一种三机励磁单相整流励磁回路及续流电阻选型方法与流程

本发明涉及一种三机励磁单相整流励磁回路及续流电阻选型方法，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术：

在三机励磁系统中，由于励磁电流较小，使得每个整流元件流过的电流小，再加上转子电感对电流上升有一定的阻碍作用，使得回路中的电流还未达到整流元件所需的擎柱电流时，触发脉冲消失，导致整流失败，因此为了保证三机励磁单相整流输出正常，需在发电机转子侧并联续流电阻，以增加整流元件通过的电流，使其达到或超过整流元件擎住电流，保证整流元件可靠导通。

三机励磁单相整流系统中，续流电阻配置至关重要，配置不合理会导致感性模型调节性能不佳、阻性模型双pt断线导致失磁等问题，通过对电路和程序定标的分析，究其原因皆是因为这种机型转子电流小，并联续流电阻后，负载模型成为阻感负载与电阻并联，这样整流输出电压的数学表达式既不是阻性负载表达式也不是阻感性负载表达式。

并联续流电阻后整流输出电压的表达式也是可以通过有效值计算的方法去推导，但是表达式也很复杂，对于程序中的定标和反算也不好实现，并且续流电阻阻值不同则表达式不同，因此需要对励磁主回路进行优化，使整流输出电压波形符合组感性负载的输出表达式ud＝0.9×u2×cosα，这样程序中定标准确，并且负半波完整，不影响励磁系统的强减能力。

在续流电阻选型方面，除了需要选择电阻的阻值以外，还必须考虑电阻的功率。如果电阻的功率选择不当，轻则影响设备的正常运行，重则可能导致设备的损坏，所以正确选择电阻的功率至关重要。

由于发电机的励磁电压都是指可控硅输出的平均电压，这一电压往往被误认为就是加在回路上的电压，而实际上加在回路中的电压为可控硅整流输出时的锯齿波电压，不能仅计算平均功率，而需要考虑瞬时最大功率，而原续流电阻功率选型未考虑瞬时最大功率参数影响，导致续流电阻发热严重，影响续流电阻的使用寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是并联续流电阻后整流输出负向电压被削平及续流电阻选型计算，如何解决整流输出负向电压被削平问题及续流电阻发热问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种三机励磁单相整流励磁回路，包括4个整流元件构成的单相全波全控整流桥，阻性负载rf和感性负载lf与所述整流桥相并联；所述整流桥还并联一个续流电阻rr，所述续流电阻rr串联一个反向二极管。

前述的每个所述整流元件均并联一组电阻rs和电容cs，构成整流元件缓冲回路。

前述的增加反向二极管后，所述整流励磁回路的整流输出电压ud为：

ud＝0.9×u2×cosα

其中，u2为整流励磁回路交流输入电压，α是整流桥触发角度。

一种三机励磁单相整流励磁回路的续流电阻的选型方法，包括续流电阻阻值的选择和续流电阻功率的选择；

所述续流电阻阻值满足：所述续流电阻的阻值小于可控硅被触发时阳极电压除以可控硅的掣住电流所得到的值；

所述续流电阻功率满足：所述续流电阻的瞬时功率最大值标称参数大于依据所述整流励磁回路所计算的续流电阻瞬时功率最大值pmax。

前述的依据所述整流励磁回路所计算的续流电阻瞬时功率最大值的计算如下：

续流电阻的瞬时功率p计算公式为：

其中，uds为整流输出电压的瞬时值，r为续流电阻的阻值，u2为整流励磁回路交流输入电压，ω为角速度，t为时间；

当时，续流电阻瞬时功率的最大值pmax为：

前述的续流电阻功率的选择还需留有3倍的功率裕量，即所述续流电阻的瞬时功率最大值标称参数为依据所述整流励磁回路所计算的续流电阻瞬时功率最大值pmax的四倍。

本发明所达到的有益效果为：

本发明在续流电阻的支路增加二极管，用于反顶负电压和电流，这样既可以满足续流的要求，又不至于在负半波时续流电阻起到上述的坏作用。

本发明在续流电阻选型中兼顾瞬时最大功率，完善续流电阻功率选型计算，减小续流电阻工作温度，提高续流电阻工作寿命。

附图说明

图1为改进前单相整流励磁回路原理图；

图2为改进前不带续流电阻整流桥输出波形；

图3为改进前带续流电阻整流桥输出波形；

图4为本发明改进的单相整流励磁回路原理图；

图5为本发明改进的电路输出波形。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的三机励磁单相整流励磁续流问题的改进方法，基于图1所示原理图进行改进，形成图4所示的改进型电路图方法而实现，具体方法为，在续流电路回路中增加反向二极管，解决了输出电压负半周被削平问题，从而使输出满足阻感性负载的表达式。

图1为改进前单相整流励磁回路，rr为续流电阻，rf与lf为发电机转子阻性负载和感性负载，vt1-vt4为整流元件，rs和cs串联构成整流元件缓冲回路，u1为变压器一次侧电压，整流励磁回路交流输入电压为u2，直流输出电压为ud，ir为续流支路电流，if为转子电流，id为经过整流元件的电流。

图2中为改进前单相整流励磁回路中不加续流电阻时的电压波形。不加续流电阻时，此时电路为阻感负载，表达式满足ud＝0.9×u2×cosα，其中，α是可控硅桥式整流电路(可控硅整流桥)的触发角度。由于三机励磁系统电流比较小，为了保证整流元件的可靠导通，需要增加续流电阻。t表示横轴代表时间。

图3为增加续流电阻后的整流输出电压波形。从图3中波形可以看出，并联续流电阻后，整流输出电压ud在负半波阶段，当负电压绝对值大于续流电阻(rr)与转子电流(if)乘积时，转子内电流全部从续流电阻流过，可控硅整流桥在下一脉冲周期到来前截止，此时刻续流电阻可理解为灭磁电阻，此时刻的负半波电压值可以理解为灭磁电阻的残压。

另外，并联续流电阻后，程序中控制电压uk基值的定标和触发角的反算，无论是按照阻性负载的表达式还是组感性负载的表达式计算都不准确，cpu计算的触发角度和实际电压要求的角度不一致，从而导致了调节性能不佳及pt断线角度限制的错误(pt断线时，对uk有限幅，空载时限制为空载额定输出的2倍；负载时限制为负载额定输出，定标不准将角度限在逆变角，导致失磁)。同时，并联续流后负半波被削平，整流输出平均电压输出基本全部为正值，大大降低了励磁系统的强减能力，因此下阶跃的效果肯定很差。

从上述分析可知，增加续流电阻后，输出电压负半波时，电流从续流电阻流通，输出电压表达式不再满足阻感负载，因此需要对其回路进行改进，使其在任意情况下均满足阻感负载特性，才能保证调节精确。

图4为本发明改进型电路。在原图的基础上，在续流电阻回路中串联一个反向二极管vd，来解决输出电压波形被削平问题。

图5为改进后的电路输出仿真波形图。在续流回路增加一个二极管vd可以消除续流电阻对直流输出电压负半波的影响，ud负半波波形完整，续流支路电流ir负方向截止，只有正方向起续流作用的部分，负载特性符合串联阻感负载模型，数学表达式为ud＝0.9×u2×cosα，这样励磁控制程序中uk基值的定标和触发角的反算就准确了，从而可以解决对标不准调节效果不佳的问题。

本发明的图4电路中，续流电阻rr选型时，其阻值应该小于可控硅被触发时阳极电压的大小除以可控硅的掣住电流。例如：当可控硅的阳极交流电压的有效值为100v，可控硅的掣住电流为600ma时，为了使得可控硅的控制角略小于90°时就可以可靠导通，则并联在感性负载两端的续流电阻的阻值应该小于据此可以选择续流电阻的阻值应不大于200ω。

对于单相全波全控整流桥，当负载为感性负载时，其整流输出电压瞬时值表达式为：

其中，角速度ω满足：α≤ωt≤π+α

续流电阻rr的瞬时功率计算公式为：

式中的r为图4中的续流电阻rr的电阻值。

由上式可以看出，当时，瞬时功率最大值为：

计算整流输出的平均功率为：

由平均功率计算公式，可知：

当α＝0时，续流电阻上的平均功率为最大值:

当时，续流电阻上的平均功率为最小值:pavmin＝0。

由上述计算结果可知，续流电阻的瞬时功率最大值pmax大于平均功率最大值pavmax，因此在续流电阻功率选择时，需要重点关注流电阻上瞬时功率最大值pmax，并以此参数作为选型依据，即电阻元件的瞬时功率最大值标称参数应大于此处计算出的瞬时功率最大值pmax。

另外，续流电阻标称功率与温度有一定的关系，当续流电阻功率达到标称功率时，续流电阻表面温度可能达到300°，所以在续流电阻功率选型时，除了考虑瞬时功率最大值pmax外，还要考虑留有一定的功率裕量，一般选取留有3倍的功率裕量，即选择的续流电阻瞬时功率最大值标称参数应是计算出的瞬时功率最大值pmax的四倍左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。