趙夢(mèng)瑩

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 哈爾濱 150040

1 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，靜止晶閘管勵(lì)磁裝置成為目前電站同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的主要設(shè)備[1]，承擔(dān)著調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及無功功率的任務(wù)，其性能直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。勵(lì)磁裝置的主回路通常采用三相全控橋整流電路，晶閘管的移相觸發(fā)電路是控制的核心[2]，同步電壓的相位是移相觸發(fā)電路的關(guān)鍵，移相觸發(fā)單元必須接受與主回路電源電壓，也即陽極電壓相位相同的同步電壓，才能保證觸發(fā)脈沖符合要求。勵(lì)磁系統(tǒng)中陽極變壓器及同步變壓器的連接方式?jīng)Q定了同步電壓相位是否正確[3]，因此變壓器內(nèi)部同名端連接錯(cuò)誤將導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出故障。

長(zhǎng)期以來，由于缺少關(guān)于勵(lì)磁系統(tǒng)故障方面的理論分析文獻(xiàn)[4]，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)缺乏理論指導(dǎo)，且受物理?xiàng)l件限制，無法直接在機(jī)組上做試驗(yàn)進(jìn)行嘗試性分析，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)故障的現(xiàn)場(chǎng)排除經(jīng)常面臨無處著手、沒有頭緒的局面[5]。為解決這一問題，筆者嘗試從理論上分析勵(lì)磁系統(tǒng)故障的主要原因，明確變壓器內(nèi)部同名端連接錯(cuò)誤對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響?；谌嗳貥蛘麟娐吩?，通過向量時(shí)鐘法[6]，對(duì)陽極變壓器和同步變壓器采用不同接法時(shí)，同步電壓與陽極電壓的相位關(guān)系及勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出情況進(jìn)行理論分析，并總結(jié)兩種變壓器錯(cuò)誤接法時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出情況，為調(diào)試人員判斷故障原因提供理論基礎(chǔ)，從而為現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)度贏得時(shí)間。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)同步信號(hào)

勵(lì)磁系統(tǒng)主回路采用三相全控橋整流電路，其交流側(cè)電源電壓稱為陽極電壓。由于三相全控整流橋換向角的存在，陽極電壓為有畸變的高壓信號(hào)，如果同步變壓器直接取自陽極電壓，那么將會(huì)對(duì)觸發(fā)電路的正常工作產(chǎn)生影響[7]。

為保證同步電壓與陽極電壓具有相同的頻率和相位，通常將陽極電壓通過陽極變壓器和同步變壓器兩級(jí)變換后送至觸發(fā)單元作為同步電壓[8]，如圖1所示。陽極變壓器的作用是將陽極電壓降低至廠用電壓范圍內(nèi)，并消除由晶閘管器件換向產(chǎn)生的電壓畸變。同步變壓器的作用是將變換后的電壓降低至觸發(fā)電路所需的信號(hào)電壓，并補(bǔ)償由陽極變壓器產(chǎn)生的相位差。

圖1 同步電壓信號(hào)變換原理

3 變壓器同名端接法對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的影響

陽極變壓器及同步變壓器的連接方式?jīng)Q定了同步電壓的相位是否正確，如果變壓器內(nèi)部同名端連接錯(cuò)誤，將導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)輸出故障。為分析導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)故障的原因，需要明確不同變壓器同名端連接方式下勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出情況。典型的同名端連接情況包括正確連接、陽極變壓器內(nèi)部同名端反接和同步變壓器內(nèi)部同名端反接三種，以下分別對(duì)這三種連接情況下的電壓相位關(guān)系和勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況進(jìn)行分析。

3.1 正確連接

3.1.1 電壓相位關(guān)系

根據(jù)晶閘管器件及全控整流橋運(yùn)行特性，整流橋換向壓降會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而采用△連接的變壓器可以將電壓的高次諧波分量在△連接中相加，引起繞組內(nèi)部環(huán)流，抑制電壓的高次諧波，因此一般陽極變壓器采用△/Y-11連接[9]。為了補(bǔ)償陽極變壓器產(chǎn)生的相位差，同步變壓器采用△/Y-1連接。具體電路如圖2所示。

圖2 正確連接電路圖

應(yīng)用向量時(shí)鐘法對(duì)圖2所示電路的陽極電壓與同步電壓關(guān)系進(jìn)行理論分析，結(jié)果如圖3所示。可見，變換后電壓Ua與陽極電壓UA相位相同，幅值減小[10]，在此情況下，觸發(fā)電路的同步電壓與整流橋交流側(cè)電壓相位相同。

圖3 正確連接電壓相位關(guān)系

3.1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況

三相全控整流橋電路如圖4所示。在勵(lì)磁系統(tǒng)中，三相全控橋是將交流電壓變換為直流電壓供給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，負(fù)載為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，屬感性負(fù)載。圖4中VT1、VT3、VT5稱為共陰極組，VT4、VT6、VT2稱為共陽極組，三相全控橋電路要求每個(gè)時(shí)刻均有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，其中一個(gè)為共陰極組，一個(gè)為共陽極組，且不為同一相。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，導(dǎo)通相位依次相差60°[3]。

圖4 三相全控整流橋電路圖

通常將Uac作為同步電壓，其過零點(diǎn)作為自然換相點(diǎn)，此刻觸發(fā)角α=0°。在此情況下，當(dāng)觸發(fā)角α=α0時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓可以表示為：

Ud=2.34UAcosα0

(1)

假定某機(jī)組小電流試驗(yàn)的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發(fā)角α0=88°，在陽極變壓器及同步變壓器連接正確的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況分析如下。

(1) 當(dāng)系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=135°，由式(1)可得Ud=-364V，實(shí)際情況是輸出電壓不能為負(fù)，Ud≈0V，勵(lì)磁系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)，不向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出電壓。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)解除逆變時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=88°，由式(1)可得Ud=18V，勵(lì)磁系統(tǒng)可以成功自動(dòng)啟勵(lì)，并可通過增減磁命令對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3) 當(dāng)模擬勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=67°，由式(1)可得Ud=201V，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在額定運(yùn)行工況。

(4) 當(dāng)模擬系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=15°，由式(1)可得Ud=497V，勵(lì)磁系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)工況。

3.2 陽極變壓器內(nèi)部同名端反接

3.2.1 電壓相位關(guān)系

陽極變壓器內(nèi)部同名端出現(xiàn)反接錯(cuò)誤，外部接線方式不變，同步變壓器連接正確，如圖5所示。分析可知，此時(shí)陽極變壓器為△/Y-1連接，同步變壓器為△/Y-1連接。

圖5 陽極變壓器內(nèi)部同名端反接電路圖

應(yīng)用向量時(shí)鐘法對(duì)圖5所示電路的陽極電壓與同步電壓關(guān)系進(jìn)行理論分析，結(jié)果如圖6所示?？梢?，變換后電壓Ua超前陽極電壓UA相位60°，幅值減小。在此情況下，觸發(fā)電路的同步電壓相位超前整流橋交流側(cè)電壓相位60°。

圖6 陽極變壓器內(nèi)部反接電壓相位關(guān)系

3.2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況

仍選取Uac作為同步電壓，其過零點(diǎn)作為自然換相點(diǎn)。在此情況下，當(dāng)觸發(fā)角α=α0時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓為：

Ud=2.34UAcos (α0+60°)

(2)

假定某機(jī)組小電流試驗(yàn)的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發(fā)角α0=88°，在陽極變壓器內(nèi)部同名端反接、同步變壓器連接正確的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況分析如下。

(1) 當(dāng)系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=135°，由式(2)可得Ud=-497V，實(shí)際情況是輸出電壓不能為負(fù)，Ud≈0V，勵(lì)磁系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)，不向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出電壓，此現(xiàn)象與變壓器正確連接時(shí)相同。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)解除逆變時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=88°，由式(2)可得Ud=-437V，實(shí)際情況是輸出電壓不能為負(fù)，Ud≈0V，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在逆變工況，不向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供有效電壓，無法自動(dòng)成功啟勵(lì)。

(3) 當(dāng)模擬勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=67°，由式(2)可得Ud=-310V，實(shí)際情況是輸出電壓不能為負(fù)，Ud≈0V，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在逆變工況，不向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供有效電壓，無法自動(dòng)成功啟勵(lì)。

(4) 當(dāng)模擬系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=15°，由式(2)可得Ud=133V，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)，但輸出電壓過小，無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)工況。

綜上所述，在陽極變壓器內(nèi)部同名端反接、同步變壓器連接正確的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)無法自動(dòng)啟勵(lì)，通過定角度試驗(yàn)調(diào)整觸發(fā)角，仍然無法得到額定及強(qiáng)勵(lì)電壓。

3.3 同步變壓器內(nèi)部同名端反接

3.3.1 電壓相位關(guān)系

同步變壓器內(nèi)部同名端出現(xiàn)反接錯(cuò)誤，外部接線方式不變，陽極變壓器連接正確，如圖7所示。經(jīng)分析可知，此時(shí)同步變壓器為△/Y-11連接，陽極變壓器為△/Y-11連接。

圖7 同步變壓器內(nèi)部同名端反接電路圖

應(yīng)用向量時(shí)鐘法對(duì)圖7所示電路陽極電壓與同步電壓關(guān)系進(jìn)行理論分析，結(jié)果如圖8所示?？梢?，變換后電壓Ua滯后陽極電壓UA相位60°，幅值減小。在此情況下，觸發(fā)電路的同步電壓滯后整流橋交流側(cè)電壓相位60°。

圖8 同步變壓器內(nèi)部反接電壓相位關(guān)系

3.3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況

仍選取Uac作為同步電壓，其過零點(diǎn)作為自然換相點(diǎn)。在此情況下，當(dāng)觸發(fā)角α=α0時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓為：

Ud=2.34UAcos(α0-60°)

(3)

假定某機(jī)組小電流試驗(yàn)的陽極電壓UA=220V，逆變解除初始觸發(fā)角α0=88°，在同步變壓器內(nèi)部同名端反接、陽極變壓器連接正確的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出情況分析如下。

(1) 當(dāng)系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=135°，由式(3)可得Ud=133V，勵(lì)磁系統(tǒng)處于整流狀態(tài)，向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出電壓，逆變控制不起作用，即勵(lì)磁調(diào)節(jié)器運(yùn)行時(shí)，只要整流橋交流側(cè)有電壓輸入，即使系統(tǒng)處于逆變控制，整流橋也有電壓輸出，且該電壓超過額定電壓的50%。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)解除逆變時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=88°，由式(3)可得Ud=455V，勵(lì)磁系統(tǒng)輸出超過額定電壓。

(3) 當(dāng)模擬勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角α0=67°，由式(3)可得Ud=511V，實(shí)際情況是最小角限定在15°，因此輸出為497V。

(4) 當(dāng)模擬系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)角

α0=15°，由式(3)可得Ud=364V，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)，但輸出電壓過小，無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勵(lì)工況。

綜上所述，在同步變壓器內(nèi)部同名端反接、陽極變壓器連接正確的情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)不受逆變控制，直流側(cè)一直輸出較高電壓，存在安全隱患。

4 結(jié)束語

勵(lì)磁系統(tǒng)小電流試驗(yàn)是勵(lì)磁系統(tǒng)一項(xiàng)非常重要的試驗(yàn)。筆者從同步信號(hào)的角度出發(fā)，分析了勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部變壓器連接錯(cuò)誤時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出情況。當(dāng)陽極變壓器同名端反接時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)無法啟動(dòng)。當(dāng)同步變壓器同名端反接時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)不受逆變控制，長(zhǎng)期輸出較高電壓。上述結(jié)論為調(diào)試人員判斷故障原因提供了理論基礎(chǔ)，進(jìn)而可以為現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)度贏得時(shí)間。

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