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摘要：本文主要介绍大型汽轮发电机无刷励磁系统的特点，以及发电机、励磁系统试验过程中遇到的问题和注意事项等。
1.引言
本文以豫西某电厂进口汽轮发电组为例，介绍其配套无刷励磁系统的结构及调试过程的注意事项。
无刷励磁按旋转整流器类型分为旋转二极管型和旋转可控硅型，本工程采用的是旋转二极管型。该机组无刷励磁系统可分为五个主要部分：永磁机、励磁变压器（永磁机后）、励磁调节柜（控制、通讯、IO板、AVR、可控硅整流）、主励磁机、硅整流桥（安装于大轴内）。在该无刷励磁系统中，永磁机为励磁系统提供300Hz、400V励磁电源，一路经三绕组双列变压器为励磁系统提供主电源（300Hz、550V），另一路经辅助变压器为励磁系统提供辅助电源（300Hz、110V），主励磁电源经可控硅整流（AVR控制）后接入灭磁开关，由灭磁开关出来后接入主励磁机励磁绕组，最后主励磁机输出电源经硅整流桥整流后为发电机提供励磁电源。励磁机电枢绕组直接连至三相桥式全波旋转整流装置，旋转整流装置其正、负极直接与主发电机转子连接，供给发电机励磁。因此励磁系统不需要电刷和滑环装置，如此就构成了无刷励磁系统。参见图1。
表1：设备参数
2. 豫西某电厂励磁系统试验介绍
由于结构限制，无刷励磁系统只能提供主励磁机的励磁电压、励磁电流，而无法直接测量发电机转子的电压电流，也就无法直接测量转子绕组的绝缘，在进行发电机及励磁系统试验时也无法直接录取发电机转子电压电流的波形，可用主励磁机的励磁电压、励磁电流代替，试验完成后与厂家试验结果进行对比。以下内容所涉及的励磁电压电流均指主励磁机的励磁电压、电流。下面介绍无刷励磁系统开机试验中与自并励静止励磁系统的不同点及注意事项。
2.1 汽轮机冲转升速过程中的试验
由无刷励磁系统结构限制，现场不进行发电机转子绕组交流阻抗试验；但按要求应进行副励磁机（永磁机）的空载试验：测量并记录升速过程中不同转速下永磁机的电压、频率以及相序。并按测量结果绘制永磁机频率电压特性图（如图2）。
由于永磁发电机额定输出电压为400V,额定频率为300Hz，故在测量电压、频率及相序时应选用合适的电压频率表和相序仪。
2.2 发电机空载励磁试验
在发电机空载额定状态下依次进行空载励磁系统各项试验，包括：励磁调节器手动通道升压及电压调节范围检查、自动通道升压及电压调节范围检查、手动方式与自动方式切换试验、电压阶跃响应试验、V/Hz限制试验、励磁调节器PT断线试验、起励升压试验、灭磁试验、主从通道切换试验、发电机频率电压特性、励磁系统远方操作控制及信号传动检查、轴电压测量以及灭磁后发电机残压测量。现重点介绍以下试验内容。
图1：豫西某电厂发电机励磁系统图
图2:永磁机频率电压特性曲线
2.2.1发电机空载电压给定阶跃试验：
虽然无刷励磁系统的电压响应速度比自并励静止励磁系统要慢，但仍属于快速励磁系统，该系统空载电压下10%阶跃响应的测试结果为：正阶跃超调量28.5%；调节时间3.6秒；震荡次数2次；调节时间3.48s。符合标准要求。
2.2.2灭磁试验：
由无刷励磁系统的结构决定，无法采用发电机磁场回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设灭磁开关，因此灭磁时间相对较长。试验测得空载额定电压下的灭磁时间常数测定为8.8s。
2.2.3发电机空载额定电压下的轴电压测量：
发电机在运行时，存在一定的轴电压，若轴电压超过轴承油层击穿电压，则在轴承上形成很大的轴电流，将烧蚀轴承部件，并使轴承的润滑油温度升高、老化，从而加速轴承的机械磨损，进而使发电机端盖、汽轮机部件、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈及叶轮处产生单极电势，甚至对TSI系统形成磁性干扰影响鉴转速、零转速、轴向位移、振动的测量精度。所以轴电压的测量很有必要。该机组空载额定下轴电压测量为13.15V。发电机厂家给出的判据是轴电压≤15V。
2.2.4发电机残压及相序测量：
由于无刷励磁系统灭磁结构限制，灭磁后发电机的剩磁较多。故无刷励磁系统灭磁后发电机残压相对较大，该机组灭磁后残压为：线电压352.6V,正相序。
2.3 励磁系统带负荷试验
发电机并网带一定负荷稳定后进行励磁系统带负荷试验，包括自动通道检查、手动通道检查、自动、手动方式切换试验、自动方式下通道切换试验、过励限制、低励限制、带负荷下2%电压阶跃响应、运行参数检查、永磁机负载特性检查、发电机带负荷轴电压测量以及励磁系统甩负荷试验。各试验和检查结果均正常，符合标准要求。现仅重点介绍以下试验。
2.3.1永磁机负载特性检查：
发电机带负荷过程中测量并记录永磁机输出电压、电流的变化情况；要求永磁机负载从空载到相当于发电机强励时，其端电压变化不应超过10%-15%。
在发电机带负荷过程中使用钳形万能表测量永磁机输出电压电流，并绘制永磁机负载特性曲线（如图3）。测量永磁机输出电流所使用的卡钳电流表应能满足永磁机300Hz频率的要求。
图3：永磁机负载特性曲线
2.3.2发电机带负荷轴电压测量：
#2发电机带50%负荷时轴电压为10.55V；发电机带额定负荷时轴电压为10.90V，均小于15V，满足厂家标准。
2.3.3 励磁系统甩负荷试验：测试励磁调节器在发电机甩负荷时对发电机电压的控制能力。要求甩额定无功功率时机端电压不大于甩前机端电压的1.15倍。
该机组100%甩负荷试验结果：发电机电压Uab前稳态值19.85kV,最高电压21.65kV，最高电压是甩前电压的1.09倍符合要求。
3.总结
3.1 无刷励磁系统的优缺点
无刷旋转二极管励磁系统具有结构简单、便于维护、可靠性高的特点，由于没有电刷，也就不存在接触不良以及因此而发热的问题，更不会产生电火花而烧坏设备。没有电刷，也就没有磨损的碳粉，发电机两端会非常洁净，而且不用更换电刷，维护量较小。
但无刷励磁方式取消了滑环和电刷后带来了两方面新的问题：一是无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度、监视转子回路对地绝缘，监视旋转整流桥上的熔断器等，而必须采用特殊的测量和监视手段；二是无法采用发电机磁場回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设灭磁开关，因此灭磁时间相对较长。
3.2 无刷励磁系统调试的注意事项
通过对本发电机无刷励磁系统的调试，总结出以下几点需要我们重点关注：不做发电机转子交流阻抗测试；汽轮机冲转过程中不同转速下测量永磁机的电压、频率以及相序。要准备好频率响应范围能满足永磁机额定频率的电压、频率以及相序的测试仪表；无刷励磁系统灭磁时间较长；应测量发电机空载额定和负载额定下的轴电压，并参考厂家说明进行判别，一般不大于15V为正常；发电机灭磁后残压较高，测量时应注意安全；
测试永磁机负载特性，发电机带负荷过程中测量并记录永磁机输出电压、电流的变化情况，要求永磁机负载从空载到相当于发电机强励时，其端电压变化不应超过10%-15%。要准备好频率响应范围能满足永磁机额定频率的电压及电流表。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
1.引言
本文以豫西某电厂进口汽轮发电组为例，介绍其配套无刷励磁系统的结构及调试过程的注意事项。
无刷励磁按旋转整流器类型分为旋转二极管型和旋转可控硅型，本工程采用的是旋转二极管型。该机组无刷励磁系统可分为五个主要部分：永磁机、励磁变压器（永磁机后）、励磁调节柜（控制、通讯、IO板、AVR、可控硅整流）、主励磁机、硅整流桥（安装于大轴内）。在该无刷励磁系统中，永磁机为励磁系统提供300Hz、400V励磁电源，一路经三绕组双列变压器为励磁系统提供主电源（300Hz、550V），另一路经辅助变压器为励磁系统提供辅助电源（300Hz、110V），主励磁电源经可控硅整流（AVR控制）后接入灭磁开关，由灭磁开关出来后接入主励磁机励磁绕组，最后主励磁机输出电源经硅整流桥整流后为发电机提供励磁电源。励磁机电枢绕组直接连至三相桥式全波旋转整流装置，旋转整流装置其正、负极直接与主发电机转子连接，供给发电机励磁。因此励磁系统不需要电刷和滑环装置，如此就构成了无刷励磁系统。参见图1。
表1：设备参数
2. 豫西某电厂励磁系统试验介绍
由于结构限制，无刷励磁系统只能提供主励磁机的励磁电压、励磁电流，而无法直接测量发电机转子的电压电流，也就无法直接测量转子绕组的绝缘，在进行发电机及励磁系统试验时也无法直接录取发电机转子电压电流的波形，可用主励磁机的励磁电压、励磁电流代替，试验完成后与厂家试验结果进行对比。以下内容所涉及的励磁电压电流均指主励磁机的励磁电压、电流。下面介绍无刷励磁系统开机试验中与自并励静止励磁系统的不同点及注意事项。
2.1 汽轮机冲转升速过程中的试验
由无刷励磁系统结构限制，现场不进行发电机转子绕组交流阻抗试验；但按要求应进行副励磁机（永磁机）的空载试验：测量并记录升速过程中不同转速下永磁机的电压、频率以及相序。并按测量结果绘制永磁机频率电压特性图（如图2）。
由于永磁发电机额定输出电压为400V,额定频率为300Hz，故在测量电压、频率及相序时应选用合适的电压频率表和相序仪。
2.2 发电机空载励磁试验
在发电机空载额定状态下依次进行空载励磁系统各项试验，包括：励磁调节器手动通道升压及电压调节范围检查、自动通道升压及电压调节范围检查、手动方式与自动方式切换试验、电压阶跃响应试验、V/Hz限制试验、励磁调节器PT断线试验、起励升压试验、灭磁试验、主从通道切换试验、发电机频率电压特性、励磁系统远方操作控制及信号传动检查、轴电压测量以及灭磁后发电机残压测量。现重点介绍以下试验内容。
图1：豫西某电厂发电机励磁系统图
图2:永磁机频率电压特性曲线
2.2.1发电机空载电压给定阶跃试验：
虽然无刷励磁系统的电压响应速度比自并励静止励磁系统要慢，但仍属于快速励磁系统，该系统空载电压下10%阶跃响应的测试结果为：正阶跃超调量28.5%；调节时间3.6秒；震荡次数2次；调节时间3.48s。符合标准要求。
2.2.2灭磁试验：
由无刷励磁系统的结构决定，无法采用发电机磁场回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设灭磁开关，因此灭磁时间相对较长。试验测得空载额定电压下的灭磁时间常数测定为8.8s。
2.2.3发电机空载额定电压下的轴电压测量：
发电机在运行时，存在一定的轴电压，若轴电压超过轴承油层击穿电压，则在轴承上形成很大的轴电流，将烧蚀轴承部件，并使轴承的润滑油温度升高、老化，从而加速轴承的机械磨损，进而使发电机端盖、汽轮机部件、轴承和环绕轴的其他部件强烈磁化，并在轴颈及叶轮处产生单极电势，甚至对TSI系统形成磁性干扰影响鉴转速、零转速、轴向位移、振动的测量精度。所以轴电压的测量很有必要。该机组空载额定下轴电压测量为13.15V。发电机厂家给出的判据是轴电压≤15V。
2.2.4发电机残压及相序测量：
由于无刷励磁系统灭磁结构限制，灭磁后发电机的剩磁较多。故无刷励磁系统灭磁后发电机残压相对较大，该机组灭磁后残压为：线电压352.6V,正相序。
2.3 励磁系统带负荷试验
发电机并网带一定负荷稳定后进行励磁系统带负荷试验，包括自动通道检查、手动通道检查、自动、手动方式切换试验、自动方式下通道切换试验、过励限制、低励限制、带负荷下2%电压阶跃响应、运行参数检查、永磁机负载特性检查、发电机带负荷轴电压测量以及励磁系统甩负荷试验。各试验和检查结果均正常，符合标准要求。现仅重点介绍以下试验。
2.3.1永磁机负载特性检查：
发电机带负荷过程中测量并记录永磁机输出电压、电流的变化情况；要求永磁机负载从空载到相当于发电机强励时，其端电压变化不应超过10%-15%。
在发电机带负荷过程中使用钳形万能表测量永磁机输出电压电流，并绘制永磁机负载特性曲线（如图3）。测量永磁机输出电流所使用的卡钳电流表应能满足永磁机300Hz频率的要求。
图3：永磁机负载特性曲线
2.3.2发电机带负荷轴电压测量：
#2发电机带50%负荷时轴电压为10.55V；发电机带额定负荷时轴电压为10.90V，均小于15V，满足厂家标准。
2.3.3 励磁系统甩负荷试验：测试励磁调节器在发电机甩负荷时对发电机电压的控制能力。要求甩额定无功功率时机端电压不大于甩前机端电压的1.15倍。
该机组100%甩负荷试验结果：发电机电压Uab前稳态值19.85kV,最高电压21.65kV，最高电压是甩前电压的1.09倍符合要求。
3.总结
3.1 无刷励磁系统的优缺点
无刷旋转二极管励磁系统具有结构简单、便于维护、可靠性高的特点，由于没有电刷，也就不存在接触不良以及因此而发热的问题，更不会产生电火花而烧坏设备。没有电刷，也就没有磨损的碳粉，发电机两端会非常洁净，而且不用更换电刷，维护量较小。
但无刷励磁方式取消了滑环和电刷后带来了两方面新的问题：一是无法用常规的方法直接测量转子电流、转子温度、监视转子回路对地绝缘，监视旋转整流桥上的熔断器等，而必须采用特殊的测量和监视手段；二是无法采用发电机磁場回路装设快速灭磁开关和放电电阻的传统灭磁方式，而只能在交流励磁机磁场回路装设灭磁开关，因此灭磁时间相对较长。
3.2 无刷励磁系统调试的注意事项
通过对本发电机无刷励磁系统的调试，总结出以下几点需要我们重点关注：不做发电机转子交流阻抗测试；汽轮机冲转过程中不同转速下测量永磁机的电压、频率以及相序。要准备好频率响应范围能满足永磁机额定频率的电压、频率以及相序的测试仪表；无刷励磁系统灭磁时间较长；应测量发电机空载额定和负载额定下的轴电压，并参考厂家说明进行判别，一般不大于15V为正常；发电机灭磁后残压较高，测量时应注意安全；
测试永磁机负载特性，发电机带负荷过程中测量并记录永磁机输出电压、电流的变化情况，要求永磁机负载从空载到相当于发电机强励时，其端电压变化不应超过10%-15%。要准备好频率响应范围能满足永磁机额定频率的电压及电流表。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。