励磁系统培训教材(初稿).doc

第一章 励磁系统介绍 概述励磁是同步发电机的一个重要部分。其实质是，供给同步发电机以励磁电流来建立它必须的磁场，使得励磁电流无论是在正常运行或是事故过程中，都能够按照电力系统及发电机运行的需要，迅速而准确的进行调节。即同步发电机的运行需要一个能够调节励磁电流的励磁系统。调节的方式，有手动和自动两种。目前在电力系统中，手动励磁调节已远不能满足要求，在现代的电力系统中，同步发电机都配有自动励磁调节器，构成自动励磁调节系统。1.1自动调节励节励磁系统的作用1、正常运行时，供给同步发电机所要求的励磁功率;在负荷及机组运行工况变化的情况下，能自动调节励磁电流，以维持机端电压或电网某点的电压在给定水平。2、励磁系统应具有良好的调节性能，能保证并列运行的发电机间的无功负荷的合理分配。3、能提高电力系统的静态稳定极限。4、在电力系统发生故障时，能按照给定的要求实现强励，以提高系统的动态稳定性。5、能显著改善电力系统的运行条件。如短路故障,故障切除后，使电压迅速恢复，可提高电动机的自启动能力。又如机组（汽轮机等）失磁后，并列运行的机组可增加励磁电流，向系统输送无功功率，维持发电机电压。另外，系统发生短路时，由于强励作用，使短路电流增加，可提高继电保护动作的灵敏性及选择性。6、励磁装置还具有过励限制，低励限制和功角限制等功能。7、对于水轮发电机，励磁装置还应具有限制由于转速升高而引起的过电压，即当需要时，可大量降低励磁电流，能实现快速减磁。1.2对自动调节励磁装置的要求1、正常运行时，能按机端电压的变化自动地改变励磁电流，维持电压值在给定水平。为此，要求自动调节装置应有足够的调节容量，励磁系统应有足够的励磁容量。2、并列运行的发电机上装有自动励磁调节器时，应能稳定分配机组间的无功负荷。3、当电力系统发生事故，电压降低时，励磁系统应有很快的响应速度和足够大的强励顶值电压，以实现强励作用。4、装置要简单可靠，动作迅速，调节过程要稳定，调节系统应无失灵区，以保证发电机在工人稳定区内运行。 第二节同步发电机的励磁方式同步发电机的自动调节励磁系统，通常由励磁机，手动励磁装置，自动励磁调节器和灭磁装置等组成。按励磁系统供电电源的不同，可分为：由直流励磁机（直流发电机）供电，由交流励磁机(交流发电机)经整流供电，由静止电源（电网或发电机端）供电三种方式。一、由直流励磁机供电的励磁方式这种励磁方式可分为自励直流励磁机系统和他励直流励磁机系统两类。自励直流励磁系统中，励磁机是一台并励直流发电机，励磁机和发电机同轴旋转，整流装置由发电机出线端的电压互感器和电流互感器供电，经过整流装置输出电流反馈到励磁机的励磁绕组回路，通过自动励磁调节装置可进行自动励磁调节。励磁机的电枢电压通过同步发电机的集电环和碳刷加到转子绕组的两端。他励直流系统机系统中，有两台励磁机，主励磁机跟发电机同轴，为一台他励直流发电机，主励磁机的励磁由两组励磁绕组供给，其中一组由副励磁机供给。二、由交流励磁机经整流供电的励磁方式这种励磁方式是由同轴的专门交流励磁机经整流变为直流供给励磁。可分为以下四种：1 交流励磁机和静止二极管供电的励磁方式。2 交流励磁机和静止可控硅供电的励磁方式。3 交流励磁机和旋转二极管供电的励磁方式。4 交流励磁机和旋转。三、由静止电源供电的励磁方式此类励磁方式的励磁电源取自同步发电机本身或电力系统，亦称为自励式励磁方式。该励磁方式是由励磁变压器，串联励磁变压器，功率电流互感器，硅整流器（可控或不可控）等静止设备组成。由于取消了转动的同轴励磁机，无转动部分，属于全静态励磁系统。这类励磁系统目前采用较多的为并励静止励磁方式。发电机的励磁由接在机端的励磁变压器经整流后供给，各种情况下，由自动励磁调节器来改变可控硅的控制角来实现励磁调节。与此相似的还有串联自复励励磁方式和并联自复励励磁方式。第三节 发电机的继电强行励磁电力系统发生短路故障，会引起发电机的机端电压剧烈下降，此时，如能使发电机的励磁迅速提高到顶值，将有助于电网稳定运行，可延缓短路电流的衰减，提高继电保护动作的灵敏度，缩短保护的动作时间，从而缩短故障消除后系统电压恢复时间，有助于用户异步电动机的自启动。因此，当发电机电压剧烈下降时，将励磁迅速增加到顶值的措施，对电力系统稳定运行至关重要。通常将这一措施称为强和励磁，简称强励。衡量强励装置的强励能力有两个指标，即强励倍数，励磁电压响应比。强励时，励磁机在规定条件下要达到的最高输出直流电压，称为顶值电压，该电压与励磁机的额定励磁电压的比值，称为强励倍数。显然，强砺倍数越大，强励效果越好。通常，对于水轮发电机不小于1.8。励磁电压响应比又称为励磁电压响应倍率，是反应强励过程中励磁电压增长速度大小的一个参数。励磁电压响应比是指强励过程中，在第一个0.1s或0.2s时间间隔内测得的励磁电压平均速度变化的数值与发电机额定励磁电压的比值。第四节同步发电机的灭磁运行着的发电机内部，发电机机端到断路器之间的引接导线等电气设备发生短路故障时，继电保护迅速动作，使发电机断路器跳闸，但此时发电机继续在转动，励磁机仍不断供给励磁电流，发电机感应电势仍然存在，继续供给短路点电流，且发电机内部短路时的短路电流远大于外部短路时的短路电流，因此，将造成发电机设备或绝缘材料等的严重损坏。因此，在发电机内部，发电机断路器之间的电气设备上发生故障时，在跳开发电机断路器的同时，还应迅速使发电机灭磁。灭磁就是把转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到尽可能小的程度。最简单的方法就是把励磁回路断开，但励磁绕组具有很大的电感，开关突然断开，会使转子励磁绕组两端产生很高的过电压而引起转子绝缘损坏，另外，还会使开关由于断弧负担过重而导致触头损坏和延长灭弧过程。因此，在断开励磁回路之前，还应将转子励磁绕组自动接通放电电阻或其它装置上去，使磁场中储存的能量迅速消耗掉。一、对灭磁的基本要求1 为了使短路故障能迅速消除，灭磁时间要短。2 为了保证转子励磁绕组绝缘不致在灭磁过程中击穿，转子过电压不应超过允许值，通常为转子额定电压的4-5倍。3 灭磁后，机组的剩磁电压不应超过500V。二、利用放电电阻灭磁1 发电机运行时，灭磁开关MK处于合闸状态，励磁机经主触头供组发电机转子励磁电流。发电机退出运行时，灭磁开关MK跳闸，KM的另一触头闭合，使发电机转子的励磁绕组经放电电阻Rm（灭磁电阻）短接，然后，断开MK的另一接点，以防止转子励磁绕组从励磁机切换到放电电阻时发生开路而产生危险的过电压。2 利用Rm恒值电阻灭磁，由于爱到转了电压的限制，灭磁时间不能取得太大，所以灭磁速度较低，多用于中等容量的机组中。三、利用灭弧栅灭弧相距约2-3mm的两个金属极板间的直流电弧，其电压降能够在电流变化很大的范围内，几乎保持25-30V不变。灭弧栅就是利用栅片间电弧的这种非线性特性而制成的快速灭磁装置。正常工作时，灭磁开关主触头和灭磁触头均闭合。灭磁时，先断开主触头，后断开灭磁触头，在断开灭磁触头时产生电弧，电弧在专设的磁铁所产生的横向磁场的作用下，被驱入弧栅，并被其中的灭弧栅片切成串联的短弧，从而迅速冷却熄灭。当转子励磁绕组的电流降低到较小的数值时，灭弧栅中电弧便不能维持，可能使电流中断，引起过电压。为了限制过电压值，与灭弧栅并联了电阻R1,R2.Rn,且R1R2.Rn,与小电阻并联的短弧比大电阻并联的短弧熄灭的早，因此，灭弧栅内各段电弧不是同时熄灭，而是按一定次序熄灭的。适当选择电阻值，就可将过电压限制在预定值以内。第五节可控硅自动调节励磁主要环节工作原理调节器的形式及电路的接线方法比较多，但一般均由主电路和调节电路两部分组成。一、主电路部分1 励磁电源。可控硅励磁的励磁电源，目前多用交流励磁机或静止励磁电源，要求这些电源的输出电压和输出容量，不仅要满足正常负荷的需要，而且还要满足强励短时的要求。2 可控硅整流电路。励磁系统中整流电路的作用是将励磁电源的交流电流变换成直流电流，供给励磁绕组励磁的需要。可控硅励磁的可控硅整流电路主要有三相半控桥式和三相全控桥式两种。二、调节电路部分1、基本调节装置基本调节装置主要由电压测量比较，综合放大，移相触发三部分组成。1) 基本测量比较单元它的作用是测量发电机机端的电压，并经测量整流电路变换成直流电压信号，与给定的直流基准电压进行比较（比较整定电路），所得电压偏差信号送到综合放大单元。它是调节器的敏感单元，是一个重要环节。它要求：应能准确地反应发电机机端电压的变化，输入，输出为线性关系，无失真;反应灵敏;响应速度要快;工作可靠;不受系统频率变化的影响。基本测量比较单元由正序电压过滤器，多相整流，滤波，比较电路构成。a)正序电压滤过器。变压器前面设置正充电压滤过器的作用是：当电力系统发生不对称短路而引起三相电压不平衡时，正序电压滤过器可以除去负序和零序电压分量，只输出数值降低了的三相对称正序电压分量，以使测量变压器始终处于对称三相电压下工作，提高不对称短路情况下的调节灵敏度和强励能力。b) 测量整流电路。为获得与发电机机端电压成比例的平衡直流输入，输入到比较整定环节，测量整流电路通常采用多相整流电路及相应的滤波电路。这样可减小直流中的交流分量及滤波电路的中的电容量，从而提高调节器的响应速度。目前多采用六相桥式整流电路，也有用十二相整流电路的。c) 滤波电路。因测量整流桥的输出是脉动直流电压，因此，除了直流电压以外，还有高次谐波分量。为了使比较整定电路在平滑的直流电压下良好的工作，脉动的直流还须经过滤波，将脉动电压的高次谐波成份尽可能减小。通常采用具有先频特性的桥式滤波器。d) 比较整定电路。比较整定电路的任务有两个：一-+是进行电压比较，把测量整定电路输出的电压与比较电路的基准电压值比较，输出一个电压偏差成比例的直流电压，作为输入到综合放大单元的电压偏差信号;二是进行电压整定，采用调整电位器滑动触头位置的办法，来改变发电机电压的给定值，以满足不同运行工况的要求。2) 综合放大单元测量比较单元输出的电压偏差信号，幅值小，变化缓慢，灵敏度低，不易直接作移相触发单元的控制信号，必须加以放大。可控硅励磁调节装置是一种具有多功能的励磁调节装置，其控制信号，除了来自比较单元，反应与发电机电压偏差成比例的信号外，通常还引入调节器辅助装置（如稳压器，限制器，补偿器等）多种状态变量的反馈量以及励磁限制单元等辅助控制信号。所以通常采用综合放大单元将电压信号以及辅助装置等输出的其它信号一起输入到综合放大单元中叠加并加以放大，起到“比例加法器”的作用，以获得一个适应移相触发单元所需的控制电压。对综合放大单元的要求是：具有线性地，综合测量多个输入信号的能力;应有较高的运算精度;反应速度快，时间常数小;工作稳定，输出阻抗小，带负荷能力强。综合放大单元一般采用运算放大器实现。3) 移相触发单元它的任务是产生可以改变相位的脉冲，用来触发整流桥中的可控硅，使其控制角可随综合放大单元来的控制电压的大小而改变，从而达到调节励磁的目的。对移相触发单元的基本要求是：产生的触发脉冲，要有一定的幅值和宽度，前没要陡峭;触发脉冲的数目及移相范围应满足不同接线方式的可控硅整流电路和调节器调压范围的要求;各相触发脉冲与受控可控硅主电路的交流电源具有相同的频率，并保持一定的相位关系，即要求触发电路与主电路同步。2、励磁调节器的静态工作过程我们已经分析了励磁调节器各单元的工作原理，并得到了它们的工作特性，将这些单元的特性进行合成，就不难得到整个励磁调节器的工作特性。励磁调节器的简化框图如下图的所示，图中K1、K2、K3,K4分别表示各单元的增益，其间输入量、输出量的符号如图中所示。由图可见，在励磁调节器工作特性的工作范围内，当Uf由于某种原因下降时，其调节过程如下：UfUUk a UL(LLL)Uf从而达到维持发电机电压水平的目的。励磁调节器特性曲线工作段的斜率反应了调节器灵敏度，斜率越大，特性工作段越陡，灵敏度越高。当系统发生事故时，U锐增，Uk，a移至最小值，UL猛增，迫使发电机励磁电流迅速增加，实现强行励磁。三、辅助调节装置可控硅自动调节装置的辅助装置主要有：励磁装置稳定器，电力系统稳定器，励磁限制器以及一些保护环节。励磁装置稳定器可改善调节系统的性能，防止过大超调，或不稳定现象。电力系统稳定器对改善系统阻尼，抑制低频振荡，提高电力系统静态稳定有着积极的作用。励磁限制主要有：空载励磁限制，励磁过载定时限制，低频过励限制，最大励磁电流限制，欠励限制。第六节 我厂自动励磁调节装置简介我厂励磁形式为自并励静止可控硅励磁，直流启励。励磁主回路由励磁变提供励磁电源。1.3装置的功能、特点有适用范围NES5100励磁调节器的根本任务是维持发电机的机端电压恒定，因此，它的基本功能是调节和控制机端电压，同时，作为计算机新产品，它还具有实时故障诊断及容错功能，智能分析及计算机辅助分析功能。装置特点：可靠性高，可操作性强，可维护性好。1.4装置的基本原理励磁调节器的基本任务是维持发电机机端电压恒定。为此，NES5100励磁调节器需采集发电机机端交流电压Ua，Ub，U，定子交流电流，转子电流等模拟量。调节器通过模拟信号板将高压（），大电流（）信号进行隔离并转换为电压信号，然后传输到主板上的转换器，将模拟信号转换为数字信号。通常在一个周波内（）采样24个点。 在正常运行时，调节器根据现场的操作信号进行逻辑判断，判别是否应该进入用户程序。一旦开机条件具备，应用程序运行。程序的计算模块根据工控机的控制调节方式的选择而进行计算，如按机端电压偏差进行调节（即恒机端电压运行方式），则转入电压偏差调节子模块，计算程序算出触发角，并将此触发角送至大规模可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲，脉冲经放大驱动后即可完成一次调节控制。在控制调节的空闲时间，调节器进行各种限制判断，故障检测，联机调试，录波等工作；在双自动通道系统中，备用通道自动跟踪主通道的电压给定值和触发角。1.5控制调节程序的流程和功能微机励磁调节器中，主程序循环执行，由定时器产生一中断信号，在中断服务程序中执行控制调节程序，进入中断以后，首先进行压栈，将被中断的主程序的断点和寄存器的内容和状态进行保护起来，以便中断结束返回原来的运行点和状态。然后根据机组出口开关的状态决定程序执行空载程序还是负载程序，当机组空载运行时，是执行空载逆变判别程序，空载逆变条件有四个：停机令，端电压大于130%，频率低于45Hz，手动逆变灭磁令；一旦满足其中之一，转入逆变灭磁程序，否则转入调节控制计算程序。若机组负载运行，则进入控制调节之后，查是否有限制标志（即强励限制标志，过励限制标志，欠励限制标志），若没有则转入正常的电压调节计算程序及限制判别程序，否则转向限制控制程序，执行控制调节程序后，程序将获得控制角，送出实现对可控硅触发控制，以上执行完毕，退出中断。第二章 硬件配置2.1 为什么你应当阅读本章在本章，你将看到有关NES5100励磁调节装置主要技术要求的信息。此外，我们将详细地叙述NES5100励磁调节装置内所有设备的配置和设定。2.2 NES5100调节器硬件配置2.2.1 方框图 图2-1 表示NES5100调节器单套的单板插件组合示意图：图2-1 NES5100调节器单通道的单板插件组合示意图图2-1中，单板的名称见表2-1：单板编号单板名称EX01脉冲电源板EX02系统电源板EX03CPU板EX04模拟量板EX05同步电压板EX06开关量板EX07扩展开关量板EX08脉冲放大板表2-1：单板的名称NES5100调节器硬件框图如图2-2，通常情况下每一个通道配一组互感器，图中未画出另一组互感器。图22双自动通道控制器 NES5100调节器局域结构方框图如图2-3：图2-3 NES5100调节器通讯示意图2.2.2 概述NES5100调节器的自动通道有电压给定和电流给定两个给定单元，分别用于恒机端电压调节和恒励磁电流调节。恒机端电压调节称为AVR调节方式，恒励磁电流调节称为FCR调节方式。发电机起励建压后，两种运行方式是相互跟踪的，即备用方式跟踪运行方式，跟踪的依据是两种调节输出相等，且这种跟踪关系是不能人工解除的。两种运行方式可以人工切换，有些情况下如PT故障也会自动切换。在运行中，两个自动通道之中的一个处于备用方式。通道之间的切换是自动和无扰动的。2.2.3 硬件功能及配置2.2.3.1 EX01 脉冲电源板脉冲电源板用来提供脉冲输出的+24V电源，交直流双路供电，AC220V、DC220V（或DC110V）输入，通过电压转换成所需+24V，方框图和视图如图2-1：图2-4 EX01脉冲电源板方框图和视图为了保证励磁系统的可靠性，EX01 脉冲电源板是请专业厂家特制，按照军工标准设计的开关电源，另外在板件结构上也充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热，通过了严酷的EMC测试和高温湿热测试。2.2.3.2 EX02 系统电源板EX02 系统电源板：该板为双路供电，AC220V、DC220V（或DC110V）输入，输出+12V、-12V、两路+5V和两路24V用于开关量输入输出电源；方框图如和视图如图2-2：同样为了保证励磁系统的可靠性，EX02 脉冲电源板也是请专业厂家特制，按照军工标准设计的开关电源，另外在板件结构上也充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热，通过了严酷的EMC测试和高温湿热测试。图2-5 EX02 脉冲电源板方框图和视图2.2.3.4 EX03 CPU板主要功能：CPU板是核心控制板，主要功能有： 将5V电源变换成1.8V，3.3V供部分芯片使用 将模拟信号进行A/D变换采样 部分开入信号 根据A/D采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算，产生小脉冲 根据逻辑判断程序发开出信号 测频及脉冲回读检测 工作电源检测 双套切换逻辑和手自动切换逻辑的实现 通讯功能A/D变换：将模拟量板、同步板调理好的模拟信号转换为数字量。自动通道采用16 bit真双极性、多通道模数转换器（ADC），该器件仅有160 mW功耗，它比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%。包含一个低噪声、宽带跟踪保持放大器以便处理输入频率高达8 MHz的信号，还具有高速并行和串行接口，从而允许该器件与微处理器（MPU）或者数字信号处理器（DSP）连接。然后结合多路开关，对三相电压和三相电流进行同步采样，保证了无功功率测量的准确性。CAN通讯硬件设计：NES5100励磁调节器的双套之间的通讯采用双CAN通讯。装置中CAN控制器采用Philips的独立CAN控制器SJA1000芯片， CAN收发器采用Philips的P82C250，PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，可以同时操作两个CAN网络，提供高达1Mb/s的传输速度。CPU板串口及拔码开关的功能：揭开EX03单板的前盖板，可以看到下方有一个DB9的串行口和4个拨码开关，串行口可以用来下载程序及参数，4个拨码开关的功能描述如下： 内部/外部启动 自动/手动 串口选择 运行/调试2.2.3.5 EX04 模拟量板该板的主要功能进行信号调理，调理的信号包括机端电压、系统电压、同步电压、定子电流、转子电流等，调理过程是将高压（100V）、大电流（5A）信号进行隔离并转换为10V电压信号，然后传输到主CPU板，该板还包括D/A输出部分，有4路12位的D/A输出；图2-3为一路电压信号的调理电路原理图，UF1A-IN为100V电压信号，经过电路调理后，变成10V的电压信号。图2-6 电压信号调理电路原理图图2-4为一路电流信号的调理电路原理图，IFA-IN为大电流信号（最大至5A），经过电路调理后，变成10V的电压信号。图2-7 电流信号调理电路原理图2.2.3.6 EX05 同步电压板EX05 同步电压板：该板的主要功能就是将功率柜送来的高压（100V）左右的同步电压信号进行变换，然后传输到主CPU板，在本板上，根据同步频率的不同，要选择不同的跳线和不同的阻容吸收元件的参数；2.2.3.7 EX06/EX07 开关量板该板上有20路开关量输入通道，通过光耦隔离输入，16路开关量输出，经过光耦隔离后通过继电器接点输出；开关量板具有很强的显示功能，每一个开关量的状态都可以通过面板上的灯的状态来显示，从而可以直观地观察开关量的状态；EX07 开关量扩展板和EX06板的硬件是一样的，所以功能配置亦是一样；图2-8 开关量输入电路原理图2.2.3.8 EX08 脉冲放大板该板的主要功能是将主CPU板上形成的小脉冲通过光电隔离及电平转换送至6片CMOS管放大，然后输出。脉冲切换继电器主要控制脉冲是否输出。常闭节点可保证在操作电源消失时仍然能输出脉冲。该板的另一功能是将发出的脉冲进行取样，并回读至主CPU板，以检查脉冲是否丢失。脉冲板还包括电源检测和故障开出功能，电源检测用于对系统的+5V、12V、24V电源进行检测，若检测到本套电源掉电或故障，则立即开出故障进行双机切换，以保证系统的可靠性。图2-8 为脉冲放大板的原理框图和视图：图2-9脉冲放大板的原理框图和视图2.2.3.9 背板背板的主要功能是实现各板件之间的数据和信号的传递。另外外部进入的信号也通过背板进入插箱，所以在背板上装有多组端子，其中包括大电流端子。所选用的大电流端子可保证误拔时不会使电流回路开路，避免由此引起的事故。2.3 通道切换励磁调节器装置由两套构成，A套和B套。各套的CPU进行主从逻辑判断，主套脉冲送到功率柜。主从套切换、电压闭环和电流闭环切换，这些切换可以是由于故障引起的自动切换，也可以是人工切换。调节器的通道故障包括硬件故障和PT断线等，硬件故障如电源故障、芯片损坏。不同性质的故障切换过程不同。下面举例说明发生硬件故障和PT断线时调节器的切换过程，先假设当前调节器A套为主套B套为从套、在AVR方式下运行。1) 当A套自动通道发生了硬件故障时，自动切换至B套的自动通道下运行（B套为主套）；B套的自动通道又发生硬件故障且A套故障没有恢复时，自动切到B套的FCR方式下运行（B套仍为主套）；B套的自动通道发生了硬件故障A套故障已经恢复时，自动切至A套自动通道下运行（A套为主套）。2) 2) 当A套PT断线时，调节器自动切至B套为主套，在B套AVR方式下运行，A套由AVR切至自动通道下FCR方式；当B套又发生PT断线且A套故障没恢复时自动切到B套自动通道下FCR方式运行；当B套发生PT断线A套故障已恢复时自动切至A套为主套并在AVR方式下运行。3) 调节器B套为主套A套为从套时，B套发生故障的切换