王 芳

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 問(wèn)題的引出

近年來(lái)在很多同步發(fā)電機(jī)招標(biāo)書中對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)都提出了這樣的要求：提供靜止勵(lì)磁系統(tǒng)、應(yīng)是高起始響應(yīng)型的。這是一種誤解，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中不存在高起始響應(yīng)，高起始響應(yīng)只存在于交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中。筆者寫此文對(duì)此誤解給予澄清。

2 “高起始響應(yīng)”的產(chǎn)生

勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間是勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)指標(biāo)，其定義可參見(jiàn)國(guó)標(biāo)GB/T 7409.1。國(guó)標(biāo)中還定義了電壓響應(yīng)時(shí)間≤0.1s的勵(lì)磁系統(tǒng)被稱為高起始響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)。

靜止勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間主要是由AVR的時(shí)間常數(shù)和可控硅換弧角的等效延遲時(shí)間決定的，通常≤0.08s，被稱為快速響應(yīng)系統(tǒng)。常規(guī)設(shè)計(jì)的交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，由于交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)的影響，其電壓響應(yīng)時(shí)間 ＞＞ 0.1s，被稱為常規(guī)響應(yīng)系統(tǒng)。

上世紀(jì)八十年代初期從美國(guó)西屋公司引進(jìn)600MW和300MW汽輪發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)，同時(shí)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)了無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)（交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)之一），為了滿足中方對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間的要求，西屋公司對(duì)所供無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，即在交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁回路中采用高頂值以補(bǔ)償交流勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓的快速響應(yīng)，“高起始響應(yīng)”的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)就這樣產(chǎn)生了。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司在 300MW 汽輪發(fā)電機(jī)上改用了三機(jī)系統(tǒng)，也是高起始型的。

3 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主電路中各量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1所示是交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的兩種接線方式。圖1（a） 稱為交流勵(lì)磁機(jī)—靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱三機(jī)系統(tǒng)；圖1（b）稱為交流勵(lì)磁機(jī)—旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱無(wú)刷系統(tǒng)。無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中的交流勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞型的發(fā)電機(jī)，其定子繞組是勵(lì)磁繞組，與電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行電氣連接時(shí)不需要電刷和集電環(huán)；其轉(zhuǎn)子繞組是電樞繞組，電樞繞組產(chǎn)生的電能經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組（勵(lì)磁繞組）提供勵(lì)磁電流建立氣隙磁通。交流勵(lì)磁機(jī)電樞繞組、旋轉(zhuǎn)整流器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是相對(duì)靜止的，在電氣連接上也不需要電刷和集電環(huán)。圖1（a）和圖1（b）中的參數(shù)可以設(shè)計(jì)成一樣，即兩種接線的性能是完全等效的。

圖1中所示各電量有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

①勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓UEX是勵(lì)磁機(jī)電壓UE經(jīng)二極管全橋整流得到的，UEX=1.35UE，兩者在時(shí)間上是同步的。

②勵(lì)磁機(jī)電壓UE在時(shí)間上與勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流IEf是同步的。

③調(diào)節(jié)器的輸出電壓UEf施加到勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組上，在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路產(chǎn)生勵(lì)磁電流IEf。當(dāng)UEf發(fā)生變化（突變）時(shí)，由于電感的影響，IEf將按指數(shù)規(guī)律變化（見(jiàn)圖3）：

其中：

UEfC為調(diào)節(jié)器的頂值電壓；

UEfC/R為強(qiáng)勵(lì)時(shí)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流IEf的穩(wěn)態(tài)值；

τ為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)；R為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路電阻。

圖1

④根據(jù)變流技術(shù)，調(diào)節(jié)器的輸出電壓UEf可用下式計(jì)算：

其中：UP為永磁機(jī)電壓。

若取αmin= 10°，則調(diào)節(jié)器的輸出的頂值電壓為：

綜上所述，勵(lì)磁系統(tǒng)電壓UEX是與勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流IEf同步的，即勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的響應(yīng)時(shí)間就是勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間；永磁機(jī)電壓決定調(diào)節(jié)器的頂值電壓，從而決定勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間。

4 對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)的要求

從勵(lì)磁系統(tǒng)的性能方面對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)提出兩點(diǎn)基本要求：

一是交流勵(lì)磁機(jī)的特性曲線中的飽和點(diǎn)應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)所要求的頂值電壓對(duì)應(yīng)（如圖2所示），這樣AVR改變交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流就能得到所要求的勵(lì)磁系統(tǒng)電壓；

二是交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電壓要求設(shè)計(jì)得較小，原因在后面解釋。

圖2 交流勵(lì)磁機(jī)特性

5 什么是“高起始響應(yīng)”

圖3示出了在不同的調(diào)節(jié)器頂值電壓下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流IEf的上升曲線，勵(lì)磁系統(tǒng)在t0時(shí)刻開始強(qiáng)勵(lì)。

曲線1，調(diào)節(jié)器的頂值電壓對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流約在t1時(shí)刻（t1－t0≈ 3τ）到達(dá)頂值IEfC；

曲線2，提高調(diào)節(jié)器的頂值電壓倍數(shù)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流在t2時(shí)刻到達(dá)頂值IEfC，較曲線1有所提前；

曲線3，再提高調(diào)節(jié)器的頂值電壓倍數(shù)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流在t3時(shí)刻到達(dá)頂值IEfC，若t3－t0= 0.1s（忽略AVR的時(shí)間常數(shù)）這就是所要求的高起始響應(yīng)，即中間量勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流剛剛處在起始階段，勵(lì)磁系統(tǒng)電壓的上升過(guò)程就已結(jié)束（達(dá)到頂值）。對(duì)應(yīng)曲線3，式（1）中的已知量有：IEfC、t = 0.1s及R和τ，就能計(jì)算出調(diào)節(jié)器的頂值電壓值 UEfC，從而計(jì)算出高起始響應(yīng)所要求的永磁機(jī)電壓UP。

圖3 勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流

實(shí)際運(yùn)行的高起始響應(yīng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的頂值電壓值比交流勵(lì)磁機(jī)的額定勵(lì)磁電壓高20余倍，這就要求交流勵(lì)磁機(jī)的額定勵(lì)磁電壓設(shè)計(jì)得較小，第一不至于使永磁機(jī)電壓過(guò)高，第二在發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)觸發(fā)脈沖控制角α能夠控制在小于85°的某處，有個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)。

6 對(duì)調(diào)節(jié)器的要求

圖3中的曲線3，為了使交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流能夠在0.1s時(shí)到達(dá)頂值電流IEfC（黑色部分），被迫將調(diào)節(jié)器的頂值電流設(shè)計(jì)成了IEfC2，大于頂值電流IEfC（紅色）部分是不需要的，也是不允許出現(xiàn)的，這就要求調(diào)節(jié)器中的瞬時(shí)電流限制器在交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流到達(dá)頂值電流 IEfC的瞬間將調(diào)節(jié)器的頂值電壓降下來(lái)，能夠維持頂值電流 IEfC就行。這一點(diǎn)絕對(duì)不能出錯(cuò)，否則交流勵(lì)磁機(jī)就被燒毀了！

7 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)有其自身的優(yōu)點(diǎn)，如因?yàn)闆](méi)有電刷和集電環(huán)，是真正的免維護(hù)系統(tǒng)，增加了轉(zhuǎn)軸的機(jī)械阻尼有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等?？焖傩允庆o止勵(lì)磁系統(tǒng)所固有的優(yōu)點(diǎn)?！案咂鹗柬憫?yīng)”雖然使無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度接近了靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，還是與靜止勵(lì)磁系統(tǒng)有差距，選用何種勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的要求而定。