可控硅励磁基本知

可控硅励磁基本知识第1页，共90页。一、可控硅励磁系统第2页，共90页。励磁系统：向同步电机的激磁绕组提供用于建立电磁场的直流电流的系统或装置。通过励磁的调节控制，可以达到以下目的：

A、恒发电机电压控制，稳定发电机电压。B、设置调差率，保证发电机无功功率的合理分配。C、提高发电机运行的稳定性。D、通过附加的PSS控制，提高电力系统的稳定性。一、可控硅励磁系统第3页，共90页。发电机在转动时需要一个旋转磁场（大多

数的发电机组都是旋转磁场式的），这磁

场多数是由直流电源通过转子线圈来形成，另外为了使发电机在负荷变化时机端电压

基本保持恒定，还需要一个能随发电机端

电压变化调整这直流电源输出的调节器，

这构成励磁系统的两个主要部分。一、可控硅励磁系统第4页，共90页。二、整流原理第5页，共90页。励磁设备是电厂的辅助设备之一，它是把交流电整流成直流电供给转子磁极，通过水轮机带动转子转动以形成旋转磁场切割定子绕组，在定子绕组中感应成电动势，通过导线向负荷供电。二、整流原理第6页，共90页。在励磁设备中，重要的整流元件是可控硅，也叫硅晶体闸流管，简称晶闸管。晶闸管通和断的规律如下几点：二、整流原理第7页，共90页。①当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。②当晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才能导通，正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通，故导通的控制信号只须正向脉冲电压即可，这个正向脉冲电压称之为触发脉冲。④当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，这是和二极管不同的地方。二、整流原理第8页，共90页。1、在励磁设备整流柜中，整流电路为三相全控整流桥电路，为了更清楚地说明三相全控整流桥电路的工作原理，下面介绍三相半控整流电路。三相半控整流电路的原理图如图所示。第9页，共90页。二、整流原理第10页，共90页。如果可控硅元件具有最大的导通角，即可控硅元件以二极管的方式工作，则三相半控桥式整流电路变为三相全波整流电路。图中电位最高的那一相可控硅导通，电位最低的那一相二极管导通，输出电压U的波形如图所示。二、整流原理第11页，共90页。从图中可以看出，各晶闸管上的触发脉冲，其相序应与电源的相序相同。各相触发脉冲依次间隔120°。在一个周期内，每相晶闸管各导电120°，每相二极管各导电

120°，负载电流是连续的。二、整流原理第12页，共90页。在相电压的交点处a、b和c是各晶闸管能触发导通的最早时刻。在这点以前晶闸管因承受反压，不能触发导通，因此把它做为计算控制角α的起点，即该处的α＝0°。这个交点叫自然换相点。二、整流原理第13页，共90页。对VT1来说，自a点导通后，VT1导通的时

间可到b点。因为在这段区间内，VT1处于正相电压下，b点是自然换向点，有触发脉冲，因此VT1的导通区间为a

b。同理，VT3的导通区间为bc，VT5的导通区间为ca。二、整流原理第14页，共90页。因此，在三相半控桥式整流电路中，可控硅的触发脉冲应满足如下两点：任一相可控硅的触发脉冲应在滞后本相相电压30°相角的180°区间内发出，即VT1的触发脉冲在aa`区间发出，VT3的触发脉冲在bb`区间发出，VT5的触发脉冲在cc`区间发出，即触发脉冲与可控硅的交流电压必须保持同步。可控硅的触发脉冲，按电源电压的相序（例如图中为Uu→Uv→Uw）依次应有120°的电角度之差。二、整流原理第15页，共90页。当控制角α=30°时，VT1在Ug1作用下导通，输出电流经二极管D6（D2）构成回路，负载上电压Ud=Uuv（Uuw）；当VT3的触发脉冲

Ug3出现时，正遇B相电压最高，VT3因触发而导通，VT1受到反向电压Uvu的作用而关断，此时输出电流经二极管D2（D4）构成回路，负载上电压Ud=Uvw（Uvu）。同理，在Ug5的作用下VT5导通时，因C相电压最高，VT3受到反向电压Uwv的作用而关断，输出电流经二极管D4（D6）构成回路，负载上电压Ud=Uwu（Uwv）。当VT1的触发脉冲Ug1作用时，VT1导通，VT5受到反向电压Uuw的作用而关断，以后重复上述过程。α=30°时的输出电压波形如图所示。第16页，共90页。二、整流原理第17页，共90页。控制角α=60°时半控桥的整流输出电压波形和控制角α=90°时半控桥的整流输出电压波形如下图所示。第18页，共90页。第19页，共90页。二、整流原理第20页，共90页。通过以上分析，三相半控桥式整流电路的输出电压波形有如下特点：

（1）当控制角30°<α<60°时，导通的可控硅在关断之前对应的相电压已为负值，但仍比另一相高，故可控硅仍处正相电压，在下一个可控硅触发导通前继续导通。

（2）当控制角α＝60°时，导通的可控硅在对应的相电压降到和另一相最低的相电压相等时自动关断。

（3）当控制角α>60°时，输出电压波形不再连续，每个可控硅自行关断后到另一相可控硅触发导通时的区间出现间断。二、整流原理第21页，共90页。2、三相桥式全控整流电路。如图所示的三相桥式全控整流电路。在三相桥式全控整流电路中晶闸管是这样编写的：VT1和VT4接u相，VT3和VT6接v相，VT

5和VT2接w相。VT1、VT3、VT5组成共阴极，VT4、VT6、VT2组成共阳极组。第22页，共90页。二、整流原理第23页，共90页。三相桥式全控整流电路中，6个晶闸管导通的顺序是：→VT6—VT1→VT1—VT2→VT2—VT3→VT3—VT4→VT4—VT5→VT5—VT6→为了搞清楚α变化时各晶闸管的导通规律并分析输出波形的变化，下面研究几个特殊

控制角时的情况。先分析α＝0，即在自然换相点触发换相时的情况。二、整流原理第24页，共90页。如图所示为α＝0时的波形。为了分析方便起见，把一个周期等分6段。在第1段期间，u相电位最高，因而共阴极组VT1触发导通，

v相电位最低，共阳极组的VT6触发导通。

这时电流由u相经VT1流向负载，再经VT6流入v相。因此加在负载上的整流电压为Uu－Uv＝Uuv。第25页，共90页。二、整流原理第26页，共90页。经过60°后进入第2段。这时u相电位仍最高，VT1继续导通，但w相电位最低，经自然换相点触发w相的VT2，电流即从v相换到w相，VT6承受反压而关断。这时负载上的电压为Uu－Uw＝Uuw。二、整流原理第27页，共90页。再经过60°，进入第3段，这时v相电压最高，共阴极组经触发换相VT3导通，电流从

u相换到v相，VT2继续导通。v、w两相工

作，负载上的电压为Uv－Uw＝Uvw。二、整流原理第28页，共90页。余依次类推。在第4段，VT3、VT4导通，v、u两相工作。在第5段，VT4、VT5导通，w、u两相工作。在第6段，VT5、VT6导通，w、v两相工作，再下去又重复上述过程。二、整流原理第29页，共90页。从上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：

①三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的。

②关于触发脉冲的相位，共阴极组的VT1、VT3和VT5之间应互差120°；共阳极的VT4、VT6和VT2之间亦互差

120°。为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。二、整流原理第30页，共90页。当控制角α>0时，每个晶闸管都不在自然换相点，

而是从自然换相点向后移α角开始换相。分析的方

法与α＝0时的电压波形相同。可从α角开始把一个周期6等分，在第1段，VT1和VT6导通，期间虽经过共阳极组的自然换相点，w相电压开始低于v相电压，

VT2开始承受正向电压，但因未被触发故不能导通，由VT6继续导电，直到第2段开始时触发VT2，才迫

使VT6关断。负载电流从VT6转移到VT2上，进入第2段，余类推。二、整流原理第31页，共90页。当控制角α=30°时，在触发脉冲的作用下，

VT1和VT6导通，输出电压U=Uuv。经60°电角度后，在触发脉冲的作用下，VT1保持导通，VT2也导通，因此时v相电压高于w

相电压，Uvw>0，VT6在此反向电压作用下

关断，输出电压U=Uuw。再经60°电角度

后，在触发脉冲的作用下，VT2、VT3导通，因此时v相电压高于u相电压，VT1在反向电压Uvu作用下关断，输出电压U=Uvw。波形如图所示。第32页，共90页。二、整流原理第33页，共90页。类似的，作出控制角α=60°时的全控桥整流输出电压波形如图所示。第34页，共90页。二、整流原理第35页，共90页。当60°<α<90°时，晶闸管换相时瞬时值已为负值，由于电感的作用，导通的晶闸管

继续导通，整流输出出现了负的电压波形，使整流电压值降低。电感性负载当α=90°时，在电流连续情况下输出电压波形的正

负面积相等，输出电压的平均值为零，如

图所示。第36页，共90页。二、整流原理第37页，共90页。3、逆变原理。利用晶闸管电路把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。逆变工作状态就是将输出的直流电压转换为交流电压，实际就是将负载电感L中的能量向电源倒送，使L中的磁能很快消失。

观察图控制角α=90°的电压波形中的ωt2~ωt3区间，负载电流的流向

如图所示，通过分析可知，电感L上的感应电势产生的电流与I同方向，故直流侧发出功率，即将L中的能量释放出来。对电源侧来说，因在

ωt2~ωt3期间，Uu＜Uv，电源侧吸取电感L释放出的能量，实现了逆变。为了实现逆变，控制角α应大于90°，当α＞120°时，逆变过程将缩短，当进行到电感负载L中剩余的能量不能维持逆变时，可控硅中电流中断，逆变才结束。二、整流原理第38页，共90页。通过对以上逆变的分析，我们可以看出：

①要实现逆变，应使Ud为负值，所以三相全控桥式整流电路实现逆变的第一个条件是控制角α应在大于90°和小于180°范围绕内。

②要实现逆变，负载必须为电感性，且原先三相桥处在整流状态下工作，即转子绕组原先励磁具有能量。因而三相全控桥式整

流电路实现逆变的第二条件是负载呈电感性且原先储有能量，

当负载是纯电阻时，三相全控桥电路不能实现逆变。

③逆变就是直流侧电感中储存的能量向交流电源反馈送的过程，因而逆变时交流侧电源不能消失，这就构成了三相全控桥式整流电

路实现逆变的第三个条件。二、整流原理第39页，共90页。根据上述对三相全控桥式整流电路工作原理的分析，当0°＜α＜90°时，全控桥工作在整流状态，改变控制角α，可以实现对发电机励磁电流的自动调节。

当90°＜α＜180°时，全控桥工作在逆变状态，可以实现对发电机的自动灭磁。就是说，当发电机内部

故障时，继电保护动作信号给到励磁调节器，使控

制角α由小于90°的整流工作状态突然加大到α大于

90°的某一适当的角度，进入逆变工作状态，将发

电机转子绕组储存的能量迅速反馈到交流侧去，从

而使发电机电势迅速降低，实现逆变灭磁。三、恰甫其海电厂励磁系统简介恰电厂励磁装置是广州电气科学研究院广州擎天电气控制实业有限公司生产的EXC9000静态励磁系统，该系统由1个励磁调节柜，1个进线柜，2个励磁功率柜，1个灭磁开关柜组成。静态励磁系统是用整流器【晶闸管（可控硅整流器）】将交流电源整流成直流电源，供给同步发电机可调励磁电流的系统及装置。第40页，共90页。三、恰甫其海电厂励磁系统简介第41页，共90页。EXC9000型全数字式静态励磁系统主要特点是功能软件化、系统数字化。本系统的数字化不仅体现在调节器，也体现在功率柜和灭磁柜。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试。1、调节柜EXC9000励磁调节器

为双微机三通道调节器，其中A、B通道为微机通道，其核心控制器件是32位总线工控机，C通道为模拟通道。第42页，共90页。1、调节柜第43页，共90页。其中A通道为主通道，测量信号通过机端第一套电压互感器BV1和电流互感器BA1取得；

B通道为第一备用通道，测量信号通过机端第二套电压互感器BV2和电流互感器BA2取得；从励磁变副边采集的三相同步电压信号供三个通道公用，从励磁变副边电流互感器取得的励磁电流信号也供三个通道公用。1、调节柜第44页，共90页。三通道调节器采用微机/微机/模拟三通道双模冗余结构，由两个自动通道（A、B）和一个手动通道（C）组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。1、调节柜第45页，共90页。三通道以主从方式工作，正常方式为A通道运行、B通道备用，B通道及C通道自动跟

踪A通道。可选择B通道或C通道作为备用

通道，B通道为首选备用通道。当A通道出现故障时，自动切换到备用通道运行。C通道总是自动跟踪当前运行通道；同样，当B通道投入运行后出现故障，自动切换到C通道运行。1、调节柜调节器主要由A、B、C三个调节通道、模拟量总线板、开关量总线板、人机界面、接口电路等组成。第46页，共90页。1、调节柜第47页，共90页。其硬件包括：A、B两个自动通道，每个调节通道包括：一块CPU板一块DSP板一块I/O板一块模拟量总线接口板(含C通道)一块开关量总线接口板一块智能I/O板一套人机界面1.1自动通道（A/B通道）第48页，共90页。CPU板的功能：调节功能：给定值设置、AVR调节器（PID+PSS)、调差、恒

Q/PF控制、软起励、通道跟踪、系统电压跟踪等限制功能V/F限制、过励限制、欠励限制其它功能智能封脉冲、调节参数在线修改、容错控制（防增、减磁接点粘连、防并网后误逆变）1.1

自动通道（A/B通道）第49页，共90页。DSP板的功能：数据采集机端PT、CT、系统PT、励磁变副边CTPSS试验信号（V1~V4)数据计算机端电压、机端电流、系统电压、励磁电流、电压频率、有功功率、无功功率数据传递将相关数据储存到RAM，供CPU采集1.1

自动通道（A/B通道）第50页，共90页。I/O板的功能：接收对调节器的控制指令增、减磁、开机令、停机令、并网令等CAN总线通讯将调节器相关数据与显示屏、LOU连接故障信号输出PT故障、脉冲故障、同步断相数字式控制信号输出1.2模拟量总线板的功能第51页，共90页。对交流采样电气量实现电气隔离；对模拟量进行信号调理；与DSP板连接，将模拟量信号传送到DSP；与开关量总线板连接，传送IL、UK、等信号；10％Ug电压信号测量（内部开机令信号）；过励保护信号测量及整定；C通道的调节控制及脉冲输出。1.3开关量总线板的功能第52页，共90页。实现各种开关量信号转接；实现脉冲控制，并将调节器的脉冲转接到功率柜；实现残压起励、切脉冲、功率柜投退、跨接器阻断等功能；功率柜智能均流给定，用于功率柜闭环均流调节；与模拟量总线板连接，传送同步电压信号等；I/O板模拟量输出接口，试验用途；DC24V电源I、II段检测；通道切换逻辑电路。1.5人机界面——带触摸功能的显示屏第53页，共90页。显示操作报警故障记录故障追忆智能化调试1.5

人机界面——带触摸功能的显示屏第54页，共90页。2、功率柜每个功率柜组成部分：1、6个可控硅组件（硅元件、散热器）2、6个快速熔断器3、风机及其控制回路4、集中式阻容过压保护单元5、功率柜智能板6、脉冲功放板7、液晶显示屏8、测量单元（测温电阻、风压继电器等）第55页，共90页。2、功率柜第56页，共90页。工况检测实现智能化桥臂电流和单桥总输出电流快熔状态（包括阻容保护用快熔）风道温度检测风机开停状态风压检测本功率柜投退状态2、功率柜工况显示实现智能化

在每个功率柜柜门上，安装了一个带触摸键

的LCD显示器，用于

显示该功率柜的各种

状态及实现相关操作，见如下图所示。第57页，共90页。2、功率柜第58页，共90页。风机控制实现智能化

当智能控制系统检测到励磁系统有“开机令”或本柜输出电流大于100A时，自动启动风机;无“开机令”且本柜输出电流小于50A时，自动停止风机。3、灭磁柜励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁；事故停机，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。灭磁柜内装有LCD显示器，灭磁柜的操作、控制、状态监视、信息显示等实现了智能化，

LCD显示器显示灭磁柜运行状况，包括开关位置、励磁电压、励磁电流、转子温度等。第59页，共90页。3、灭磁柜灭磁及过压保护原理框图第60页，共90页。3、灭磁柜第61页，共90页。正常停机逆变灭磁

事故停机跳灭磁开关将能量转移到灭磁电阻进行灭磁灭磁电阻：ZnO或者线性电阻3、灭磁柜第62页，共90页。灭磁柜主要组成单元

1、灭磁柜智能板2、直流变送器板3、BOD（过压保护）板4、灭磁开关5、灭磁电阻6、直流变送器3、灭磁柜第63页，共90页。灭磁柜智能板的功能：测量励磁电压、励磁电流计算转子绕组温度灭磁开关动作计数、BOD动作计数试验录波显示灭磁柜运行状况CAN总线连接3、灭磁柜灭磁柜信息显示第64页，共90页。3、灭磁柜灭磁柜的分和闸操作：第65页，共90页。3、灭磁柜第66页，共90页。直流变送器板的功能：1、测量励磁电压、电流信号；2、将该信号输送至灭磁柜智能板；3、接收过压保护动作信号（CT电流信

）号），实现转子过电压监测；4、转子过电压动作后，向调节器及灭磁柜智能板发出动作信号。3、灭磁柜灭磁开关图示：第67页，共90页。3、灭磁柜ZnO图示第68页，共90页。四、运行操作第69页，共90页。1、发电机运行方式发电机可以按下述方式运行：

1)空载运行，发电机升压但不并网、不带负荷2)发电机并网带负荷运行

3)发电机升压带厂用电负荷运行但不并网发电机带厂用电负荷运行，基本上与空载运行相同。四、运行操作2、发电机空载运行发电机空载运行，发电机端电压等于转子感应电势。在转速恒定条件下，发电机端电压直接取决于励磁电流。在发电机额定电压范围内，发电机端电压与励磁电流之间存在着或多或少的线性关系。第70页，共90页。四、运行操作第71页，共90页。3、发电机并网带负荷运行发电机并网带负荷运行即负载运行时，流过定子绕组的电流通过同步电抗引起电压降。如果励磁电流保持不变，则端电压因此而降低。在这里，励磁系统在调节器自动方式下运行具有通过改变励磁电流来防止电压降低的功能，即恒机端电压。四、运行操作第72页，共90页。4、操作及显示正常情况励磁系统由控制室远控操作，命令由电厂的监控系统发出，直接安装在调节柜前面板上的就地按钮、转换开关一般仅在试验和紧急控制时使用。四、运行操作第73页，共90页。4.1

调节器状态检查调节器选择A套运行、B套备用，且A、B套都处于自动方式。前面板上“A通道运行”、

“B通道备用”指示灯亮，人机界面上的“自动”指示灯点亮。四、运行操作4.2运行方式设置进入“运行方式设置”画面后，显示功能触摸按键，这些功能的投切都可以直接在相应的按钮上操作。功能投入后相应按钮变成红色，同时按钮上文字显示也会改变。第74页，共90页。四、运行操作第75页，共90页。4.3

开机前功率柜的操作确认“脉冲切除”开关在“OFF”位置，表示本柜脉冲可以正常输出。确认本柜风机电源开关处于“投入”位置，表示本柜在接收到机组开机令后风机可以正常投入。四、运行操作第76页，共90页。4.4

开机前灭磁柜的操作确认灭磁开关处于正常“合闸”或“分闸”位置并且灭磁柜显示屏上灭磁开关的状态指示与灭磁开关实际位置对应。四、运行操作第77页，共90页。4.5

起励过程残压起励功能投入情况下，当有起励命令时，先投入残压起励，10S内建压10%时退出起励；如果10S建压10%不成功，则自动投入辅助起励电源起励，之后建压10%时或5S时限到，自动切除辅助起励电源回路。如果起励时限到但机端电压没有达到10%额定，调节器会发出“起励失败”信号。四、运行操作第78页，共90页。4.6

零起升压可进入调节柜人机界面“起励操作”画面，选择“零起升压”功能投入。在“零起升压”功能投入时，机端电压的起励建压水平只能为10%。之后，可以通过增、减磁

操作改变机端电压值。四、运行操作第79页，共90页。4.7

正常预置值升压进入人机界面“起励操作”画面，选择“零起升压”功能退出。按正常预置值升压方式，机端电压的起励建压水平为设定值，电压预置值一般为100％。之后，可以通过增、减磁操作改变机端电压值。四、运行操作第80页，共90页。4.8

通道跟踪与切换励磁调节器由A、B、C三通道组成。A通道是主运行通道，B通道是主备用通道，C通道为辅助备用通道。A、B通道是硬件和软件结构完全相同的微机通道，可完成调节器的所有功能。C通道是简单的模拟通道，只设有手动方式。四、运行操作第81页，共90页。4.8

通道跟踪与切换A通道运行时，可人工选择B通道或C通道做为备用通道；B通道运行时，默认C通道为备用通道。A通道不做备用通道。C通道运行，无备用。通道跟踪功能投入后，非运行通道总是跟踪运行通道。跟踪的原则：控制信号一致。四、运行操作第82页，共90页。4.9通道自动切换调节器A通道或B通道运行中，如果运行通道发生下列故障事件时，调节器会自动切换到备用通道：微机电源故障脉冲故