B3及与之匹配的伺服电机开始动作，使感应调压器B3输出电压增高，满足励磁功率的要求。在发电机起励时关闭开关K1，让铁磁稳压器B2不工作，待升压结束后，断开K1，让铁磁稳压器B2参与工作。

感应调压器B3调压时无机械接触，提高了励磁系统的可靠性，它的作用是在伺服电机的带动下，完成励磁系统的自动调压或手动调压。它的另一个作用是发电机在起励升压过程中，当控制系统因无电压或电压低而不能正常工作时，该调压器设有手动离合器和调整手轮，可以把离合器断开，分离电动调压装置，改用手动调压。当控制系统电压升至合适工作电压后，将离合器接合，恢复电动调压。所述伺服电机为锥形转子三相异步电动机、

整流变压器B4的作用，一是根据不同发电机组的励磁要求，提供合适的整流桥用电源；二是提供整流桥需要的发电机强励功率。

所述整流电路包括供励磁用的由三相桥式二极管整流电路和与之并联的强励三相桥式二极管整流电路组成，所述整流电路的输入端与整流变压器的连接是指，整流变压器3个次级线圈一端呈星形连接，三相桥式二极管整流电路与整流变压器3个次级线圈上的抽头分别连接，强励三相桥式二极管整流电路与3个线圈的另一端对应连接，该抽头将整流变压器次级线圈分为励磁绕组和强励绕组，所述励磁绕组和强励绕组的匝数比为1.4～2.5。所述励磁绕组和强励绕组的匝数比优选1.6或1.8或2或2.2或2.5。

二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6构成励磁用的二极管主整流桥，二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12构成强励整流桥。灭磁电阻R1和灭磁续流二极管D13构成灭磁回路，灭磁回路通过刀开关K2与发电机的励磁绕组L11连接。因灭磁回路自动灭磁，励磁刀开关K2的作用已不是灭磁开关，而是起普通的刀开关作用。

如图3所示，同步发电机励磁系统控制回路工作过程说明：机端变压器B1的次级400伏侧输出电压至A1、B1、C1端后经过刀开关K3和熔断器RD6、RD7、RD8，分为伺服电机控制回路和继电器控制回路，伺服电机控制回路通过2组继电器触点J-1、J-2、J-3和J1-1、J1-2、J1-3的交替吸合，控制伺服电机M的正反转，带动感应调压器B3调压。继电器控制回路自任意两相引出后经熔断器RD4、RD5至降压变压器B5向控制回路供电。

为确保励磁系统的可靠性，自动/手动控制转换开关K4接合时，机端电压自动调整，但此时仍具有手动调整功能，而且当手动调整时，自动调整完全退出运行。手动调整完毕后，自动调整功能自动恢复，当K4断开时，完全手动调整，其工作过程如下：

(1)自动调整电压上升。在自动/手动控制转换开关K4接合时，当电压采样比较控制电路检测到机端电压低于设定值时，电压采样比较控制电路发出指令给继电器J5，继电器常开触点J5-1接通，此时电流经自动/手动控制转换开关K4、继电器常开触点J5-1、继电器常闭触点J3-2和J1-4、继电器J、限位开关K6至电源另一端，继电器J吸合，继电器常开触点J-1、J-2、J-3接通，伺服电机运转，带动感应调压器升压，当电压采样比较控制电路检测到电压至设定值时，电压采样比较控制电路使继电器J5失电，继电器常开触点J5-1断开，伺服电机停止转动。

降压过程控制与上述过程相反。当电压采样比较控制电路检测到机端电压高于设定值时，电压采样比较控制电路发出指令给继电器J6，继电器常开触点J6-1接通，此时电流经自动/手动控制转换开关K4、继电器常开触点J6-1、继电器常闭触点J2-2和J-4、继电器J1、限位开关K7至电源另一端，继电器J1吸合，继电器常开触点J1-1、J1-2、J1-3接通，伺服电机运转，带动感应调压器降压，当电压采样比较控制电路检测到电压至设定值时，电压采样比较控制电路使继电器J6失电，继电器常开触点J6-1断开，伺服电机停止转动。

(2)手动调整电压上升。自动/手动控制转换开关K4断开，励磁系统在手动运行状态时，当工作人员通过仪表检测到电压下降时，手动开关K5接通触点1，2，电流经继电器常闭触点J3-3、继电器J2吸合，继电器常开触点J2-1接通。电流经常闭触点J1-4、继电器J、限位开关K6时，继电器J吸合。继电器常开触点J-1、J-2、J-3接通，伺服电机带动感应调压器升压至电压设定值时，手动调压结束。

手动调整电压下降过程与上述过程相反，当工作人员通过仪表检测到电压上升时，手动开关K5接通触点1，3，电流经继电器常闭触点J2-3、继电器J3吸合，继电器常开触点J3-1接通。电流经继电器常闭触点J-4、继电器J1、限位开关K7时，继电器J1吸合。继电器常开触点J1-1、J1-2、J1-3接通，伺服电机带动感应调压器降压至电压设定值时，手动调压结束。

当强励电压继电器J7检测到电压下降至需要强励电压时，J7吸和，继电器常开触点J7-1接通，强励继电器J4吸和，继电器常开触点J4-1、J4-2、J4-3接通，对发电机进行大于1.6倍的强行励磁。

当电压继电器J8检测到电压下降至设定值时，J8吸和，继电器常开触点J8-1接通，谐振回路辅助继电器J9吸和，继电器常开触点J9-1、J9-2、J9-3接通，在谐振电路中三只一端呈星形连接的电容分别并联连接到各谐振回路中的电压补偿线圈与非线性磁饱和线圈连接点OP上，提高铁磁稳压器B2输出电压。

如图4所示，同步发电机半导体励磁系统电压采样比较控制部分工作过程说明：变压器B6初级并联连接有强励电压继电器J7和电压继电器J8，变压器B6初级与发电机机端电压互感器PT二次连接，由三极管G2、G3、继电器J5、J6和运算放大器IC，组成反相放大电路，其工作电源由二极管D14、D15、D16、D17、D22整流后提供，电阻R11起限流作用，用电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和电位器W组成电桥电路。电路中H、F两点间的电位差随电源电压变化而变化。变压器B6初级电压为100伏时，调节电位器W，使H、F两点间电位差为零，此时电桥电路处于平衡状态。运算放大器IC输出为零。所以三极管G2和G3基极无偏压，三极管G2和G3截止，继电器J6、J5不动作，伺服电机M不转动。

当变压器B6初级电压升高时，由于稳压管D20和二极管D21两端电压恒定，而F点电位升高，运算放大器IC输出负电位，三极管G3导通，继电器J6吸合，因而常开触点J6-1导通。伺服电机M带动感应调压器向降压方向移动，励磁电流减小，发电机电压下降，发电机机端电压互感器PT二次电压下降，同时F点电位开始下降，当H、F两点电位重新相等时，运算放大器IC无输出，三极管G3截止，继电器J6释放，继电器常开触点J6-1断开，继电器J1释放，继电器常开触点J1-1，J1-2，J1-3断开，伺服电机停止转动，发电机电压输出在设定值。当发电机输出电压下降，同时F点电位也下降时，运算放大器IC输出正偏压，三极管G2导通，继电器J5吸和，使伺服电机M带动感应调压器向升压方向移动时，励磁电流加大，发电机电压上升，发电机机端电压互感器PT二次电压上升，同时F点电位开始上升，当H、F两点电位重新相等时，伺服电机停止转动，发电机电压输出在设定值。

电阻R12是IC放大器的负反馈电阻。电容C4、C2、C10是电源滤波电容器，电阻R2、稳压二极管D23、D24、电容C1、C5、C6、C7组成IC反相放大器的基准电位，二极管D25、电阻R14、R13和三极管G1组成过电压保护电路。

如图5所示，铁磁稳压器B2中的谐振回路包括线性电感线圈L1、电压补偿线圈L2、非线性磁饱和线圈L3、谐振电容器C20。非线性磁饱和线圈L3饱和后，当输入电压变化时，线性电感线圈L1和非线性磁饱和线圈L3的电流也变化，但由于非线性磁饱和线圈L3作用，线性电感线圈L1的电压变化很小，从而保证了非线性磁饱和线圈L3的输出电压相对稳定。

通过谐振电容器C20和非线性磁饱和线圈L3的谐振，从而既保证了非线性磁饱和线圈L3的可靠饱和，又从电源吸取很小的电流，起到了节能且提高功率因数的作用。

在谐振电路中三只一端呈星形连接的电容C21的作用是：当发电机机端电压互感器PT二次100V端的电压继电器J8检测到电压下降至设定值时，J8吸和，继电器常开触点J8-1接通，谐振回路辅助继电器J9吸和，继电器常开触点J9-1、J9-2、J9-3接通，在谐振电路中三只一端呈星形连接的电容分别并联连接到各谐振回路中的电压补偿线圈与非线性磁饱和线圈连接点OP上，提高铁磁稳压器B2输出电压，使整个励磁系统运行更加可靠。

Claims

1一种同步发电机半导体励磁系统，包括机端变压器、整流变压器、整流电路、灭磁回路、控制回路、与机端电压互感器连接的电压采样比较控制回路，所述整流变压器次级与整流电路的输入端连接，整流电路输出端与灭磁回路和励磁绕组并联，其特征是，还设置有铁磁稳压器、感应调压器及与之匹配的伺服电机，所述机端变压器一次侧与发电机输出端连接，其二次侧与铁磁稳压器输入端连接，铁磁稳压器输出端与感应调压器输入端连接，感应调压器输出端与整流变压器一次侧连接，所述控制回路输入端与机端变压器二次侧连接，其输出端与伺服电机连接，所述伺服电机为锥形转子三相异步电动机，所述整流电路包括供励磁用的由三相桥式二极管整流电路和与之并联的强励三相桥式二极管整流电路，所述整流电路的输入端与整流变压器的连接是指，整流变压器3个次级线圈一端呈星形连接，三相桥式二极管整流电路与整流变压器3个次级线圈上的抽头分别连接，强励三相桥式二极管整流电路对应与3个线圈的另一端连接，该抽头将整流变压器次级线圈分为励磁绕组和强励绕组，所述励磁绕组和强励绕组的匝数比为1.4～2.5。

2、根据权利要求1所述的同步发电机半导体励磁系统，其特征是，所述铁磁稳压器包括3组谐振回路及跨接在3组谐振回路两端的开关，每组谐振回路输入端分别与机端变压器二次侧连接，其输出端与感应调压器输入端连接，所述谐振回路包括谐振电容、线性电感线圈、电压补偿线圈、非线性磁饱和线圈，所述非线性磁饱和线圈与谐振电容并联，所述非线性磁饱和线圈一端与其它2只非线性磁饱和线圈呈星形连接，其另一端与电压补偿线圈连接，所述线性电感线圈一端与机端变压器二次侧连接，其另一端与非线性磁饱和线圈上的抽头连接，所述线性电感线圈与电压补偿线圈串联且绕在同一铁芯上成为线性变压器，电压补偿线圈和线性电感线圈的电压方向相反，通过电压补偿线圈的作用，整个谐振回路能在输入电压变化时，其输出电压反向变化，具有励磁系统所要求的反调功能。

3、根据权利要求2所述的同步发电机半导体励磁系统，其特征是，在谐振电路中增加三只一端呈星形连接的电容，每只电容的另一端串联控制继电器触点后并联连接到电压补偿线圈与非线性磁饱和线圈连接点。

4、根据权利要求1所述的同步发电机半导体励磁系统，其特征是，所述励磁绕组和强励绕组的匝数比为1.8或2。

5、根据权利要求1所述的同步发电机半导体励磁系统，其特征是，所述控制回路包括与机端变压器的次级400伏侧的输出端子连接的刀开关，与刀开关串接的熔断器，以及在熔断器后分开的伺服电机控制回路和继电器控制回路，所述伺服电机控制回路通过2组继电器触点与伺服电机连接，控制伺服电机正反转，所述继电器控制回路包括降压变压器和与其次级线圈连接的继电器控制电路。