无刷励磁系统中励磁变压器的选型计算
来源:用户上传
作者: 胡海燕 朱云新 宋宴明
励磁变压器的选型和计算是发电机用户经常遇到的技术问题。由于无刷励磁系统的特殊性，经典理论计算方法已不适合现场实际，本文就此作一些探讨，提出一些切实可行的计算方法。本文的讨论基于如下的条件：并网运行，三相晶闸管整流，基层用户使用的角度（用户向制造商提供订货数据，不涉及变压器制造的参数设计）
【关键词】干式整流变压器 晶闸管整流 励磁 同步发电机
1 概述
全国已建成农村水电站4.8万多座，这些水电站多大20世纪的60～80年代建成。许多电站已经运行了30年以上，因此这些小水电都相继进行着改造，随着这些机组的改造，就产生了大量相适应的励磁系统，特别是无刷励磁系统的改造。随着我公司近年来许多小机组无刷励磁系统的投运，我们总结出了无刷励磁系统中励磁变压器的选型计算经验。本篇文章就现通用的二机（发电机GS和主励磁机G）无刷励磁系统励磁变压器选型计算出现的问题进行实例探讨。
2 常规选型计算
电站装机容量为3台1620KW无刷机组，励磁机厂家提供的励磁机的额定励磁电压为187V，额定励磁电流为14A。
2.1计算励磁变压器二次侧线电压
根据我们经典计算公式：
U2：励磁变二次线电压；
KC：强励倍数，选2；
UL：额定励磁电压；
IL：额定励磁电流；
XK：短路阻抗，取6%；
在发电机的励磁系统中，因为有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素，故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高，以限制过大的短路电流。但另一方面，励磁变压器所选用的短路阻抗过大，在强励条件下，励磁变压器二次电压的下降以及励磁电流的增加，有可能使整流器外特性的工作点过渡到第Ⅱ种换相状态（换相角60°<γ<120°），导致励磁输出电压显著降低，因此短路阻抗电压的参数要综合考虑。对比诸方面综合考虑，我们选择6%。
2.2 计算励磁变压器二次侧线电流
根据变流技术，励磁变压器的二次电流为：
2.3 计算励磁变压器容量
2.4 确定励磁变压器接线组别
对于三相双绕组电力变压器的接线组别，我国有关标准规定为Yyn0、Yd11、Ynd11、Yny0和Yy0五种接线方式。对于励磁变压器接线组别的选择，我国也多沿用电力变压器的标准，一般都选用Yd11接线方式，其原因为励磁变压器的一次侧接成星形接线时，一次绕组的相电压仅为线电压的1/，降低了一次绕组的耐压水平。二次绕组三角形连接，可为三次谐波短路电流提供一个支路，用以抵消3次谐波磁通，改善了相电压波形。最后确定励磁变压器接法为Yd11。
绝缘等级根据用户需求选为F级。
2.5 确定最终型号
最后得出励磁变压器型号：干变8KVA-3.3KV/285V（Yd11，F级绝缘等级）。
3 常规选型后出现的情况
选型后，在现场投运试验时，发现起励时端压摆动厉害，多次调整PID效果不明显。检查控制角时，发现控制角达到68°，这与常规的60°差别很大，再用万用表量取励磁电压时，发现额定励磁电压为147V，与励磁机厂家提供的参数187V差别很大。
4 验正发电机及励磁机额定运行时参数
根据现场所测数据，怀疑励磁机提供的参数与发电机厂家的参数出现匹配偏差，再向励磁机厂家及发电机厂家索要详细全面的参数，列表如表1所示。
5 根据额定运行参数进行技术分析并重新合理选型
见图1，由表1得知发电机额定励磁电压为150V，根据整流桥交直流电压间关系倒推出此时励磁机的交流线电压应为150V÷1.35=111V，换算成相电压应为111×1.732=64V，考虑回路压降，应为64+1.5=65.5。
而励磁机厂家提供的相电压却为82.5V，这中间差别比值为：65.5÷82.5=0.79，与励磁机的额定励磁电压实际值与计算值的比值（147÷187=0.79）正好一致，这说明励磁机与发电机实际额定工况下的参数有0.78左右的比值差别。
最后根据这个实际励磁参数（额定励磁电压为147V）重新对励磁变压器选型，计算励磁变压器二次侧线电压为225V（变压最终选型为：6KVA-3.3KV/225V），再投入现场运行，运行至今未出现起励时端压摆动厉害等现象。
6 对励磁变压器错误选型导致的问题原因进行分析
现在对之前选型后出现过流等情况的原因进行分析。
首先倒算出额定工况下的控制角。
根据之前励磁机厂家提供的参数进行选型计算，得到励磁变压器二次侧电压为285V，由公式（1）计算，算出实际额定励磁电压时的控制角为：
α ==67°
显然额定工况下控制角过大。而额定运行工况时控制角过大，导致平均电压波形出现了较多的负值部分即每次换流须由转子绕组释放能量以维持励磁电流，使晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，波形畸变增大，功率因数变差，故障的短路电流变大。
其次，在无刷励磁系统中，自动励磁调节器作用于接在交流励磁机励磁回路的晶闸管整流器，为此，励磁控制信号只有经过具有较大转子绕组时间常数的交流励磁机惯性环节后，才能作用到发电机的励磁绕组侧，同时励磁机本身的参数设计就有一定的放大作用，调节时本身就会出现一些超调量，如果此时励磁变压器二次侧电压过高，就会加剧调节控制的不稳定性，并且增加烧毁可控硅的风险。
另外由于控制角的增大，实际上相当于负载的功率因数减小，增加了励磁变的无功损耗。电压高了也必然导致电流降低，线圈绕组的导线截面积下降，电流损耗也增大。
重新计算励磁变压器二次侧线电压为225V后，再根据公式（1）计算额定运行时的控制角为：
α==60°
显然控制角较原设备有较大改善，实际证明投运后再未出现端压不稳及烧毁可控硅现象。
7 结论
上述实例说明在无刷励磁系统中，特别是小水电，发电机与励磁机在额定工况下存在参数配合问题，我们应根据发电机的励磁电压和励磁机的交流相电压进行推算，最后得出真实的励磁机的额定励磁电压，才能作出励磁变压器的正确选型。
参考文献
[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2]水电站机电设计手册.北京：水利电力出版社，1984.
[3]电力工程电气设备手册.北京：中国电力出版社，1996.
作者简介
胡海燕（1976-），女，大学本科，电气工程师，现任武汉市陆水自动控制技术有限公司的水电站辅助设备设计工程师，现在研究方向为小水电的成套设备的设计选型。
朱云新（1970-），男，大学专科，电气工程师，现任长江水利委员会陆水枢纽工程局机电安装工程处从事水电站的机电安装副总工程师。现在研究方向为水电站的电气设备交接试验等。
宋宴明（1980-），男，大学本科，电气工程师，现任武汉市陆水自动控制技术有限公司开发部副部长，负责公司的技术开发。现在研究方向为小水电的成套设备的设计选型。
作者单位
1.武汉市陆水自动控制技术有限公司 湖北省赤壁市 437302
2.长江水利委员会陆水枢纽工程局机电安装工程处 湖北省赤壁市 437302
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-5997666.htm
