某型无刷励磁机实现"高起始响应"方法探讨

引言

某电厂发电机采用无刷励磁系统,配备的无刷励磁机自身采用静态励磁,励磁电流取自发电机机端,通过励磁变压器降压后经可控硅整流供给,励磁机自身的励磁容量较小。

上述无刷励磁机的时间常数较大,电压响应时间无法满足“高起始响应"的要求。

1“高起始响应"无刷励磁系统的要求

根据国标《同步电机励磁系统定义》(GB/T7409.1一2008)的定义,发电机带额定负荷运行于额定转速下,突然改变电压测量值,励磁系统的输出端电压达到顶值电压与额定磁场电压之差的95%所需的时间,称为励磁系统电压响应时间。电压响应时间小于或等于0.1s的励磁系统被称为“高起始响应"励磁系统。

采用技术手段补偿无刷励磁机的时间常数,从而实现无刷励磁系统电压的快速响应,即可得到“高起始响应"无刷励磁系统。

2无刷励磁机电压响应时间的计算

某型无刷励磁机的电气原理图如图1所示。

图1  某型无刷励磁机电气原理图

根据RL电路全响应理论,励磁机励磁绕组在额定励磁电压ufN运行时,突加强励电压ufp,励磁电流if呈指数规律变化:

式中,ifN为励磁机额定励磁电流:ifp为强励工况励磁电流:p为强励倍数:T为励磁绕组时间常数。

式中,N为励磁绕组匝数:R为励磁绕组电阻:小N为额定工况主磁通:小p为强励工况主磁通。

根据电压响应时间的定义和励磁电流表达式可求得励磁机电压响应时间t1:

则:

可见,励磁机电压响应时间l1仅与励磁机负载时间常数T相关,而T则与励磁绕组匝数N、励磁回路电阻R、强励倍数p相关。

无刷励磁系统的电压响应时间:

3“高起始响应"的实现方法

根据“高起始响应"无刷励磁系统的定义,励磁系统电压响应时间应小于0.1s。在静态励磁响应时间t2一定时(假定为0.02s),通过减小励磁机电压响应时间l1才能实现“高起始响应"要求,而要减小t1至0.08s以内,只能减小励磁机负载时间常数T。

某型无刷励磁机主要参数如表1所示。

3.1励磁回路串联电阻

根据励磁机负载时间常数T计算方法可知,T与回路电阻R成反比,负载时间常数由0.160s减小到0.0267s,电阻R应增加到:

励磁回路应串联电阻:

串联电阻R1的功率损耗:

串联电阻的设计需要大幅提高静态励磁系统的容量,同时,串联电阻自身的散热问题也很难解决。

3.2时间常数补偿

根据自动调节原理,在惯性环节并联硬负反馈环节,可提高惯性环节的响应速度。当并联负反馈后,励磁机仍然为一惯性环节,但等效的时间常数和增益却可以得到降低,该方法存在补偿回路易饱和的问题。

3.3提高顶值电压倍数

采用该方法的基本原理是,在相同时间条件下,若在励磁机励磁绕组上施加不同倍数的强励电压,则可得到不同的励磁电流上升速度,励磁电压越高,其励磁电流上升速度越快。

图2表示了在不同的顶值电压下励磁机励磁电流的上升曲线。励磁机在时刻t0开始强励,可见顶值电压越高,到达顶值电流ifc需要的时间越短。

为了使励磁电流能够在0.1s内到达顶值电流ifc,被迫将顶值电流设计成了ifc3,大于ifc的部分是不需要的,也是不允许出现的,这就要求励磁调节器中的瞬时电流限制器在励磁电流到达顶值电流ifc时,瞬间将顶值电压降下来,能够维持顶值电流ifc就行。

对本文研究的无刷励磁机进行计算,若将电压调节器顶值电压倍数设计为10,励磁机负载时间常数T=0.022s,即能满足上述"高起始响应"要求。

4结语

在无刷励磁机自身设计无法满足"高起始响应"要求的情况下,理论上可通过在励磁绕组回路串联电阻、并联硬负反馈进行时间常数补偿或提高顶值电压倍数来实现无刷励磁系统的"高起始响应"。励磁绕组回路串联电阻的方式需要大幅提高静态励磁系统的容量,并且很难解决串联电阻自身的散热问题。并联硬负反馈进行时间常数补偿的方式无法解决励磁系统存在大扰动时的快速响应问题。

提高顶值电压倍数,同时对顶值电流加以限制的方法可以实现无刷励磁系统"高起始响应",该方法需要提高配套静态励磁系统的容量,这就要求励磁机自身的励磁电压应设计得尽量小,同时也要求静态励磁系统严格限制输出电流,防止励磁机励磁绕组过流损坏。励磁机设计时要注意磁极绕组绝缘方式,保证能承受强励时电压调节器施加的顶值电压。