電勵磁同步風力發(fā)電機技術條件

湘潭電機股份有限公司、中車永濟電機有限公司、機械工業(yè)北京電工技術經濟研究所。

王步瑤、楊國偉、果巖等。2100433B

本標準適用于電勵磁同步風力發(fā)電機（以下簡稱“發(fā)電機”），其他類型的發(fā)電機可參照使用。

無刷勵磁同步電機，勵磁電流不通過電刷和集電環(huán)送入的一種同步電機。軸上附有旋轉電樞型的交流勵磁機,勵磁機輸出的交流電經過安裝在轉軸上的整流器成為直流電,直接送入該同步電機的勵磁繞組。

同步電機勵磁電源同步電機勵磁電源特點

同步電機勵磁電源的負載是電機的勵磁繞組，它是一個感性負載，若要求電源的輸出電流是連續(xù)的，當整流電路采用三相晶閘管橋式整流器時，各整流臂上的晶閘管的導通角應該為120°；在電網電壓發(fā)生波動、同步電機負載沖擊等情況下，要求同步電機不失步。恒電流勵磁系統(tǒng)和恒無功功率調節(jié)的勵磁系統(tǒng)可以滿足這種要求。因此，同步電機勵磁電源應具有以下特點：

(1)要求電源輸出電壓為額定電壓的40%～100%時，電源能提供額定電流，以保證勵磁系統(tǒng)能正常工作；

(2)在恒電流勵磁系統(tǒng)中，當電網電壓在其額定值的80%～105%的范圍內波動，勵磁繞組電阻熱態(tài)阻值的增量不大于冷態(tài)阻值的10%時，勵磁電流應有±5%的變化范圍；

(3)在恒無功功率調節(jié)勵磁系統(tǒng)中，當同步電機的負載從空載到兩倍額定負載范圍內變動時，同步電機無功功率的變動應小于10%；

(4)為適應同步電機的強勵，當電網電壓降低到其額定值的80%時，對于恒電流勵磁系統(tǒng)，強勵電壓為勵磁電源額定輸出電壓的140%，對于恒無功功率勵磁系統(tǒng)，強勵電壓為勵磁電源額定輸出電壓的150%；

(5)強勵在不小于60s的時間內，同步電機勵磁電源應可靠工作。整流變壓器的電流過載能力是以小時計算的，60s的強勵時間在整流變壓器設計時可以不計，可以按額定電流和強勵電壓倍數(shù)來進行設計；勵磁電源電路中的晶閘管和熔斷器不能承受60s的強勵時間，在選擇晶閘管和熔斷器時，應按過載倍數(shù)下的電流值來考慮；由于60s的強勵時間對冷卻系統(tǒng)無影響，可按額定輸出時的耗散功率來設計冷卻系統(tǒng)；電路的過電壓保護和過電流保護應考慮同步電機勵磁電源的負載為感性以及強勵等特點。

(6)同步電機勵磁電源應具有失步檢測和快速滅磁功能。

若勵磁狀態(tài)下同步電機出現(xiàn)失步，在定子旋轉磁場的作用下，轉子(勵磁繞組)會感應出交流分量，產生脈動轉矩，在脈動轉矩的長時間作用下，可能引起機械和電氣共振，這種共振具有比較大的破壞作用。出現(xiàn)失步時，必須快速滅磁。

所以，同步電機勵磁電源必須具有快速滅磁電路；

同步電機失步時，所產生的脈動轉矩是正負交替的，定子電流的有功分量出現(xiàn)周期性的負值。只要在定子電流的有功分量中檢測出負值電流，就可判定出現(xiàn)了失步，立即進行滅磁。

同步電機勵磁電源同步發(fā)電機勵磁用整流器的特點

同步發(fā)電機勵磁電源的主流為晶閘管勵磁電源。由于同步發(fā)電機的種類繁多，勵磁方式各不相同?，F(xiàn)將常用的幾種同步發(fā)電機的勵磁方式簡介如下。

1）單變壓器自勵方式

圖1為單變壓器自勵方式用晶閘管勵磁電源的原理圖。

圖1中的UR為整流電路，GS為同步發(fā)電機，TE為勵磁變壓器，TA為電流互感器，TV為電壓互感器，PG為脈沖發(fā)生器，AUR為自動電壓調節(jié)器。若整流電路采用晶閘管橋式半控整流電路時，由于晶閘管橋式半控整流電路對上升信號和下降信號的響應時間不同。對上升信號的響應時間取決于飽和輸出電壓，而飽和輸出電壓與晶閘管的最小延遲角αmin和電源電壓值有關。而在下降信號的作用下，磁場電流通過續(xù)流二極管VD1發(fā)生衰減，降壓速度變緩。為了改變這種狀況，可以

采用晶閘管橋式全控整流電路。此時，選用晶閘管時，應加大晶閘管的容量，以便在磁場時間常數(shù)下，能夠通過額定勵磁電流。

2）復合勵磁方式

在自勵方式中，若發(fā)電機母線電壓有較大的跌落，勵磁系統(tǒng)的響應特性要變差。在此種情況下，可選用復合勵磁方式加以補償。

復合勵磁方式用晶閘管勵磁電源的方框圖如圖2所示。圖2與圖1相比較，可以看出，復合勵磁方式是單勵磁變壓器TE與電流互感器TA2復合的勵磁方式。GP為永磁發(fā)電機。

從圖2可以看出，整流電路UR的輸入電源來自兩個方面。其一是取自于勵磁變壓器TE中與發(fā)電機GS端電壓成正比的電壓分量；其二是取自于電流-電壓變換器(電流互感器TA2與電壓互感器

TV的組合)中與發(fā)電機GS輸出電流成正比的電流分量。由于電流-電壓變換器的二次電感很大，主發(fā)電機的勵磁繞組為感性負載，換流時會產生很大的電壓波形畸變，如果將這個波形畸變的電壓作為晶閘管的同步信號，將使控制電路失控。為了避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，應采用模擬裝置取出觸發(fā)同步信號。該模擬裝置應具有勵磁變壓器和電流-電壓變換器的特性，在任何狀態(tài)下均能得到與整流電路輸入電壓波形和相位相同的同步信號。

另外，在自動電壓調節(jié)器中，要求設置過電流限制電路，以防止在過補償?shù)那闆r下，系統(tǒng)母線發(fā)生短路故障時，發(fā)電機短路電流和晶閘管輸出電流的過度增長。

復合勵磁方式的優(yōu)點如下：

(1)由于可以采取過補償，系統(tǒng)母線電壓降低時，也能得到較好地快速勵磁，即使在發(fā)電機三相短路時，仍具有強制勵磁能力，并且發(fā)電機三相短路時的輸出持續(xù)電流可以任意設定；

(2)若在自動電壓調節(jié)器中設置了過電流限制單元，僅采用復合勵磁方式中的單變壓器自勵電路就可以進行發(fā)電機干燥運行；

3）通過勵磁發(fā)電機向主發(fā)電機提供勵磁電源的方式

(1)無換向器勵磁方式

無換向器勵磁方式的方框圖如圖3所示。圖3與圖1相比較，可以看出，增加了交流勵磁發(fā)電機GEA和附加整流電路UR1(UR1為三相硅二極管整流器)，GEA向UR1供電，UR1的輸出電流經主發(fā)電機的轉子滑環(huán)，流經主發(fā)電機的勵磁繞組。

(2)無刷勵磁方式

圖4為無刷勵磁方式的方框圖。從電路結構上來看，圖4與圖3相同，但在機械結構上兩者有很大的區(qū)別。無刷勵磁方式中的交流勵磁發(fā)電機GEA與主發(fā)電機GS同軸旋轉，GEA的定子繞組作為本身的勵磁繞組有晶閘管整流器供電，GEA的轉子繞組直接向硅二極管旋轉整流器UR1供電，省去了換向器。UR1安裝在軸的頂端，與發(fā)電機同步旋轉，UR1的直流輸出直接接到主發(fā)電機的勵磁繞組，省去了主發(fā)電機勵磁繞組的滑環(huán)。

這種勵磁方式的最大缺點是旋轉整流器與發(fā)電機同軸旋轉，要承受巨大的離心力，為防止離心力的破壞，可將旋轉整流器與軸用環(huán)氧樹脂澆注成一體。