“高起始响应”解决的问题

王 芳

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

1 问题的引出

近年来在很多同步发电机招标书中对励磁系统都提出了这样的要求：提供静止励磁系统、应是高起始响应型的。这是一种误解，静止励磁系统中不存在高起始响应，高起始响应只存在于交流励磁机励磁系统中。笔者写此文对此误解给予澄清。

2 “高起始响应”的产生

励磁系统电压响应时间是励磁系统的一个指标，其定义可参见国标GB/T 7409.1。国标中还定义了电压响应时间≤0.1s的励磁系统被称为高起始响应励磁系统。

静止励磁系统电压响应时间主要是由AVR的时间常数和可控硅换弧角的等效延迟时间决定的，通常≤0.08s，被称为快速响应系统。常规设计的交流励磁机励磁系统，由于交流励磁机时间常数的影响，其电压响应时间 ＞＞ 0.1s，被称为常规响应系统。

上世纪八十年代初期从美国西屋公司引进600MW和300MW汽轮发电机的制造技术，同时从美国西屋公司引进了无刷励磁系统（交流励磁机励磁系统之一），为了满足中方对励磁系统电压响应时间的要求，西屋公司对所供无刷励磁系统的参数进行特殊设计，即在交流励磁机的励磁回路中采用高顶值以补偿交流励磁机的时间常数，从而实现励磁系统电压的快速响应，“高起始响应”的无刷励磁系统就这样产生了。哈尔滨电机厂有限责任公司在 300MW 汽轮发电机上改用了三机系统，也是高起始型的。

3 交流励磁机励磁系统主电路中各量之间的对应关系

图1所示是交流励磁机励磁系统的两种接线方式。图1（a） 称为交流励磁机—静止整流器励磁系统，简称三机系统；图1（b）称为交流励磁机—旋转整流器励磁系统，简称无刷系统。无刷励磁系统中的交流励磁机是旋转电枢型的发电机，其定子绕组是励磁绕组，与电压调节器进行电气连接时不需要电刷和集电环；其转子绕组是电枢绕组，电枢绕组产生的电能经旋转整流器整流后给发电机转子绕组（励磁绕组）提供励磁电流建立气隙磁通。交流励磁机电枢绕组、旋转整流器和发电机转子绕组是相对静止的，在电气连接上也不需要电刷和集电环。图1（a）和图1（b）中的参数可以设计成一样，即两种接线的性能是完全等效的。

图1中所示各电量有如下对应关系：

①励磁系统输出电压UEX是励磁机电压UE经二极管全桥整流得到的，UEX=1.35UE，两者在时间上是同步的。

②励磁机电压UE在时间上与励磁机的励磁电流IEf是同步的。

③调节器的输出电压UEf施加到励磁机的励磁绕组上，在励磁机励磁回路产生励磁电流IEf。当UEf发生变化（突变）时，由于电感的影响，IEf将按指数规律变化（见图3）：

其中：

UEfC为调节器的顶值电压；

UEfC/R为强励时励磁机励磁电流IEf的稳态值；

τ为励磁机的时间常数；R为励磁机励磁回路电阻。

图1

④根据变流技术，调节器的输出电压UEf可用下式计算：

其中：UP为永磁机电压。

若取αmin= 10°，则调节器的输出的顶值电压为：

综上所述，励磁系统电压UEX是与励磁机励磁电流IEf同步的，即励磁机励磁电流的响应时间就是励磁系统电压响应时间；永磁机电压决定调节器的顶值电压，从而决定励磁系统电压响应时间。

4 对交流励磁机的要求

从励磁系统的性能方面对交流励磁机提出两点基本要求：

一是交流励磁机的特性曲线中的饱和点应与励磁系统所要求的顶值电压对应（如图2所示），这样AVR改变交流励磁机的励磁电流就能得到所要求的励磁系统电压；

二是交流励磁机的励磁电压要求设计得较小，原因在后面解释。

图2 交流励磁机特性

5 什么是“高起始响应”

图3示出了在不同的调节器顶值电压下励磁机励磁电流IEf的上升曲线，励磁系统在t0时刻开始强励。

曲线1，调节器的顶值电压对应于励磁系统顶值电压，励磁机励磁电流约在t1时刻（t1－t0≈ 3τ）到达顶值IEfC；

曲线2，提高调节器的顶值电压倍数，励磁机励磁电流在t2时刻到达顶值IEfC，较曲线1有所提前；

曲线3，再提高调节器的顶值电压倍数，励磁机励磁电流在t3时刻到达顶值IEfC，若t3－t0= 0.1s（忽略AVR的时间常数）这就是所要求的高起始响应，即中间量励磁机励磁电流刚刚处在起始阶段，励磁系统电压的上升过程就已结束（达到顶值）。对应曲线3，式（1）中的已知量有：IEfC、t = 0.1s及R和τ，就能计算出调节器的顶值电压值 UEfC，从而计算出高起始响应所要求的永磁机电压UP。

图3 励磁机励磁电流

实际运行的高起始响应系统中，调节器的顶值电压值比交流励磁机的额定励磁电压高20余倍，这就要求交流励磁机的额定励磁电压设计得较小，第一不至于使永磁机电压过高，第二在发电机空载运行时触发脉冲控制角α能够控制在小于85°的某处，有个稳定工作点。

6 对调节器的要求

图3中的曲线3，为了使交流励磁机励磁电流能够在0.1s时到达顶值电流IEfC（黑色部分），被迫将调节器的顶值电流设计成了IEfC2，大于顶值电流IEfC（红色）部分是不需要的，也是不允许出现的，这就要求调节器中的瞬时电流限制器在交流励磁机励磁电流到达顶值电流 IEfC的瞬间将调节器的顶值电压降下来，能够维持顶值电流 IEfC就行。这一点绝对不能出错，否则交流励磁机就被烧毁了！

7 结语

无刷励磁系统有其自身的优点，如因为没有电刷和集电环，是真正的免维护系统，增加了转轴的机械阻尼有利于电力系统的稳定性等。快速性是静止励磁系统所固有的优点。“高起始响应”虽然使无刷励磁系统的响应速度接近了静止励磁系统，还是与静止励磁系统有差距，选用何种励磁系统应根据电力系统的要求而定。