一种优化发电机动态响应性能励磁装置

技术领域

本发明涉及一种发电机励磁系统，尤其涉及一种优化发电机动态响应性能励磁装置，属于发电设备技术领域。

背景技术

核电厂柴油发电机组用发电机是保障核电厂安全运行的重要组成部分，其所带负载主要由电动泵、风机、阀门等组成，这些感性负载的突加突卸对发电机特别是小型发电机端电压的稳定性会造成一定影响。

核电用小型发电机组多采用自励磁方式，励磁功率源多取自发电机端电压，发电机在建压初期完全依赖转子绕组剩磁，核电厂小型柴油发电机组往往一个月甚至更久才会启动一次，可能会存在发电机剩磁消失而无法正常建压的情况出现，这对机组的可靠性及核电厂的安全均产生负面影响。

核电用小型发电机组在加载过程中，由于负载功率占比机组额定功率较大，发电机励磁系统调节能力有限，发电机端电压会出现大幅波动以及恢复时间较长的问题。

现有发电机励磁系统强励环节均采用大容量电流互感器在发电机突加大负载或短路情况下吸收发电机端电流用于强励磁调节，调节的强度或比例不受电压调节器的控制，容易造成发电机端电压超调量较大问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种优化发电机动态响应性能励磁装置，提高小型发电机励磁系统的可靠性，缩短发电机突加负载后电压恢复的响应时间，有效抑制电压的大幅震荡，提高系统的动态响应性能。

按照本发明的技术方案，所述一种优化发电机动态响应性能励磁装置，包括：串联谐振、电压电流检测单元、晶闸管调压单元、磁耦合整流变压器、自动电压调节器、起机充磁单元、BOOST强励单元和整流二级管；所述发电机输出电压经过串联谐振连接到磁耦合整流变压器，发电机输出电流与串联谐振输出电压在磁耦合整流变压器进行耦合；磁耦合整流变压器二次侧经过晶闸管调压环节后输出至整流二极管，整流二级管的输出端与BOOST强励单元的输入端相连接，BOOST强励单元的输出端和起机充磁单元并联后输出至励磁机定子；励磁机转子将励磁电压经过旋转整流二级管后输入至发电机转子；发电机定子输出电压并经过电压和电流互感器采用至自动电压调节器，自动电压调节器根据输出电压和电流值对BOOST强励单元和晶闸管调压单元进行控制，以提高电压动稳态性能。

所述起机充磁单元由二极管、储能电容、限流电阻和常开触点组成，在发电机接到启动命令后10s(时间可调)，若发电机因剩磁消失无法成功建压，自动电压调节器会发出信号使常开触点闭合从而储能电容为励磁机定子充电，提高发电机建压可靠性。

所述充磁单元在发电机运行过程中若储能电容两端电压低于一定值，则常开触点闭合励磁单元向储能电容充电。

所述BOOST强励单元主电路由电感、IGBT、二极管和电容组成，发电机在正常运行时IGBT一直处于关断状态，BOOST强励单元处于退出状态；在发电机负荷突然增加情况下，IGBT投入工作提高励磁机定子电压，缩短电压恢复的响应时间。

所述晶闸管调压单元由晶闸管和限流电阻组成，晶闸管和限流电阻串联后连接至磁耦合整流变压器的二次侧的三相绕组，每相绕组独立连接晶闸管和限流电阻，互不共用。

所述磁耦合整流变压器通过磁耦合方式将一次侧高电压和电流复合后感应至二次侧，避免一次侧和二次侧直接电联系，提高励磁系统安全性。

所述自动电压调节器检测发电机电压量、电流量，采用数字PID控制方法控制晶闸管导通角、IGBT占空比，实现对发电机输出电压的动稳态调节。

本发明的优点是：

自励励磁系统中含有储能电容，核电柴油发电机组因长期未投入使用导致剩磁消失的情况下，通过储能电容向励磁机定子充电，提高核电柴油发电机组建压的可靠性。

自动电压调节器可对BOOST环节进行有效控制，根据发电机端电压的大小对IGBT的占空比调节，不仅能够缩短突加负载后电压恢复的响应时间，还能抑制电压的大幅震荡，提高系统的动态响应性能。

励磁功率源通过磁耦合整流变压器进行有效隔离，有效避免了发电机一次侧与励磁控制系统直接电的联系，提高系统的安全性。

闸管调压单元对磁耦合整流变压器的输出3相电压同步调节，发电机电压调整范围将更广，同时提高整流二级管后输出直流电压的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明的励磁系统框图

图2是本发明整体电路原理图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：串联谐振、电压电流检测单元、晶闸管调压单元、磁耦合整流变压器、自动电压调节器、起机充磁单元、BOOST强励单元和整流二级管；所述发电机输出电压经过串联谐振连接到磁耦合整流变压器，发电机输出电流与串联谐振输出电压在磁耦合整流变压器进行耦合；磁耦合整流变压器二次侧经过晶闸管调压环节后输出至整流二极管，整流二级管的输出端与BOOST强励单元的输入端相连接，BOOST强励单元的输出端和起机充磁单元并联后输出至励磁机定子；励磁机转子将励磁电压经过旋转整流二级管后输入至发电机转子；发电机定子输出电压并经过电压和电流互感器采用至自动电压调节器，自动电压调节器根据输出电压和电流值对BOOST强励单元和晶闸管调压单元进行控制，以提高电压动稳态性能。

如图2所示，串联谐振单元每相均由电感和电容器组成，电感L1的1引脚与发电机端电压A相连接，电感L2的1引脚与发电机端电压B相连接，电感L3的1引脚与发电机端电压C相连接；电感的2引脚分别于电容器C1、C2、C3的1引脚相连接，并分别连接至T1、T2、T3的3引脚，C1、C2、C3的2引脚互相短接，T1、T2、T3的4引脚互相短接并接地。磁耦合整流变压器T1、T2、T3的1和2引脚分别串接在发电机输出电压主回路中，T1、T2、T3的二次侧输出5引脚分别连接至整流桥Z1的A、B、C端子，同时并接至晶闸管调压单元限流电阻的1引脚，T1、T2、T3的6引脚互相短接并接地。

如图2所示，晶闸管调压单元中晶闸管VT1、VT2、VT3的A引脚分别与R1、R2、R3的2引脚相连接，同时并接于UC1电压调节器的A1、A2、A3引脚，晶闸管VT1、VT2、VT3的G引脚分别与UC1的G1、G2、G3相连接，UC1通过G1、G2、G3控制晶闸管VT1、VT2、VT3的导通角，晶闸管的K引脚互相短接后接地，晶闸管单元通过控制VT1、VT2、VT3的导通角调节发电机输出电压。

如图2所示，整流桥Z1的输出经过端子X1和X2与强励BOOST单元输入端相连接，电感L4的1引脚与二极管VD1的A引脚相连接，同时并接于IGBT的集电极C，IGBT的栅极G于UC1的G4相连接，发射极E经过端子X2与UC1的E4相连接，二极管VD1的K引脚与电容C4的1引脚相连作为BOOST输出的正极，电容C4的2引脚与IGBT的集电极E相连接作为BOOST输出的负极，BOOST单元在非突加大负载或者输出短路情况不参与电压调节。

如图2所示，强励BOOST单元的输出作为起机充磁单元的输入，发电机处于正常运行非起机状态下起机充磁单元K3打开，VD2的K引脚与开关K3的33节点相连，K3的34节点连接可调电阻R4的1引脚，R4的2引脚与储能电容C5的1引脚相连接，2引脚并接于励磁电压的负极，起机充磁单元输出的正极与励磁机定子F+相连，输出的负极与励磁机定子F-相连。

如图2所示，检测用电流互感器T4一次侧串接于发电机输出V相，二次侧S1、S2分别与UC1电压调节器的I1、COM端连接，UC1的电压测量引自于电压互感器T5的二次侧，T5的一次侧分别与发电机三相输出U、V、W相连接，二次侧a、b、c连接至UC1的Ua、Ub、Uc端子。UC1外边可接入开关量起机信号、增压、建压信号，同时可根据起机过程发电机是否成功建压控制充磁开关线圈K3对励磁机定子绕组进行充磁。根据发电机电压、电流的波动情况对晶闸管和IGBT进行PI调节，提高系统的励磁动稳态性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。