“高起始響應”解決的問題

王 芳

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 問題的引出

近年來在很多同步發(fā)電機招標書中對勵磁系統(tǒng)都提出了這樣的要求：提供靜止勵磁系統(tǒng)、應是高起始響應型的。這是一種誤解，靜止勵磁系統(tǒng)中不存在高起始響應，高起始響應只存在于交流勵磁機勵磁系統(tǒng)中。筆者寫此文對此誤解給予澄清。

2 “高起始響應”的產生

勵磁系統(tǒng)電壓響應時間是勵磁系統(tǒng)的一個指標，其定義可參見國標GB/T 7409.1。國標中還定義了電壓響應時間≤0.1s的勵磁系統(tǒng)被稱為高起始響應勵磁系統(tǒng)。

靜止勵磁系統(tǒng)電壓響應時間主要是由AVR的時間常數(shù)和可控硅換弧角的等效延遲時間決定的，通常≤0.08s，被稱為快速響應系統(tǒng)。常規(guī)設計的交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，由于交流勵磁機時間常數(shù)的影響，其電壓響應時間 ＞＞ 0.1s，被稱為常規(guī)響應系統(tǒng)。

上世紀八十年代初期從美國西屋公司引進600MW和300MW汽輪發(fā)電機的制造技術，同時從美國西屋公司引進了無刷勵磁系統(tǒng)（交流勵磁機勵磁系統(tǒng)之一），為了滿足中方對勵磁系統(tǒng)電壓響應時間的要求，西屋公司對所供無刷勵磁系統(tǒng)的參數(shù)進行特殊設計，即在交流勵磁機的勵磁回路中采用高頂值以補償交流勵磁機的時間常數(shù)，從而實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)電壓的快速響應，“高起始響應”的無刷勵磁系統(tǒng)就這樣產生了。哈爾濱電機廠有限責任公司在 300MW 汽輪發(fā)電機上改用了三機系統(tǒng)，也是高起始型的。

3 交流勵磁機勵磁系統(tǒng)主電路中各量之間的對應關系

圖1所示是交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的兩種接線方式。圖1（a） 稱為交流勵磁機—靜止整流器勵磁系統(tǒng)，簡稱三機系統(tǒng)；圖1（b）稱為交流勵磁機—旋轉整流器勵磁系統(tǒng)，簡稱無刷系統(tǒng)。無刷勵磁系統(tǒng)中的交流勵磁機是旋轉電樞型的發(fā)電機，其定子繞組是勵磁繞組，與電壓調節(jié)器進行電氣連接時不需要電刷和集電環(huán)；其轉子繞組是電樞繞組，電樞繞組產生的電能經旋轉整流器整流后給發(fā)電機轉子繞組（勵磁繞組）提供勵磁電流建立氣隙磁通。交流勵磁機電樞繞組、旋轉整流器和發(fā)電機轉子繞組是相對靜止的，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)可以設計成一樣，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應關系：

①勵磁系統(tǒng)輸出電壓UEX是勵磁機電壓UE經二極管全橋整流得到的，UEX=1.35UE，兩者在時間上是同步的。

②勵磁機電壓UE在時間上與勵磁機的勵磁電流IEf是同步的。

③調節(jié)器的輸出電壓UEf施加到勵磁機的勵磁繞組上，在勵磁機勵磁回路產生勵磁電流IEf。當UEf發(fā)生變化（突變）時，由于電感的影響，IEf將按指數(shù)規(guī)律變化（見圖3）：

其中：

UEfC為調節(jié)器的頂值電壓；

UEfC/R為強勵時勵磁機勵磁電流IEf的穩(wěn)態(tài)值；

τ為勵磁機的時間常數(shù)；R為勵磁機勵磁回路電阻。

圖1

④根據變流技術，調節(jié)器的輸出電壓UEf可用下式計算：

其中：UP為永磁機電壓。

若取αmin= 10°，則調節(jié)器的輸出的頂值電壓為：

綜上所述，勵磁系統(tǒng)電壓UEX是與勵磁機勵磁電流IEf同步的，即勵磁機勵磁電流的響應時間就是勵磁系統(tǒng)電壓響應時間；永磁機電壓決定調節(jié)器的頂值電壓，從而決定勵磁系統(tǒng)電壓響應時間。

4 對交流勵磁機的要求

從勵磁系統(tǒng)的性能方面對交流勵磁機提出兩點基本要求：

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

二是交流勵磁機的勵磁電壓要求設計得較小，原因在后面解釋。

圖2 交流勵磁機特性

5 什么是“高起始響應”

圖3示出了在不同的調節(jié)器頂值電壓下勵磁機勵磁電流IEf的上升曲線，勵磁系統(tǒng)在t0時刻開始強勵。

曲線1，調節(jié)器的頂值電壓對應于勵磁系統(tǒng)頂值電壓，勵磁機勵磁電流約在t1時刻（t1－t0≈ 3τ）到達頂值IEfC；

曲線2，提高調節(jié)器的頂值電壓倍數(shù)，勵磁機勵磁電流在t2時刻到達頂值IEfC，較曲線1有所提前；

曲線3，再提高調節(jié)器的頂值電壓倍數(shù)，勵磁機勵磁電流在t3時刻到達頂值IEfC，若t3－t0= 0.1s（忽略AVR的時間常數(shù)）這就是所要求的高起始響應，即中間量勵磁機勵磁電流剛剛處在起始階段，勵磁系統(tǒng)電壓的上升過程就已結束（達到頂值）。對應曲線3，式（1）中的已知量有：IEfC、t = 0.1s及R和τ，就能計算出調節(jié)器的頂值電壓值 UEfC，從而計算出高起始響應所要求的永磁機電壓UP。

圖3 勵磁機勵磁電流

實際運行的高起始響應系統(tǒng)中，調節(jié)器的頂值電壓值比交流勵磁機的額定勵磁電壓高20余倍，這就要求交流勵磁機的額定勵磁電壓設計得較小，第一不至于使永磁機電壓過高，第二在發(fā)電機空載運行時觸發(fā)脈沖控制角α能夠控制在小于85°的某處，有個穩(wěn)定工作點。

6 對調節(jié)器的要求

圖3中的曲線3，為了使交流勵磁機勵磁電流能夠在0.1s時到達頂值電流IEfC（黑色部分），被迫將調節(jié)器的頂值電流設計成了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，這就要求調節(jié)器中的瞬時電流限制器在交流勵磁機勵磁電流到達頂值電流 IEfC的瞬間將調節(jié)器的頂值電壓降下來，能夠維持頂值電流 IEfC就行。這一點絕對不能出錯，否則交流勵磁機就被燒毀了！

7 結語

無刷勵磁系統(tǒng)有其自身的優(yōu)點，如因為沒有電刷和集電環(huán)，是真正的免維護系統(tǒng)，增加了轉軸的機械阻尼有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等?？焖傩允庆o止勵磁系統(tǒng)所固有的優(yōu)點?！案咂鹗柬憫彪m然使無刷勵磁系統(tǒng)的響應速度接近了靜止勵磁系統(tǒng)，還是與靜止勵磁系統(tǒng)有差距，選用何種勵磁系統(tǒng)應根據電力系統(tǒng)的要求而定。