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同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 1 目目 录录 第一章第一章 发电机励磁系统的作用及分类发电机励磁系统的作用及分类 1 1 1 励磁系统作用 1 1 2 励磁系统分类 6 第二章第二章 发电机励磁系统的组成原理发电机励磁系统的组成原理 10 2 1 励磁系统的配置 10 2 2 励磁调节器基本组成原理 12 2 4 可控整流原理 15 2 5 灭磁及过压原理 29 2 6 PSS 原理 44 2 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 1 第一章第一章 发电机励磁系统的作用及分类发电机励磁系统的作用及分类 1 1 1 1 励磁系统作用励磁系统作用 1 1 11 1 1 维持发电机 维持发电机或其他控制点或其他控制点 例如发电厂高压侧母线例如发电厂高压侧母线 的电压的电压在给定水平在给定水平 维持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 110 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 规程规定大型发电 机运行电压不得低于额定值的 90 当发电机电压低于 95 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 1 1 1 1 2 2 控制并联运行机组无功功率合理分配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少 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 Ku 在土 3 10 之间调整 2 1 1 31 1 3 提高电力系统的稳定性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 Eq d Sin X EqUs P 式中 Eq 一发电机内电势 Us 一受端电网电压 Xd 一发电机与电网间的总电抗 当无励磁调节时 Eq 常数 相应功角特性如图 1 1 a 所示 此曲线亦称内功率特性 曲线 静态稳定功率极限等于 PM 对应的功角为 900 d X EqUs 图 1 1 发电机内 外功率特性曲线及端电压和内电势变化图 a Eq 恒定 b 当 Eq 恒定 Eq 及 U 的变化 c Eq 恒定 d 当 Eq 恒定 Eq 及 U 的变化 e U 恒定 f 当 U 恒定 Eq 及 Eq 的变化 如果发电机在运行中可自动调节励磁 则此时 Eq 为变值 相应的传输功率可得到显著的 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 3 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 Eq 近 似为常数 由于随负载变化时 内电势 Eq 亦随励磁调节而变化 此时的功率特性己不是一条 正弦曲线 而是由一组 Eq 等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成 如图 1 1 c 中曲线所示 为区别 Eq 等于恒定值时的内功率特性曲线 当 Eq 随负载而变化的功率特性曲 线称之为外功率特性曲线 另由图 1 1 d 可看出 如维持 Eq 近似不变 则随着负载增加 Eq 是上升的 静态稳定功率极限理论值 PM 具体数值取决于微动态稳定的条件 对 d X qUsE 应的功角大于 900 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 如图 1 1 e 中所示的外功率 特性曲线 静态稳定功率极限理论值 PM 具体数值也取决于微动态稳定的条件 对 X UUs 应的转子功角更大于 900 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 Kou 与励磁系统的时间常数 Te 以及 转子功角 间具有图 1 2 所示的关系 由此图可看出 在同一转子功角条件下 随时间常数 Te 的增加 为保证发电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 Te 条 件下 随转子功角 的增加所允许的电压放大系数是减少的 由此引起了如图 1 1 c 和 图 1 1 e 所示的功率振荡情况 图 1 2 极限放大倍数 阴影部分为稳定工作区 2 励磁控制系统对暂态稳定的影响励磁控制系统对暂态稳定的影响 现以图 1 3 a 所示的线路为例 讨论在短路故障下功率特性的变化 4 在图 1 3 b 中曲线 1 表示双回路供电时的功率特性曲线 其幅值等于 X EqUs Pm 其中 X Xd XT Xe 2 图 1 3 在短路故障下 功率特性曲线的变化 a 单机元限大母线系统 b 短路故障下 功率特性曲线的变化 曲线 2 表示切除短路故障线路后的功率特性曲线 由于线路阻抗由 Xe 2 增加到 Xe 使 功率特性曲线的幅值减小到 其中 X Xd XT Xe 曲线 3 表示故障中的功率特性曲 X EqUs 线 如果发电机初始工作点在功率特性曲线 1 的 a 点 短路后工作点将由功率特性曲线 3 所 决定 在故障瞬间 由于惯性的影响 转速维持不变 功率角 仍为 0 工作点由 a 移至 b 其后 因输出电磁功率减小 转子开始加速 功率角开始增加 当达到 1 时故障切除 功 率特性为曲线 2 工作点由 c 移到 e 点 由于惯性的影响 转子沿功率特性曲线 2 继续加速 到 f 点 对应的转子功率角为 2 经过反复的振荡 最后稳定在工作点 g 处 同前所述 暂态稳定性决定于加速面积 abed 是否小于或等于减速面积 dfed 显然 当故障切除较慢 时 1 将增大 加速面积 abed 将增大 如果减速面积小于加速面积 将进一步加速 失去 暂态稳定性 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 Eq 迅速上升 增加功率输出 以达到增加减速面积的目的 相应变化如图 1 4 所示 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 5 p p a b o c d e f g h e h f 1 2 3 1 2 M M 图 1 4 功率特性曲线 由图 1 4 可看出 正常时 发电机的工作点在功率特性曲线 1 的 a 处 当发生短路事故时 相 应 功率特性曲线为曲线 3 如在此时提供强行励磁以迅速提高发电机内电势 Eq 使功率特 性曲线由 bc 段增加到 bc 段 由此在故障切除前减少了加速面积 由 abcd 减少到 abc d 在 c 时故障切除后亦能增加减速面积 由曲线 2 的 dehg 增加到 de h g 如面积 de h g 等于面积 def f 则可使转子功角最大值由 m 降到 m 明显地提高了暂态稳定 性 显然 励磁顶值电压越高 电压响应比越快 励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显 但 是 考虑到发电机绝缘的强度 强励顶值电压以 7 9 倍为宜 于此基值取为发电机空载励磁 电压 3 3 励磁控制系统对 励磁控制系统对动态动态稳定的影响稳定的影响 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 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 6 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 1 2 1 2 励磁系统分类励磁系统分类 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 1 2 11 2 1 它励交流励磁机系统 三机它励励磁系统 它励交流励磁机系统 三机它励励磁系统 它励交流励磁机系统原理如图 1 5 所示 自动励磁调节器 自动恒 压装置 ACFL PT ACL FLQ F CT 图 1 5 交流励磁机系统 三机它励 交流主励磁机 ACL 和交流副励磁机 ACFL 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 1 2 21 2 2 两机自励恒压励磁系统 两机自励恒压励磁系统 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 1 6 压装置 自动恒 自动励磁 调节器 PT ACL FLQ F CT 图 1 6 两机自励恒压励磁系统 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 7 1 2 31 2 3 两机一变励磁系统 两机一变励磁系统 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砖触发角 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 其原理图见图 1 7 自动励磁调节器 F ACL FLQ ZB CT PT 图 1 7 交流励磁机系统接线原理图 两机一变 1 2 41 2 4 自并励励磁系统 自并励励磁系统 这是自励系统中接线最简单的励磁方式 其典型原理图如图 1 8 所示 只用一台接在 机端的励磁变压器 ZB 作为励磁电源 通过可控硅整流装置 KZ 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 KZ PTZB 调节器 自动励磁 FLQ F CT 图 1 8 自并激励磁系统接线原理 自并激方式的优点是 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 8 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 2 51 2 5 无刷励磁系统 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 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 其原理图见图 1 9 PMG F 调节器 kz 自动励磁 PT FLQ CT ACL 图 1 9 无刷励磁系统接线原理 无刷励磁系统中 主励磁机 ACL 电枢是旋转的 它发出的三相交流电经旋转的二极 管整流桥整流后直接送发电机转子回路 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 PMG 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 1 2 61 2 6 谐波励磁系统 谐波励磁系统 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 9 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 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改变 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 反之 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 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 KW 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 还待进一步研究 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 直流励磁机励磁等其他方式 10 第二章第二章 发电机励磁系统的组成原理发电机励磁系统的组成原理 2 1 2 1 励磁系统的配置励磁系统的配置 2 1 12 1 1 自并激励磁系统的基本配置 自并激励磁系统的基本配置 自并激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 图 2 1 为南瑞电气控制公司 FWL B 型静止励磁系统的 接线原理框图 仪仪仪仪仪 仪仪CT 仪仪 仪仪 仪仪PT 仪仪PT 仪仪 仪仪 仪仪 仪仪 仪仪仪仪CT 仪 仪 仪 仪 仪 仪 仪 仪 仪仪仪仪仪仪 AC380V 仪仪仪仪仪600MW仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪 图 2 1FWL B 型静止励磁系统接线原理图 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 11 1 1 励磁变压器励磁变压器 励磁变压器为励磁系统提供励磁能源 对于自并激励磁系统的励磁变压器 通常不 设自动开关 高压侧可加装高压熔断器 也可不加 励磁变压器可设置过电流保护 温度保护 容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯 保护 大多小容量励磁变压器一般自己不设保护 变压器高压侧接线必须包括在发电机的 差动保护范围之内 早期的励磁变压器一般都采用油浸式变压器 近年来 随着干式变压器制造技术的 进步及考虑防火 维护等因素的影响 一般采用干式变压器 对于大容量的励磁变压器 往往采用三个单相干式变压器组合而成 励磁变压器的联接组别 通常采用 Y 组别 Y Y 12 组别通常不用 与普通配电变压器一样 励磁变压器的短路压降为 4 8 2 2 可控硅整流桥可控硅整流桥 自并激励磁系统中的大功率整流装置均采用三相桥式接法 这种接法的优点是半导 体元件承受的电压低 励磁变压器的利用率高 三相桥式电路可采用半控或全控桥方式 这两者增强励磁的能力相同 但在减磁时 半控桥只能把励磁电压控制到零 而全控桥在 逆变运行时可产生负的励磁电压 把励磁电流急速下降到零 把能量反馈到电网 在当今 的自并激励磁系统中几乎全部采用全控桥 可控硅整流桥采用相控方式 对三相全控桥 当负载为感性负载时 控制角在 0o 90o之间为整流状态 产生正向电压与正向电流 控制角在 90o 150o 理论上控制角 可以达到 180o考虑到实际存在换流重叠角 以及触发脉冲有一定的宽度 所以一般最大控 制角取 150o 之间为逆流状态 产生负向电压与正向电流 因此当发电机负载发生变化 时 通过改变可控硅的控制角来调整励磁电流的大小 以保证发电机的机端电压恒定 对于大型励磁系统 为保证足够的励磁电流 多采用数个整流桥并联 整流桥并联支 路数的选取原则为 N 1 也有采用 N 2 的 但考虑到现在可控硅以及可控硅整流桥制 造技术的日益成熟 采用 2 桥冗余似乎已经没有必要 N 为保证发电机正常励磁的整流桥 个数 即当一个整流桥因故障退出时 不影响励磁系统的正常励磁能力 3 3 励磁控制装置励磁控制装置 励磁控制装置包括自动电压调节器和起励控制回路 对于大型机组的自并激励磁系统 中的自动电压调节器 多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 12 4 4 灭磁及转子过电压保护灭磁及转子过电压保护 对于采用线性电阻或采用灭弧栅方式灭磁时 须设单独的转子过电压保护装置 而采 用非线性电阻灭磁时 可以同时兼顾转子的过电压保护 因此 非线性电阻灭磁方式在大 型发电机组 特别是水轮发电机组中得到了大量应用 国内使用较多的为高能氧化锌阀片 而国外使用较多的为碳化硅电阻 2 2 2 2 励磁调节器基本组成原理励磁调节器基本组成原理 2 2 12 2 1 微机励磁调节器的基本工作原理微机励磁调节器的基本工作原理 早期的励磁调节器无论是银针式 碳阻式还是磁盘式 都属于电磁反馈式的控制器 都是通过引入发电机机端电压和电流的方式实现电磁式反馈 从而改变发电机磁场回路电 阻的大小 进而改变发电机的励磁电流 以保持发电机机端电压在设定值附近 随着计算机的快速发展 发电机励磁调节器在不断发展和完善 当今的励磁调节器大 多已经采用微机作为硬件的载体 它已经不再单纯地提供自动调节功能 在励磁调节器的 内部同时提供了手动调节功能 开环控制功能或称纯手动功能 励磁调节器运行在自动方 式和手动方式的基本工作原理相同 即通过比较测量反馈值与参考值 有别于设定值 的 误差 计算出控制电压 自动方式下还经过一个欠励限制环节 再经过转子电压反馈产 生可控硅的控制角 输出相对于同步电压理想自然换流点有一定相位滞后的触发脉冲 2 2 22 2 2 微机励磁调节器的自动调节功能 微机励磁调节器的自动调节功能 励磁调节器自动方式的闭环控制对象为机端电压 当调节器运行在自动方式且没有发 生欠励限制时 如果发电机的机端电压高于参考值 则调节器减小控制电压 进而增大可 控硅的控制角 使得发电机转子电压下降 减小发电机励磁电流 使发电机机端电压回到 参考值 如果发电机机端电压低于参考值时 调节器增大控制电压 进而减小可控硅的控 制角 使得发电机转子电压上升 增大发电机励磁电流 维持发电机机端电压为参考值 其控制简图如图2 2所示 图中Ugset为发电机机端电压设定值 Ugact为发电机端电压实际 值 Uk为控制电压 Vs为励磁电源电压 T c为发电机端电压采样时间常数 TF为发电机励 磁电压反馈时间常数 PI为比例 积分控制 TSCR Tg分别为可控硅整流桥等效时间常数和 发电机等效时间常数 Ugact 调差 无功电流补偿 Uk Us Ugset 1 1 T S C 1 g1 T S 1 F 1 T S SCR 1 1 T S PI电压控制器欠励限制器 过励限制器V F限制器定子电流限制器 M Vs 图2 2发电机励磁调节器自动控制原理简图 2 2 32 2 3 微机励磁调节器的手动调节功能 微机励磁调节器的手动调节功能 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 13 励磁调节器手动调节的闭环控制对象为励磁电流 当调节器运行在手动方式时 如果 发电机的励磁电流高于设定值 则调节器减小控制电压 既增大可控硅的控制角 进而减 小发电机励磁电流 使发电机励磁电流回到设定值 如果发电机励磁电流低于设定值时 调节器增大控制电压 既减小可控硅的控制角 增大发电机励磁电流 维持发电机励磁电 流为设定值 其控制简图如图2 3所示 图中Ifset和Ifact分别表示发电机转子电流的设定 值和实际值 1 SCR 1 T S PI FD U Fset I Fset Uk 1 F 1 g1 T S 1 C 1 T S 电流控制器 1 T S Ug I 励磁电流限制器 Vs M 图2 3发电机励磁调节器手自动控制原理简图 当励磁调节器工作在自动方式时 还有许多辅助限制保护功能 如图2 2所示 励磁 控制的参考值已不再仅仅是励磁控制的设定值 而是综合考虑了发电机定子电流限制 V F 限制以及调差 无功电流补偿 等作用后的参考值 这一参考值与发电机端电压的误差再 与发电机的欠励限制值做比较取其中的较大者 模型中的高值门 作为电压控制器的输入 由于采用了微机作为励磁控制器的载体 早期的那些通过硬件才能够实现的比较 限 制 保护等功能已经不再需要专门的硬件 都可以通过软件来方便灵活地实现 因此使得 励磁控制器的硬件大为简化 可靠性得到大幅度提高 同时 由于采用软件代替硬件使原 先半导体器件存在的零漂 电位器的不准确性 电容参数的变化等等问题不复存在 也使 得励磁控制的调试维护工作变得方便 容易 2 2 42 2 4 微机调节器的主要组成部分 微机调节器的主要组成部分 随着微机技术的发展 除去因为接口等方面增加带来硬件复杂程度上升外 励磁调节 器的硬件逐渐被简化 这主要因为 原先需要通过硬件来实现的许多功能已经完全可以由 软件来实现 而只需要提供足够充分的模拟量信息接口 并把这些信息转换成计算机可以 接受的模拟量信号并进行采样 然后把采样的信息存放在一些变量中 供计算机使用即可 可见 当今的励磁调节器 除了电源模块 CPU模块 模拟量和开关量接口模块以及励 磁调节器必要的脉冲放大电路几乎已不再需要特殊的外围电路 调节器的核心硬件包括 模拟信号的数字化采样回路 CPU的控制运算和逻 辑判断回路以及数字式的移相触发回路 还有一些辅助的电源回路等 具体简 14 介如下 为了实现对发电机励磁的调节 控制与限制功能 在励磁调节器中须取得与机组状态 变量有关的运行参数作为反馈量 并依此进行运算 对这些反馈量的处理有两种方式 即 模拟量采样和交流采样 对于模拟量采样 一般采用模拟量变送器作为测量元件 模拟量变送器的输出量为与 输入量成比例的直流电压 经 A D 转换接口电路 供计算机采样 由于这种方法容易实现 测量精度也可保证 因而早期的微机励磁多采用这种方式 变送器把交流量转换成直流量时 为了保证足够的精度 一般需要滤波电路 从提高 励磁调节器的响应速度方面考虑 应尽量减少变送器的滤波时间常数 有关标准规定此时 间常数不得大于 50ms 采用高频有源滤波器可以方便地实现这一要求 时间常数仅为 7 10ms 模拟量变送器的不足之处在于电路硬件复杂 调整和维护量较多 与模拟量采样对应的是交流采样 通过交流接口将发电机电压 电流互感器的二次电 压和电流信号转换成与原信号在数量上成正比 但幅值较低的交流电压 供计算机进行采 样处理 并经运算求出相关的发电机电压 电流以及有功和无功功率 交流采样技术是微 机励磁的关键技术和励磁装置数字化深度的标志之一 交流接口分别为电压接口和电流接口两种 两者均为前置模拟通道 由信号幅度变换 装置 隔离屏蔽 模拟式低通滤波等部分组成 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 15 2 4 2 4 可控整流原理可控整流原理 利用电力半导体器件可以进行电能的变换 其中整流电路可将交流电转变成直流电供 给直流负载 逆变电路又可将直流电转换成交流电供给交流负载 某些可控硅装置即可工 作于整流状态 也可工作于逆变状态 可称作变流或换流装置 同步发电机的半导体励磁 是半导体变流技术在电力工业方面的一项重要应用 将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压 供给发电机转子励磁 绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要 这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任 务 对于接在发电机转子励磁回路中的三相全控桥式整流电路 除了将交流变换成直流的 正常任务之外 在需要迅速减磁时还可以将储存在转子磁场中的能量 经全控桥迅速反馈 给交流电源 进行逆变灭磁 此外 在励磁调节器的测量单元中使用的多相 三相 六相 或十二相 整流电路 则主要是将测量到的交流信号转换为直流信号 由于三相整流电路同步发电机半导体励磁中应用得最普遍 故本节主要介绍三相半波 全控和三相全波全控及三相全波半控的整流电路 2 4 12 4 1 带电阻负载的三相半波全控整流电路 带电阻负载的三相半波全控整流电路 三相半波全控整流电路 如图 2 17 a 所示 它换流不一定在自然换流点 d e f g 等处 而要决定于控制脉冲的相位 因为可控硅管在承受正向电压的同时 还须在触发脉冲 ug的触发下才能导通 如图 2 17 b 在自然换流点 d 后延迟 角的 t1时刻 a 相的可控硅管 SCR1 因控 制极受到脉冲 ug1的触发而导通 这时 a 点电位最高 SCR1导通后 K 点电位则与 a 点接近 高于 b c 点的电位 SCR2与 SCR3因承受反向电压而关断 过 e 点后 b 点电位高于 a 点 SCR2开始承受正向电压 但尚未加触发脉冲 故 SCR2暂不导通 而 SCR1在正向电压 u2 0 作用下继续导通 直到 e 点之后延迟 角的 t2时刻 b 相的 SCR2被加上触 发脉冲 ug2后才导通 这时 K 点电位接近 b 点 b 点电位又比 a 点 c 点都高 故 SCR1在反 向电压作用下被迫关断 流过负载的电流才从 SCR1换流到 SCR2 同理 在 wt3时刻 给 c 相的 SCR3触发脉冲后 SCR3导通 SCR2关断 下一周期只要依次对应地加上触发脉冲 则 三相的可控硅管将轮流导电 这样在负载上得到的直流输出电压 ud的波形如图 2 17 d 所示 16 图 2 17 三相半波全控整流 图 2 18 计算 Ud 值的图形 a 电路图 b 交流侧电压波形 c 触发脉冲 a 0 6 b 6 5 6 d 直流侧电压波形 对于三相半波全控整流 只要改变控制角 的大小 即改变触发脉冲出现的时刻 在负载上便可得到不同的输出波形 因而得到大小不同的平均直流输出电压 达到可控整 流的目的 三相半波全控整流电路输出电压 ud的波形 当 30 时是连续的 30 时是断 续的 故计算输出电压平均值时 须分别用不同的函数表达式 参看图 2 18 的波形 当 0 30 时 表达式为 cos17 1 sin2 3 2 1 2 6 5 6 2 UttdU U d 当 30 150 时 表达式为 6 cos1675 0 sin2 3 2 1 2 6 2 UttdU Ud 即 2 4 15030 6 cos1675 0 300cos17 1 2 U Ud 可控硅元件承受的最大正向电压为相电压幅值 承受的最大反向电压为线电压 2 2U 的幅值 22 45 2 23UU 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 17 2 4 22 4 2 带电感性负载的三相半波可控整流电路 带电感性负载的三相半波可控整流电路 图 2 19 带电感负载的三相半波可控硅整流电路 a 原理图 b 相电压波形 c 触发脉冲 d Ud 波形 带电感性负载的三相半波可控整流电路如图 2 19 a 所示 当 30 时 输出电 压 ud的波形与纯电阻性负载一样 但当 30 以后 例如 t2以后 a 相的电压 u2 过零 变负 已经导通的 SCR1由于电感 L 的反电压作用处于正向偏置 继续导通 直到 t3时刻 b 相的 SCR2接受触发脉冲而导通 SCR1才被迫关断 这样一来 输出电压 ud就呈现出负的 部分 如图 2 19 d 因此 30 以后 带大电感负载的输出电压的平均值就比带纯 电阻负载时小 为了避免 30 后电感负载上的电压 ud出现负的部分 即希望相电势过 零之后 相应的可控硅自行关断 可以在负载两端并接续流二极管 DXl O这样在 30O 电源电压过零时 相应导通着的可控硅管关断 由大电感反电势产生的电流通过续流管 DXl继续流通 在控制角 30O后每相可控硅元件每周导通的角度是 150O 续流管 DXl 则每周导通三次 每次宽度为 30O 由于三相半波整流电路还存在一些不足 诸如输出的脉动还嫌大 变压器副方绕组利 用率较低 整流元件承受的反向电压较高等 所以在大功率整流中多采用下面将介绍的三 相全波全控整流电路 2 4 32 4 3 三相全波半控整流电路 三相全波半控整流电路 三相全波半控整流电路如图 2 20 a 所示 18 共阳极组的硅整流二极管在任何瞬间都是阴极电位最低者导通 仍然在自然换流点 如 e g i 处 依次换流 共阴极组的可控硅管则是阳极电位为正而又接受触发信号的 可控硅管导通 因而不是在 d f h 等点自然换流 而是在触发脉冲送出的时刻触发换流 即每周期内的六次换流中 只有三次自然换流 另有三次触发换流 这是三相全波半控整 流与不可控整流的区别 图 2 20 三相全波半控整流 a 电路图 b 相电压波形 c 触发脉冲 d 直流电压波形 现以 30O的图 2 20 所示的波形为例 说明三相全波半控整流电路的工作过程 设 在控制角 30O的 t1时刻触发 SCR1 SCR1因受正向阳极电压而触发导通 此时 a 相 电位最高 b 相电位最低 线电压 uab最大 电流从 SCR1流出 经负载电阻 R 由 D6流回 电源 导通元件为 SCR1和 D6 输出电压 ud 为线电压 uab 到 t2时刻的 e 点 c 相电位开 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 19 始低于 b 相电位 共阳极组元件间发生自然换流 电流从 b 相的 D6转移到 c 相的 D2 导通 元件为 SCR1和 D2 输出电压 ud为线电压 uac 同理 在 t3时刻触发 SCR3 此时 b 相电位最高 SCR3承受正向阳极电压而触发导通 在 SCR3导通的同时 将反向电压加到 SCR1迫使它关断 电流从 SCR1转移到 SCR3 发生触 发换流 导通元件变为 SCR3和 D2 输出电压为线电压 ubc 在 t4的 点 a 相电位又开 始低于 c 相电位 又发生自然换流 电流从 D2换至 D4 导通元件为 SCR3和 D4 输出电压 为 uba 这样依次在 300的时刻 给阳极电压最高一相的可控硅管引入触发脉冲 使可控 硅元件触发换流 共阳极组的二极管仍自然换流 在负载电阻上便得到 300时 如图 2 20 b 中画有阴影线的相电压导通部分 把它的下包络线拉平 就得到 2 20 d 所示的 输出电压 ud波形 图 2 21 是 600时的波形 在控制角 600的 t1瞬间 a 相的 SCR1和受触发而导 通 在 t1 t3期间 a 相电位高 b 相的 SCR3未加触发 c 相电位最低 输出电压 ud 的波形就是 uac 同理 在 t3时 b 相的 SCR3触发换流 a 相的 D4自然换流 在 t3 t5 期间 ud的波形就是 uba 依此类推 输出电压 ud的波形处于连续的临界情况 每周内有 三个波头 平均电压 Ud则比 300时降低了 图 2 22 是 1200时的波形 在 1200的 t2时刻 a 相的 SCR1接受触发信号而导 通 这以后 b 相的电位虽高于 a 相 但 b 相的可控硅管 SCR3尚未被触发 仍是截止的 t2 t3期间 c 相电位最低 但在 t3的 点之后 c 相电位高于 a 相 故导通的 SCR1 受反向电压而截止 输出电压 ud 0 一直持续到 t4时刻 b 相才触发导通 以下类似上 述情况 输出电压如图 2 22 c 所示那样是不连续的 每个可控硅元件每周期的导通角 是 600 这时输出电压的平均值 ud大幅度下降 20 图 2 21 60 时三相半控桥的波形图 图 2 22 120 时三相半控桥的波形 a 相电压波形 b 触发脉冲 c 直流电压波形 a 相电压波形 b 触发脉冲 c 直流侧电压波形 图 2 22 是 1200时的波形 在 1200的 t2时刻 相的 SCR1接受触发信号而 导通 这以后 b 相的电位虽高于 a 相 但 b 相的可控硅管 SCR3尚未被触发 仍是截止的 t2 t3期间 c 相电位最低 但在 t3的 点之后 c 相电位高于 a 相 故导通的 SCR1 受反向电压而截止 输出电压 ud 0 一直持续到 t4时刻 b 相才触发导通 以下类似上 述情况 输出电压如图 2 22 c 所示那样是不连续的 每个可控硅元件每周期的导通角 是 600 这时输出电压的平均值 ud大幅度下降 控制角 增大到 1800 则输出电压平均值 ud 0 当 由 1800逐渐减小到 00时 输 出电压的波形将三相对称地沿图 2 23 中的箭头方向变化 由零逐渐增加到每周三个波头 而后每周六个波头 当 600时 波形是不连续的 每周期内有三个波头 每个整流元 件的导通角 1200 当 600后 则输出电压 Ud的波形是连续的 每周期内有六个波头 每个整流元件的导通角是 1200 现在计算控制角 变化时 三相半控整流桥输出电压的平均值 Ud 由于输出直流电 压波形在每周期内重复出现三次 故只须计算 1 3 周期内的平均值即可 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 21 图 2 23 控制角 改变时输出电压波形的变化图 图 2 24 计算 Ud的积分面积 a 60 b 60 当 00 600时 由图 2 24 a 可见 整流电压的面积由两部分组成 一部分是 ABCD 另一部分是 DCEF 将这两块面积相加再平均 得 3 2 33 2 11 3 sin 2sin2 3 2 1 tdtUttdUUd 2 cos1 35 1 2 cos123 11 UU 2 5 2 cos1 0 d U 其中 为 00时输出直流电压的平均值 这时其值最大 11 35 1 23 UUUdo 等于三相全波不可控整流电路的输出电压 当 600 1800时 由图 2 24 b 可见 每块导通面积的宽度将小于 1200 电压将 出现不连续的情况 而 ud电压的平均值为 3 4 3 1 3 sin 2 3 2 1 tdtUUd 22 2 6 2 cos1 2 cos123 01 d UU 比较式 2 5 与式 2 6 可见 控制角 小于 600与大于 600的两种情况 计算平 均电压的公式是相同的 比值 Ud U2随 变化的关系曲线 如图 2 25 所示 流过整流变压器副方 可控硅整流元件及硅整流二极管的电流有效值 I2 ISCR ID与 输出电流平均值 Id之比 随 变化的关系曲线也如图 2 25 所示 上述波形分析及计算 对于带续流二极管的电感性负载电路同样适用 2 5 2 0 1 0 2 34 0 817 0 578 1 5 0 5 0306090120150180 I2 Id Ud U2 ID Id ISCR Id 图 2 25 三相半控桥有关电量与 的关系 2 4 42 4 4 三相全波全控整流电路 三相全波全控整流电路 在三相全波整流接线中 六个桥臂元件全都采用可控硅管 就成为图 2 26 a 所示 的三相全波全控整流电路 它不同于三相全波半控整流电路 可控硅元件都要靠触发换流 并且一般要求触发脉冲的宽度应大于 600 但小于 1200 一般取 800 1000 即所谓 宽脉 冲触发 这样才能保证整流电路刚投入之际 例如共阴极组的某一元件被触发时 共阳极 组的前一元件的触发信号依然存在 共阴极组与共阳极组各有一元件同时处在被触发状态 才能构成电流的通路 投入时一经触发通流 以后各元件则可依次触发换流 另外也可以 采用 双脉冲触发 的方式 即本元件被触发的同时 还送一触发脉冲给前一元件 以便 整流桥刚投入时构成电流的最初的通路 其后整流电路便进入正常工作状态 双脉冲触发电路较复杂些 但它可以减小触发装置的输出功率 减小脉冲变压器的铁 芯体积 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 23 6 1 ug1 Ud 0 1 6 331 224 55 46 0 ug ug6ug2ug4ug6 0 ug1 ug ug5ug3 c 0 0 t 531 b 2 t t4 6 t tt t t Ud 触发换流 SCR ug2 a Ud SCR SCR1 B 2 4 c 6 b a 35 R id UaUbUc d t t t 图 2 26 三相全波全控整流 0 时 a 电路图 b 相电压波形 c 触发脉冲 d 直流侧电压波形 图 2 26 c 是表示宽脉冲触发方式的各臂触发脉冲 由于工作于整流状态时通常共 阴极组是在相电压的正半周时触发 共阳极组是在负半周时触发 故接在同一相上的两可 控硅的触发脉冲 例如 a 相的 ug1与 ug4 b 相的 ug3与 ug6 c 相的 ug5与 ug2 相位应该差 1800 全控整流电路的工作特点是既可工作于整流状态 将交流转变成直流 也可工作于逆 变状态 将直流转变成交流 下面说明这两种工作状态 1 整流工作状态 先讨论控制角 00的情况 参看图 2 26 在 t0 t1 期间 a 相的电位最高 b 相 的电位最低 有可能构成通路 若在 t0以前共阳极组的 SCR6的触发脉冲 Ug6 还存在 在 t0 00 时给共阴极的 SCR1以触发脉冲 ug1 则可由 SCR1与 SCR6构成通路 交流电 源的 a 相 SCR1 R SCR6 回到电源 b 相 在负载电阻 R 上得到线电压 uab 此后只要按顺 序给各桥臂元件以触发脉冲 就可依次换流 例如在 t1 t2期间 c 相电位最低 在 t1时间向 SCR2输入触发脉冲 ug2 共阳极组的 SCR2即导通 同组的 SCR6因承受反向电压 而截止 电流的通路换成 a SCR1 R SCR2 c 负载电阻 R 上得到线电压 uac 余类推 每隔 600依次向共阴极组或共阳极组的可控硅元件以触发脉冲 则每隔 600有一个臂的元件 触发换流 每周期内每臂元件导电 1200 24 控制角 00时负载电阻 R 上得到的电压波形 ud 如图 2 26 d 所示 它与三相桥式不 可控整流电路的输出波形相同 这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大 为 Udo 图 2 27 是 300时三相全控桥的电压波形 图 2 28 是 600时的电压波形 两图的 图 a 交流相电势画阴影线的部分表示导通面积 如把底线拉平 就成为图 b 所示的 输出电压 ud的波形 它是由线电压波形的相应各部分组成的 在控制角 600的情况下 共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的 阳极电位 故输出电压 ud的瞬时值都大于零 波形是连续的 然而当 600后 输出电压 ud的瞬时值将出现负的部分 如图 2 29 中的 c 和 d 这主要是由于电感性负载产生的反电势 维持负载电流连续流通而产生的 设在 600 900的 t1时刻 给 a 相的 SCR1以触发电压 参看图 2 29 b 这时 a 相电位 最高 SCR1导通 c 相电位虽然最低 但 SCR2尚未被触发而不会导通 由 b 相的 SCR6继续 保持导通状态 即由 SCR1与 SCR6构成通路 输出电压为 uab 到 t2时刻 uab 0 输出负载 电流 id有减小的趋势 负载电感 L 中便产生感应电势 L企图阻止 id的减小 其方向与 id的流向一致 即整流桥输出的下端 n 点为正 上端 m 点为负 维持 id的继续流通 在 t2以后 虽然 b 相电位高于 a 相电位 即 ab 0 但电感 L 上的感应电势 L的绝对值 高于 Uab的绝对值 实际加在 SCR1与 SCR6元件上的阳极电压仍然为正 维持原来电流 Jd的 通路 故在 t2 t 2这段时间内 输出电压 Ud呈现负值 到 t 2时刻 SCR2接受触 发脉冲 此时 c 相电位最低 故 SCR2导通并将 SCR6关断 电流从 SCR6换流到 SCR2 SCR1 此时仍继续导通 b 相电位此时虽高于 a 但因 b 相的 SCR3尚未加触发脉冲而不会导通 电 流在 SCR1与 SCR2构成的回路中流通 使输出电压 Ud Uac 0 到 t3以后 Uac 0 又由 电感电势维持电流 id 使输出电压 Ud又呈现负的部分 直到触发换流后 Ud才又为正 同步发电机励磁系统培训教材 南京南瑞电气控制公司 25 这样 输出电压 Ud将按图 2 29 C 中线电压的波形 画有阴影线的部分 交替出现正负 部分 正的部分表示交流线电压产生负载电流 id 交流电源向负载供电 负的部分表示电 感性负载中的感应电势 L维持负载电流 id的流通 将原电感中贮存的能量释放一部分 输出电压 Ud在一周内出现正负波形 其平均值 Ud将减小 随着控制 的增大 正值 部分的面积渐减 负值部分的面积渐增 Ud平均值愈来愈小 90 时 如图 2 29 d Ud波形正负两部分面积相等 输出平均电压 Ud 0 三相全控桥式整流电路输出电压 Ud的波形在一个周期内为匀称的六段 即输出电压 Ud的周期是阳极电压周期的六分之一 故计算其平均电压 Ud 只须求交电流电压 U1cos t 在 至 的平均值即可 2 6 6 图 2 27 300时的电压波形 a 相电压波形 b 直流侧电压波 形 图 2 28 600时的电压波形 a 相电压波形 b 直流侧电压波 形 图 2 29 600 900时的电压波形 a 电路图 b 相电压波形 c 当 600 900 时的电压波形 d 当 900时的输出电压波形 26 ttdUUd cos2 6 2 1 1 6 6 cos 6 sin22 3 1 U 2 7 cos35 1 1 U 在 90 时 输出平均电压 Ud为正值 三相全控桥工作在整流状态 将交流转变为 直流 2 逆变工作状态 在 90 时 输出平均电压 Ud则为负值 三相全控桥工作在逆变状态 将直流转变 为交流 在半导体励磁装置中 如采用三相全波全控整流电路 当发电机内部发生故障时 能进行逆变灭磁 将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈给交流电源去 以减轻发电 机损坏的程度 此外 在调节励磁过程中 如使 90 则加到发电机转子的励磁电压 变负 能讯速进行减磁 图 2 30 与图 2 31 分别代表 1