变压器连接方式对励磁系统影响的理论分析

赵梦莹

哈尔滨电机厂有限责任公司 哈尔滨 150040

1 研究背景

随着计算机技术的迅速发展，静止晶闸管励磁装置成为目前电站同步发电机励磁装置的主要设备[1]，承担着调节发电机机端电压及无功功率的任务，其性能直接关系到发电机运行的可靠性。励磁装置的主回路通常采用三相全控桥整流电路，晶闸管的移相触发电路是控制的核心[2]，同步电压的相位是移相触发电路的关键，移相触发单元必须接受与主回路电源电压，也即阳极电压相位相同的同步电压，才能保证触发脉冲符合要求。励磁系统中阳极变压器及同步变压器的连接方式决定了同步电压相位是否正确[3]，因此变压器内部同名端连接错误将导致励磁系统的输出故障。

长期以来，由于缺少关于励磁系统故障方面的理论分析文献[4]，现场调试时缺乏理论指导，且受物理条件限制，无法直接在机组上做试验进行尝试性分析，导致励磁系统故障的现场排除经常面临无处着手、没有头绪的局面[5]。为解决这一问题，笔者尝试从理论上分析励磁系统故障的主要原因，明确变压器内部同名端连接错误对励磁系统输出产生的影响。基于三相全控桥整流电路原理，通过向量时钟法[6]，对阳极变压器和同步变压器采用不同接法时，同步电压与阳极电压的相位关系及励磁系统的输出情况进行理论分析，并总结两种变压器错误接法时励磁系统的输出情况，为调试人员判断故障原因提供理论基础，从而为现场工程进度赢得时间。

2 励磁系统同步信号

励磁系统主回路采用三相全控桥整流电路，其交流侧电源电压称为阳极电压。由于三相全控整流桥换向角的存在，阳极电压为有畸变的高压信号，如果同步变压器直接取自阳极电压，那么将会对触发电路的正常工作产生影响[7]。

为保证同步电压与阳极电压具有相同的频率和相位，通常将阳极电压通过阳极变压器和同步变压器两级变换后送至触发单元作为同步电压[8]，如图1所示。阳极变压器的作用是将阳极电压降低至厂用电压范围内，并消除由晶闸管器件换向产生的电压畸变。同步变压器的作用是将变换后的电压降低至触发电路所需的信号电压，并补偿由阳极变压器产生的相位差。

图1 同步电压信号变换原理

3 变压器同名端接法对励磁系统的影响

阳极变压器及同步变压器的连接方式决定了同步电压的相位是否正确，如果变压器内部同名端连接错误，将导致励磁系统输出故障。为分析导致励磁系统故障的原因，需要明确不同变压器同名端连接方式下励磁系统的输出情况。典型的同名端连接情况包括正确连接、阳极变压器内部同名端反接和同步变压器内部同名端反接三种，以下分别对这三种连接情况下的电压相位关系和励磁系统输出情况进行分析。

3.1 正确连接

3.1.1 电压相位关系

根据晶闸管器件及全控整流桥运行特性，整流桥换向压降会产生高次谐波，而采用△连接的变压器可以将电压的高次谐波分量在△连接中相加，引起绕组内部环流，抑制电压的高次谐波，因此一般阳极变压器采用△/Y-11连接[9]。为了补偿阳极变压器产生的相位差，同步变压器采用△/Y-1连接。具体电路如图2所示。

图2 正确连接电路图

应用向量时钟法对图2所示电路的阳极电压与同步电压关系进行理论分析，结果如图3所示。可见，变换后电压Ua与阳极电压UA相位相同，幅值减小[10]，在此情况下，触发电路的同步电压与整流桥交流侧电压相位相同。

图3 正确连接电压相位关系

3.1.2 励磁系统输出情况

三相全控整流桥电路如图4所示。在励磁系统中，三相全控桥是将交流电压变换为直流电压供给发电机的转子绕组，负载为发电机的转子，属感性负载。图4中VT1、VT3、VT5称为共阴极组，VT4、VT6、VT2称为共阳极组，三相全控桥电路要求每个时刻均有两个晶闸管导通，其中一个为共阴极组，一个为共阳极组，且不为同一相。晶闸管的导通顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，导通相位依次相差60°[3]。

图4 三相全控整流桥电路图

通常将Uac作为同步电压，其过零点作为自然换相点，此刻触发角α=0°。在此情况下，当触发角α=α0时，励磁系统输出电压可以表示为：

Ud=2.34UAcosα0

(1)

假定某机组小电流试验的阳极电压UA=220V，逆变解除初始触发角α0=88°，在阳极变压器及同步变压器连接正确的情况下，励磁系统输出情况分析如下。

(1) 当系统处于逆变状态时，调节器输出触发角α0=135°，由式(1)可得Ud=-364V，实际情况是输出电压不能为负，Ud≈0V，励磁系统处于逆变状态，不向发电机转子输出电压。

(2) 当系统解除逆变时，调节器输出触发角α0=88°，由式(1)可得Ud=18V，励磁系统可以成功自动启励，并可通过增减磁命令对励磁系统输出进行调节。

(3) 当模拟励磁正常运行时，调节器输出触发角α0=67°，由式(1)可得Ud=201V，励磁系统工作在额定运行工况。

(4) 当模拟系统强励时，调节器输出触发角α0=15°，由式(1)可得Ud=497V，励磁系统可以实现强励工况。

3.2 阳极变压器内部同名端反接

3.2.1 电压相位关系

阳极变压器内部同名端出现反接错误，外部接线方式不变，同步变压器连接正确，如图5所示。分析可知，此时阳极变压器为△/Y-1连接，同步变压器为△/Y-1连接。

图5 阳极变压器内部同名端反接电路图

应用向量时钟法对图5所示电路的阳极电压与同步电压关系进行理论分析，结果如图6所示。可见，变换后电压Ua超前阳极电压UA相位60°，幅值减小。在此情况下，触发电路的同步电压相位超前整流桥交流侧电压相位60°。

图6 阳极变压器内部反接电压相位关系

3.2.2 励磁系统输出情况

仍选取Uac作为同步电压，其过零点作为自然换相点。在此情况下，当触发角α=α0时，励磁系统输出电压为：

Ud=2.34UAcos (α0+60°)

(2)

假定某机组小电流试验的阳极电压UA=220V，逆变解除初始触发角α0=88°，在阳极变压器内部同名端反接、同步变压器连接正确的情况下，励磁系统输出情况分析如下。

(1) 当系统处于逆变状态时，调节器输出触发角α0=135°，由式(2)可得Ud=-497V，实际情况是输出电压不能为负，Ud≈0V，励磁系统处于逆变状态，不向发电机转子输出电压，此现象与变压器正确连接时相同。

(2) 当系统解除逆变时，调节器输出触发角α0=88°，由式(2)可得Ud=-437V，实际情况是输出电压不能为负，Ud≈0V，励磁系统工作在逆变工况，不向发电机转子绕组提供有效电压，无法自动成功启励。

(3) 当模拟励磁正常运行时，调节器输出触发角α0=67°，由式(2)可得Ud=-310V，实际情况是输出电压不能为负，Ud≈0V，励磁系统工作在逆变工况，不向发电机转子绕组提供有效电压，无法自动成功启励。

(4) 当模拟系统强励时，调节器输出触发角α0=15°，由式(2)可得Ud=133V，励磁系统工作在整流状态，但输出电压过小，无法实现强励工况。

综上所述，在阳极变压器内部同名端反接、同步变压器连接正确的情况下，励磁系统无法自动启励，通过定角度试验调整触发角，仍然无法得到额定及强励电压。

3.3 同步变压器内部同名端反接

3.3.1 电压相位关系

同步变压器内部同名端出现反接错误，外部接线方式不变，阳极变压器连接正确，如图7所示。经分析可知，此时同步变压器为△/Y-11连接，阳极变压器为△/Y-11连接。

图7 同步变压器内部同名端反接电路图

应用向量时钟法对图7所示电路阳极电压与同步电压关系进行理论分析，结果如图8所示。可见，变换后电压Ua滞后阳极电压UA相位60°，幅值减小。在此情况下，触发电路的同步电压滞后整流桥交流侧电压相位60°。

图8 同步变压器内部反接电压相位关系

3.3.2 励磁系统输出情况

仍选取Uac作为同步电压，其过零点作为自然换相点。在此情况下，当触发角α=α0时，励磁系统输出电压为：

Ud=2.34UAcos(α0-60°)

(3)

假定某机组小电流试验的阳极电压UA=220V，逆变解除初始触发角α0=88°，在同步变压器内部同名端反接、阳极变压器连接正确的情况下，励磁系统输出情况分析如下。

(1) 当系统处于逆变状态时，调节器输出触发角α0=135°，由式(3)可得Ud=133V，励磁系统处于整流状态，向发电机转子输出电压，逆变控制不起作用，即励磁调节器运行时，只要整流桥交流侧有电压输入，即使系统处于逆变控制，整流桥也有电压输出，且该电压超过额定电压的50%。

(2) 当系统解除逆变时，调节器输出触发角α0=88°，由式(3)可得Ud=455V，励磁系统输出超过额定电压。

(3) 当模拟励磁正常运行时，调节器输出触发角α0=67°，由式(3)可得Ud=511V，实际情况是最小角限定在15°，因此输出为497V。

(4) 当模拟系统强励时，调节器输出触发角

α0=15°，由式(3)可得Ud=364V，励磁系统工作在整流状态，但输出电压过小，无法实现强励工况。

综上所述，在同步变压器内部同名端反接、阳极变压器连接正确的情况下，励磁系统不受逆变控制，直流侧一直输出较高电压，存在安全隐患。

4 结束语

励磁系统小电流试验是励磁系统一项非常重要的试验。笔者从同步信号的角度出发，分析了励磁系统内部变压器连接错误时，励磁系统的输出情况。当阳极变压器同名端反接时，励磁系统无法启动。当同步变压器同名端反接时，励磁系统不受逆变控制，长期输出较高电压。上述结论为调试人员判断故障原因提供了理论基础，进而可以为现场工程进度赢得时间。

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