[发明专利]一种无轴同步励磁机及其工作方法

说明书

技术领域

本发明属于励磁机领域，尤其是水力发电上的同步励磁机。

背景技术

同步发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其性能决定了发电机乃至电力系统的运行特性，保证发电机以及电力系统的稳定与安全。

励磁系统的作用有如下几个方面：

1.根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持发电机端电压的稳定；在电力系统正常运行情况之下，励磁系统必须维持发电机端电压在给定范围之内。当系统负荷发生变化的时候，发电机的端电压必然会受到影响，励磁系统此时产生作用，自动的增减发电机的励磁电流，使发电机的电压维持在正常范围之内。

2.控制并列运行各发电机间无功功率的合理分配

现代电力系统大多是多台发电机的并列运行，系统中发电机的有功功率是由输入功率决定的，分配无功的时候，通常都是由容量大的发电机多发出无功功率，而小容量的发电机则相应的少输出无功功率。又由于发电机输出的无功功率是和励磁电流大小有关，并列运行的发电机的无功功率大小由发电机的调差系数决定的，励磁调节器可以对调差系数进行调节，因此，励磁系统还担负着无功功率调节的重任。

3.提高电力系统的稳定性和发电机并列运行的稳定性；

电力系统在运行过程中，必然遭受到各种干扰，在扰动过后，如果系统能够恢复到原来的工作状态，或者过渡到另一种稳定状态，这个系统就是稳定的。电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两种稳定状态，良好的励磁系统能够明显提高电力系统的静态稳定，增加电力发电机功角特性上的稳定运行区域。当系统遭受到例如短路等大扰动之后，由于端电压的下降，将导致电磁功率的下降，发电机转子将产生很大的摇摆。如果此时没有励磁系统将端电压提高的话，发电机将加速失调。如果此时发电机拥有者良好的励磁调节器，强行将电压提高，相应的增加了电磁功率，将最终和机械功率平衡作用，达到新的稳定点。但是，提高电力系统的暂态稳定性，需要加快故障的快速切除和有着高励磁电压响应比的励磁系统。   

4.改善电力系统的运行条件

当电力系统短路时，会导致系统电压的降低，系统中大型电动机会处于制动状态。

在故障切除之后，电动机会吸收大量的无功功率自启动，导致系统电压恢复变缓。强行励磁会迅速提高发电机的端电压，改善电动机的运行条件。发电机在失磁之后，电力系统如果可以提供足够的无功功率的话。发电机能够维持电压稳定同时保证失磁的发电机能够一定时间以内异步运行。在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

总之，随着电力系统用电量迅速提高，发电机大都处于并列运行状态。为了保证电力系统的安全与稳定，必须提高发电机励磁调节器的性能。

无刷励磁系统有着本身不可被代替的优点，在危险工况下能稳定的运行，是现代中小型电机和大型无刷励磁系统的首选励磁方式。由于交流励磁机是和主发电机同轴的，通过不可控的旋转整流器向发电机提供励磁电流。

但对于大型水轮发电机需要计算各种参数，以及通过调节频率来调节励磁机的励磁强度，而调节频率需要借助发电机的各种参数，如下列论文所研究的大型水轮发电机定子线棒换位与环流损耗分析计算 哈尔滨理工大学 杨立超；不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算 华北电力大学 宋宏志；1000MW水轮发电机同步电抗计算及影响因素分析 哈尔滨理工大学 梁艳萍；水轮发电机端部电磁场分析及电抗参数计算哈尔滨理工大学 梁艳萍；基于电磁场与温度场计算的贯流式水轮发电机阻尼系统损耗发热研究  重庆大学  范镇南；水轮发电机阻尼绕组的电流、损耗、电磁力和温度进行了大量的计算与对比分析；无刷同步发电机交流励磁机电磁设计软件开发  湖南大学 何东霞；无刷励磁同步发电机励磁控制系统的研究  华南理工大学 侯亚敏；无刷励磁机的优化设计计算研究  山东大学 薛守栋；无刷励磁交流发电机的交流励磁机计算 上海交通大学 陈刚。

以上现有技术无不经过复杂而精密的计算，要实现非常困难，制造成本非常大，即便是经过如此大的计算，但现实工作环境中，各参数变化复杂，误差不可避免，发电机出现故障时无法快速达到稳定运行。

交流励磁发电机，因其励磁绕组采用交流电励磁而得名，其本体的结构与绕线式异步电机相同，定子具有三相对称绕组，转子上采用三相（或两相）对称分布的励磁绕组，且励磁电压的频率、大小、相位、相序都可以控制。