1、同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 1 -第一章 发电机励磁系统的发展及现状1-1 励磁主回路的发展动态在上世纪 60 年代以前，同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式，由于当时发电机单机容量不大，输电线路不长，因此基本上能满足当时的要求，但直流励磁机维护困难，炭刷易产生火花，换向器易于磨损，随着发电机单机容量的增大，励磁容量也相应增大，当汽轮发电机单机容量达 10 万千瓦，励磁机容量已近 500 千瓦，而同轴的转速为每分钟 3000 转的直流电机，受限于换向的极限容量仅为 500 千瓦。当时大容量发电机或是用齿轮减速后驱动直流励磁机，或是用带大飞轮的独立驱动的电动发
2、电机供励磁。后来，随着硅整流元件出现，直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替，交流励磁机的容量基本上不受限制。在 1960 年代,当时的第一机械工业部委托电器科学研究院，组织了汽轮发电机三机交流整流励磁系统的全国统一设计。这种方式在大型汽轮发电机上一直延用至今。为减小时间常数，交流励磁机通常采用频率 100-250 周，中频付励磁机用350-500 周，早期中频付励磁机采用感应子式，转子上无绕组，近年来已逐步被永磁发电机所代替。1960 年代初，可控硅元件刚出现，电流、电压定额较低，所以他励式可控硅静止励磁用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上。应该指出 1960
3、年代末期天津电气传动设计研究所，在发展我国各种主回路励磁方式上，起了很大作用，例如在 1969 年率先研制，并在天津第一发电厂 4机 25MW 汽轮发电机上，投运了直流侧电流相加的自复励可控硅励磁系统，并励部分用的是三相半控整流桥。串联部分用的是三相二极管整流桥。1971 年投运了由天传所设计，上海华通开关厂、上海整流器厂、上海电机厂参与生产的富春江 2机 60MW 发电机的自复励可控硅励磁系统，容量为当时国内最大。并励的功率部分用的是三相半控整流桥，限于当时国内生产元件的水平，富春江水电厂的可控桥臂是由（700V,200A）可控硅元件 4 串 6 并组成。此外天传所还为长办试验电站陆水电站
4、8800KW 发电机设计了他励可控硅励磁系统，可控硅整流桥用三相全控桥，整流桥每臂SCR 2 串 5 并，于 72 年投运。后来这种方案天传所还用在南桠河、渔子溪水电厂二台 4 万KW 发电机上。与此同时，在参照河北省岗南水电站从日本进口的 10MW 抽水蓄能发电机励磁的基础上，还设计出了可控相复励的励磁系统，在湖北省一台 10MW 调相机上运行。 整流器是不可控的，是靠改变相复励变压器电压绕组上的电压来调节，后者由饱和电抗器 L控制，本方案可靠性高，缺点是相复励变压器，饱和电抗器体积大。动态响应差。同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 2 -AVRL图 1-1 可控相复励197
5、0 年代中期，天传所还为河南安阳发电厂一台 10 万 KW 汽轮发电机研制了无刷励磁装置，同时还参加了从英国 Brush 公司引进的一台 23MW 燃汽轮发电机的无刷励磁系统的仿制。同一时期，为给葛洲坝电站励磁方案进行中间试验，天传所（东方电机厂参加）在湖南省花木桥电站进了交流侧电压相加的自复励磁系统的研制。在中小型发电机上，天传所还推出了双绕组电抗分流励磁调节系统，国内还开发过谐波励磁系统，最大的一台是用在河北邯郸马头电厂25MW 汽轮发电机上。 AVR图 1-2 谐波励磁系统大型发电机定子电压高，谐波绕组和主绕组绝缘困难，制造工艺复杂。谐波励磁只适用中小电机。现在美国 GE 公司生产的 P
6、 棒励磁系统也是在发电机定子槽内安放附加绕组(不是谐波绕组)，作为励磁供电电源。1970 年代中期，南京热电厂进口了一台 125MW 意大利制造的汽轮发电机，采用他励可控硅励磁，励磁机本身用不可控相复励，意专家来调试，曾遇困难，不稳定，最后由我国的技术人员调试成功，在此期间，富春江水电厂从法国进口了 5、6机，励磁为自复励励磁系统，其自励部分和复励部分的直流侧电压串联相加，这种方式比较特殊。应指出，1960 年代在大容量发电机励磁研究方面我国受到苏联影响，在新安江九号机 10 万 KW 水冷同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 3 -发电机上，也是采用了交流侧相加的自复励系统。这
7、时串联变压器原边的电流要在付边转换为电压，变压器铁心中要嵌入空气隙，导致串联变压器体积庞大，鉴于当时可控硅容量无法满足要求，整流器采用了汞弧整流器，后者有玻壳的和铁壳的。 （当时苏联斯大林格勒到古比雪夫的长距离输电也是用汞弧整流器） 。国内电车供电电源当时也是用汞弧整流器（缺点是对环境有污染）整流得到的。此方案由哈尔滨电机厂和东北的中试所和设计院等研制成。 AVR图 1-3 直流侧电压串联相加的自复励(法国方案)发电机自并励方案，在国内电力部门受旧观念束缚，长期认为自并励不可靠，无强励能力，故障时无足够短路电流，不能保障继电保护正确动作，在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的研究，并且指出自并励
8、的优点，动态响应快，适当提高强励倍数等，它的缺点是可克服的。国内例如河北工学院电工厂，在福建省池潭水电厂 50MW 机组上成功地进行了自并励试验，从国外进口的天津大港发电厂 320MW 意大利火电机组，从日本进口的唐山陡河火电厂发电机用自并激。由于自并激励磁的一系列优点，已逐步为国人所接受。因此后来国内许多水电厂如白山、龙羊峡、岩滩、隔河岩等单机 300MW 以上电站也普遍采用自并激，三峡励磁也不用葛洲坝的自复励方案。由于国外许多厂家将自并励作为汽轮发电机主要励磁方案，我国电力部门也逐步将自并励采用到汽轮发电机上去，如 1991 年辽宁清河发电厂一台 210MW 汽轮发电机励磁系统改造，就采用
9、了自并励。当然一般火电厂均建于城市市区或近郊，靠近负荷中心，没有输电稳定问题，使用三机交流整流励磁系统是没什么问题，但机组往往存在振动、厂房长投资大的问题。通常建设在煤矿的坑口发电厂，往往要远距离输电，这时是应该选用快速响应的自并励系统。除了自并励外，无刷励磁系统因不用电刷，无火花，可用于防爆环境。没有炭刷粉未污染发电机端部绝缘， 有利于延长使同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 4 -用寿命，没有电刷也有可能做到免维护，适用于无人电站。1-2 励磁调节器发展动态最初的同步发电机大都用同轴直流励磁机励磁，后者有用自并励的，用于中小容量发电机，大容量发电机大多带直流付励磁机，早期的
10、励磁调节器（常称为自动电压调节器AVR）实际上只有 2 个功能，即通过自动调节励磁机磁场电阻来达到发电机电压恒定，和调差（使发电机并联运行下合理分配无功） 。对较大型的发电机还备有继电强励和继电强减功能。亦即当机端电压下降较大时，利用低电压继电器短路磁场绕组内串接的某个电阻，从而达到强励的目的，反之当机端电压突然上升时，用电压继电器把一定电阻串入励磁机磁场中达到强行减磁的作用。国内在 1950 年代进口西方国家的 AVR 主要有 3 类：A）炭阻式；B)银针式；C)磁盘式；(亦称摆励接触式） 。这些都属于机电式直接动作的调压器，它们的电压敏感元件直接通过机械机构操作励磁机的磁场电阻。1、银针式
11、调压器：西屋公司银针式调压器的原理线路图示于图 1-4。它的电磁铁线圈由发电机电压经 PT及整流器供电，当发电机电压变化时，衔铁运动，推动杠杆，使电阻的银钮接通或开断 ，从而改变励磁机磁场回路的电阻，并通过由电流互感器 CT 供电的补偿电阻，来自动分配并联运行发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳定变压器，输出稳定信号到调节电路。图 1-4 银针式调压器原理图及银针触点同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 5 -2、 炭阻式调压器炭阻式调压器的原理图示于图 1-5。发电机电压经 PT 接入磁电式敏感元件的动线圈，当发电机电压变化时，动线圈受到电磁力的作用而上下运动，通过动臂的动作调节
12、炭刷片的松紧程度，从而改变串联于励磁机励磁回路中变阻器的电阻值，藉此调节发电机电压。此外，亦通过电流互感器 CT 供电的电阻，来自动分配并联发电机间的无功负荷。励磁机输出经稳定变压器，输出稳定信号到调节电路。图 1-5 炭阻式调压器原理图及实物图3、 盘式(摆动接触式)调压器磁盘式调压器亦用于控制串联于直流励磁机励磁回路上的电阻，来调节发电机电压。图 1-6 是它的原理图。发电机电压通过电压互感器 PT 向分相电动机定子或螺管线圈供电，电动机转子或螺管线圈的衔铁，通过转轴或动臂操作变阻器的嵌有弧形炭刷的扇形片，使它在固定的弧形接触轨道上摆动，把接触轨道铜块间所接电阻抽出或接入，这样便改变了励磁
13、机的磁场电阻。调压器也装有 CT 供电的补偿电阻，起调差作用。同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 6 -图 1-6 磁盘式调压器原理图及磁盘接触摆在国内上海华通开关厂生产过炭阻调节器，供用户选用。此外 1950 年代学习苏联，引进了苏式的以磁性元件为主的励磁调节器，主要 2 大类型，电流复励加电磁式校正器方式和相复励磁调节器方式。前者国产型号 QF-D、SF-D，Q 为汽轮发电机，S 为水轮发电机，F 指复励，D 指电磁式电压校正器，这类调节器在发电机空载时，利用直流励磁机自并励作用，调节其磁场电阻使其达到空载额定电压，发电机带负荷后，利用机端电流互感器反馈的复励电流，整流后补
14、偿发电机的电枢反应，由于电流复励没有相位补偿的作用，要保证发电机的电压调节精度需要用电压校正器，这种情况下励磁机励磁绕组往往还设计有 1 到 2 个附加绕组（单支或双支校正器） ，电压校正器输出加到附加绕组中来调节励磁，以达到所需调压精度。相复励调节器采用了相复励变压器，使得励磁电流，不仅与定子电压，电流有关，并且还和两者之间相位，即负载功率因数有关。这样在发电机定子电压，电流一定而负载功率因数改变时，调节器也能满足发电机所需励磁。为保证有较高的调节精度，往往也可装电压校正器，国内型号有称为 KFD（主要厂家：上海华通开关厂、河北工学院电工厂、哈尔滨宏伟开关厂）它相当于苏联 YBK- 等。这m
15、3类励磁系统直流励磁机维护困难，调节器时间响应长达 1-5 秒，动态性能差，空载起励发电机电压超调量大，频率特性差，但励磁调节器运行基本稳定，整流器件由硒片改为硅元件后，维护工作量较小。 相 复 励 电 压 校 正同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 7 -图 1-7 带电压校正的相复励在同一时期，西方国家采用电机扩大机励磁调节，由于电机扩大机放大倍数可达百倍甚至千倍，对励磁控制信号功率要求十分小。图 1-8，图 1-9 为美国通用电气公司生产的带直流励磁机和交流励磁机的励磁系统，调节器功率元 图 1-8 美国 GE 公司生产的直流机励磁系统件为电机扩大机。图 1-9 美国 GE
16、 公司生产的交流励磁机励磁系统1950 年代，苏联为解决斯大林格勒和古比雪夫上千公里的远距离输电，用直流励磁机无法解决，提出了用汞弧整流器整流电流，直接向发电机磁场供电的离子励磁系统，调节器方面在 KFD 基础增加了端电压、频率的一阶、二阶微分 U,U”,f,f”等所谓强力调节器，国产新安江 9 号机离子励磁也是这种背景下的产品。随着晶体管元件出现，60 年代可控硅出现，我国可控硅元件是 61-62 年由一机部电器科学研究院率先研制出，后转给北京椿树整流器厂（当时为弄堂工厂）生产。励磁调节器同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 8 -开始向固态型转变，出现了以晶体管为主，用电阻、
17、电容等分立元件组成的半导体励磁调节器，功率元件开始采用可控硅，比起磁性励磁调节器和电机扩大机等来，固态调节器动作速度快，如果设计正常，理论上讲也可以是半永久性的。国内从 1970 年代开始转入研制这类调节器，但是由于文革期间，研制厂家纷杂，缺乏励磁系统统一标准，加上当时国产元器件质量不过关，各厂自行设计的产品，制造工艺不良，功能不全，不经过工业试验，正式鉴定，便投入生产，因此可靠性差，故障频繁。应当提到当时国内一机部广州电器科学研究所生产的调节器质量较好。采用了半导体励磁调节器后，由于电子线路的灵活性，励磁调节器逐渐增添了许多附加功能，使其逐步完善。随着线性集成电路和数字集成电路出现，进一步改
18、善了半导体励磁调节器，原来要用 6-8 个晶体管组成的直流运算放大器常至少要占一个印刷电路板，有了集成运算放大器，一个芯片上集成 2-4 个运放。1970 年代后期，天津大港发电厂从意大利进口的 320MW 火电机组的自并激励磁系统，其励磁调节器是典型的集成电路组成调节器，其励磁功能已相当完善，但所用的印刷电路板多达 68 块，国外的工艺能保证这种调节器能正常工作。80 年代我国从西屋公司引进的模拟式励磁调节器，适合于三机交流整流励磁系统或无刷励磁系统，西屋的 WTA 调节器功能也较完善，但有约 40 多块印刷电路板，国内仿制后，有时运行就不稳定，这与所选用的元件，是否经严格老化筛选，以及加工
19、工艺和质量有关。1970 年代末期，清华大学与天津电传所合作研究开发了模拟式最优励磁控制调节器，1980 年代中期在碧口水电站 10 万 KW带直流励磁机的励磁系统上运行，效果并不理想，模拟式调节器无计算能力，运行中参数无法调整，另外经过直流励磁机，无法发挥励磁最优控制的优点，因此没有发展前途。在利用计算机进行励磁方面的研究，最早要推加拿大和苏联两国曾联合研究和研制，当时用小型机 MINICOMPUTER 进行研究，并且在试验室中对小发电机进行了试验。那时计算机在电厂的应用，主要承担，监视，数据记录，报警，打印制表等。那时计算机体积庞大，价格昂贵，只有出现了微型计算机，才有可能实际使用，197
20、9 年底电力部南京自动化研究所自控室，筹建了励磁组，经过蕴酿讨论，决定不搞模拟式励磁调节器，直接自主开发微机型励磁调节器，报请部科技司，80 年电力部下达了微机励磁的七五攻关项目。南瑞电气控制公司经多年攻关，于 1984 年 7 月研制出第一台工业样机，经所内长达半年的试验，编制各种调节限制软件，于 1985 春节前运至池潭电站，用在 2#机，5 万千瓦发电机，4 月上旬开始现场调试，经过一系列试验，于 4 月 27 日通过 72 小时运行考验。正式投入运行。这使我国发电机励磁发展转入新的一页，在世界上也是属于领先地位，并得到了在北京参加 IFAC”电厂和电力系统控制”国际会议主席、美国电厂和
21、电力系统控制权威同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 9 -Tomas.E.Dyliacco 教授的赞扬。随后，华中理工大学与东方电机厂合作生产了微机-模拟双通道励磁调节器，88 年在渔子溪电厂 1 号机试验，采用了最优控制算法。与南瑞电气控制公司微机励磁不同的，触发部分仍用模拟式的，而用的 Z80 单板机不是工业专用机。微机的作用只是起着模拟调节器的综合放大等功用，此外微机一模拟双通道，增加用户维护困难，既要维护模拟式又要维护微机部分。由于微机励磁调节器比起模拟式励磁调节器来有许多优点，从上世纪 90 年代开始，国内也有许多单位竞相研制，但经过十多年的竞争淘汰，有实力的研制单位
22、已不多，现列述如下：1）南瑞集团电气控制公司其前身为电力部南京自动化研究所，系微机励磁调节器首创者，1985 年 4 月在池潭水电厂#2 号 50MW 发电机可控硅励磁上投运成功后，经电力部鉴定，被评为 1986 年部科技进步一等奖，1987 年被国家科委评为国家科技进步三等奖。但新生事物，难以得到业界承认，直到 1988 年池潭电厂要求将其#1 号机 50MW 也改用微机励磁调节器，才有第二台的投入，为提高运行可靠性，该调节器由原有单自动及单手动通道，改制为双自动控制通道。后来葛洲坝水电厂对微机励磁调节器也有兴趣，提出要借用一台试运行，考虑到该厂的重要性，同意借一台给二江分厂。据了解在随后的
23、一次事故中，厂内许多机组因低励限制失效而跳闸，而微机励磁调节器所在发电机事故后，仍继续运行，此后，葛洲坝二江电厂又订购了两台微机励磁调节器。1991 年龙羊峡水电厂 320MW 发电机励磁装置，故障频繁，厂内职工奖金罚没，为此该厂派员外出调查，了解到微机励磁运行较好，到南瑞电气控制公司订购了一台，于 1992 年投运，结果良好，过了大半年后，决定将该厂另外三台 320MW 发电机也改用微机励磁。1992 年科研体制改制，电气控制公司成立，随着龙羊峡电厂微机励磁成功运行，得到了业界的承认，电控公司业务量大增。1994 年新建的铁岺火电厂因励磁装置运行不稳定，拟采用微机励磁，厂内虽有不同意见,最后
24、决定采用微机励磁，消息传出，徐州发电厂因励磁运行不好，要求先给该厂的 2 台 200MW 发电机供货。至此电控公司在水电和火电方面应用局面被打开。该所微机励磁调节器型号最初为 WLT-1 后改为 SJ-800，进入新世纪升级换代后，采用 DSP 和 FPGA 等后改为 SAVR-2000，截止 2004 年 3 月底已投运的发电机约 650 台，水电机组最大为 320MW，火电机组为 600MW 及 800MW.2）广州电器科学研究所该所 1970 年代中生产励磁装置，开始主要面对中小用户，质量较好，1992 年开始研同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司- 10 -制数字式励磁调节
25、器，当年 12 月在新丰江水电厂 85MW 机组投运。还搞过模拟-微机混合励磁系统。现在在水电厂励磁中，己挤身于大机组励磁投标者的行列，成为南瑞集团竞争对手。其微机励磁调节器型号为 LTW-6200，30 年来已为数百座电站提供了上千台励磁装置，多数是用于中小型发电机。此外该所还与 ABB 结为合作伙伴。3）河北工学院电工厂该厂生产励磁装置有很长的历史，原来主要生产磁性元件为主的调节器和模拟式励磁装置，1987 年南京自动化研究所向该厂转让了微机励磁调节器技术，该厂为辽宁清河发电厂 200MW 发电机研制了第一台微机励磁装置。近年来独立开发了适用于中小型同步电机的DWLZ 型，和中大型同步发电
26、机的 WLZ 型的双通道微机励磁调节器。4）武汉洪山电工研究所早先专业生产模拟式励磁调节器，性能基本稳定，有不少用户，近年来开发了新的一代 TDWLT-01 的微机励磁系统，目前它向市场提供的模拟式励磁调节器型号为 HJT-071S，数字式励磁调节器型号为 5C800。5）能达公司葛洲坝水电厂在微机励磁运行成功的基础上，成立了能达公司，也研制了微机励磁装置，首先用于更新本厂的老励磁设备，进而参加了市场竞争，其励磁装置型号为 MEC-31B。6）清华同方清华大学励磁装置先是和”国电南自”合作生产，后因后者退出市场，改由清华同方生产，其微机励磁装置型号为 GEC-1，特点是在控制策略方面采用了非线性最优。但实际上仍是用 PID 作为基本的控制规律，其它三种，PSS，线性最优 LOEC，非线性最优 NOEC,可以选作为附加分量，加入调节环节中。由于依靠了清华大学品牌效应，发展态势比较强劲，已成为有力的市场竞争者。7）主机厂励磁车间东方电机厂和哈尔滨电机厂励磁车间，原来励磁产品质量不过硬，虽具有成套供应的
