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淺析發電機勵磁電流過小的原因

  摘要:我廠生產的發電機,在外使用運行的時候,發現勵磁電流偏小,我們從各個角度分析了可能發生的原因,并對實際運行所需的勵磁電流進行了二次校核計算。 
  關鍵詞:發電機、勵磁電流、溫升 
  引言 
  在發電機的實際運行中,會產生各種原因導致勵磁電流下降。通過分析,我們認為該發電機的勵磁部分工作正常。 
  1. 運行情況介紹 
  該型號汽輪發電機(以下簡稱發電機)為隱極式無刷勵磁三相四極交流同步汽輪發電機,發電機設計為封閉循環通風系統,適用于熱電站或輕工、化工自備熱電站,也可作為小型電站發電設備。發電機主要由同步發電機、交流勵磁機、永磁副勵磁機和勵磁調節柜組成。本發電機的勵磁電流由交流勵磁機經旋轉整流器全波整流后供給。而交流勵磁機的勵磁電流由永磁副勵磁機發出的電流經勵磁調節柜調整后供給。 
  該機組設計功率為6000kW,功率因數為0.8,勵磁電流值為346.1A,勵磁機端勵磁電流為7.07A。機組穩定運行時間下的運轉功率為3500kW,運行功率因數為0.94,監測到的勵磁機勵磁電流值為2.8A,即實際運行的勵磁機電流值不到設計值的一半。 
  2. 初步原因分析 
  經過分析,我們確定造成勵磁電流值過小的原因有以下幾個方面: 
  2.1發電機實際運行功率以及功率因數均未達到額定值 
   同步發電機其電樞繞組與三相電網相連。發電機的額定勵磁電流值是通過對發電機的額定功率 以及額定功率因數 進行計算而得出的。其中額定功率因數 和額定功率 有如下關系: 。發電機實際運行功率比額定功率低,則會反應在額定輸出電流上,當額定輸出電流減小時,則發電機定子繞組中的電樞反應也會相應減小。當發電機電樞繞組中的電樞反應減小,發電機勵磁繞組所需的勵磁電流值也將進一步減小。同時功率因數比設計值偏高,導致實際輸出的無功功率變小,也會進一步降低主機所需的勵磁。 
  2.2發電機轉子溫升 
  發電機的實際運行功率以及功率因數的偏低,導致勵磁電流減小。在同一臺發電機中,勵磁繞組的電流值減小時,繞組內的電流密度也相應地降低,導致勵磁繞組的發熱量下降,這一部分的發熱,反應在發電機損耗中就是勵磁損耗。同時發電機額定輸出電流值的降低,電樞繞組內的電密也相應下降,減少了電樞繞組的發熱量。當定轉子的發熱量都在下降的時候,整個發電機的溫升會顯著下降。在同樣轉速及通風的情況下,發電機主勵磁繞組的溫升實際值將比設計值更低。主勵磁線圈的溫升降低的情況下,其勵磁繞組的直流電阻也會比在額定功率運行情況下的電阻值低,當勵磁電流值一定的情況下,將進一步降低勵磁電壓。 
  2.3勵磁機整流橋整流值 
  發電機的勵磁電流是由勵磁機發出的三相交流電,經旋轉整流硅二極管進行三相全波整流后得到的單相脈動性直流電。整流電路分為半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。整流電路是利用二極管的單相導電特性,其導通電壓由輸入交流電壓提供。 
  通過電力電子學的相關知識,可以了解到不同型式的整流橋會對勵磁部分產生影響。整流部分大致可分為二極管整流橋和相控整流器。本機組采用的是硅整流二極管三相全波整流。 
  2.4勵磁機部分溫升的影響 
  實際運行中,我們監測到冷卻器兩端出風口的溫升不同。因為機組在設計的過程中,勵磁機和永磁機部分的通風和主機的通風系統設計成為一體式的,勵磁機和永磁機通過離心式風扇將風排出并進入主機的風路之中。勵磁機和永磁機部分的發熱進入一端的通風系統,造成通風系統內的熱量不均衡,從而導致發電機冷卻器兩端出風口的溫升不相等。 
  3. 計算校核過程 
   3.1按發電機實際運行功率對勵磁電流進行計算 
  運用電磁計算程序,帶入實際運行功率3500kW以及實際功率因數0.94,我們計算得到如下的結果:額定勵磁電流:218.9 A 額定勵磁電壓:66.87V 
  3.2按計算出的溫升值校正勵磁電流值 
  在程序計算中,我們導出發電機轉子線圈的實際溫升值: 
  我們可以從程序中得出轉子繞組的溫升為:47.7℃,環境溫度約為32℃。 
  在計算額定勵磁電壓的時候,采用的計算公式: ,其中 為轉子繞組在130℃時候的電阻值,計算出的轉子繞組的溫度約為80℃。根據溫度對電阻的影響,我們采用如下公式將 折算成 ,即 ,可計算出額定的勵磁電壓值為: V。由此可見,運行的不飽和會對勵磁電壓造成很大的影響。 
  3.3不同整流條件下的勵磁計算 
  在全波整流和半波整流下,不同整流管的選用也會對發電機的勵磁電壓造成影響。其中半波整流電路,整流后的直流電壓只有原有交流電壓的0.45倍,而全波整流電路,整流后的直流電壓為原有交流電壓的0.9倍,若帶有濾波電容的全波整流橋式電路而言,輸出的直流電壓值是交流電壓的1.414倍。現在的整流基本都是采用全波橋式整流電路為主。 
  3.4勵磁部分溫升的影響計算 
  在勵磁機的計算過程中,為了避免繁瑣的程序,我們采用了一個固定溫升下的勵磁電流值。這同樣將公式里面的溫升帶入實際計算中的溫升時,發現勵磁機的勵磁電壓降低了很多。在計算程序中,引用的計算公式未曾考慮到實際的溫升情況,同主機勵磁電流的計算一樣,選用了一個恒定的溫升作為計算值。在對計算公式僅進行重新核算的時候,我們發現在計算勵磁電壓的時候,選用的計算公式為: ,而勵磁機側的溫升,一般相對來說都比較低。我們帶入前面取得的結果數據:額定勵磁電流值218.9A以及額定勵磁電壓值57.63V,然后可以算出,發電機位于額定點時的勵磁電流和勵磁電壓值分別為4.96A和50.4V。此時勵磁機勵磁線圈的溫升為8℃。將勵磁機的實際溫升帶入換算程序中,有: 。 
  4. 結語 
  通過以上的分析與計算,我們確認勵磁電流值偏小屬正常現象,造成的原因是機組不是在滿負荷的情況下進行運行,機組可持續穩定運轉。當機組持續在額定工況下長時間運行時,勵磁電流值將逐步上升到額定值。同時,在對發電機計算的過程中,磁化曲線的取值也是相當重要的。不同硅鋼片磁化曲線的取值,會導致計算結果的不一致。當然,計算程序的計算過程都是針對一個穩態過程的計算,和實際運行情況有很大的不同,所以在后面的計算結果與實際的運行數據還是存在差異的。唯一真正有效的檢驗標準是在滿負荷的情況下長時間運行,然后再來檢驗設計數據的準確性。 
  5.參考文獻 
  [1]汪耕 李希明 等編著,大型汽輪發電機設計、制造與運行,上海科學技術出版社,2012. 
  [2]王洪澤,同步發電機轉子勵磁電流的解析計算法,大電機技術,1982. 
  6.作者簡介 
   蘇連平(1987-),女,廣西南寧人,廣州廣重企業集團有限公司,主要從事汽輪發電機設計方面的工作。 



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