電力系統(tǒng)自動裝置任務(wù)5_為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定的直流電16

1、任務(wù)任務(wù)5 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定的直流電的直流電【任務(wù)導(dǎo)讀任務(wù)導(dǎo)讀】認(rèn)識同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子并提出三個問題：1為什么要向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電？2提供直流電需要什么？3 如何向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電？ 發(fā)電機(jī)工作時,轉(zhuǎn)子線圈通以直流電形成直流恒定磁場,在原動機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)指汽輪機(jī)，水輪發(fā)電機(jī)指水輪機(jī)）的帶動下轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn),恒定磁場也隨之旋轉(zhuǎn),定子的線圈被磁場磁力線切割產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,發(fā)電機(jī)就發(fā)出電來。轉(zhuǎn)子及其恒定磁場被原動機(jī)帶動快速旋轉(zhuǎn)時,在轉(zhuǎn)子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個旋轉(zhuǎn)的磁場,稱為轉(zhuǎn)子磁場或主磁場。發(fā)電機(jī)就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電機(jī)就是由合成磁場的磁力線切

2、割定子線圈而發(fā)電的。由于定子磁場是由轉(zhuǎn)子磁場引起的發(fā)電的。由于定子磁場是由轉(zhuǎn)子磁場引起的,且它們之且它們之間總是保持著一先一后并且同速的同步關(guān)系間總是保持著一先一后并且同速的同步關(guān)系,所以稱這所以稱這種發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)。種發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)。 圖1.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引言引言 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組所需要的直流電流是由發(fā)電同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組所需要的直流電流是由發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)提供的，這也是勵磁系統(tǒng)的基本功能。機(jī)勵磁系統(tǒng)提供的，這也是勵磁系統(tǒng)的基本功能。 勵磁系統(tǒng)作為同步發(fā)電機(jī)的一個重要組成部分，勵磁系統(tǒng)作為同步發(fā)電機(jī)的一個重要組成部分，它的運(yùn)行狀況直接決定發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況，進(jìn)而影它的運(yùn)行狀況直接

3、決定發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況，進(jìn)而影響整個發(fā)電廠的安全運(yùn)行水平。所以，如何為發(fā)電機(jī)響整個發(fā)電廠的安全運(yùn)行水平。所以，如何為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組提供穩(wěn)定的直流電流是電力系統(tǒng)自動裝置的轉(zhuǎn)子繞組提供穩(wěn)定的直流電流是電力系統(tǒng)自動裝置的重要任務(wù)。為了完成這項(xiàng)重要任務(wù)，首先應(yīng)掌握晶的重要任務(wù)。為了完成這項(xiàng)重要任務(wù)，首先應(yīng)掌握晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和作用。閘管勵磁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和作用。5.1 任務(wù)導(dǎo)入：認(rèn)識發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng) 晶閘管勵磁系統(tǒng)由功率單元、勵磁調(diào)節(jié)功率單元、勵磁調(diào)節(jié)單元單元以及保護(hù)回路等組成，該系統(tǒng)提供由交流電源轉(zhuǎn)換的直流電壓和電流作為發(fā)電機(jī)勵磁能源。 晶閘管勵磁系統(tǒng)能隨負(fù)載的變化自動地改變勵磁電壓和電流，

4、以維持發(fā)電機(jī)的電壓恒定。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載突然卸去或發(fā)生過載等事故時，晶閘管勵磁系統(tǒng)能迅速給予響應(yīng)，提供相應(yīng)的最大或最小的勵磁功率，使同步發(fā)電機(jī)免遭損害而保持正常的運(yùn)行工況。5.1.1 晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結(jié)晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)構(gòu) 根據(jù)對勵磁系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)原理方框圖如圖5.1所示）進(jìn)行分析，晶閘管勵磁系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是建立在負(fù)反饋理論上的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)對象是同步發(fā)電機(jī)，端電壓U0是被調(diào)量，TA、TV及勵磁調(diào)節(jié)單元組成反饋環(huán)節(jié)，Uf充當(dāng)反饋量。圖5.1 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)框圖5.1.2 晶閘管勵磁系統(tǒng)的作用和晶閘管勵磁系統(tǒng)的作用和要求要求1. 晶閘管勵磁系統(tǒng)的作用1) 維持電力系統(tǒng)電壓在

5、一定水平上維持電力系統(tǒng)電壓在一定水平上 當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載增加時，發(fā)電機(jī)的端電壓下降，通過勵磁調(diào)節(jié)器作用，使晶閘管控制角減小，導(dǎo)通角增大，勵磁電流增加，勵磁電壓增大，將發(fā)電機(jī)端電壓提升到原來額定值；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載減少時，發(fā)電機(jī)的電壓上升，使可硅控控制角增大，導(dǎo)通角減少，勵磁電流下降，勵磁輸出電壓下降，使發(fā)電機(jī)端電壓下降。因此，通過晶閘管系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)端電壓維持在一定水平上，保證了供電電壓恒定。2)控制無功功率分配控制無功功率分配 根據(jù)發(fā)電機(jī)調(diào)差率控制并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間的無功分配是勵磁系統(tǒng)的一個重要功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)于電力系統(tǒng)運(yùn)行時，它輸出的有功決定于從原動機(jī)輸入的功率，而發(fā)電機(jī)輸出的無功則和勵磁電流有關(guān)，

6、調(diào)節(jié)勵磁可改變發(fā)電機(jī)輸出的無功。實(shí)際運(yùn)行中，改變勵磁會使端電壓和輸出無功都發(fā)生變化，但端電壓變化較小，而輸出的無功會有較大的變化。3)提高繼電保護(hù)裝置的動作可靠性提高繼電保護(hù)裝置的動作可靠性 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路事故時，由于勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵作用，從而使短路電流衰減很慢，有時甚至不衰減，這就保證了短路電流超過繼電保護(hù)裝置的動作值，使繼電保護(hù)裝置仍能可靠動作，使繼電保護(hù)、特別是帶時限的繼電保護(hù)的動作靈敏度得到了提高。 4)同步發(fā)電機(jī)突然卸載時限制電壓上升同步發(fā)電機(jī)突然卸載時限制電壓上升 同步發(fā)電機(jī)電壓與轉(zhuǎn)速成正比。且由勵磁的方式?jīng)Q定，當(dāng)某種原因使水輪發(fā)電機(jī)突然卸去大量負(fù)載時，則可能使端電壓迅速上升，自動

7、勵磁裝置中強(qiáng)行減磁裝置在電壓升高到某一數(shù)值后即迅速減小勵磁電流，限制發(fā)電機(jī)的最高電壓，防止卸載后電壓上升而對水輪發(fā)電機(jī)造成損害。5)改善系統(tǒng)的工作條件改善系統(tǒng)的工作條件 系統(tǒng)中有多臺裝有自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的同步發(fā)電機(jī)器并列運(yùn)行，且當(dāng)其中一臺發(fā)電機(jī)因事故失去勵磁時，這臺發(fā)電機(jī)對系統(tǒng)是一個相當(dāng)大的感性負(fù)載，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置能提供滿足其所需的電感性無功功率，使系統(tǒng)電壓不致因一臺發(fā)電機(jī)失勵而大大降低。當(dāng)異步運(yùn)行的發(fā)電機(jī)在自同期并列運(yùn)行時，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置能快速增加勵磁，加速拉入同步，縮短并列過程。6)快速滅磁快速滅磁 當(dāng)發(fā)電機(jī)或升壓變壓器（單元接線）內(nèi)部發(fā)生故障時，晶閘管勵磁系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速滅磁，以降低

8、故障所造成的損害。2. 對晶閘管勵磁系統(tǒng)的要求(1)晶閘管勵磁系統(tǒng)能夠在各種負(fù)荷情況晶閘管勵磁系統(tǒng)能夠在各種負(fù)荷情況下根據(jù)要求維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水下根據(jù)要求維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平，而且裝置容量應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)平，而且裝置容量應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行方式的勵磁調(diào)節(jié)需要。行方式的勵磁調(diào)節(jié)需要。(2) 為了在機(jī)組間合理分配無功功率，調(diào)為了在機(jī)組間合理分配無功功率，調(diào)節(jié)裝置必須有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差特性，在多臺節(jié)裝置必須有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差特性，在多臺發(fā)電機(jī)機(jī)端母線并列運(yùn)行的情況下發(fā)電發(fā)電機(jī)機(jī)端母線并列運(yùn)行的情況下發(fā)電機(jī)為向下傾斜的正調(diào)差的特性；而多臺機(jī)為向下傾斜的正調(diào)差的特性；而多臺發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)變壓器組并列于高

9、壓母線的情變壓器組并列于高壓母線的情況下則采用向上傾斜的負(fù)調(diào)差特性，一況下則采用向上傾斜的負(fù)調(diào)差特性，一般不采用無差調(diào)節(jié)特性般不采用無差調(diào)節(jié)特性;圖5.2 發(fā)電機(jī)調(diào)差特性 (3) 晶閘管勵磁系統(tǒng)應(yīng)反應(yīng)靈敏，動作迅速，特別是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路等事故而引起電壓顯著下降時，調(diào)整裝置能作用于勵磁電源，使勵磁電流達(dá)到頂值，達(dá)到強(qiáng)行勵磁的目的,以維護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。(4)晶閘管勵磁系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)過程中不論是調(diào)節(jié)裝置本身還是勵磁電源，被調(diào)量不是一次達(dá)到新的穩(wěn)定值，而是經(jīng)過一個振蕩過程才達(dá)到這個穩(wěn)定值，總體上要求在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小，穩(wěn)定性好。（5）晶閘管勵磁系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)

10、節(jié)應(yīng)精度高，頻率特性好。調(diào)節(jié)精度是指運(yùn)行條件（包撻負(fù)載、環(huán)境溫度、頻率、電壓等）變化時機(jī)端電壓與給定值的相符合的程度。（6）晶閘管勵磁系統(tǒng)應(yīng)具有快速減磁和滅磁功能。（7）裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，調(diào)試方便，消耗功率小。5.1.3常見的同步發(fā)電機(jī)勵磁系常見的同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)類型統(tǒng)類型 電力領(lǐng)域內(nèi)通行兩種分類方法: 第一種分類方法是按照勵磁系統(tǒng)本身能量的來源（供電方式）分類，可分為他勵和自勵兩大類。A.他勵是指發(fā)電機(jī)的勵磁電源由與發(fā)電機(jī)無直接電聯(lián)系的電源經(jīng)整流電路整流供給勵磁系統(tǒng)能源，如直流勵磁機(jī)、交流勵磁機(jī)等。他勵勵磁電源不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，可靠性較高。B.自勵是指勵磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，采用勵

11、磁變壓器作為交流勵磁電源，勵磁變壓器接在發(fā)電機(jī)輸出端或廠用電母線上，如晶閘管自并勵、晶閘管自復(fù)勵等，自勵系統(tǒng)的功率單元由靜止電力電子元件晶閘管構(gòu)成，取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此運(yùn)行維護(hù)方便。 第二種分類方法是按照勵磁系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)手段分類，可分為模擬式勵磁系統(tǒng)和數(shù)字式勵磁系統(tǒng)兩大類。A.勵磁調(diào)節(jié)單元中主要通過硬件來進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵磁系統(tǒng)稱為模擬式勵磁系統(tǒng);B.勵磁調(diào)節(jié)單元中主要通過軟件來進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵磁系統(tǒng)稱為數(shù)字式勵磁系統(tǒng)。1.他勵系統(tǒng)和自勵系統(tǒng)1)他勵系統(tǒng)他勵系統(tǒng)（1）直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。 如圖5.3所示為直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵磁電流由直流勵磁機(jī)GE供給，勵磁機(jī)的勵磁電流則由勵磁機(jī)自并

12、勵電流iZL和自動調(diào)節(jié)勵磁裝置輸出電流iAAVR供給，總的勵磁電流為iL=iZL+iAAVR，調(diào)節(jié)勵磁機(jī)勵磁電流iZL就可改變勵磁機(jī)的電壓，從而改變發(fā)電機(jī)的勵磁繞組電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整的目的。 勵磁機(jī)勵磁電流的調(diào)節(jié)方法是：1.手動調(diào)整磁場變阻器Rc以改變iZL值；2.根據(jù)端電壓偏差信號由勵磁調(diào)節(jié)單地元自動調(diào)節(jié)iAAVR以保持端電壓為給定值。圖5.3 直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)是一種相當(dāng)成熟的勵磁方式，由于運(yùn)行穩(wěn)定和調(diào)節(jié)方便，以前在同步發(fā)電機(jī)中獲得了廣泛的采用。但由于該系統(tǒng)存在固有的換向器磨損、冒火花等問題，而且不利于數(shù)字化改造，因此目前在新建發(fā)電廠已被淘汰。（2）交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整

13、流器勵磁系統(tǒng)（又稱無刷勵磁） 如圖5.4所示為交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵磁電流由交流勵磁機(jī)電樞輸出功率經(jīng)三相全波整流供給。 硅整流元件、快速熔斷器和連接線裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子空心軸中，隨軸一起旋轉(zhuǎn)。交流勵磁機(jī)的勵磁電流由發(fā)電機(jī)端提供。發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)通過AAVR改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變交流勵磁機(jī)的勵磁電流進(jìn)行的。圖5.4 交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)2)自勵系統(tǒng)自勵系統(tǒng)（1）自并勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng).如圖5.5所示為自并勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的勵磁電源通過勵磁調(diào)節(jié)單元控制晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5.5 自并勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng) 自并勵勵磁方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒有直流勵磁機(jī)，不存

14、在碳刷和換向器磨損及環(huán)火等問題。調(diào)節(jié)速度快，動態(tài)性能好?？s短機(jī)組長度，減少廠房投資。勵磁變壓器增加400V第三繞組，可改為廠用電他勵，還可作為發(fā)電機(jī)檢修用短路干燥電源。自并勵勵磁方式的主要缺點(diǎn)是： 強(qiáng)行勵磁能力與機(jī)端電壓有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生機(jī)端三相短路時，由于機(jī)端電壓很低，勵磁系統(tǒng)將喪失強(qiáng)行勵磁能力，影響繼電保護(hù)動作靈敏，且影響發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)短路被切除后運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性。（2）自復(fù)勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng)。 該系統(tǒng)原理圖如圖5.6 (a)所示，與自并勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng)相比，勵磁電壓由勵磁變流器TA1二次電壓和勵磁變壓器T二次電壓串聯(lián)后加到整流橋上。圖5.6 自復(fù)勵晶閘管靜止勵磁系統(tǒng) 圖5.6 (

15、b)為電壓相量圖，由圖可見，勵磁整流電壓不僅與定子電流有關(guān)，還與發(fā)電機(jī)電流電壓的相差角有關(guān)。因?yàn)?，?dāng)負(fù)載電流和功率因數(shù)變化時，發(fā)電機(jī)電壓會作相應(yīng)的變化，可以起到補(bǔ)償作用。由于導(dǎo)通角控制僅取決于發(fā)電機(jī)電壓，從而晶閘管導(dǎo)通角變化不大，調(diào)節(jié)容量可以相對小些，有利于勵磁響應(yīng)速度的提高。2.模擬式勵磁系統(tǒng)和數(shù)字式勵磁系統(tǒng)（1）模擬式勵磁系統(tǒng)）模擬式勵磁系統(tǒng) 勵磁調(diào)節(jié)單元是同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的重要部件。早期的勵磁調(diào)節(jié)單元為振動型和變阻器型，都具有機(jī)械部件，稱為機(jī)電型勵磁調(diào)節(jié)單元。由于它不能連續(xù)調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度緩慢、并有死區(qū)，早已被淘汰。20世紀(jì)50年代以來，磁放大器出現(xiàn)后，電力系統(tǒng)廣泛采用磁放大器和電磁元件

16、組成的電磁型調(diào)節(jié)單元。由于磁放大器具有時滯性，因此調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)較大，調(diào)節(jié)速度較慢，但其可靠性高，通常用于直流勵磁機(jī)系統(tǒng)。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)開始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)單元。由于半導(dǎo)體元件幾乎沒有時滯，功率放大倍數(shù)也較高。因此，半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)速度較快。 電磁型、半導(dǎo)體型勵磁調(diào)節(jié)單元，均屬于模擬式勵磁調(diào)節(jié)單元，其中主要環(huán)節(jié)的功能全由硬件電子電路完成，因此均屬于模擬式勵磁系統(tǒng)。模擬式勵磁系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)壓、低勵限制、過勵限制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)等多種控制功能，必須增加更復(fù)雜的硬件電路，因此勵磁調(diào)節(jié)單元的元器件會大大增加，將帶來運(yùn)行操作煩瑣和維護(hù)困難的不良后

17、果。（2）數(shù)字式勵磁系統(tǒng)）數(shù)字式勵磁系統(tǒng) 隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量和電網(wǎng)容量的不斷增大，電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組對勵磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更優(yōu)的勵磁調(diào)節(jié)性能、更多的勵磁限制、報警、保護(hù)等附加功能。顯然，模擬式勵磁系統(tǒng)難以滿足如此高的性能要求，在這種情況下，隨著數(shù)字控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，同步發(fā)電機(jī)組采用數(shù)字式勵磁系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。 數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)單元的主要控數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)單元的主要控制功能都由軟件來完成，不需增加相應(yīng)功能的制功能都由軟件來完成，不需增加相應(yīng)功能的硬件電路。硬件電路。由于數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)單元以各種

18、微機(jī)為核心部件，因此又可稱為微機(jī)型勵磁系統(tǒng)。 總體而言，數(shù)字式勵磁系統(tǒng)各種控制功能都可以根據(jù)需要進(jìn)行取舍，十分靈活。在模擬式勵磁系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)甚至無法實(shí)現(xiàn)的許多控制功能，在數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中通過軟件功能的提升很容易實(shí)現(xiàn)。5.1.4.繼電強(qiáng)行增磁和強(qiáng)行減磁繼電強(qiáng)行增磁和強(qiáng)行減磁1.強(qiáng)行增磁和強(qiáng)行減磁的作用1）強(qiáng)行增磁的作用）強(qiáng)行增磁的作用 強(qiáng)行增磁就是指在電力系統(tǒng)發(fā)生短路事故時，使發(fā)電機(jī)電壓降低到80%85%時，從提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和繼電保護(hù)動作靈敏度出發(fā)，由勵磁系統(tǒng)迅速將發(fā)電機(jī)勵磁電流增至最大值。 強(qiáng)行增磁的主要作用有：提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性;加快故障切除后的電壓恢復(fù)過程;提高繼電保護(hù)的動作靈

19、敏度;改善異步電動機(jī)的啟動條件。2）強(qiáng)行減磁的作用）強(qiáng)行減磁的作用 當(dāng)發(fā)電機(jī)突然卸載后，由于轉(zhuǎn)速上升，引起發(fā)電機(jī)電壓急劇升高時，由勵磁系統(tǒng)迅速將發(fā)電機(jī)勵磁電流減至最小值，稱為強(qiáng)行減磁。 強(qiáng)行減磁的作用是：發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時，機(jī)組過速，使發(fā)電機(jī)電壓升高，可能危及發(fā)電機(jī)定子絕緣，強(qiáng)行減磁能迅速將電壓降至空載電壓；發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障跳閘時，為了消除發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢繼續(xù)供給故障點(diǎn)短路電流，必須在斷路器跳閘的同時，聯(lián)動跳滅磁開關(guān)，迅速滅磁，而在滅磁開關(guān)跳閘時，直流勵磁機(jī)甩負(fù)荷，又可能在換向器上產(chǎn)生過電壓，通過強(qiáng)行減磁能夠迅速降低勵磁電流。2.強(qiáng)行增磁和強(qiáng)行減磁的原理接線圖5.7 強(qiáng)增、強(qiáng)減原理接線圖1）強(qiáng)行增磁的

20、工作原理）強(qiáng)行增磁的工作原理 強(qiáng)行增磁由低電壓繼電器KV1、KV2，中間繼電器K1、K2，直流接觸器KM1等元件組成。機(jī)組正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)母線電壓正常，KV1、KV2不動作，其常閉觸點(diǎn)打開；KM1不動作，其主觸頭斷開。此時調(diào)節(jié)RC就能改變發(fā)電機(jī)勵磁電流。 當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓降至額定值的80%85%時，KV1、KV2同時動作，分別啟動K1、K2，它們的常開觸點(diǎn)閉合使KM1動作，KM1的主觸頭閉合將磁場變阻器RC短接，勵磁機(jī)勵磁電流迅速增至最大值，實(shí)行強(qiáng)行增磁；另外KM1的輔助常開觸點(diǎn)閉合，點(diǎn)亮信號燈發(fā)出強(qiáng)勵動作信號。 2）強(qiáng)行減磁的工作原理）強(qiáng)行減磁的工作原理 強(qiáng)行減磁由過電壓繼電器KV3，中間斷

21、電器K3，直流接觸器KM2等元件組成。機(jī)組正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)電壓正常，KV3不動作，KM2不動作，其常閉主觸點(diǎn)閉合，將減磁電阻RJC短接。 當(dāng)發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時，發(fā)電機(jī)電壓升高到額定值的115%時，KV3動作，其常開觸點(diǎn)閉合，K3動作使接觸器KM2動作，KM2的主觸頭斷開將減磁電阻RJC，投入，使勵磁機(jī)勵磁電流迅速降低，實(shí)行強(qiáng)行減磁；另外KM2的輔助常開觸點(diǎn)閉合，點(diǎn)亮信號燈發(fā)出強(qiáng)減動作信號。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)正常時，電壓繼電器KM3返回，KV3常開觸點(diǎn)打開，K2、KM2失磁返回，強(qiáng)行減磁裝置復(fù)歸。 5.1.5 同步發(fā)電機(jī)的滅磁同步發(fā)電機(jī)的滅磁 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，如果發(fā)生定子繞組相間短路或匝間短路事故，

22、繼電保護(hù)會迅速將發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中切除，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子還在旋轉(zhuǎn)，勵磁電流不能馬上消失，發(fā)電機(jī)仍產(chǎn)生感應(yīng)電勢，會繼續(xù)向短路點(diǎn)提供電流，這將導(dǎo)致事故擴(kuò)大和惡化。因此在繼電保護(hù)裝置將發(fā)電機(jī)斷路器跳閘后，還應(yīng)迅速滅磁。 滅磁就是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余磁場盡快地減弱到最小程度。滅磁系統(tǒng)的要求有兩個：(1)滅磁時間要短，這是評價滅磁系統(tǒng)的重要指標(biāo)；(2)滅磁過程中轉(zhuǎn)子繞組的電壓不能超過其額定電壓的45倍。1.勵磁繞組對恒定電阻放電的滅磁方式 前圖5.3直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)中就采用了對恒定電阻放電無磁方式，滅磁開關(guān)包括一組常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)。當(dāng)繼電保護(hù)動作時，通過發(fā)電機(jī)斷路器聯(lián)動斷開無磁開頭時，常閉觸點(diǎn)復(fù)歸，投入電阻進(jìn)

23、行滅磁。根據(jù)電感電路過渡過程的理論分析，滅磁電阻RM越大，電流衰減越快，滅磁時間越短；但滅磁電阻RM越大，繞組電壓也大，容易引起跳火，因此滅磁電阻RM有一定限制。2.利用晶閘管整流橋的逆變滅磁方式 當(dāng)控制角在適當(dāng)角度時，整流橋輸出負(fù)電壓，這時儲存在繞組中的能量開始反饋給交流電源，實(shí)現(xiàn)快速滅磁。5.1.6 常見的勵磁系統(tǒng)運(yùn)行方式常見的勵磁系統(tǒng)運(yùn)行方式1.恒電壓運(yùn)行方式 恒電壓運(yùn)行方式即按給定電壓運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)方式，該方式下當(dāng)機(jī)端電壓U0波動時，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率也要發(fā)生波動。 U0升高無功功率減小，Uf降低無功功率增大。這種方式有助于系統(tǒng)無功功率的平衡和電壓的穩(wěn)定。2.恒勵磁電流運(yùn)行方式 恒勵磁電

24、流運(yùn)行方式即按給定勵磁電流運(yùn)行的方式。該方式調(diào)節(jié)的結(jié)果是使勵磁電流實(shí)際值ILC等于勵磁電流給定值ILg，這種方式對小水電站很適用，可以使勵磁電流保持額定值，從而達(dá)到搶發(fā)無功的目的。3.恒無功功率運(yùn)行方式 恒無功功率運(yùn)行方式即按給定無功功率的運(yùn)行方式。在該運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)機(jī)組能保持穩(wěn)定的無功輸出。5.2 任務(wù)分析：選擇合適的勵磁系統(tǒng)任務(wù)分析：選擇合適的勵磁系統(tǒng) 為了更好地完成任務(wù)，必須對任務(wù)本身進(jìn)行詳細(xì)的分析，首先結(jié)合模擬式勵磁系統(tǒng)的介紹分析勵磁系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理，然后重點(diǎn)闡述數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)等，為應(yīng)用數(shù)字式勵磁系統(tǒng)解決問題做好充分的準(zhǔn)備。5.2.1 勵磁系統(tǒng)的基本構(gòu)成勵磁系統(tǒng)

25、的基本構(gòu)成 由于自并勵晶閘管勵磁系統(tǒng)具有接線簡單、設(shè)備少、占地面積小、運(yùn)行可靠和便于制造等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而目前在同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中已成為主流。 模擬式自并勵晶閘管勵磁系統(tǒng)其主體部分一般均由功率單元和勵磁調(diào)節(jié)單元兩大部分構(gòu)成，再配上相應(yīng)的輔助保護(hù)環(huán)節(jié)（包括輔助控制環(huán)節(jié)和勵磁限制環(huán)節(jié)）。 典型的模擬式勵磁系統(tǒng)（TKL11型晶閘管勵磁裝置）其原理方框圖如圖5.8所示。圖5.8 TKL型晶閘管勵磁裝置原理方框圖1. 功率單元三相半控橋根據(jù)原理方框圖勵磁裝置的功率單元從同步發(fā)電機(jī)取得電源，首先通過勵磁變壓器TR降壓，然后通過三相半控橋整流來進(jìn)行勵磁的。因此這種勵磁電源的能量從同步發(fā)電機(jī)機(jī)端取得，屬于

26、自并勵勵磁方式。三相半控橋及典型觸發(fā)角波形圖如圖5.9 5.13所示。圖5.9 三相半控橋整流電路圖5.10 三相半控橋式整流電路及波形（=0）圖5.11 =30時的波形圖uU Vu2u2 uu2 vu2 wt1t2t1t2t3t30w ttuL00uGuU WuV WuV UuW UuW Vt3t3t2t1t2t1t4uG 1uG 2uG 4uG 3t圖5.12 =60的波形圖圖5.13 =120時波形圖1）測量比較環(huán)節(jié)）測量比較環(huán)節(jié)測量比較單元是勵磁調(diào)節(jié)單元的信息輸入單元，它的主要作用是：將從同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器來的三相交流電壓，經(jīng)過電壓測量變壓器降壓，再經(jīng)過整流器整流為所需要的直流信

27、號電壓，與給定的直流參考電壓比較后，得出電壓偏差信號，輸出至綜合放大環(huán)節(jié)，改變給定的參考電壓時，就改變了被調(diào)電壓。測量比較環(huán)節(jié)通常由調(diào)差電路、整流電路、濾波電路、整定電路和電壓比較等環(huán)節(jié)組成，如圖5.14所示。圖5.14 測量比較單元的組成圖5.15 發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性曲線從圖5.15中可看出，在機(jī)端電壓的變化量UG（如圖5.15中的UG），調(diào)差率小的發(fā)電機(jī)無功電流變化量比調(diào)差率大的發(fā)電機(jī)無功電流變化量大。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)調(diào)差率小時，無功電流受機(jī)端電壓變化影響大，機(jī)端電壓即使有少量變化將引起無功電流有較大幅度的變化；當(dāng)發(fā)電機(jī)調(diào)差率調(diào)差率大時，無功電流受機(jī)端電壓變化影響小。所以調(diào)差率太小時，并列機(jī)組

28、將不能穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)差電路的基本原理是：在測量回路中，附加一個與發(fā)電機(jī)定子電流成正比的電壓，使測量到的電壓隨發(fā)電機(jī)無功電流的變化而變化。在正調(diào)差情況下，當(dāng)無功電流增加時，測量到的電壓增加，通過勵磁調(diào)節(jié)單元減少發(fā)電機(jī)勵磁電流從而降低發(fā)電機(jī)端電壓；當(dāng)無功電流減少時，測量到的電壓減少，通過勵磁調(diào)節(jié)單元增加發(fā)電機(jī)的勵磁電流，從而提高發(fā)電機(jī)端電壓，同時改變了發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)，達(dá)到無功電流的合理分配。如圖5.16（a）所示為調(diào)差電路接線圖，由電流互感器TA1、TA2、調(diào)差電阻R等組成 圖5.16調(diào)差電路接線圖【特別提示【特別提示】在模擬式勵磁調(diào)節(jié)單元中，比較整定電路通常采用穩(wěn)壓管和電阻組成的橋式電路(簡稱比

29、較橋)，也有采用按比例加法器原理構(gòu)成的集成元件比較整定電路。在微機(jī)勵磁控制器中，則由微機(jī)相應(yīng)的軟件完成比較整定任務(wù)。對于比較整定電路中的給定電壓，通常有如下一些要求： 給定電壓要穩(wěn)定、平滑和可調(diào)； 具有限幅功能，即給定有上限和下限的限制； 在開機(jī)和甩負(fù)荷時，能快速復(fù)歸到額定電壓； 具有就地和遠(yuǎn)方兩種調(diào)節(jié)功能； 調(diào)節(jié)速度要適中。為了便于講清楚工作原理，以圖5.17所示的分立型測量比較及放大電路為例來詳細(xì)分析。圖5.17 測量比較及放大環(huán)節(jié)原理接線圖 圖5.18 短接R9時比較橋原理接線圖 圖5.19 比較橋輸出特性曲線 圖5.20 RP1在不同位置時比較橋輸出特性圖5.21 當(dāng)R9接入時比較橋輸

30、出特性2）綜合放大環(huán)節(jié)）綜合放大環(huán)節(jié) 在綜合放大環(huán)節(jié)的輸人信號中，除了基本控制部分的電壓偏差信號外，還有多種輔助控制信號(如勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器信號和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器信號)，限制信號(如最大、最小勵磁限制信號)和補(bǔ)償信號。因此，該環(huán)節(jié)要對多種直流信號進(jìn)行綜合，即線性疊加，再進(jìn)行放大。其組成框圖如圖5.22所示。該環(huán)節(jié)的輸出信號將輸入到移相觸發(fā)環(huán)節(jié)。圖5.22 綜合放大環(huán)節(jié)的組成（1）綜合放大環(huán)節(jié)的主要形式。在模擬式勵磁調(diào)節(jié)單元中，綜合放大環(huán)節(jié)通常采用三種線路形式。磁放大器線路。磁性元件構(gòu)成的磁放大器是勵磁調(diào)節(jié)單元中采用的較早的一種直流放大器件，控制繞組中的直流電流的微小變化，可以控制輸出負(fù)載上直流平均

31、值較大的變化。多個控制繞組可用來綜合多種控制信號。由于磁元件本身體積較大，時間常數(shù)較大，制作和調(diào)試都比較復(fù)雜，所以目前已經(jīng)被淘汰。分立元件的晶體管直流放大器線路。勵磁調(diào)節(jié)單元中綜合放大環(huán)節(jié)多采用由晶體管分立元件組成的直流放大器，在一些小容量發(fā)電機(jī)組的勵磁控制器中，也有采用由一級放大器、一級射極跟隨器構(gòu)成的簡單晶體管直流放大電路。集成運(yùn)算放大器線路。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成運(yùn)算放大器作為一種通用性很強(qiáng)的功能部件，它具有運(yùn)算精度高、快速靈敏、工作穩(wěn)定和調(diào)試方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此,在勵磁調(diào)節(jié)單元的綜合放大環(huán)節(jié)中，集成電路運(yùn)算放大器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。圖5.23 放大器輸出電壓與發(fā)電機(jī)電壓

32、的關(guān)系曲線3）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)圖5.24 移相觸發(fā)環(huán)節(jié)相圖移相觸發(fā)電路的種類很多，常用的移相觸發(fā)電路主要有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路、同步信號為正弦波的觸發(fā)電路、同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。近年來，在勵磁工程實(shí)際中集成觸發(fā)電路得到了廣泛的應(yīng)用，集成觸發(fā)電路是在晶體管觸發(fā)電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此重點(diǎn)分析同步電壓為鋸齒波的晶體管觸發(fā)電路。（1）功率單元對移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的要求。移相觸發(fā)環(huán)節(jié)是所有晶閘管裝置中不可缺少的一部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到功率單元的可靠性、快速性和調(diào)節(jié)精度等。為了保證晶閘管準(zhǔn)確可靠的觸發(fā)導(dǎo)通，對移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的要求包括：觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓

33、同步，具有相同的頻率并保持一定的相位關(guān)系。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖應(yīng)在交流電源每半周的同一時刻出現(xiàn)，以保證主電路中的晶閘管在每一周期的導(dǎo)通角相同（即晶閘管在每個周期導(dǎo)通的起點(diǎn)一致）。因此，為了保證同步，采取的技術(shù)措施之一是主電路和觸發(fā)電路都通過同步變壓器接到同一電源上。觸發(fā)脈沖應(yīng)滿足主電路移相范圍的要求。觸發(fā)脈沖能平穩(wěn)地前后移動（即移相），同時要求移相范圍足夠?qū)挘瑥亩_(dá)到控制輸出電壓大小的目的。如單相橋式可控整流電路電阻性負(fù)載觸發(fā)脈沖的移相范圍為180，三相半波可控整流電路在電阻性負(fù)載時要求移相范圍為150等。觸發(fā)脈沖的前沿要陡、寬度要滿足一定要求。前沿陡，一方面可以使觸發(fā)時間準(zhǔn)確，另一方面可縮

34、短元件的開通時間，而開通時間的縮短，可以減少開通功耗。同時，在勵磁系統(tǒng)中由于晶閘管整流電路具有較大的電感負(fù)載，觸發(fā)脈沖更應(yīng)保證足夠?qū)挾?。因?yàn)樵诖箅姼胸?fù)載下，晶閘管的導(dǎo)通電流由零逐漸上升，如果電流未上升到擎住電流觸發(fā)脈沖就消失，晶閘管將會重新關(guān)斷。觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠大的電壓和功率。晶閘管對觸發(fā)電壓和電流的大小有一定要求。但是，即使是同一型號的晶閘管，觸發(fā)電壓和電流并不完全相同，且同一晶閘管在不同溫度下的觸發(fā)電壓和電流也不一樣。具有一定的抗干擾能力。為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，可在門極加12V的負(fù)偏壓，這樣不僅可以提高抗干擾能力，而且提高了晶閘管正向阻斷性能。具有a角限制功能，包括最小a角限制

35、和最大a角限制。（2） 觸發(fā)脈沖的種類和要求。為了保證整流橋正常啟動，三相橋式整流電路可以采取的觸發(fā)脈沖有三種類型:：寬脈沖。采用寬脈沖觸發(fā)時，脈沖的寬度必須大于600，但小于1200；雙窄脈沖。觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補(bǔ)發(fā)一個脈沖；高頻脈沖列。由寬脈沖或雙窄脈沖經(jīng)高頻調(diào)制而得。（3）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)。圖5.25（a）是一種常見的同步電壓為鋸齒波的晶體管觸發(fā)電路原理圖，它由鋸齒波形成電路和晶體管開關(guān)電路構(gòu)成。圖5.25 同步電壓為鋸齒波的晶體管觸發(fā)電路原理圖（a）電路圖；（b）波形圖 a.鋸齒波形成電路晶閘管整流電路要求在晶閘管承受正向電壓時，向它的控制極

36、發(fā)送觸發(fā)脈沖，才能保證晶閘管導(dǎo)通，而且當(dāng)控制電壓一定時，每個周期送出的第一個脈沖對應(yīng)于陽極電壓的時刻都應(yīng)相同，即控制角相同。晶閘管觸發(fā)脈沖與功率單元之間的這種相位配合關(guān)系，稱為同步。本電路中由二極管V1、電容C1、R1與L等元件構(gòu)成鋸齒波形成電路，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖與功率單元之間的同步作用。b.晶體管開關(guān)電路晶體管開關(guān)電路主要由晶體管V3、脈沖變壓器TM等元器件構(gòu)成構(gòu)成，GB為晶管開關(guān)電供電電源它決定觸發(fā)脈沖功率，其中。3. 輔助保護(hù)環(huán)節(jié)（包括輔助控制環(huán)節(jié)和勵磁限制環(huán)節(jié)）輔助保護(hù)環(huán)節(jié)是指為發(fā)電機(jī)和勵磁裝置安全運(yùn)行而設(shè)置的各種保護(hù)裝置和便于運(yùn)行操作的附加裝置，如起勵、手動自動切換、低勵和過勵等單元。各

37、部分的作用如下。（1）起勵單元。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剩磁一般比較小，不能滿足自勵建壓的需要。因此要設(shè)置起勵單元供給發(fā)電機(jī)初始的勵磁電流，一般有廠用電或直流蓄電池組提供起勵電源。（2）手動、自動切換單元。根據(jù)運(yùn)行及試驗(yàn)需要，自動調(diào)節(jié)勵磁裝置應(yīng)設(shè)置手動和自動可相互切換單元。（3）低勵限制（又稱最小勵磁限制）單元。當(dāng)電力系統(tǒng)無功容量剩余，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為進(jìn)相運(yùn)行時，為防止勵磁電流過分了降低，導(dǎo)致機(jī)組失去穩(wěn)定，危及發(fā)電機(jī)安全，故設(shè)置低勵限制單元。（4）過勵限制（又稱電流限制）單元。當(dāng)電力系統(tǒng)電壓劇烈降低，強(qiáng)勵動作時，為了保護(hù)發(fā)電機(jī)和勵磁裝置的安全，把勵磁電流限制在安全范圍內(nèi)，故設(shè)置過勵限制單元。5.2.2 數(shù)字式勵磁

38、系統(tǒng)數(shù)字式勵磁系統(tǒng)1. 數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的主要類型、基本結(jié)構(gòu)及原理1) 數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的主要類型數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的主要類型數(shù)字式勵磁系統(tǒng)核心控制器主要有位微機(jī)和位微機(jī)兩種類型，控制微機(jī)有單片機(jī)、嵌入式工控機(jī)和通用型工控機(jī)等類型。數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器的硬件結(jié)構(gòu)型式是依據(jù)機(jī)組容量等級和所在電力系統(tǒng)的重要性進(jìn)行選擇的，按通道數(shù)可分為：單通道數(shù)字式、雙通道數(shù)字式和多通道數(shù)字式勵磁系統(tǒng)。（1）單通道數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中調(diào)節(jié)單元由單微機(jī)及相應(yīng)的輸入輸出回路組成，有一個自動調(diào)節(jié)通道（）和一個獨(dú)立（或內(nèi)含）手動調(diào)節(jié)器通道（）。這種形式在中小型水電站中應(yīng)用較多。（2）雙通道數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中調(diào)節(jié)單元由雙套微機(jī)為控制核心，由各自

39、完全獨(dú)立的輸入輸出通道構(gòu)成兩個自動調(diào)節(jié)通道（）和內(nèi)含兩個或一個手動通道（），采用“2+1”工作模式。正常情況下一個自動調(diào)節(jié)通道工作，另一個處于熱備用狀態(tài)，彼此之間用通訊方式實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。當(dāng)工作通道故障時，備用通道能夠自動而且無擾動地接替故障通道工作。當(dāng)2個自動調(diào)節(jié)通道向故障時，則通過手動通道控制。這種雙通道數(shù)字式勵磁系統(tǒng)通常用于大中型水電機(jī)組，以確保機(jī)組的連續(xù)、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。（3）多通道數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中調(diào)節(jié)單元主要有是以多微機(jī)構(gòu)成多個自動通道，通常是三通道，工作輸出采用取的表決方式，多個微機(jī)間依據(jù)不同功能有不同分工，相互以通訊方式傳遞跟蹤各種信息。這種硬件結(jié)構(gòu)型式由于結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，目前在發(fā)電

40、廠中（中）實(shí)用價值不大。2）數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理）數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5.26所示 圖5.26 數(shù)字式勵磁系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)（1）調(diào)差環(huán)節(jié)。為了使并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)組按其容量向電網(wǎng)提供無功功率，以實(shí)現(xiàn)無功功率在各機(jī)組間穩(wěn)定、合理地分配，在勵磁調(diào)節(jié)單元的測量比較中設(shè)置了調(diào)差電路，用以改變發(fā)電機(jī)無功調(diào)節(jié)特性的斜率（發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)特性如圖5-4所示）。(2) 信號測量環(huán)節(jié)。由發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器TV和定子電流互感器TA來的信號，調(diào)差后并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換成05V的直流信號供微機(jī)輸入用。對于電量的采集有直流算法和交流算法，直流算法所用的硬件較多，但程

41、序簡單；交流算法所用的硬件較少，但是程序的編寫較為復(fù)雜。(3) 移相觸發(fā)及脈沖放大環(huán)節(jié)。勵磁調(diào)節(jié)單元中移相觸發(fā)模塊的任務(wù)是產(chǎn)生相位可調(diào)的脈沖，用來觸發(fā)整流橋中的晶閘管，使其控制角a隨綜合放大環(huán)節(jié)輸出的控制電壓U的大小而改變，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的目的。移相觸發(fā)環(huán)節(jié)是勵磁調(diào)節(jié)單元的關(guān)鍵部件之一，它要求： 嚴(yán)格與勵磁電源的電壓保持相位上的同步；移相分辨率要高，移相范圍大；各相觸發(fā)脈沖的控制角要一致，即對稱性好；能適用于單相半控橋、單相全控橋、三相半控橋或在三相全控橋式整流電路；要具有頻率自適應(yīng)性能，即電網(wǎng)頻率變化時，觸發(fā)脈沖仍保持嚴(yán)格對稱；產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要有足夠的功率，前沿要陡，要有適當(dāng)

42、的寬度。對于由單片機(jī)為主的勵磁調(diào)節(jié)單元，晶閘管觸發(fā)有多種控制方案，例如：1）利用軟件中斷方法進(jìn)行控制角延時和分相觸發(fā)方式這種方法由CPU承擔(dān)控制角延時，因而加重了CPU負(fù)擔(dān)，無法充分利用CPU時間，而且由于采樣中斷優(yōu)先級別高，CPU響應(yīng)脈沖可能會關(guān)系到延時，而且頻率的自適應(yīng)性較差，發(fā)電機(jī)頻率變化較大時，延時，分相將不正確。2）利用外部硬件鎖相環(huán)電路和比較器實(shí)現(xiàn)硬件延時、分相此種方法能與電網(wǎng)嚴(yán)格同步，技術(shù)也較成熟，但要用到較多的硬件，是目前比較通行的一種技術(shù)方案。3）利用計數(shù)器實(shí)現(xiàn)延時計數(shù)器可用單片機(jī)里的計時器，也可用外部的硬件計時器，通過軟件中斷分相，頻率的自適應(yīng)性是通過測上一周波的頻率來實(shí)現(xiàn)

43、的，可達(dá)到與電網(wǎng)嚴(yán)格同步。這種方法硬件工作量少，可充分利用 CPU時間，不存在鎖相環(huán)引起的誤差。(4) 軟件限制環(huán)節(jié)為了同步發(fā)電機(jī)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)機(jī)組設(shè)備，要求勵磁系統(tǒng)對各種極限運(yùn)行工況作出反應(yīng)，為此，在勵磁調(diào)節(jié)單元中附加了一系列勵磁限制器。軟件限制主要包括最大勵磁電流瞬時限制、反時限過勵限制、欠勵限制和伏/赫限制器等。2. 數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)目前，同步發(fā)電機(jī)中盡管還在大量使用常規(guī)模擬式勵磁系統(tǒng)，但隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量和電網(wǎng)容量的不斷增大，電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組對勵磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，常規(guī)模擬式勵磁調(diào)節(jié)器難以滿足如此高的性能要求。在這種情況下，隨著數(shù)

44、字控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，同步發(fā)電機(jī)采用數(shù)字式勵磁系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢和歷史必然。與模擬式勵磁系統(tǒng)相比較，數(shù)字式勵磁系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 由于計算機(jī)具有強(qiáng)大的計算和邏輯判斷功能，使得復(fù)雜的控制策略可以在勵磁控制中得以實(shí)現(xiàn)數(shù)字式勵磁系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)模擬式勵磁系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)外，還可實(shí)現(xiàn)模擬式勵磁系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的模糊控制等復(fù)雜控制方式，從而豐富和增強(qiáng)了勵磁控制功能，改善了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況。(2) 調(diào)節(jié)、精度高，在線改變參數(shù)方便在數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中，信號處理、調(diào)節(jié)控制規(guī)律都由軟件來完成，不僅簡化了控制裝置，而且信號處理和控制精度高。另外，電壓給定、放大倍數(shù)、時間常數(shù)等控制

45、參數(shù)都由數(shù)字設(shè)定，比由模擬元件構(gòu)成的調(diào)節(jié)參數(shù)要準(zhǔn)確得多，而且參數(shù)穩(wěn)定性高，基本不存在因熱效應(yīng)、元件老化等帶來的參數(shù)不穩(wěn)定問題。同時數(shù)字式勵磁系統(tǒng)在線調(diào)整、設(shè)定參數(shù)也比模擬式調(diào)節(jié)器方便，同時調(diào)節(jié)速度快，沒有模擬式調(diào)節(jié)器中電位器調(diào)整帶來的技術(shù)缺陷。(3) 利用計算機(jī)強(qiáng)有力的判斷和邏輯運(yùn)算能力及軟件靈活性，可以在勵磁控制中實(shí)現(xiàn)完備的限制及保護(hù)功能數(shù)字式勵磁系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)恒無功運(yùn)行和恒功率因數(shù)運(yùn)行，能夠精確選擇正、負(fù)調(diào)差和調(diào)差率，同時具備最大勵磁電流瞬時限制、定子電流限制、欠勵瞬時限制、過勵延時限制、電壓/頻率（V/F）限制以及各種保護(hù)功能。(4) 可靠性高，無故障工作時間長 由于采用雙微機(jī)自動跟

46、蹤，兩個通道互為熱備用，可實(shí)現(xiàn)自動切換，還可以在正常運(yùn)行情況下檢修備用機(jī)，在軟件中實(shí)現(xiàn)自診斷和自復(fù)歸功能。由于調(diào)節(jié)控制規(guī)律由軟件實(shí)現(xiàn)，減少了硬件電路，因勵磁調(diào)節(jié)單元故障維修而帶來的停機(jī)時間大大減少。(5) 通信方便無論在水電廠還是火電廠數(shù)字式勵磁系統(tǒng)是電廠微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)不可缺少的組成部分。數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器可與上位計算機(jī)通信，通過上位計算機(jī)可直接改變機(jī)組給定電壓值，非常簡便地實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組的無功調(diào)節(jié)及母線電壓的實(shí)時控制。(6) 便于產(chǎn)品更新?lián)Q代由于引入了微處理器，使得控制策略的改變和控制功能的增加基本不增加裝置的復(fù)雜程度，通常只需要在軟件上加以改進(jìn)，硬件不需做很大的改動，因而便于產(chǎn)品升級換代。

47、正是上述這些優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字式勵磁系統(tǒng)從其誕生之日起就顯示了廣闊的發(fā)展前景。3.PLC勵磁系統(tǒng)PLC勵磁系統(tǒng)作為數(shù)字式勵磁系統(tǒng)中主要類型之一，其總體結(jié)構(gòu)如圖5.27所示，整個系統(tǒng)除了由三相全控橋構(gòu)成的功率單元以外，主要部分就是以PLC為核心的勵磁調(diào)節(jié)單元，該單元主要由信號采集、PLC和移相觸發(fā)等環(huán)節(jié)組成：， 圖5.27 PLC勵磁系統(tǒng)總體原理框圖PLC勵磁系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能如下： 信號采集環(huán)節(jié)信號采集分模擬信號采集和開關(guān)量采集兩部分。勵磁系統(tǒng)一般需采集4種模擬量，它們是母線電壓、機(jī)端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流，母線電壓信號取自母線電壓互感器TV3，僅作跟蹤母線電壓和起勵用。機(jī)端電壓是重要模擬量，

48、通常取自兩路，以防電壓互感器斷線引起強(qiáng)勵。一路取自機(jī)端勵磁專用調(diào)節(jié)變壓器（TV1），一路取自勵磁電壓互感器或取自機(jī)端儀表用電壓互感器（TV2）。儀變信號僅作電壓互感器斷線判斷用，可只取單相。定子電流信號取自定子電流互感器TA1，與TV1信號一起計算無功電流。 PLC勵磁系統(tǒng)軟件系統(tǒng)功能通過豐富靈活的軟件系統(tǒng)和與之相配合的硬件，PLC勵磁系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下述勵磁控制功能：a、 分兩個通道工作，正常時自動通道運(yùn)行，故障時切換到備用通道運(yùn)行。備用通道一般采用模擬通道，PLC故障時采用；b、可按恒定電壓或按恒定勵磁電流調(diào)節(jié)運(yùn)行方式運(yùn)行，兩種方式可在線無擾動切換。當(dāng)發(fā)生PT斷線時自動切換到恒勵磁電流運(yùn)行方式

49、運(yùn)行；c、采用軟件設(shè)定電壓給定值或勵磁電流給定值。當(dāng)發(fā)生斷路器跳閘時，機(jī)端電壓能穩(wěn)定在額定值，不會發(fā)生過電壓現(xiàn)象；d、正常停機(jī)時逆變滅磁，轉(zhuǎn)速低于規(guī)定值時自動逆變滅磁；e、具備最大勵磁電流瞬時限制功能、過勵、強(qiáng)勵延時限制功能、低勵瞬時限制功能、空載V/F限制功能、晶閘管整流柜快速熔斷、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時的勵磁電流限制功能；f、具備空載過壓保護(hù)功能、PT斷線檢測，還具有保護(hù)功能和模擬量采集的軟件數(shù)字濾波功能；移相觸發(fā)環(huán)節(jié)針對移相觸發(fā)環(huán)節(jié)，如采用一般數(shù)字式勵磁系統(tǒng)移相觸發(fā)的方法，則由于PLC自身的模塊化結(jié)構(gòu)使得計數(shù)頻率不高、中斷速度不快等特點(diǎn)，難于用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)，因此考慮采用硬件移相電路實(shí)現(xiàn)在具體

50、的PLC勵磁調(diào)節(jié)單元中，采用了集成相控芯片TC787來實(shí)現(xiàn)移相。由于TC787具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等特點(diǎn)，應(yīng)用TC787的移相觸發(fā)電路完全能滿足PLC微機(jī)勵磁系統(tǒng)中移相觸發(fā)的要求，應(yīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)PLC勵磁調(diào)節(jié)器的移相功能。5.3 任務(wù)的解決方案引言引言 在前面對任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，通過引入數(shù)字式勵磁系統(tǒng)的典型方案NWLC-3C型可編程勵磁裝置來高效完成任務(wù)5。本單元將詳細(xì)解析NWLC-3C型可編程勵磁裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及相關(guān)操作，進(jìn)而全面闡述數(shù)字式勵磁系統(tǒng)如何高效精確地完成勵磁系統(tǒng)的核心任務(wù)向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組提供一個可調(diào)的直流電流，同時介

51、紹PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的運(yùn)行操作。 NWLC-3C型可編程勵磁裝置采用歐姆龍公司的CQMIH系列可編程序控制器，具有運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)、指令豐富和程序容量大等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)更多功能軟件化。同時，由于采用模塊化設(shè)計，使其擴(kuò)展方便，其軟件特有的梯形圖編程比其它的機(jī)算機(jī)語言更簡單易學(xué)。5.3.1 功率單元三相全控橋 NWLC-3C勵磁裝置采用自并勵系統(tǒng)，主回路采用三相全控橋，起勵方式采用直流起勵，直流起勵電源由直流合閘電源加限流電阻組成。在正常停機(jī)時采用逆變滅磁，故障時采用滅磁開關(guān)加線性滅磁電阻無磁。現(xiàn)對三相全控橋及其整流波形分析如下：圖5.28 三相橋式全控整流電路三相全控橋如圖5.28所示，三相全控

52、橋的六個整流元件全部采用晶閘管，VS1、VS3、VS5為共陰極組連接，VS2、VS4、VS6為共陽極組連接。當(dāng)控制角=60時，輸出電壓波形見圖5.29 (b)，各相正、負(fù)側(cè)晶閘管的觸發(fā)脈沖滯后于自然換相點(diǎn)60出現(xiàn)，例如在2點(diǎn)之前VS5、VS6導(dǎo)通，在2點(diǎn)時刻us1觸發(fā)VS1，同時給VS6補(bǔ)發(fā)觸發(fā)脈沖，這時VS1導(dǎo)通，VS5關(guān)斷。交流相電壓中畫陰影部分表示導(dǎo)通面積。綜上分析可知：當(dāng)控制角60時，共陰極組輸出的陰極電位在每一瞬間都高于共陽極組的陽極電位，輸出電壓ud的瞬時值都大于零，波形是連續(xù)的；60時，當(dāng)線電壓瞬時值為零并轉(zhuǎn)負(fù)值時，由于電感的作用，導(dǎo)通著的晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，整流輸出為負(fù)的電壓波形，

53、從而使整流電壓的平均值降低。(a) =0 (b) =60 (c) =90 (d) =150圖5.29 三相全控橋輸出電壓波形2逆變角范圍由全控橋工作特點(diǎn)可知，90是逆變區(qū)，負(fù)載輸出直流平均電壓為負(fù)值；當(dāng)=180時，Udo=-2.34E，為負(fù)最大值。負(fù)電壓值越大，表示能量釋放給電網(wǎng)越快。但實(shí)際上全控橋不能工作在=180情況，而必須留出一定裕度角，否則會造成逆變失控或顛覆，即直流側(cè)換極性，交流側(cè)不換極性，換流失敗，使晶閘管元件過熱而燒毀。因此發(fā)電機(jī)使用三相全控橋進(jìn)行逆變滅磁時，必須使最小逆變角大于換流角及晶閘管關(guān)斷角OFF之和，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)min=2530。因此，當(dāng)需要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子快速滅磁時，要把控制角

54、限制在150155范圍，以確保逆變成功。5.3.2 PLC勵磁調(diào)節(jié)單元1. PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的總體結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)NWLC-3C勵磁調(diào)節(jié)單元由變送單元、PLC控制器、移相觸發(fā)脈沖單元、脈沖放大單元、電源系統(tǒng)和觸摸屏顯示系統(tǒng)等組成。勵磁調(diào)節(jié)單元框圖如圖5.30所示。圖5.30 勵磁調(diào)節(jié)單元框圖PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的主要硬件包括可編程序控制器，Digital公司的GP系列的觸摸屏、檢測和同步變壓器、功率變送器、信號轉(zhuǎn)換及模擬調(diào)節(jié)板、移相觸發(fā)板和電源系統(tǒng)。，由于采用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的CQMIH系列PLC，具有運(yùn)算速度快，功能擴(kuò)展方便，程序容量大的特點(diǎn)，勵磁調(diào)節(jié)單元具備簡潔的硬件結(jié)構(gòu)，采用多通道模式和

55、無擾動切換，總體結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。PLC勵磁調(diào)節(jié)單元主要特點(diǎn)如下：第一，設(shè)計了近方和遠(yuǎn)方兩種操作方式，無論是在現(xiàn)場還是在中控室，均能實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的全方位控制。第三，可選配RS485通訊接口，把PLC采集的發(fā)電機(jī)參數(shù)和勵磁系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時傳送出來，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。（1）勵磁勵磁調(diào)節(jié)單元核心單元可編程序控制器PLC勵磁調(diào)節(jié)單元核心單元采用歐姆龍公司的CQM1H系列，它由CPU模塊CPU51、A/D（D/A）模塊MAB42和輸出模塊OD212組成。PLC主要完成以下功能：1) 采集的信號由A/D模塊MAB42轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。轉(zhuǎn)換的模擬量包括：發(fā)電機(jī)端電壓、有功功率、勵磁電流、無功功率。2) 采用PID算法

56、，同時通過軟件實(shí)現(xiàn)了起勵、觸摸屏顯示等控制功能。軟件流程圖如圖5.31所示。圖5.31 軟件流程圖3) 控制量輸出經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬量，即控制電壓。4) 采用RS485或RS422標(biāo)準(zhǔn)通訊，與上位計算機(jī)組成監(jiān)控系統(tǒng)（2）輸入輸出模塊1）開關(guān)量輸入模塊。開關(guān)量輸入模塊是PLC接收外部輸入的開關(guān)量信號的窗口。PLC通過光電耦合器，將外部信號的狀態(tài)讀入，并存貯在輸入映像寄存器內(nèi)，外部觸點(diǎn)接通時對應(yīng)的寄存器為“1”狀態(tài)。輸入端外接的觸點(diǎn)可以是常開的，也可以是常閉的。PLC輸入接線簡圖如圖5.32所示：圖5.32 PLC輸入接線簡圖2）開關(guān)量輸出模塊開關(guān)量輸出模塊用來將PLC的輸出信號傳至輸出端子上

57、，驅(qū)動外部負(fù)載。PLC輸出接線簡圖如圖5.33所示：圖5.33 PLC輸出接線簡圖（3）移相觸發(fā)板移相觸發(fā)器原理框圖如圖5.34所示，觸發(fā)脈沖的形成和移相均在相位控制器U1、U2和U3上實(shí)現(xiàn)。下面以U相為例說明脈沖的產(chǎn)生和移相過程：圖5.34移相觸發(fā)器原理框圖相位控制器U1是大規(guī)模集成芯片，采用16腳雙列直插式封裝管腳圖見圖5.35所示，各處波形如圖5.36所示。+15VC170.1V20V21V22V23C220 0PC30.047100KRP 1R520K16151413121110910KR35 Q2 Q1LC1 2V1 1C1 6R9 VSGNDRQ2QURQ1USVIVREF1234

58、5678QZU1785圖5.35 相位控制器U1引腳圖圖5.36 移相觸發(fā)電路各處波形5腳作為交流輸入端，作為同步信號電壓 UT的輸入，11腳為直流控制端，作控制電壓UK的輸入。15腳在對應(yīng)交流同步信號電壓正半周內(nèi)輸出一脈沖Q2，14腳在對應(yīng)交流同步信號電壓負(fù)半周內(nèi)輸出一脈沖Q1。10腳接有電容C3。由其內(nèi)電源恒流充電，在C3上鋸齒波的斜率和線性度?？刂齐妷篤K和鋸齒波的交點(diǎn)為產(chǎn)生脈沖Q1、Q2的時刻，改變控制電壓UK就改變了產(chǎn)生脈沖的時刻，即改變了控制角a的大小。（4）液晶顯示系統(tǒng)PLC勵磁調(diào)節(jié)單元采用日本Digital公司的GP系列觸摸屏顯示器，GP系列觸摸屏顯示器具有畫面存儲容量大，功能

59、強(qiáng)等特點(diǎn)，工作電壓為DC24V，顯示區(qū)域大小為6英寸。（5）PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的電源系統(tǒng)NWLC-3C型勵磁調(diào)節(jié)器工作電源由交流廠用電源或直流控制電源供電，任一路電源消失不影響調(diào)節(jié)器的工作，但交流電源消失冷卻風(fēng)機(jī)將停轉(zhuǎn)。電源系統(tǒng)框圖如圖5.37所示。圖5.37調(diào)節(jié)器電源系統(tǒng)框圖 2. PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的控制方式及性能指標(biāo) （1）PLC勵磁調(diào)節(jié)單元的控制方式PLC勵磁勵磁調(diào)節(jié)單元根據(jù)發(fā)電機(jī)端的電壓及無功負(fù)荷調(diào)節(jié)和控制發(fā)電機(jī)的勵磁電流，它是勵磁系統(tǒng)最重要的組成部分。本勵磁勵磁調(diào)節(jié)單元對勵磁電流的控制主要有兩種方式，一是按發(fā)電機(jī)端電壓的偏差進(jìn)行控制，恒定發(fā)電機(jī)端電壓；二是按發(fā)電機(jī)勵磁電流偏差進(jìn)行控

60、制，恒定發(fā)電機(jī)勵磁電流。本勵磁裝置共有兩個勵磁調(diào)節(jié)通道：PLC通道和備用通道，具體安排如下：1）PLC通道和備用通道通過切換開關(guān)進(jìn)行切換。2）PLC通道和備用通道共用增減磁操作開關(guān)，無論在現(xiàn)場或中控室都能進(jìn)行增減磁操作，以控制發(fā)電機(jī)的電壓或無功功率。3）備用通道是模擬調(diào)節(jié)通道。一般情況下備用通道只有在PLC通道發(fā)生故障時才投入運(yùn)行。4）PLC通道有恒壓模式和恒流模式。恒壓模式和恒流模式之間通過觸摸屏運(yùn)行方式切換，勵磁裝置一上電時為恒壓模式。兩種模式可以實(shí)現(xiàn)無擾動切換。正常運(yùn)行應(yīng)以恒壓模式為主，恒壓模式故障或需要恒定發(fā)電機(jī)勵磁電流的特殊工況時才采用恒流模式。（2） PLC勵磁調(diào)節(jié)單元能達(dá)到的性能