励磁开关未合时主励磁机励磁电压建立的原因

2013-08-22朱元武

科技视界 2013年15期

吴剑朱元武

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

在汽机冲转到3000RPM做并网准备时，当合上永磁机出口开关，虽然还没有合励磁开关，发电机尚未开始励磁，细心的操纵员会发现此时主励磁机励磁电压GEX001ID已经满量程，当然励磁电流依然为0，那么这个电压是如何建立的呢？本文将尝试解释其中的原因。

1 励磁原理

我厂的励磁系统为无刷励磁系统，分为两级，如图1所示。

图1 励磁原理简图

永磁机与汽轮机同轴旋转，产生274V，400Hz的三相交流电，经三相全波整流，输出锯齿波直流（额定电压18.6V，电流246A），该直流有效值由可控硅导通角控制大小，励磁调节即通过改变可控硅导通角大小从而改变直流电流大小，由该直流再给交流励磁机供励磁电流，这样在交流励磁机的转子侧产生了交流电（额定电压417V，频率200Hz），这个交流电通过旋转整流桥，产生额定电压500V的直流电，直接和发电机转子相连，供给发电机励磁。图中显示了主控GEX001ID的测点位置，该电压显示在励磁开关41E的上游，如果可控硅没有截止，则必然会产生电压，那么又是什么原因导致未合励磁开关的条件下可控硅没有截止呢？如果没有截止，导通角会有多少？要解释这些问题，必须要了解励磁系统的调节。

励磁调节：我厂采用日本三菱公司的AVR系统，取自GSY100TU的发电机端口电压作为实际电压参数，与自动调节器90R的设定值比较，差值经一系列环节，控制可控硅的导通角，进而改变发电机端口电压。整个控制回路还有PSS/MEL/VFL/OEL等环节的参与，由于与本文讨论的主题无直接关系，不在此处展开，简化的调节模拟图如图2所示。乍一看，似乎由于未合励磁开关，电压为0，使调节回路一直处于最大输出状态，结果导致励磁电压满量程，事实是否如此呢？

我们截取图2的一个部分，如图3，可以看出，当励磁开关41E未合时（41E ON为0），回路的调节信号被旁路，A处输出为0，可见前述的猜想并不正确。而B处输出也强制变为-2，C处输出在励磁开关未合条件下就是B的值，也为-2，此时励磁电流Ife为0，故K2之前的输入为-2，K2＝10，K3是个积分环节，所以此时输出即刻就到了限幅环节的下限，即角度到达130度，可控硅反向导通（逆变状态），也就是说此时磁场方向和正常运行时是相反的。但是由于电压测量的只是平均值，不能反映方向，所以当永磁机有电压时（即合上永磁机出口开关，在并网前第二步操作票中执行），GEX001ID也有了电压指示，当转速3000RPM时，根据图3提供的数学模型，可以大概算出电压为Ufe＝1.35*274*cos130＝237V（VAC＝274V），主控 GEX001ID 中的电压指示满量程为50V（正常15.8v左右），就地盘柜上的仪表满量程为200V，均被超出。那么这个初始电压的存在，是否会导致在合励磁开关后发电机立刻产生初始电压呢（改变90R的预设升压曲线）？我想应该是不会的。由于励磁机线圈是一个大电感，它会阻碍电流的产生，因此合励磁开关瞬间并不会马上产生励磁电流，而投上励磁开关后，调节回路会立即开始工作要求调节导通角，导通角将马上从130度回到＜90度，因而不会导致发电机非预期升压。行文至此，关于本文开头的问题已经得到解答。但是对于余弦函数，0-90度的角度范围其余弦代数值已覆盖了最小到最大范围，即为0-1，已可以满足励磁调节的需要，为何还要设计90度-130度的调节区间呢？

2 逆变灭磁的必要性

图2 励磁调节简化图

图3 励磁开关未合时的控制示意

如前所述，从图3可以看出，只要励磁开关断开，可控硅即刻进入反向导通状态，不难猜想，这种反向导通会和灭磁有关。事实上这就是逆变灭磁。在一些电厂正常停机也正是依靠逆变灭磁的，此时，励磁开关并不断开，依靠逆变使磁场换向，从而快速降低励磁电流，在励磁电流为0时断开励磁开关，避免过电压危害，但显然这和我厂的实际条件不符。我厂无论正常停机还是事故停机，均完全依靠灭磁电阻灭磁，在励磁开关断开时投入灭磁回路，自动接入灭磁非线性电阻。要使非线性电阻发挥作用一个必要条件就是非线性电阻两侧电压必须高于一定值。如图4所示，当励磁开关开断时，由于电感的反电势效应，其两端电压U＝UK-Ud，为了导通非线性电阻，必须要有U＞UR，其中UR为达到灭磁要求放电电流所需的电压阈值（残压），可见，当可控硅逆变时，Ud反向，自然提高了U的值，因而有助于导通非线性电阻从而使灭磁成功。正是基于这个原因，所以导通角设置了90度-130度的区间段，并且在励磁开关断开时自动反向导通。