電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)條件

湘潭電機(jī)股份有限公司、中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司、機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所。

王步瑤、楊國(guó)偉、果巖等。2100433B

本標(biāo)準(zhǔn)適用于電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“發(fā)電機(jī)”），其他類(lèi)型的發(fā)電機(jī)可參照使用。

無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)，勵(lì)磁電流不通過(guò)電刷和集電環(huán)送入的一種同步電機(jī)。軸上附有旋轉(zhuǎn)電樞型的交流勵(lì)磁機(jī),勵(lì)磁機(jī)輸出的交流電經(jīng)過(guò)安裝在轉(zhuǎn)軸上的整流器成為直流電,直接送入該同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組。

同步電機(jī)勵(lì)磁電源同步電機(jī)勵(lì)磁電源特點(diǎn)

同步電機(jī)勵(lì)磁電源的負(fù)載是電機(jī)的勵(lì)磁繞組，它是一個(gè)感性負(fù)載，若要求電源的輸出電流是連續(xù)的，當(dāng)整流電路采用三相晶閘管橋式整流器時(shí)，各整流臂上的晶閘管的導(dǎo)通角應(yīng)該為120°；在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)、同步電機(jī)負(fù)載沖擊等情況下，要求同步電機(jī)不失步。恒電流勵(lì)磁系統(tǒng)和恒無(wú)功功率調(diào)節(jié)的勵(lì)磁系統(tǒng)可以滿足這種要求。因此，同步電機(jī)勵(lì)磁電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)要求電源輸出電壓為額定電壓的40%～100%時(shí)，電源能提供額定電流，以保證勵(lì)磁系統(tǒng)能正常工作；

(2)在恒電流勵(lì)磁系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓在其額定值的80%～105%的范圍內(nèi)波動(dòng)，勵(lì)磁繞組電阻熱態(tài)阻值的增量不大于冷態(tài)阻值的10%時(shí)，勵(lì)磁電流應(yīng)有±5%的變化范圍；

(3)在恒無(wú)功功率調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)中，當(dāng)同步電機(jī)的負(fù)載從空載到兩倍額定負(fù)載范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，同步電機(jī)無(wú)功功率的變動(dòng)應(yīng)小于10%；

(4)為適應(yīng)同步電機(jī)的強(qiáng)勵(lì)，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到其額定值的80%時(shí)，對(duì)于恒電流勵(lì)磁系統(tǒng)，強(qiáng)勵(lì)電壓為勵(lì)磁電源額定輸出電壓的140%，對(duì)于恒無(wú)功功率勵(lì)磁系統(tǒng)，強(qiáng)勵(lì)電壓為勵(lì)磁電源額定輸出電壓的150%；

(5)強(qiáng)勵(lì)在不小于60s的時(shí)間內(nèi)，同步電機(jī)勵(lì)磁電源應(yīng)可靠工作。整流變壓器的電流過(guò)載能力是以小時(shí)計(jì)算的，60s的強(qiáng)勵(lì)時(shí)間在整流變壓器設(shè)計(jì)時(shí)可以不計(jì)，可以按額定電流和強(qiáng)勵(lì)電壓倍數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；勵(lì)磁電源電路中的晶閘管和熔斷器不能承受60s的強(qiáng)勵(lì)時(shí)間，在選擇晶閘管和熔斷器時(shí)，應(yīng)按過(guò)載倍數(shù)下的電流值來(lái)考慮；由于60s的強(qiáng)勵(lì)時(shí)間對(duì)冷卻系統(tǒng)無(wú)影響，可按額定輸出時(shí)的耗散功率來(lái)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)；電路的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)應(yīng)考慮同步電機(jī)勵(lì)磁電源的負(fù)載為感性以及強(qiáng)勵(lì)等特點(diǎn)。

(6)同步電機(jī)勵(lì)磁電源應(yīng)具有失步檢測(cè)和快速滅磁功能。

若勵(lì)磁狀態(tài)下同步電機(jī)出現(xiàn)失步，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子(勵(lì)磁繞組)會(huì)感應(yīng)出交流分量，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的長(zhǎng)時(shí)間作用下，可能引起機(jī)械和電氣共振，這種共振具有比較大的破壞作用。出現(xiàn)失步時(shí)，必須快速滅磁。

所以，同步電機(jī)勵(lì)磁電源必須具有快速滅磁電路；

同步電機(jī)失步時(shí)，所產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩是正負(fù)交替的，定子電流的有功分量出現(xiàn)周期性的負(fù)值。只要在定子電流的有功分量中檢測(cè)出負(fù)值電流，就可判定出現(xiàn)了失步，立即進(jìn)行滅磁。

同步電機(jī)勵(lì)磁電源同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁用整流器的特點(diǎn)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源的主流為晶閘管勵(lì)磁電源。由于同步發(fā)電機(jī)的種類(lèi)繁多，勵(lì)磁方式各不相同?，F(xiàn)將常用的幾種同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式簡(jiǎn)介如下。

1）單變壓器自勵(lì)方式

圖1為單變壓器自勵(lì)方式用晶閘管勵(lì)磁電源的原理圖。

圖1中的UR為整流電路，GS為同步發(fā)電機(jī)，TE為勵(lì)磁變壓器，TA為電流互感器，TV為電壓互感器，PG為脈沖發(fā)生器，AUR為自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。若整流電路采用晶閘管橋式半控整流電路時(shí)，由于晶閘管橋式半控整流電路對(duì)上升信號(hào)和下降信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間不同。對(duì)上升信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間取決于飽和輸出電壓，而飽和輸出電壓與晶閘管的最小延遲角αmin和電源電壓值有關(guān)。而在下降信號(hào)的作用下，磁場(chǎng)電流通過(guò)續(xù)流二極管VD1發(fā)生衰減，降壓速度變緩。為了改變這種狀況，可以

采用晶閘管橋式全控整流電路。此時(shí)，選用晶閘管時(shí)，應(yīng)加大晶閘管的容量，以便在磁場(chǎng)時(shí)間常數(shù)下，能夠通過(guò)額定勵(lì)磁電流。

2）復(fù)合勵(lì)磁方式

在自勵(lì)方式中，若發(fā)電機(jī)母線電壓有較大的跌落，勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)特性要變差。在此種情況下，可選用復(fù)合勵(lì)磁方式加以補(bǔ)償。

復(fù)合勵(lì)磁方式用晶閘管勵(lì)磁電源的方框圖如圖2所示。圖2與圖1相比較，可以看出，復(fù)合勵(lì)磁方式是單勵(lì)磁變壓器TE與電流互感器TA2復(fù)合的勵(lì)磁方式。GP為永磁發(fā)電機(jī)。

從圖2可以看出，整流電路UR的輸入電源來(lái)自兩個(gè)方面。其一是取自于勵(lì)磁變壓器TE中與發(fā)電機(jī)GS端電壓成正比的電壓分量；其二是取自于電流-電壓變換器(電流互感器TA2與電壓互感器

TV的組合)中與發(fā)電機(jī)GS輸出電流成正比的電流分量。由于電流-電壓變換器的二次電感很大，主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組為感性負(fù)載，換流時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電壓波形畸變，如果將這個(gè)波形畸變的電壓作為晶閘管的同步信號(hào)，將使控制電路失控。為了避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)采用模擬裝置取出觸發(fā)同步信號(hào)。該模擬裝置應(yīng)具有勵(lì)磁變壓器和電流-電壓變換器的特性，在任何狀態(tài)下均能得到與整流電路輸入電壓波形和相位相同的同步信號(hào)。

另外，在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中，要求設(shè)置過(guò)電流限制電路，以防止在過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)母線發(fā)生短路故障時(shí)，發(fā)電機(jī)短路電流和晶閘管輸出電流的過(guò)度增長(zhǎng)。

復(fù)合勵(lì)磁方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)由于可以采取過(guò)補(bǔ)償，系統(tǒng)母線電壓降低時(shí)，也能得到較好地快速勵(lì)磁，即使在發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)，仍具有強(qiáng)制勵(lì)磁能力，并且發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)的輸出持續(xù)電流可以任意設(shè)定；

(2)若在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中設(shè)置了過(guò)電流限制單元，僅采用復(fù)合勵(lì)磁方式中的單變壓器自勵(lì)電路就可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)干燥運(yùn)行；

3）通過(guò)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)向主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電源的方式

(1)無(wú)換向器勵(lì)磁方式

無(wú)換向器勵(lì)磁方式的方框圖如圖3所示。圖3與圖1相比較，可以看出，增加了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GEA和附加整流電路UR1(UR1為三相硅二極管整流器)，GEA向UR1供電，UR1的輸出電流經(jīng)主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子滑環(huán)，流經(jīng)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。

(2)無(wú)刷勵(lì)磁方式

圖4為無(wú)刷勵(lì)磁方式的方框圖。從電路結(jié)構(gòu)上來(lái)看，圖4與圖3相同，但在機(jī)械結(jié)構(gòu)上兩者有很大的區(qū)別。無(wú)刷勵(lì)磁方式中的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GEA與主發(fā)電機(jī)GS同軸旋轉(zhuǎn)，GEA的定子繞組作為本身的勵(lì)磁繞組有晶閘管整流器供電，GEA的轉(zhuǎn)子繞組直接向硅二極管旋轉(zhuǎn)整流器UR1供電，省去了換向器。UR1安裝在軸的頂端，與發(fā)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，UR1的直流輸出直接接到主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，省去了主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的滑環(huán)。

這種勵(lì)磁方式的最大缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)整流器與發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，要承受巨大的離心力，為防止離心力的破壞，可將旋轉(zhuǎn)整流器與軸用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成一體。