（电气工程专业论文）中小型汽轮发电机组励磁控制系统的设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济建设的发展，我国的电力工业迅速发展，为了更好的保证经济运行、保证电 能质量，电力系统运行对自动控制装置提出了更高的要求励磁控制系统是同步发电机的 重要组成部分它是供给同步发电机励磁电源的一套系统 本文结合5 0 k n r 以下汽轮发电机组励磁控制系统的开发研制，着重分析了静止可控硅励 磁系统的特点。并对其调节器的运行逻辑、可控硅的导通及参数选择、励磁变压器容量的 计算、灭磁开关及灭磁电阻的计算、旋转二极管的监测等进行了详细的分析。 本励磁控制系统集励磁控制器、可控硅整流器、灭磁、起励及过电压保护装置于一个 柜中。性能优良，技术先进，是目前国内外具有最简单的硬件结构与最丰富的软件功能的 工业微机励磁控制装置，并对产品进行实验。 关键词：静止励磁、高压励磁变压器、可控硅、灭磁 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a l i n d u s t r y h a sd e v e l o p e dr a p i d l yi no u r c o u n t r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yc o n s t r u c t i o n i no r d e rt ob e t t e re n s u r et h ee c o n o m y o p e r a t i o na n dt h ee l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o le q u i p m e n tn e e d s t om e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ep o w e rs y s t e m t h ee x c i t a t i o ns y s t e mi so n e i m p o r t a n tp a r to ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，w h i c hs p e c i a l l yf e e d st h ee x c i t a t i o n s u p p l yf o rt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r t h i st e x td e s c r i b e st h es t a t i ct h y r i s t o re x c i t a t i o ns y s t e mi na c c o r d a n c ew i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h et u r b o g e n e r a t o rw i t hl e s s t h a n5 0 哪a n di ta n a l y z e st h er e g u l a t o rl o g i c 、t h y r i s t o ro n o f fa n di t sp a r a m e t e r s s e l e c t e d 、t h ec a l c u l a t i o no ft h ee x c i t a t i o nt r a n s f o r m e rc o n s u m p t i o na n d d e e x c i t a t i o nr e s i s t o r 、t h ef i e l db r e a k e ra sw e l la sr o t a t i n gd i o d em o n i t o r i n g e t a i nd e t a i l t h i se x c i t a t i o ns y s t e mh a si n t e g r a t e dt h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r 、t h et h y r i s t o r c o n v e r t e r 、d e e x c i t a t i o nd e v i s e 、f i e l df l a s h i n gd e v i c ea n do v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n d e v i c e si n t oo n ec u b i c l e a n di tf e a t u r e st h em o s ts i m p l eh a r d w a r es t r u c t u r ea n d t h em o s tp l e n t i f u ls o f t w a r ef u n c t i o n so ft h ei n d u s t r i a lm i c r o p r o c e s s o re x c i t a t i o n c o n t r o le q u i p m e n tw i t ht h eb e t t e r p e r f o r m a n c e a n dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y r e g a r d l e s so fa th o m eo ra b r o a d t h ep r o d u c th a sb e e na c h i e v e dv e r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：s t a t i ce x c i t a t i o n 、h ve x c i t a t i o nt r a n s f o r m e r 、t h y r i s t o r d e - e x c i t a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着现代科学技术的发展以及电站设备自动化水平的提高，电厂要求实现无人值班或 少人值班，提高电厂发电工作效率。减少维护工作量，提高系统的可靠性和稳定性。励磁 控制系统正是实现这些要求的关键设备，励磁控制系统是发电机组的重要组成部分，对发 电机的稳定，可靠运行起着重要作用 我厂为汽轮发电机生产厂家，每年生产一百七八十台发电机，其中小机组约为百二三 十台以前我厂配套的励磁调节器都是外购由于各个生产厂家的科研开发、技术水平、生 产条件、产品质量及售后服务态度参差不齐，严重影响了我厂的产品声誉。为了更好的占 领市场，并且很好的利用我厂生产能力比较强的优势。我们必须自己生产励磁调节器。采 用什么样的励磁方式，选用何种励磁调节器，励磁系统的设计如何保证高的性能指标是我 们必须解决的问题。 我厂研发的静止可控硅微机励磁调节器是针对3 0 m w 及以下静止式自并励励磁系统的 水、火电机组而开发的新型励磁装置，它集励磁控制器、可控硅整流器、灭磁及过电压保 护装置于一个柜中，具有简练的硬件结构与丰富的软件功能，采用了先进的控制理论和全 数字化的微机控制技术，具有多种运行方式，完备的保护功能，试验、故障录波功能，完 善的自检、自诊断和自恢复功能。该励磁调节器符合i e c 3 4 1 6 l 汽轮发电机励磁系统 技术要求标准及相关国际标准，各项性能指标达到或优于国家关于励磁控制系统的技术 条件要求。 1 2 励磁调节器的发展 1 2 1 励磁调节器的发展 发电机励磁调节器经历了从简单到复杂、从单一功能到多种功能的发展历史。 1 、由磁性放大元件和整流器件组成的电磁式励磁调节器：这种调节器响应时间长，动 态性能差，超调量大，无保护及限制功能，目前已基本被淘汰。 2 、半导体励磁调节器：这种励磁调节器是以运算放大器和半导体器件为核心。具有响 应灵敏，动态性能好的优点，但热稳定性能较差，抗干扰能力弱， 运行中经常出现无功大幅度摆动，目前已很少使用。 3 、集成模块化励磁调节器：随着大规模集成电路的发展，集成模块化励磁调节器替代 了半导体励磁调节器，与后者相比，集成模块化励磁调节器由于电路集成度高，并且按功 能作用进行了模块化分割，所以在有限空间内可最大限度的增加装置的功能，尽可能多的 4 山东大学硕士学位论文 设置补偿电路，使装置的性能、稳定性有了大幅度的提高。 4 、微机励磁调节器：微机励磁调节器是以经典和现代控制与微机技术相结合的近代新 型励磁调节器，他不但具有常规调节器的全部调节控制功能，还具有许多控制、限制、保 护和容错等功能。它具有以下优点： ( i ) 、由于计算机具有的计算和逻辑判断功能，使复杂的控制策略可以在励磁控制中 得到实现。它可以实现模拟式调节器的p i d 调节、p s s 附加控制和线性最优控制外，还可实 现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线形控制、自适应控制等，从而丰富和增强了 励磁控制功能，改善了发电机的运行工况。 ( 2 ) 、调节准确、精度高，在线改变参数方便。在数字式励磁调节器中信号处理、调 节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。另外， 电压给定、放大倍数、时间常数等控制参数都由数字设定，比由模拟元件构成的电路调整 要准确的多，而且参数稳定性高，基本不存在因热效应、元件老化等带来的参数不稳定问 题。同时在线调整设定参数也比模拟调节器方便的多，速度可以很快，没有模拟调节器中 电位器调整带来的烦恼。 ( 3 ) 、利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中 实现完备的限制及保护功能、通用灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和试验 手段。它容易实现： 1 ) 发电机恒无功运行和恒功率因数运行； 2 ) 正、负调差和调差率的选择； 3 ) 最大励磁电流瞬时限制； 4 ) 定子电流限制： 5 ) 强励反时限限制； 6 ) 欠励限制； 7 ) 电压频率( v f z ) 限制及各种保护功能。 ( 4 ) 、可靠性高，无故障工作时间长。在软件中能实现自诊断和自复归功能。由于调 节控制规律由软件实现，减少了硬件电路，因调节器故障维修而带来的停机时间大大减少。 ( 5 ) 通信方便。可以通过通信线、串行接口或常规模拟量方式方便灵活的接入电厂的 计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。 ( 6 ) 版本升级便利、完善化速度快。由于引入了微处理器使得控制策略的改变和控制 功能的增加通常只需在软件上加以改进，硬件不需要做很大的改动，因而便于产品的升级 s 山东大学硕士学位论文 换代。 ( 7 ) 微机励磁调节器具有极强的通用性，对不同类型的机组可使用完全相同装置硬件， 对不同的要求仅需变更软件即可实现 1 2 2 国外励磁发展动态 早在1 9 6 0 年代末期，国外在进行计算机控制励磁研究就己开始，用的是小型计算机， 大都是在一些大学和研究单位进行，在理论上对控制方法规律进行了研究，有的还在试验 室的小的模型发电机上进行了试验，7 0 年代加拿大和苏联对计算机( 当时称数字式自动电 压调节器d a v r ) 励磁进行了联合研究国外微机励磁的应用，是在8 0 年代中叶后兴起的， 如日本东芝公司于1 9 8 9 年7 月在日本的东北电力( 株) ，八户火力发电所3 号机上开始投 运双微机系统的数字式励磁调节器，加拿大通用电气公司c g e 于9 0 年5 月已开发出微机励 磁调节器。又如瑞士a b b 公司利用厂用微机系统开发了u n i t r o l - d 型微机励磁调节器，很 快就停止生产模拟式励磁调节器。9 5 年又推出了新的一代微机励磁调节器u n i t r o l - f ，及 u n i t r o l p 。 综上所述，近年来由于数字技术的普遍推广应用和数字控制技术的飞跃发展，使得微 机型励磁调节器有着优异的性能价格比和高度的可靠性，因此是现代励磁控制系统的首选。 1 3 自并励静止可控硅励磁控制系统 自并励静止可控硅励磁控制系统又称静止励磁系统，励磁功率全部取自机端。高压励 磁变压器将机端电压降压，经过晶闸管可控整流桥电路转变成直流电压后，通过碳刷和滑 环送到转子励磁绕组。 这种励磁方式接线简单，投资远低于三机励磁，其最大优点是没有旋转部件，因此具 有以下特点： i 、无主、副励磁机，既无旋转部件，因而结构简单，轴承座少，这就缩短了机组轴系 长度，这对减少机组振动，提高轴系的稳定性，十分有利。同时也大大减少了运行、维护 的工作量，提高了安全运行的可靠性。 2 、这种励磁方式直接用发电机的转子电压，无主、副励磁机等中间环节，减少了中问 迟缓。因而可获得很快的电压响应速度，这对提高电力系统安全运行的稳定性十分有利。 3 、由晶闸管提供的励磁功率，过去人们曾担心其耐压水平和过载能力问题，随着技术 的进步，可控整流技术满足发电机和系统在各种工况下对励磁电流和电压的要求。 1 4 主要研究内容 本文将以3 0 m w 及以下静止式自并励励磁系统发电机组励磁装置的研制、开发、试验为 6 山东大学硕士学位论文 对象，着重解决以下问题： l 、研究和设计自并励励磁系统的主回路并选择系统中的主要设备和器件。 2 、研究励磁控制部分的软件的设计要求及功能。 3 、研究和设计起励回路、灭磁回路、尖峰吸收回路。 4 、对励磁调节器的试验及使用操作。 7 山东大学硕士学位论文 第二章发电机励磁系统的作用及分类 2 1 励磁控制系统的主要任务0 1 l 、维持发电机或其他控制点( 例如发电厂商压侧母线) 的电压在给定水平维持机端电 压水平是励磁控制系统的最主要的任务。有以下3 个主要原因： 第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和最 高运行电压保持发电机端电压在容许水平上是保证发电机及电力系统设备安全运行的 基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下 保证发电机电压在给定的容许水平上发电机运行规程规定。大型同步发电机运行电压不 得高于额定值的l1 0 。 第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是最经济的。如果发电机电压 下降，则输出相同的功率所需的定子电流将增加，从而使损耗增加。一规程规定大型发电机运 行电压不得低于额定值的9 0 ：当发电机电压低于9 5 时，发电机应限负荷运行其他电力设 备也有此问题。 第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。 励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是最为简单、 经济而有效的措施。 2 、控制并联运行机组无功功率合理分配 并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率 有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。 两台或多台有差调节的发电机并联运行时，按调差率大小分配无功功率。调差率小的分 配的无功多，调差率大的分配到的无功小。 如果发电机变压器单元在高压侧并联，因为变压器有较大的电抗，如果采用无差特性， 经变压器到高压侧后，该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大，为使高压母线电压 稳定，就要使高压母线上的调差率不至太大，这时发电机可采用负调差调差特性，其作用 是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落，这也称为负荷补偿。调差特性由自动 电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的机组，调差率k u 在( 3 - 1 0 ) 之间调 整。 3 、提高电力系统的稳定性 1 ) 励磁控制系统对静态稳定的影响 对于汽轮发电机，其功角特性为：p _ ( e u 。x 。：) s i n8 。 8 山东大学硕士学位论文 式中e a 一发电机内电势； u l - 受端电网电压； ) ( d 一发电机与电网间的总电抗。 静态稳定功率极限等于p fe 。u ) ( d ，对应的功角为9 0 。 一 片 i _ ，一 嘲 一 i。 、i 、i 卜 m j! c 砷 呻 寝 黪 = 壶 萄 ： ： 一， 一 图2 - 1 发电机内、外功率特性曲线及端电压和内外电势变化图 如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时e a 为变值，相应的传输功率可得到显著 的提高。假定自动励磁调节是无惯性的，并假定在负载变化时可保持发电机的暂态电势e q 近似为常数，由于随负载变化时，内电势e q 亦随励磁调节而变化，此时的功率特性已不是 一条正弦曲线，而是由一组e q 等于不同恒定值的正弦曲线上相应工作点所组成，为区别民 等于恒定值时的内功率特性曲线，当e q 随负载而变化的功率特性曲线称之为外功率特性曲 线。另，如维持e 近似不变，则随着负载增加，e 口是上升的。静态稳定功率极限理论值 p u = e q u x 一具体数值取决于微动态稳定的条件，对应的功角大于9 0 。 如果励磁调节器具有更良好的性能和更高的电压放大倍数，在负载变化中可维持发电 机的电压u 为恒定值，此时的外功率特性曲线将具有更高的斜率，静态稳定功率极限理论 值即u u 。x c ，具体数值也取决于微动态稳定的条件。对应的转子功角更大于9 0 。 同步电机的静态稳定能力提高后，相应系统传输功率的能力也得到提高。 理论分析研究结果表明：励磁系统的电压放大倍数k o u 与励磁系统的时间常数l 以及 转子功角6 间有一定的关系，在同一转子功角条件下，随时间常数t 。的增加，为保证发电 o 山东大学硕士学位论文 机稳定运行所允许的电压放大系数是增加的；在同一时间常数t 。条件下，随转子功角6 的 增加所允许的电压放大系数是减少的。由此可引起功率振荡情况。 2 ) 励磁控制系统对暂态稳定的影响 提高暂态稳定性有两种方法，减小加速面积或增大减速面积。减小加速面积的有效措 施之一是加快故障切除时间而增加减速面积的有效措施是在提高励磁系统励磁电压响应 比的同时，提高强行励磁电压倍数，使故障切除后的发电机内电势e 口迅速上升，增加功率 输出，以达封增加减速面积的目的 3 ) 励磁控制系统对动态稳定的影响 电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁控制系 统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱( 甚至变负) 的最重要的原 因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同 时，特产生负的阻尼作用。在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开 环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。 解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其 它控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正 的，而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节 通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此， 称为附加励磁控制。 2 2 发电机励磁系统的分类 同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。 2 2 1 交流励磁机系统 交流励磁系统是汽轮发电机组比较主要的励磁方式。 交流励磁机系统根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励机系统。 交流励磁机系统若按整流是静止或是旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的 不同，又可分为下列四种励磁方式： ( a ) 交流励磁机加静止硅整流器； ( b ) 交流励磁机加静止可控硅： ( c )交流励磁机加旋转硅整流器： ( d )交流励磁机加旋转可控硅： 交流励磁机系统的具体接线方式很多，下面给出几种典型的接线方式。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 、它励交流励磁机系统( 三机它励磁系统) 它励交流励磁机系统原理如图2 2 所示 图2 2 交流励磁机系统接线原理一( 三机它磁) 交流主励磁机( a c l ) 和交流副励磁机( a c f l ) 都与发电机同轴。副励磁机是自励式的， 其磁场绕组由副励磁机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它 励励磁系统。 2 、自励交流励磁机系统 自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获 得。其原理见图2 3 。 图2 3 交流励磁机系统接线原理二 山东大学硕士学位论文 交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器 控制可控硅的触发角。调整其输出电流其原理见图2 - 4 亦称为两机它励励磁系统。 图2 - 4 交流励磁机系统接线原理三( 两机它励) 励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变 压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁 机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统。其原理见图2 5 。 图2 5 交流励磁机系统接线原理图( 两机一变) 3 、无刷励磁系统 上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或可 控硅代替了机械式换向器。但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑 环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节随着巨型发电机组的出现，转子 1 2 山东大学硕士学位论文 电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火的现象。为了解决大容量机组励磁系统中大 电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励 磁方式整个系统没有任何转动接触元件。其原理图见2 _ 一6 图2 - 6 无刷励磁系统接线原理 无刷励磁系统中，主励磁机( a c l ) 电枢是旋转的，它发出的三相交流电。经由 多只大功率二极管组成的安装在与主机大轴一起旋转的圆环上桥式整流电路整流后，转换 成直流后，通过导电螺栓与主机大轴中心孔中的励磁引线，直接供给主机励磁绕组励磁电 流。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间 不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机( p u g ) 是一个永磁式 中频发电机。它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、 电枢旋转的交流发电机。 无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机 组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭 磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题。 2 2 2 静止励磁系统 静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机 出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励 磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中， 励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。 静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁交压器并联在机端，则称 广，l眦 山东大学硕士学位论文 为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定予电流回路串联的励磁变压 器( 或串联变压器) ，二者结合起来，则构成所谓自复励方式。结合的方案有下列四种： ( a )直流侧并联自复励方式； ( b )直流侧串联自复励方式； ( c ) 交流侧并联自复励方式； ( d )交流侧串联自复励方式； l 、自并励方式 自并励方式是自励系统中接线最简单的励磁方式其典型原理图如图2 7 。只用一台接 在机端的励磁变压器z b 作为励磁电源，通过可控硅整流装置k z 直接控制发电机的励磁。 这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励( 自并激) 方式。 图2 7自并激励磁系统接线原理 自并励方式的优点是：设备和接线比较简单，由于无转动部分，具有较高的可靠性：造 价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快。但对采用这种励磁方式， 人们普遍有两点顾虑：第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否失磁；第二， 由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析和试验表明， 这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。国外某些公司甚至 把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国近年来在大型发电机上广泛采用自并励方 式。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 、直流侧叠加的自复激方式 在自并励的基础上加一台与发电机定子回路串联的励磁变压器，后者另供给一套硅整流 装置，二者在直流侧叠加，则构成直流侧叠加的自励方式。叠加方式分为电流叠加( 直流 侧并联) 和电压叠加( 直流侧串联) 两种。图2 8 为直流侧并联自复励方式原理图。发电 机f 的转子励磁电流由硅整流桥g z 与可控硅整流桥k z 并联供给。硅整流桥由励磁变压器 g l h 供电，可控硅桥由励磁变压器z b 供电z b 并接于机端，g l h 串接于发电机出口侧或中 性点侧。发电机空载时由可控硅桥单独供给励磁电流，发电机负载时，由可控硅桥与硅整 流桥共同供给励磁电流。其中硅整流桥的输出电流与发电机定子电流成正比，可控硅桥的 输出电压受励磁调节器的控制，起电压校正作用。 图2 8 直流侧并联的自复激励系统 这种直流侧并联的自复激方式，在我国一些中、小型汽轮发电机和水轮发电机上采用 较早，有一定的运行经验，但未得到推广。因为在系统中短路时，复励部分与自并励部分 协调配合较差，此外，励磁变流器副边尖峰过电压问题也比较严重。 3 、交流侧电压叠加的自复励方式 励磁变压器的输出与励磁变流器的输出，先叠加再经过整流供给发电机励磁，则构成 交流侧叠加的自复励方式，如图2 1 0 ，注意这时励磁交流器原边电流要转换成副边电压信 号，变流器铁芯必须加有空气隙，这将大大增加变流器的体积。图2 - 9 为交流侧并联的自 复励系统。 山东大学硕士学位论文 图2 - 9 交流侧并联的自复激励系统 图2 - 1 0 交流侧串联的自复激励系统 交流侧叠加的自复励方式，由于反应发电机的电压、电流及功率因数，故又称为相补 偿自复励方式。 2 2 3 直流励磁机系统 用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励磁电流的系统称为直流励磁机系 统。其中的直流发电机被称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴。 直流励磁机系统又分为自励与它励两种方式 1 、自励直流励磁机系统 自励直流励磁机系统原理图如图2 - 1 1 所示 1 6 山东大学硕士学位论文 图2 - 1i 直流励磁机系统接线原理一 发电机的转子绕组由专门的自励式直流励磁机供电：励磁系统可以用手动调节电阻的大 小，改变励磁机的磁场电流，达到手动调节发电机转子电流的目的；也可以由自动励磁调 节器改变励磁机磁场电流，达到自动调节发电机端电压的目的。 2 、它励直流励磁机系统 带副励磁机的直流励磁机系统称为它励直流励磁机系统。其原理如图2 - 1 2 。通常副励 磁机和主励磁机都与发电机同轴。 图2 1 2 直流励磁机系统接线原理二 显然，它励直流励磁机比自励直流励磁机系统多了一台副励磁机。主励磁机有2 个励 磁绕组。有主励磁绕组，附加励磁绕组，用作a v r 的输入这里它励与自励的区别是对励 磁机的励磁方式而言的。它励直流励磁机方式多用于水轮发电机。 2 2 4 谐波励磁系统 除了上述几种励磁方式外，还有一种介于自励与它励二者之间的所谓谐波励磁系统。 1 7 山东大学硕士学位论文 在主发电机定子槽中嵌有单独的附加谐波绕组。利用发电机合成磁场中的谐波分量，通常 是利用三次谐波分量，在附加绕组中感应出的谐波电势作为励磁装置的电源，经半导体 整流后供给发电机本身的励磁谐波励磁方式有一个重要的有益的特性，即谐波绕组电势 随发电机负载变动而变动。当发电机负载减小或功率因数增高时，谐波绕组电势随之降低； 反之，当发电机负载增加或功率因数降低时谐波绕组电势随之增高。因此，这种谐波励 磁系统具有自调节特性，与发电机具有复励的作用相似当电力系统中发生短路时，谐波 绕组电势增大，对发电机进行强励这种励磁方式的特点是，简单、可靠、快速。国内一 些制造单位曾分别在2 5 万黼及以下的小容量机组上进行研究试验。有些问题，例如不同 的发电机三次谐波绕组及发电机参数应如何合理选择等，还待进步研究。谐波励磁方式， 在我国一些小容量发电机上已经采用。 另外，励磁系统方式还包括p 棒励磁等其他方式。 1 8 山东大学硕士学位论文 第三章静止可控硅励磁调节器的设计 自动励磁调解器是同步发电机的一个重要组成部分，它通常由三部分构成：第一部分 是励磁控制单元。它根据发电机及电力系统运行要求，自动调节功率单元输出的励磁电流： 第二部分是励磁功率单元，其主要功能是向同步发电机的励磁绕组提供可调节的直流励磁 电流：第三部分是灭磁部分，其主要功能是当发电机组内部或出口发生故障以及正常停机 时迅速消耗励磁绕组中的能量，保证发电机的安全。 自动电压调节器的自动电压调节通道( 也叫自动运行) ，以发电机机端电压为调节对象， 根据电网电压变化，自动调节发电机输出无功功率，从而达到恒机端电压运行目的。自动 电压调节器的手动运行通道，为自动励磁电流调节，以励磁电流为调节对象，一般用于机 组试验及自动通道的备用 3 1 设计标准 国标g b t 7 4 0 9 卜7 4 0 9 3 - 1 9 9 7 同步发电机励磁系统基本技术条件 i e c 2 ( 秘1 3 1 9 7 8 )汽轮发电机励磁系统技术要求 i e c ( 秘5 9 3 3 1 9 8 2 )关于同步发电机励磁系统的若干规定 i e c3 4 1 6同步发电机的励磁系统 d l t 6 5 0 1 9 9 8 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 6 8 3 7 9 7 8 9 电控设备第二部分 g b t 3 8 5 9 9 3 半导体变流器 g b 4 0 6 4 8 3电气设备安全设计导则 g b 4 2 0 8 9 3外壳防护等级( i p 代码) g b 6 1 6 2 8 5静态继电器及保护装置的电气干扰试验 g b t 7 0 6 4 1 9 9 6 透平型同步发电机技术要求 g b l 3 9 2 6 9 2 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 g b l 4 2 8 5 9 3继电保护和安全自动装置技术规程 g b t 1 4 5 9 8 9 - 1 9 9 5量度继电器和保护装置的电气干扰试验 g b 5 0 1 5 0 - 9 i电气装置安装工程 g b t 1 4 5 9 8 9 - 1 9 9 5继电器及其装置包装储运技术条件 g b t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程 3 2 励磁调节器应达到的性能 1 9 山东大学硕士学位论文 要使励磁调节器在系统中能起到作用，对调节器的性能有以下几点要求： 1 ) 有符合系统要求的强励能力和定的励磁电压上升速度( 电压响应比) 。 需要对同步电机进行强励时，要求调节器能以最快的速度提供最大的励磁电流( 或顶值 电压) 衡量调节器强励性能有两个参数：是强行励磁倍数：二是励磁电压上升速度 或电压响应比 2 )具有较高的调节稳定性 在调节励磁的过程中调节器本身不应产生自激磁作用和不衰减的振荡调节器本身的 不稳定，便会破坏电力系统的稳定运行 3 ) 应具有较快的反应速度，以利于提高电力系统的静态稳定。 当系统遭受小于扰电压波动时，调节器应以最快速度恢复系统电压至原有水平，以提高 电力系统静态稳定能力现代半导体励磁调节器的响应速度比老式励磁系统调节器要快很 多倍。 4 ) 应能根据运行要求对主机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 5 ) 用于同步调相机( 或同步电动机) 的励磁，尚要求其输出无功有较大的调节范 围，并能满足起动时的相应要求。 6 ) 调压范围：自动：1 0 一1 2 0 、手动：5 一1 3 0 7 ) 调压精度；空载额定电压的o 1 8 ) 调差范围：1 5 0 5 ，级差o 1 9 ) 稳态增益：5 0 0 倍 1 0 ) 暂态增益：4 0 倍 1 1 ) 调压速度：o 3 一1 额定空载电压秒 1 2 ) 电压分辨率：0 0 5 额定空载电压 1 3 ) v f 特性：不大于0 2 5 额定空载电压1 h z 1 4 ) 励磁系统响应时间：上升值o 0 8 s ，下降值o 1 5 s 电压响应比2 o 1 5 ) 5 空载阶跃响应：超调量阶跃量1 0 ， 震荡次数小于2 次 时间小于3 秒 此外，励磁调节器还应当具有：失灵区最小、灵敏度较高的性能。当然，设计励磁调节 器时还应考虑：结构简单可靠、运行操作、维修方便以及通用性强、价格低等。在可能条 件下，尽量采用微机励磁调节器。 2 1 山东大学硕士学位论文 图3 1静止可控硅微机励磁调节器系统原理图 3 3 励磁系统的基本配置 自并励静止励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、 转子过电压保护与灭磁装置等组成见图3 - 1 3 3 1 ，励磁控制装置 控翻装置包括自动电压调节器和起励控制回路我们设计研发的自动电压调节器，采用基 于微处理器的微机型数字电压调节器励磁调节器测量发电机机端电压，并与给定值进行 比较。当机端电压高于给定值时，增大可控硅的控制角，减小励磁电流使发电机机端电 压回到设定值当机端电压低于给定值时，减小可控硅的控制角，增大励磁电流，维持发 电机机端电压为设定值 1 ) c p u ； 中央处理器： 工频频率： 存储容量： 高速输入： 高速输出： 定时器： 串行口： 2 ) a 0 ： c p u 片内a o 分辨率： 转换时间： 通道数； 3 ) d i d o ： 点数： 输入阻抗： 输出驱动： 延迟时间； 4 ) 可编程器件p s d ： i n t e l 公司m c s 8 0 c 1 9 6 k b 8 0 c 1 9 6 k c ，1 6 位 1 2 m h z 1 6 m z 2 0 m h z e p r o m1 6 k b r a m7 2 k b e 2 p r o m2 k b 4 h s i 6 h s o 2 个硬件定时器+ 4 个软件定时器，1 6 位 全双工，9 6 0 0 1 9 2 0 0b p s 2 一” 1 0 5 u s 8 通道 光电隔离式，最大1 6 入1 6 出 2 k q d c 5 0 v 。2 0 0 r i l a 不大于l o u s 山东大学硕士学位论文 p s d 9 x 系列，2 m 字节的闪速存储器、2 5 6 k 字节的闪速存储器以及2 5 6 k 字节数 据s r a m ，可在线编程。 p s d ( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c e s ) 是意法半导体公司( 简称s t 公司) ( s t m i c r o e l e c t r o i c s ) 设计生产的一种可编程系统器件，发展至今已近2 0 年。它是 专为8 位或1 6 位、3 2 位微控制器及d s p 系统提供的最优化的可编程外围器件。它将 f l a s h 、e z p r o m 、s r a m 等存储器，可编程逻辑，i o 口以及电源管理等诸多m c u 外设资 源集成在一颗芯片内，即将m c u 外围高度集成，只需两颗芯片( 狐u + p s d ) 即可代替众 多的外围器件，组成一套完整的m c u 系统。 5 ) 电源： d a v r 控制器是交、直流双路供电的。任何一路电源有电即可保证d a v r 的运行，正 常时交直流双路并列供电。 6 ) 量测回路： 现场送给励磁控制器的信号都是l o o v 、5 a 的强电信号，而计算机的a d 转换一般 只能处理5 v 以内的弱电信号，d a v r 微机励磁调节器用量测转换电路将一次系统中的 强电信号转换为弱电信号，并完成强、弱电的隔离。励磁控制器将励磁p t 和仪表p t 的i o o v 电压经二次电压传感器及运放电路隔离，转换成2 8 v 左右的交流弱电信号， 将定子c t 的a 、c 相电流经二次电流传感器隔离，转换成3 5 v 左右的交流弱电信号， 将励磁电流( 或励磁电压) 经电压变送器转换成5 v 以内的弱电信号，供给计算机作 a d 采样。 7 ) 脉冲放大： d a v r 控制器c p u 产生六相脉冲后经n p n 三极管放大形成六相双脉冲，再经整流器 的脉冲放大板放大去触发可控硅。 8 ) 逻辑回路： 微机励磁由于大部分功能均由软件实现，外部逻辑回路就显得非常简单，主要是 用若干直流2 2 0 v 继电器完成外部开关量信号的隔离，从现场来的灭磁开关、主油开关、 增、减磁等的节点，均经过直流2 2 0 v 继电器隔离，因为这些信号一般传送距离较远， 且混在强电电缆沟里，直流2 2 0 v 操作有利于提高抗干扰能力。经隔离后的继电器节点 送入d i 0 0 ，再经光隔后读入计算机。d a v r 的开关量经过电磁与光电双重隔离，并保 证柜外均是强电接口，柜内2 4 v 电源不引出柜体，从而保证可靠性。 山东大学硕士学位论文 3 3 2 、装置主要特点 全数字化 从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无电位器 调整，全数字化大大提高了精度和可靠性，维护十分方便。 自动、手动通道无扰切换 励磁系统具有电压调节( 自动) 通道在所有运行工况下能满足电力系统所需的自动励 磁调节的要求。自动通道中含有独立的手动通道手动通道为恒励磁电流调节方式。运行中 手动通道实时跟踪励磁变压器低压侧励磁电流，手、自动通道运行中可无扰动切换。 多种运行方式 恒机端电压、恒励磁电流、恒无功、恒功率因数四种运行方式运行过程中可在线选择， 无扰动切换。用户提供系统f r r 时可实现空载快速跟踪系统电压，实现机组快速并网。 夺完善的试验功能 可以在线修改调差率，放大倍数，微分时间常数，惯性时间常数等五十多个运行参数， 以及进行5 1 0 的阶跃、灭磁实验。所有这些修改及实验均只需进行键盘操作即可，不 用改接线。 夺完备的保护功能 具有p t 断线保护、空载过压、强励反时限、低励限制、v f 跟制、过无功限制、过定 子电流限制等，以保证发电机的安全稳定运行。 试验、故障录波功能 自动记录故障前4 秒，故障后1 6 秒的故障数据，故障数据包括发电机电压、转子电压、 控制电压、电流、有功、无功、转速及保护出错标志。试验录波功能能自动记录试验过程 中的各种波形。 夺完善的防止过励磁措施 励磁控制器具有完善的v f 限制功能，在频率小于4 5 h z 以下进入逆变灭磁状态，不会 产生发电机、变压器过励磁 夺脉冲直接形成技术 静止可控硅微机励磁调节器具有可靠的脉冲自封锁电路，防止误强励、误触发。并且 采用脉冲直接形成技术一般的微机励磁都是用定时计数器( 如8 2 5 3 或c t c ) 芯片来实现 山东大学硕士学位论文 同步信号的周期t 的测量以及产生6 相脉冲去触发晶闸管，这一般需要一块至少包含7 个 定时器的专用脉冲产生板，不仅硬件电路复杂，而且占用c p u 的很多时间( 中断) ，导致脉 冲形成不可靠，往往还需加脉冲监视电路来监视。我们的静止可控硅微机励磁调节器的励 磁控制器采用脉冲直接形成技术。脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产 生的脉冲可靠性高。 完善的自检、自诊断和自恢复功能 装置自检、自诊断功能对a d 通道、a d 采样值、测频、r a m 、e e p r o m 、发脉冲等部件 及功能进行自检。方法各异，如a d 采样值采用标准基准电压、r a m 采用写入读出检查等方 法。 自恢复功能采用软件看门狗( w a t c h d o g ) 与硬件看门狗结合技术，在程序跑飞或电源电 压不正常时复位系统，系统复位后能读回复位前的整定值与运行工况，保证机端电压无明 显波动。 3 3 3 、装置主要保护与限制功能 为了保证发电机的安全稳定运行，我们的静止可控硅微机励磁调节器内部设有多种保 护功能：p t 断线，强励限制，低励限制，过压限制，v f 限制，过无功功率限制，过定子 电流限制等。几种重要的保护限制如下： p t 断线 p t 断线保护功能是检测励磁p t 是否断线，以防止由于励磁p t 断线而导致的误强励。 励磁f r r 断线后，励磁控制器检测到的发电机机端电压变低，若此时仍然按照电压闭环反馈 调节，则会造成误强励。f r r 断线保护动作后切换到手动恒励磁电流运行。仪表p t 断线， 只报警。 强励限制 强励反时限限制是根据转子的发热模型而设计的，目的是为了保证转子绕组的温升在 限定范围之内，不因长时间强励而烧毁。 山东大学硕士学位论文 聋 | 2 4 2 2 _ 卜 2 0 i s 1 6 1 4 i 2 强励反时限特性曲线图 励磁系统强励大部分是由于发电机及其相联系统发生短路故障，励磁系统为保证系统 稳定和继电保护可靠动作自动强行励磁限制曲线按发热量大小作成反时限特性，并考虑 当电力系统中发生短路，应保证机组强励到顶值，不受限制。反时限特性曲线如图所示， 实际限制参数根据电厂要求设定。在正常运行过程中( 励磁电流小于或等于i f x ) ，限制器 不起作用。限制器的有效控制点是顶值电流限制值i f m a x ，以保证发电机任何时候都能达到 顶值电流。如果出现了某个系统故障，为消除故障需强励。只要实际励磁电流超过了发电 机正常运行最大限制值，调节器动作，对电流差值积分，此积分结果跟励磁绕组的热能成 正比。如果励磁电流超过热限制值一定时间( 积分输出增加并将超过励磁绕组发热上限) ， 调节器将励磁电流强置为发电机正常运行值( i f x ) ，保证发电机正常运行。 强励反时限动作后励磁控制器将限制励磁电流回到正常励磁水平。强励定时限动作， 一般整定为i f 1 4 i f n 时允许强励时间1 0 秒。确认励磁电流小于恢复正常水平后，如