SFZL-30A 适合小型水轮发电机组的励磁系统新技术
朱德魁
作者简介：朱德魁 高级工程师，男，1947年10月出生。天津市蓟县人。天津大学精仪系毕业。现工作于天津市于桥水力发电有限责任公司。撰写优秀论文二十余篇，并多篇获奖。其《循序渐进的技改之路》，获首届现代科技与管理论文一等奖证书，2001年获国际论文奖证书。2000年10月主持SFZL-30A励磁系统新技术市级鉴定会，该技术居国内领先水平，获天津市科技进步三等奖证书。本人四次出席国家级学术会议，分别是1985年（上海）首届全国光学大会；1986年（天津）第二届光电技术及学术交流会；1996年（郑州）全国农村水电及电气化学术交流会；2001年（北京）面向二十一世纪中国电力可持续发展研讨会。本人入选二十一世纪人才库工程；2001年入选《中国专家大词典》；2002年入编《世界优秀专家人才名典》（中华卷二，下）
目前的励磁系统广泛地采用电子计算机技术和现代控制理论的分析方法。但是对励磁系统接线方式的分析，参数选择以及运行特性的探讨，仍是现代同步发电机的基础。由于同步发电机和电力系统非线性因素的影响，以及运行方式和网络参数可能发生大范围的改变，进一步提高励磁系统的性能和改进励磁控制方式，开展自适应励磁控制系统的研究，探索非线性控制新途径，增强可靠性、安全性、最大限度地满足国民经济的发展需要，乃是电力科学工作者孜孜追求的目标。
我国1/4的人口，1/3的县，以及近一半的国土面积靠2800万KW的小水电供电。小水电数量之大，发展之快，是有目共睹的现实。联合国小水电中心和亚太小水电开发中心都设在中国是国际社会对中国小水电发展的认可和期望。
天津于桥水力发电有限责任公司和原机械工业部天津电气传动设计研究所根据引滦输水后开发水电资源的任务，开发研制的SFZL-30A型的励磁系统，选择并联转子线圈的续流二极管开发发电机磁场能量；选择三相半波全控整流的主回路；选择逆变灭磁作为唯一的灭磁方式。经过6年的运行，证明是成功的成果，经过2000年查新，国内外没有此类文献报道，经过国内资深专家鉴定一致认为：此系统所选择的技术处于国内领先水平，对于小型电厂机组来说，具有一定的典型意义。
励磁系统对发电机稳定性的影响是现代励磁技术的前沿。当发电机内部故障或网络发生故障时，要求立即停机，尽快地灭磁以缩短故障点的燃弧时间。发电机定子发生定子接地时的故障电流如果过大，除击穿线棒的绝缘外，还将造成铜芯和铁芯的损坏。因此设立快速灭磁装置，是国内外若干生产厂家和用户的护身符：认为即使可以逆变灭磁，还必须配备震动大，成本高，笨重的灭磁开关才万无一失。我们经过大胆实验，果断地在于桥上电站1250kw和1650kw机组上以逆变灭磁作为唯一的灭磁方式。在12kw的实验机组上测量灭磁时间为0。1秒，在1650kw的机组测量灭磁时间为0。66秒。1988—2000年的 13年来没有发生烧可控硅和发电机线圈现象。可以说，对于5000kw以下的小型水轮发电机组，可以选择逆变灭磁作为唯一的灭磁方式。
节能和环保是国家对生产过程重视和推广的课题。发电机工作时必须有励磁系统提供旋转磁场，而停机时又要迅速可靠地消耗储存在磁场的能量，避免产生过电压危及主机绝缘的安全。我们恰恰抓住可控硅整流相位过π以后不再整流，而磁场中储存的能量白白浪费掉的现实，在转子线圈两端并联续流二极管，把剩余能量开发出来。实践证明200A励磁电流有50A是被二次开发的。 此项研究成果已国内专家的赞同：《〈励磁系统改造之分析研究〉》一文获华中地区科学技术推广大会二等奖和首届现代科技与管理优秀论文一等奖。然而简单的续流不能保证可靠地灭磁，实验证明，机组逆变灭磁时间0。1秒，而续流灭磁时间达4。7秒，对事故停机是不利的。为此我们便推出了可控制续流二极管系统：即机组运行时带续流二极管运行，开发磁场能量，而停机时（含事故停机）用开关元件切断续流回路，恢复逆变状态，二者达到了完美的配合。
可控硅励磁系统整流主回路，无非三相全控桥，三相半控桥，三相半波全控整流三种方式。人们习惯地认为前二者整流效率高，体现了技术水平，但恰恰忽略了线路复杂，维护难度大，经常发生失控现象，影响励磁和发电机的可靠性。我们所选择的三相半波全控整流电路具有线路简单，运行可靠，维护方便的特点，为发电机稳定运行提供了保证。
（目前我们又开发了PLC微机可控硅励磁系统，性能更可靠，技术更先进——把微机PLC事故率近乎为零的优势与国内领先水平的技术结合在一起，为发电领域作出了新的贡献。2002年）
SFZL-30A励磁系统逆变灭磁波型图
1998年第二期《〈水电站机电技术〉》上我的文章《〈励磁系统改造之分析研究〉》从理论上分析了续流二极管开发转子磁场潜能的原理。下面我们再对SFZL-30A励磁系统逆变灭磁特性予以剖析。（见附图）
正向整流电压继续存在的原因：停机令下达以后，发电机仍在转动，定子电压还不能立即降下来；灭磁开始，控制回路不再向触发回路输入信号，但是触发单元原始的同步信号Uac、Ucb、Uba仍然存在，SCR导通角变小，整流电流变小，但呈现逐渐减小的趋势。
众所周知：发电机转子磁场的能量不能突变。逆变开始，反向电动势超过正向整流电动势一倍，抵抗正向整流，因此发电机端电压逐步降低，经过0.66秒，发电机电压降到0.318Un时，我们认为灭磁已经达到目的---当发电机发生事故时端电压迅速降到1/3Un以下，不至于将事故扩大。这便是续流二极管在停机时断开的道理所在。因为仅仅靠续流灭磁所用时间是逆变灭磁（或灭磁开关灭磁）所用时间的10倍以上，有可能将突发事故扩大。
由于三相半波全控整流可控硅励磁系统不设灭磁开关，直流负载（转子线圈）不能看作是无源的，故逆变过程不可能瞬间完成，而有一个稍长的逐渐衰减过程。首先我们以理想逆变灭磁状态进行分析。自励励磁系统灭磁时间的表达式为：
式中T=Lf/Rf为励磁绕组的时间常数，Lf为励磁电流，Rf为励磁绕组的电阻，Tc为自励励磁系统逆变电压衰减时间系数， 
为整流控制角， 
为逆变控制角。
由于发电机总是具有一定的剩余电压。习惯上从逆变开始到额定电压5%的时间作为剩余时间，相应的灭磁时间t=3Tc。
为了便于工程上计算，将衰减曲线予以简化，其过程如下：把按e指数衰减的逆变整流电压曲线化为幅值不变的方波电压，并令两者面积相等，依次求得等效恒定幅值电压Ufβv所包络面积（见下图）。
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以上为理想逆变灭磁状态。由于我们设计的励磁回路不设灭磁开关，停机灭磁信号来后，仍有微小的同步电压信号Uac、Ucb、Uba输入触发电路，故灭磁时间稍稍长一些，在12KW电机上试验，灭磁开关灭磁时间为0.09秒而逆变灭磁为0.1秒，差距不大，完全满足5000KW以下小型水轮发电机组停机灭磁的需要。
综上所述，SFZL-30A励磁系统选择三相半波全控整流的主回路，选择逆变灭磁作为唯一的灭磁方式，转子线圈并联受控制的续流二极管是成功的成果，对全国小型水力发电机组具有一定的典型意义。
以上观点供同行商榷，指正。