一種同步勵磁機及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于勵磁機領(lǐng)域，尤其是發(fā)電設(shè)備上的同步勵磁機。
【背景技術(shù)】
[0002]同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，其性能決定了發(fā)電機乃至電力系統(tǒng)的運行特性，保證發(fā)電機以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。
[0003]勵磁系統(tǒng)的作用有如下幾個方面:
1.根據(jù)發(fā)電機負荷的變化相應的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定；在電力系統(tǒng)正常運行情況之下，勵磁系統(tǒng)必須維持發(fā)電機端電壓在給定范圍之內(nèi)。當系統(tǒng)負荷發(fā)生變化的時候，發(fā)電機的端電壓必然會受到影響，勵磁系統(tǒng)此時產(chǎn)生作用，自動的增減發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機的電壓維持在正常范圍之內(nèi)。
[0004]2.控制并列運行各發(fā)電機間無功功率的合理分配
現(xiàn)代電力系統(tǒng)大多是多臺發(fā)電機的并列運行，系統(tǒng)中發(fā)電機的有功功率是由輸入功率決定的，分配無功的時候，通常都是由容量大的發(fā)電機多發(fā)出無功功率，而小容量的發(fā)電機則相應的少輸出無功功率。又由于發(fā)電機輸出的無功功率是和勵磁電流大小有關(guān)，并列運行的發(fā)電機的無功功率大小由發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)決定的，勵磁調(diào)節(jié)器可以對調(diào)差系數(shù)進行調(diào)節(jié)，因此，勵磁系統(tǒng)還擔負著無功功率調(diào)節(jié)的重任。
[0005]3.提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性；
電力系統(tǒng)在運行過程中，必然遭受到各種干擾，在擾動過后，如果系統(tǒng)能夠恢復到原來的工作狀態(tài)，或者過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定兩種穩(wěn)定狀態(tài)，良好的勵磁系統(tǒng)能夠明顯提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定，增加電力發(fā)電機功角特性上的穩(wěn)定運行區(qū)域。當系統(tǒng)遭受到例如短路等大擾動之后，由于端電壓的下降，將導致電磁功率的下降，發(fā)電機轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生很大的搖擺。如果此時沒有勵磁系統(tǒng)將端電壓提高的話，發(fā)電機將加速失調(diào)。如果此時發(fā)電機擁有者良好的勵磁調(diào)節(jié)器，強行將電壓提高，相應的增加了電磁功率，將最終和機械功率平衡作用，達到新的穩(wěn)定點。但是，提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，需要加快故障的快速切除和有著高勵磁電壓響應比的勵磁系統(tǒng)。
4.改善電力系統(tǒng)的運行條件
當電力系統(tǒng)短路時，會導致系統(tǒng)電壓的降低，系統(tǒng)中大型電動機會處于制動狀態(tài)。
[0006]在故障切除之后，電動機會吸收大量的無功功率自啟動，導致系統(tǒng)電壓恢復變緩。強行勵磁會迅速提高發(fā)電機的端電壓，改善電動機的運行條件。發(fā)電機在失磁之后，電力系統(tǒng)如果可以提供足夠的無功功率的話。發(fā)電機能夠維持電壓穩(wěn)定同時保證失磁的發(fā)電機能夠一定時間以內(nèi)異步運行。在發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度；根據(jù)運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。
[0007]總之，隨著電力系統(tǒng)用電量迅速提高，發(fā)電機大都處于并列運行狀態(tài)。為了保證電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，必須提高發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的性能。
[0008]無刷勵磁系統(tǒng)有著本身不可被代替的優(yōu)點，在危險工況下能穩(wěn)定的運行，是現(xiàn)代中小型電機和大型無刷勵磁系統(tǒng)的首選勵磁方式。由于交流勵磁機是和主發(fā)電機同軸的，通過不可控的旋轉(zhuǎn)整流器向發(fā)電機提供勵磁電流。
[0009]但對于大型水輪發(fā)電機需要計算各種參數(shù)，以及通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)勵磁機的勵磁強度，而調(diào)節(jié)頻率需要借助發(fā)電機的各種參數(shù)，如下列論文所研宄的大型水輪發(fā)電機定子線棒換位與環(huán)流損耗分析計算哈爾濱理工大學楊立超；不同工況下大型水輪發(fā)電機電磁參數(shù)的計算華北電力大學宋宏志；1000麗水輪發(fā)電機同步電抗計算及影響因素分析哈爾濱理工大學梁艷萍；水輪發(fā)電機端部電磁場分析及電抗參數(shù)計算哈爾濱理工大學梁艷萍；基于電磁場與溫度場計算的貫流式水輪發(fā)電機阻尼系統(tǒng)損耗發(fā)熱研宄重慶大學范鎮(zhèn)南；水輪發(fā)電機阻尼繞組的電流、損耗、電磁力和溫度進行了大量的計算與對比分析；無刷同步發(fā)電機交流勵磁機電磁設(shè)計軟件開發(fā)湖南大學何東霞；無刷勵磁同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的研宄華南理工大學侯亞敏；無刷勵磁機的優(yōu)化設(shè)計計算研宄山東大學薛守棟；無刷勵磁交流發(fā)電機的交流勵磁機計算上海交通大學陳剛。
[0010]以上現(xiàn)有技術(shù)無不經(jīng)過復雜而精密的計算，要實現(xiàn)非常困難，制造成本非常大，即便是經(jīng)過如此大的計算，但現(xiàn)實工作環(huán)境中，各參數(shù)變化復雜，誤差不可避免，發(fā)電機出現(xiàn)故障時無法快速達到穩(wěn)定運行。
[0011]交流勵磁發(fā)電機，因其勵磁繞組采用交流電勵磁而得名，其本體的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機相同，定子具有三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上采用三相(或兩相)對稱分布的勵磁繞組，且勵磁電壓的頻率、大小、相位、相序都可以控制。
[0012]傳統(tǒng)的同步發(fā)電機采用集中的勵磁繞組，其勵磁電流為直流，因而只能控制勵磁電壓幅值的大小，來控制勵磁電流，且轉(zhuǎn)子磁場相對轉(zhuǎn)子本體的位置是固定不變的，當進行有功、無功調(diào)節(jié)時必然伴隨有轉(zhuǎn)子的機過度過程。而交流勵磁發(fā)電機則不同，由于其轉(zhuǎn)子勵磁繞組為多相對稱繞組，且勵磁電壓為相位、幅值、頻率可變的對稱交流電，可通過調(diào)節(jié)勵磁電壓幅值、頻率、相位來控制發(fā)電機勵磁磁場大小、相對轉(zhuǎn)子本體的位置和電機的轉(zhuǎn)速，由于交流勵磁發(fā)電機勵磁控制自由度的增加，使得該類電機具有超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機性能的可能。
[0013]現(xiàn)有勵磁機轉(zhuǎn)子在定子里面旋轉(zhuǎn)，勵磁機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，需要計算頻率和電磁才能使發(fā)電機穩(wěn)定運行，如上述頻率和電磁的計算總是存在一定誤差，造成不能絕對同步，運行不穩(wěn)定，需調(diào)高勵磁機頻率來解決絕對同步；不能快速調(diào)整勵磁電流來穩(wěn)定系統(tǒng)；勵磁機和發(fā)電機不能同極數(shù)；如果要制造出絕對同步同極數(shù)的發(fā)電機和勵磁機，則勵磁機的體積巨大，發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復雜，造成制造成本高，體積龐大，不便于運輸、安裝和維護。
[0014]因發(fā)電機轉(zhuǎn)子被發(fā)電機定子包住，無法實時檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度，或檢測到的溫度數(shù)據(jù)存在很大誤差，導致發(fā)電機運行穩(wěn)定性變差，容易造成發(fā)電機短路等故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]同步發(fā)電機是因為它所產(chǎn)生的電頻率與發(fā)電機的機械旋轉(zhuǎn)速度之間有鎖定或者同步關(guān)系，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上有由直流電流供電的電磁極，轉(zhuǎn)子磁場跟隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，電機中旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與定子電頻率之間由f=n*P/120相聯(lián)系，式中:f為電頻率，單位為Hz ；n為磁場的機械轉(zhuǎn)速(等于同步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)；單位為r/min ；P為極數(shù)。
[0016]本發(fā)明提供一種相對于現(xiàn)有同步發(fā)電機同級數(shù)同功率情況下重量輕，制造成本極低，體積極小，能使勵磁機和發(fā)電機同極數(shù)，發(fā)電機輸出頻率穩(wěn)定，能與發(fā)電機絕對同步的勵磁機結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種同步勵磁機，其特征是:勵磁機轉(zhuǎn)子通過勵磁機轉(zhuǎn)子固定粧固定，勵磁機定子通過軸承設(shè)置在勵磁機轉(zhuǎn)子外部，構(gòu)成勵磁機定子在勵磁機轉(zhuǎn)子外部旋轉(zhuǎn)。
[0018]進一步，所述勵磁機定子上設(shè)有勵磁機定子繞組，勵磁機定子外部設(shè)有整流盤，勵磁機定子通過主軸連接發(fā)電機轉(zhuǎn)子，勵磁機定子繞組上的感應電流通過整流盤整流后連接設(shè)于發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，給發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供磁場，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組外部設(shè)有發(fā)電機定子，發(fā)電機定子上設(shè)有發(fā)電機定子繞組，由發(fā)電機定子繞組輸出三相電壓，發(fā)電機轉(zhuǎn)子固定在主軸上，主軸連接動力輪。
[0019]進一步，所述動力輪是水輪機、汽輪機或風力輪。
[0020]進一步，在所述勵磁機定子上設(shè)置散熱器給發(fā)電機轉(zhuǎn)子散熱。
[0021]進一步，所述同步勵磁機還包括電網(wǎng)電壓測量裝置和比較裝置，該比較裝置用來比較該電網(wǎng)電壓的測量值與限定值，與該同步發(fā)電機的電網(wǎng)導線串聯(lián)地布置有電流互感器的至少一個初級繞組；以及電流互感器的次級繞組與調(diào)節(jié)電路連接，該調(diào)節(jié)電路被布置成當電網(wǎng)電壓降到低于限定值時，用來產(chǎn)生所需的勵磁功率，當同步發(fā)電機的電網(wǎng)電壓下降到低于預定的限定值時對該同步發(fā)電機進行勵磁的裝置，勵磁是通過調(diào)節(jié)電流互感器的次級電壓控制。
[0022]進一步，所述同步勵磁機的工作方法是:勵磁機定子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸，勵磁機定子在勵磁機轉(zhuǎn)子外部旋轉(zhuǎn)，勵磁機定子繞組上的感應電流通過整流盤整流后給發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流，發(fā)電