电励磁同步风力发电机技术条件

湘潭电机股份有限公司、中车永济电机有限公司、机械工业北京电工技术经济研究所。

王步瑶、杨国伟、果岩等。2100433B

本标准适用于电励磁同步风力发电机（以下简称“发电机”），其他类型的发电机可参照使用。

无刷励磁同步电机，励磁电流不通过电刷和集电环送入的一种同步电机。轴上附有旋转电枢型的交流励磁机,励磁机输出的交流电经过安装在转轴上的整流器成为直流电,直接送入该同步电机的励磁绕组。

同步电机励磁电源同步电机励磁电源特点

同步电机励磁电源的负载是电机的励磁绕组，它是一个感性负载，若要求电源的输出电流是连续的，当整流电路采用三相晶闸管桥式整流器时，各整流臂上的晶闸管的导通角应该为120°；在电网电压发生波动、同步电机负载冲击等情况下，要求同步电机不失步。恒电流励磁系统和恒无功功率调节的励磁系统可以满足这种要求。因此，同步电机励磁电源应具有以下特点：

(1)要求电源输出电压为额定电压的40%～100%时，电源能提供额定电流，以保证励磁系统能正常工作；

(2)在恒电流励磁系统中，当电网电压在其额定值的80%～105%的范围内波动，励磁绕组电阻热态阻值的增量不大于冷态阻值的10%时，励磁电流应有±5%的变化范围；

(3)在恒无功功率调节励磁系统中，当同步电机的负载从空载到两倍额定负载范围内变动时，同步电机无功功率的变动应小于10%；

(4)为适应同步电机的强励，当电网电压降低到其额定值的80%时，对于恒电流励磁系统，强励电压为励磁电源额定输出电压的140%，对于恒无功功率励磁系统，强励电压为励磁电源额定输出电压的150%；

(5)强励在不小于60s的时间内，同步电机励磁电源应可靠工作。整流变压器的电流过载能力是以小时计算的，60s的强励时间在整流变压器设计时可以不计，可以按额定电流和强励电压倍数来进行设计；励磁电源电路中的晶闸管和熔断器不能承受60s的强励时间，在选择晶闸管和熔断器时，应按过载倍数下的电流值来考虑；由于60s的强励时间对冷却系统无影响，可按额定输出时的耗散功率来设计冷却系统；电路的过电压保护和过电流保护应考虑同步电机励磁电源的负载为感性以及强励等特点。

(6)同步电机励磁电源应具有失步检测和快速灭磁功能。

若励磁状态下同步电机出现失步，在定子旋转磁场的作用下，转子(励磁绕组)会感应出交流分量，产生脉动转矩，在脉动转矩的长时间作用下，可能引起机械和电气共振，这种共振具有比较大的破坏作用。出现失步时，必须快速灭磁。

所以，同步电机励磁电源必须具有快速灭磁电路；

同步电机失步时，所产生的脉动转矩是正负交替的，定子电流的有功分量出现周期性的负值。只要在定子电流的有功分量中检测出负值电流，就可判定出现了失步，立即进行灭磁。

同步电机励磁电源同步发电机励磁用整流器的特点

同步发电机励磁电源的主流为晶闸管励磁电源。由于同步发电机的种类繁多，励磁方式各不相同。现将常用的几种同步发电机的励磁方式简介如下。

1）单变压器自励方式

图1为单变压器自励方式用晶闸管励磁电源的原理图。

图1中的UR为整流电路，GS为同步发电机，TE为励磁变压器，TA为电流互感器，TV为电压互感器，PG为脉冲发生器，AUR为自动电压调节器。若整流电路采用晶闸管桥式半控整流电路时，由于晶闸管桥式半控整流电路对上升信号和下降信号的响应时间不同。对上升信号的响应时间取决于饱和输出电压，而饱和输出电压与晶闸管的最小延迟角αmin和电源电压值有关。而在下降信号的作用下，磁场电流通过续流二极管VD1发生衰减，降压速度变缓。为了改变这种状况，可以

采用晶闸管桥式全控整流电路。此时，选用晶闸管时，应加大晶闸管的容量，以便在磁场时间常数下，能够通过额定励磁电流。

2）复合励磁方式

在自励方式中，若发电机母线电压有较大的跌落，励磁系统的响应特性要变差。在此种情况下，可选用复合励磁方式加以补偿。

复合励磁方式用晶闸管励磁电源的方框图如图2所示。图2与图1相比较，可以看出，复合励磁方式是单励磁变压器TE与电流互感器TA2复合的励磁方式。GP为永磁发电机。

从图2可以看出，整流电路UR的输入电源来自两个方面。其一是取自于励磁变压器TE中与发电机GS端电压成正比的电压分量；其二是取自于电流-电压变换器(电流互感器TA2与电压互感器

TV的组合)中与发电机GS输出电流成正比的电流分量。由于电流-电压变换器的二次电感很大，主发电机的励磁绕组为感性负载，换流时会产生很大的电压波形畸变，如果将这个波形畸变的电压作为晶闸管的同步信号，将使控制电路失控。为了避免此种现象的发生，应采用模拟装置取出触发同步信号。该模拟装置应具有励磁变压器和电流-电压变换器的特性，在任何状态下均能得到与整流电路输入电压波形和相位相同的同步信号。

另外，在自动电压调节器中，要求设置过电流限制电路，以防止在过补偿的情况下，系统母线发生短路故障时，发电机短路电流和晶闸管输出电流的过度增长。

复合励磁方式的优点如下：

(1)由于可以采取过补偿，系统母线电压降低时，也能得到较好地快速励磁，即使在发电机三相短路时，仍具有强制励磁能力，并且发电机三相短路时的输出持续电流可以任意设定；

(2)若在自动电压调节器中设置了过电流限制单元，仅采用复合励磁方式中的单变压器自励电路就可以进行发电机干燥运行；

3）通过励磁发电机向主发电机提供励磁电源的方式

(1)无换向器励磁方式

无换向器励磁方式的方框图如图3所示。图3与图1相比较，可以看出，增加了交流励磁发电机GEA和附加整流电路UR1(UR1为三相硅二极管整流器)，GEA向UR1供电，UR1的输出电流经主发电机的转子滑环，流经主发电机的励磁绕组。

(2)无刷励磁方式

图4为无刷励磁方式的方框图。从电路结构上来看，图4与图3相同，但在机械结构上两者有很大的区别。无刷励磁方式中的交流励磁发电机GEA与主发电机GS同轴旋转，GEA的定子绕组作为本身的励磁绕组有晶闸管整流器供电，GEA的转子绕组直接向硅二极管旋转整流器UR1供电，省去了换向器。UR1安装在轴的顶端，与发电机同步旋转，UR1的直流输出直接接到主发电机的励磁绕组，省去了主发电机励磁绕组的滑环。

这种励磁方式的最大缺点是旋转整流器与发电机同轴旋转，要承受巨大的离心力，为防止离心力的破坏，可将旋转整流器与轴用环氧树脂浇注成一体。