LF2000-2同步发电机励磁调节装置说明.doc

LF2000系列同步发电机全数码励磁装置原理及使用说明北京重型电机厂威望博尔（北京）科技发展有限公司二零零五年四月公司简介威望博尔（北京）科技发展有限公司由北京重型电机厂和北京华明海博尔控制技术有限公司共同投资成立的股份公司，是北京市高新技术产业办公室认定的高新技术企业，并通过ISO9000质量体系认证，是专业从事电力系统自动化及节能产品的研究开发、生产销售及售后服务的高科技公司。公司遵循“开拓、敬业、创新、务实”的企业精神，以技术为先导、以质量求生存、以客户的需求为己任，以适应市场变化求发展。公司现有员工100人，拥有一批以学术、学科带头人为主的中、高级专业技术人员、精明干练的管理队伍和熟练的技术员工。公司拥有大型的现代化厂房及先进的生产和测试设备，拥有自己的动态模拟实验室，属国内一流的专业电力自动化设备的供应商。公司自成立以来，其业务范围遍及能源、冶金、石油、化工、化肥、水利、环保等领域，并取得了丰硕的业绩。威望博尔（北京）科技发展有限公司欢迎各界朋友前来进行广泛的技术交流与合作，欢迎同行及专家莅临指导。公司主导产品：* LF2000系列同步发电机全数码励磁装置* LD2000 系列同步电动机全数码励磁装置及改造装置* KQLD系列同步电动机集成式励磁装置* KBLD系列同步电动机励磁装置及改造装置* HAS1000系列电机节能软启动器* GWK200系列同步发电机及变压器微机保护装置* MWK210系列异步电动机微机综合保护装置* LWK520系列微机线路保装置* 代理国外知名牌变频器产品，承揽变频工程 目 录第一章 概述.1 1.1、主要特点1 1.2、主要技术指标及功能.3 1.3、型号及使用范围.4第二章 系统配置.5 2.1.硬件组成.5 2.2、主控单元硬件组成.5 2.2.1、可编程计算机控制器PCC.6 2.2.2、高性能16位嵌入式微控制器.7 2.2.3、先进32位嵌入式微控制器.8 2.2.4、可编程控制器PLC.9 2.3、功率单元.10 2.4、操作逻辑.10 2.5、软件结构.10 2.5.1、软件设计方法11 2.5.2、主控制程序14 2.5.3、主要保护功能15第三章 基本原理18 3.1、概述.18 3.2、工作原理.19 3.3、单板原理.20 3.4、励磁方式.21 3.4.1、自并励静止励磁系统.213.4.2、三机静止励磁系统.21 3.4.3、具有直流励磁机的间接自励系统.22 3.4.4、开关管式励磁系统.22第四章 操作说明.23 4.1、人机界面操作与显示.23 4.1.1、开机屏幕显示.23 4.1.2、正常工作时屏幕显示.23 4.1.3、参数菜单显示.23 4.1.4、菜单详解.24 4.2、就地操作说明.27 4.3、主控操作说明.27 4.4、运行指南.28 4.4.1、运行方式.28 4.4.2、正常运行的操作.28第五章 其它.30 5.1、结构介绍.30 5.2、使用条件.30 5.3、订货须知.30 5.4、附录.30第一章 概述随着电力系统的发展，发电机单机容量的增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。在提高励磁控制系统的可靠性及实现复杂控制规律方面，全数码励磁装置具有明显的优势。近年来数码控制技术发展迅速，应用技术日趋成熟，为全数码型自动励磁装置的开发提供了坚实的技术基础。目前，在我国中小型同步发电机组中，采用的励磁方式大致有两种：一种是采用直流励磁机励磁方式，这是一种较为古老的方式，虽然原理简单，但运转噪音高，反应速度慢，故障率高，整流子和炭刷维护困难，而且维修期长，已远远不能满足现代电网对发电机励磁提出的要求，目前已有逐渐被取代的趋势；另一种方式是以半导体整流器为励磁功率单元，与调节器共同组成的所谓半导体励磁系统。采用此种方式，使用灵活，反应速度快，便于维修，它已成为同步发电机励磁的发展方向。目前，我国正在生产和使用的半导体励磁装置大多采用七十年代的模拟控制技术，设计线路复杂，元件较多，装置的整体性能不高，调试步骤繁多，参数难以精确整定，且存在无法解决的零漂温漂等问题，维修困难，必须由具有相当专业素质的人员才能胜任这些工作。为尽快提高我国发电机组的运行水平，满足越来越大的电网对励磁系统所提出的越来越高的要求，我们研制了LF2000系列同步发电机全数码励磁装置。该励磁装置综合运用了同步发电机的现代励磁控制理论，采用目前国际上较流行的全数码控制技术及半导体可控整流技术，完全不同于以前采用模拟控制技术的励磁装置。其主控单元通过对同步发电机的运行参数、运行曲线及特性曲线进行优化处理，达到了对同步发电机运行的最佳控制。LF2000系列全数码励磁装置已有五十多套运行于大、中、小型水、火电机组上，运行时间已超过七年，从未发生过因为励磁故障而造成停机事故，为企业创造了良好的社会效益和经济效益。1.1、主要特点 * 控制速度快、精度高： 采用多处理器系统、哈佛结构、并行处理技术、多级流水线、高速DSP内核，数据处理速度和精度大大提高。* 多功能：PID调节、非线性最优、线性最优、电力系统稳定器、模糊逻辑等控制方式可选。* 全数字化、高可靠性：主控单元采用进口高性能的数字式控制单元（LF21型采用可编程计算机控制器PCC，LF22型采用高性能16位嵌入式微控制器MCU，LF23型采用高速32位DSP控制器DSP，LF24型采用可编程控制器PLC），励磁装置的操作逻辑电路，机械或电子的电压整定机构都可以简化或取消。实现全交流采样技术，采用大规模集成芯片，装置可靠性大大提高。 * 表面贴工艺，多层印刷电路板，军品级芯片，重要芯片均采用国内外知名企业的成熟产品。保证装置平均无故障时间达100000小时。 * 独特的软件设计方法： 采用美国CMX公司推出的微控制器实时多任务操作系统RTOS及其功能强大的专家库函数，面向任务的程序设计风格，按全优先服务方式进行资源管理、任务调度、异常处理等工作，工作极为可靠，也使微控制器的性能得以最大程度的发挥；采用C语言或梯形图（PLD）、指令表（IL）、Basic、结构文本（ST）、顺序功能图（SFC）、数据模块编辑器、数据类型编辑器等编程，执行速度快，可读性好，易于扩展和移植。 * 采用快闪存储器（Flash ROM），支持自举载入程序及远程维护。 * 通讯和网络功能： 提供非常开放的通讯接口和网络接口，具有标准的RS232/485/422或高速现场总线CANBUS、TCP/IP或MODEM等实现网络通讯。非常方便地与其它设备或网络联接，实现设备控制、管理的自动化、信息化（可选）。* 方便直观的人机接口： 采用触摸屏或中文文本显示器(可选)显示，汉化界面，数据显示直观明了，信息量大。非常直观地在线选择、切换工作方式，设置、修改参数和对运行状态监控。可以做到无需说明手册而操作。* 对于无刷励磁系统，具有旋转整流盘故障监测功能。 * 可靠的灭磁系统： 可选用阻容无触点的静态灭磁方法（我公司专利技术），无噪音、无操作过电压，可靠、平稳，也可选用传统的灭磁开关和灭磁电阻的灭磁方法。 * 完善的自检及控制、保护功能，用于保护励磁装置本身和同步发电机的安全运行： 具有误强励、过励反时限、欠励、PT断线、V/HZ保护、失脉冲、均流越限检测及保护、过流、过压等保护功能。 * 控制单元采用西门子结构、加强型单元机箱、插拔式模块，独特的抗干扰设计，抗干扰能力强。整流桥及风机单元都采用模块化结构，安装、更换方便。可以不停机、不减载在线更换控制单元及风机单元。 * 主回路可采用自并励、他励、三机励磁、带直流励磁机的间接自励及无刷励磁系统等各种形式。 * 具有手动、自动（恒机端电压、恒功率因数、恒无功功率）调节励磁功能，相互切换无扰动。* 双通道互为备用工作方式： 根据用户需要，可以采用单通道工作方式或双通道互为备用工作方式。双通道无扰动自动切换（可选）。 * 故障数据录波及事故记忆功能（可选）： 记忆故障前1秒，故障后19秒的检测数据，包括励磁电流、功率因数、有功功率、无功功率、定子电流、定子电压、三相交流电压、脉冲触发角、频率及时间等。 按照先进先出的原则记录20组操作信号、故障信号、保护动作信号发生的时间。记录的数据可以用打印机输出或向上位机传送。 * 强大试验功能，通过控制器上的键盘操作，方便的进行调节器的各项试验，如开关量传动试验、过励限制、欠励限制、阶跃响应试验，交流励磁机时间常数试验等。 * 装置电源采用双路供电，一路来自于直流蓄电池电源，另一路来自机端变或厂用交流电降压整流。两路电源经二极管并联运行，互为冗余，提高了装置的可靠性。1.2、主要技术指标及功能1、调压精度：0.5。2、调压范围：5 130。3、调差范围：30，级差1。4、调节频率：不低于300次/秒。5、晶闸管控制角的分辨率：0.0048度/位码。6、A/D转换：16路输入，分辨率16位、14位或12位。7、A/D转换速率：200K/S。8、移相范围：10150度，上下限制可设定。9、开关量I/O：24路开关量输入，16路开关量输出，均采用光电隔离。10、阶跃特性：10阶跃超调量D1（第I条线），则判定为低励，发低励信号（面板低励指示灯亮，低励限制继电器动作）闭锁减励。并自动进行增磁操作直到低励故障消失。 如果bPcQD2（第II条线），则除执行上述操作外，延时1S切手动（面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作），励磁装置转为手动运行。限制和保护线见下图。2、过励限制和保护 最大励磁电流限制采用反时限特性，模拟转子的发热模型I2rt，其允许的过励时间t是随发电机励磁电流的大小而变化的。如图所示曲线，过励限制和保护按照下列原则：（a）转子电流Ifd2.25时，瞬时封锁脉冲退出运行；（b）Ifd1.06，Ifd1.0时计算反时限等效时间：detg=(Ifd2-1)注：detg为转子电流反时限积分值；（c）1.0If1.3的情况下执行限制转子电流操作，把转子电流控制在1.3以下；在If1.15时，发过V/HZ信号（面板V/HZ故障指示灯亮，过V/HZ继电器动作）闭锁增励，自动减励至过V/HZ故障消除。（b） 当V/HZ1.25时，除执行上面的动作过程外，延时1S后切手动（面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作），励磁装置转为手动运行。4、误强励保护 在双柜均流运行时，如果检测到本柜误强励，发误强励信号（误强励继电器动作），本柜退出运行；如果检测到它柜发生误强励，发误强励信号，它柜退出运行。5、PT熔丝断 如果检测到仪表PT熔丝断，发PT熔丝断信号（PT熔丝断继电器动作），如果是量测PT熔丝断，则除发PT熔丝断信号外，切手动继电器动作，面板显示切手动故障，励磁装置转手动运行。6、失脉冲检测当检测到失脉冲故障后，失脉冲继电器动作面板显示失脉冲相。同时通道退出运行。7、均流越限检测 在双柜均流运行时，如果两柜电流差超过两柜电流和的25，发均流越限信号（面板均流越限故障指示灯亮，均流越限继电器动作）；如果两柜电流差超过两柜电流和的75则退出均流运行。8、系统自检功能 系统自检功能含存储器校验、电源检测、可控硅故障等，当有故障发生时，发硬件故障信号，同时本通道退出运行。对于双通道系统，备用通道自投。9、故障录波 记录故障前1秒，故障后19秒所有采集到的模拟量数据，故障录波的触发量为通道故障退出信号。10、事件记忆 按照时间的先后记录20组事件发生的时间，包括：运行操作信号如通道投入、退出；开关量输入信号，如：油开关的合、分闸；以及其它故障信号，如硬件故障等。第三章 基本原理3.1、概述同步电机的励磁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。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流电场，通常称作励磁功率输出部分(或称功率单元)。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称主控单元)。 励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁装置也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。 励磁控制器由基本控制和辅助控制两大部分组成。基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。 测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精确、反应迅速、电路的时间常数要小。测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。为了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环节根据输入控制信号(Uc)的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。在LF2000励磁装置中,以上几个部分大部分由软件编程来实现，省略了很多硬件环节，提高了整个装置的可靠性。3.2、工作原理附录1、2、3为LF2000系列全数码励磁装置的系统原理图。励磁装置主控单元的输入电气信号有发电机量测PT电压，仪表PT电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号（9个交流信号）。直流信号有发电机转子电流及励磁装置输出电流。各路信号经各自的信号处理及变换电路（传感器、变送器）对信号滤波、隔离放大，变换成适合于A/D采样的信号。送入主控单元A/D变换器，由程序控制依次转换成数字量，存放在存储器中供软件使用。利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况、励磁系统参数、励磁装置输出参数等全部信息，如发电机三相电压平均值、三相电流平均值、有功功率P、无功功率Q、转子电流（励磁装置输出电流）、功率因数角、频率、可控硅控制角等供励磁装置各软件功能模块使用。主控室对励磁系统工作方式的选择、增、减励磁操作、油开关和灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障报警等开关量输出信号，在主控单元内经过光电隔离。功率输出部件可选择为晶闸管三相全控桥整流电路或其它方式。晶闸管根据发电机的容量选择快速风冷方式或水冷方式，晶闸管接有阻容保护，快速熔丝保护及过电压吸收部件，熔丝熔断有报警信号。为了保证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角在10150度之间变化。由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通。 在定时中断控制程序中，计算发电机电压与参考电压之差，并按控制规则进行运算后，综合其他附加控制信号及附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角，双窄脉冲经脉冲变压器隔离去触发晶闸管，这就是励磁调节系统的主调节环。控制参数的正确选择，附加控制信号的大小将直接影响励磁系统的静态和动态特性。 励磁装置中的保护功能模块如失脉冲检测、低励磁限制、过励限制、V/HZ限制、PT断线保护等都是用软件来实现的。 励磁装置的安装地点环境比较恶劣，电磁干扰相当严重，抗干扰能力是十分重要的。全数码励磁装置采用独特的抗干扰措施，如主控单元核心部件采用双层屏蔽，每个输入、输出电路均采用光电或电磁隔离电路等措施。 励磁装置的前面设有操作显示面板供人机对话用。人机界面采用触摸屏或中文文本显示器（用户自选），全汉化界面，便于运行人员的监视。另外开关量输入的实时状态显示、开关量强制输出、控制和保护参数设定、运行方式的切换、故障录波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实现。励磁装置主控单元的工作电源也是独立的。输出电压有四种：5V、15V供模拟通道使用；24VI供脉冲回路；24VII供继电器及操作回路用。电源采用两路供电：一路来自蓄电池直流电源，另一路来自厂用交流电或机端交流电压经降压整流成直流电源。两路直流电源通过二极管并联运行，任何一路失电，励磁装置仍能正常工作。3.3、单板原理作为同步发电机励磁系统，其可靠性对于机组和电网的安全稳定至关重要，因此LF2000微机励磁调节器在设计时就将系统可靠性作为第一重要的内容，因此搭建一个稳定的硬件测试平台是提高系统可靠性的基础。 LF2000的核心控制器由以下几部分组成：* 电源1* 电源2* 计算机主板（CPU）* 开关量输入输出板* 脉冲放大板* PT/CT板* 总线底板以上几块控制板卡插在一个专用4U机箱内。为了提高系统的抗干扰能力，机箱采用金属屏蔽机箱，所有插件采用欧洲标准的接插件，从设计上保证信号的流向的唯一性，避免了信号之间的串扰，以及强弱电之间的交叉。所有的板卡均采用先进的表贴工艺，底板装在机箱的前部，在面板上镶嵌有一个液晶显示器，进行运行状态的监视，前面板上还有一些重要的状态指示灯。电源系统为了提高系统的可靠性，系统的供电电源由两路冗余，来自励磁变压器或厂用电的交流电源经过隔离变压器隔离后，经过整流变为直流，并经过二极管和来自厂用蓄电池的直流电并联运行，共同为机箱内的开关电源供电，为了提高系统的抗干扰能力，按照不同的功能将系统电源分为3部分1） CPU电源：5V，15V2） 操作电源：24VII，用于开关量的输入输出3） 脉冲电源：24VI，用于脉冲放大和触发回路以上电源系统相互独立，避免干扰的产生。计算机主板（CPU）CPU板是励磁控制系统的核心，所有的控制过程都是在该板的指挥下进行，它完成数据的采集处理，控制规律的计算以及脉冲的产生和人机接口（键盘、显示器、打印机）的监控功能和自检功能。CPU板的硬件、软件设计的可靠性是整个控制系统安全运行的关键因素。模拟量处理板该板的主要功能是进行电平变换和隔离，由于采用交流采样，所以电流、电压回路经过高精度小CT和PT隔离后，进行滤波和电平转换适配到A/D测量范围内进入主机板。直流量由转子电流经过滤波电平转换后进行采样。同时将同步信号整形为方波，供主机板CPU产生脉冲。开关量输入继电器输出板本板将16路开关量输入信号经过光电隔离后，进入测控CPU板，进行状态判断。另外所有的电源检测电路也在这块板上。将16路开关量输出信号经过光电隔离后驱动继电器，进行信号输出。脉冲放大板本板将主CPU板产生的双窄脉冲进行功率放大输出，每一路脉冲功率可驱动5组以上并联的可控硅桥。同时本板上有脉冲指示灯，用于显示脉冲是否正常。PT/CT板 PT/CT板将发电机量测PT、仪表PT、系统PT、同步电压信号采用小型化的电压互感器进行隔离后，适配为A/D量程内的弱电信号。将定子电流互感器来的信号经过内部电流互感器隔离后，适配为A/D量程内的弱电信号。3.4、励磁方式3.4.1、自并励静止励磁系统 对于新建的大中型汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种良好的选择。因为这种励磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系统接线等优点。此外自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典型接线如附图3.1所示。3.4.2、三机静止励磁系统 对于具有主、副励磁机的他励静止二极管励磁系统，简称三机励磁系统，如附图3.2所示。 三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。对早期产品，励磁装置为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分立组件的模拟式励磁装置，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带来诸多不便。鉴于这种情况，我公司对三机励磁系统进行了研究，并完成了以LF2000系列全数码励磁装置为基础的适用于三机励磁系统的方案。如果主励磁机采用旋转电枢式，那么主励磁机的电枢绕组和二极管整流桥同发电机转子绕组一起旋转，从而可以去掉发电机转子励磁绕组和二极管整流桥之间的电刷，这种励磁方式即为无刷励磁系统。3.4.3、具有直流