董彩宏，葛艷蕊，管 恩

可控硅勵磁裝置殘壓起勵研究與實現(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種簡單可靠的自并勵發(fā)電機利用具有自配套電池的UPS和開關(guān)電源構(gòu)成的輔助起勵電路，該電路使得一些中小型水電站在無直流屏和廠用電的情況下可對發(fā)電機進行自并勵發(fā)電，相對于利用外部電源或者蓄電池進行輔助起勵，節(jié)約了成本，且操作簡單。圖3幅。

中小型水電站；自并勵發(fā)電機；可控硅；勵磁系統(tǒng)

1 概 述

在自并勵勵磁系統(tǒng)中，發(fā)電機起勵方式有直流電源起勵、交流電源起勵及殘壓起勵。前二者是在發(fā)電機具備升壓條件后，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)電機轉(zhuǎn)子定子電樞反應(yīng)，使發(fā)電機端產(chǎn)生電壓而使發(fā)電機建壓的過程。而殘壓起勵是當發(fā)電機端殘壓達到一定值時，利用殘壓起勵裝置，在有或無外界助磁的情況下，發(fā)電機自動建壓的過程。

無殘壓起勵功能時，交流或直流起勵需對轉(zhuǎn)子提供一定的電流，該電流最大允許達發(fā)電機空載額定電流10%，起勵時將對電廠的直流或交流供電系統(tǒng)造成沖擊。因起動的發(fā)電機組轉(zhuǎn)子中存在剩磁，發(fā)電機空轉(zhuǎn)后機端便有殘壓，為殘壓起勵創(chuàng)造了條件，所以發(fā)電機組在起勵時最好是具有殘壓起勵功能，而輔助電源起勵只在發(fā)電機初次充磁及機端殘壓不足以進行殘壓起勵時才投入。

2 殘壓起勵原理

2.1 直流電源起勵

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

直流電源起勵將增加廠用蓄電池的負擔。

圖1 自并勵系統(tǒng)直流起勵接線原理

2.2 交流電源起勵

下圖中起勵電源用廠用交流電源，經(jīng)整流后提供勵磁電流，稱為交流起勵（見圖2）。采用交流電源起勵，當廠用電消失時機組便不能起勵，對于與系統(tǒng)聯(lián)系較弱的電站，應(yīng)慎重考慮此種方式。

2.3 殘壓起勵原理

在一些中、小型水電站中，尤其是單機容量在1000kW及以下的小型水電站中，為了節(jié)約電站成本，省去對直流電源系統(tǒng)的采購，換為UPS（不間斷電源）來對勵磁調(diào)節(jié)器和一些保護設(shè)備提供工作電源；由于UPS本身容量的限制，不適合直接當做起勵電源。這時，我們針對上述兩種電源他勵起勵的自并勵的方式，進行了改進。利用站內(nèi)配置的UPS以及新增1個開關(guān)電源構(gòu)成起勵回路，這樣就可以實現(xiàn)在電網(wǎng)停電且沒有直流電源系統(tǒng)的情況下對機組進行起勵建壓到發(fā)電完成的操作（見圖3）。

圖2 自并勵系統(tǒng)交流起勵接線原理

圖3 開關(guān)電源殘壓起勵接線

2.3.1 主要設(shè)備

（1）UPS。提供勵磁設(shè)備和其他保護設(shè)備的工作電源，另外給開關(guān)電源提供220V的電源。容量根據(jù)實際情況選取，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）開關(guān)電源。提供發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈所需的直流電壓。電壓變換為AC220V／DC12V，能滿足給發(fā)電機轉(zhuǎn)子助磁效果，節(jié)約了成本。開關(guān)電源的容量選擇根據(jù)發(fā)電機勵磁電流的大小進行選擇，范圍一般為200～500W。

（3）V為二極管。防止發(fā)電機建壓過程中的反充電。

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

正常開機，按下起機令后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導通，相當于三相全控橋變?yōu)槿嗖豢煽貥颍_到殘壓起勵的目的。如果發(fā)電機電壓達到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)電機電壓還沒有達到15%，則調(diào)節(jié)器程序控制啟動起勵繼電器，通過其觸點KM投入附加的開關(guān)電源直流起勵。例如，某水電站發(fā)電機銘牌勵磁值為50V、200A，則其在正常工作下，勵磁電壓在20～30V之間；我們所加的開關(guān)電源回路中輸出12V直流電給發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈，足以使發(fā)電機端電壓迅速上升，而且回路中起始電流在12～20A之間，在額定勵磁電流值10%以內(nèi)。此時，勵磁變二次側(cè)電壓通過三相不可控橋整流輸送給發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈，當發(fā)電機機端電壓達到15%額定電壓后，高頻脈沖列停止，轉(zhuǎn)為正常的觸發(fā)脈沖，起勵繼電器自動返回。

如果10s后，發(fā)電機電壓仍然沒有建立，則本通道立即退出運行，并發(fā)“起勵失敗”信號。

這套改進系統(tǒng)和蓄電池輔助起勵電路比較，省掉了廠用電和笨重、昂貴且難維護的蓄電池，取而代之的是更為經(jīng)濟可靠的UPS和開關(guān)電源。對于中小型機組的起勵電路而言，已經(jīng)可以向輔助起勵蓄電池說不了。更重要的是，通過此次改進，解決了許多中、小型水電站在沒有廠用電和直流屏的情況下水輪發(fā)電機組如何進行發(fā)電的問題。

3 結(jié) 語

勵磁系統(tǒng)改造后，提高了機組運行的可靠性和安全性，解決了勵磁系統(tǒng)長期運行不穩(wěn)定等實際問題，并且節(jié)約了水電站的投資成本。

經(jīng)過試驗和運行的實踐檢驗，我公司KLD—1000系列勵磁調(diào)節(jié)器配合UPS和開關(guān)電源構(gòu)成的起勵回路，省去價錢昂貴的蓄電池的同時也省去了維護及檢修等諸多麻煩，還打破了必須有廠用電的限制，對1000kW及以下的發(fā)電機組運用該電路的發(fā)電機均能成功起勵建壓。

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責任編輯 吳 昊

2014－12－12

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

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