同步發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理

1、同步發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理The Formation of Synchronou s Voltages in Automatic Excitation Regulator劉 微(南京工程學(xué)院, 江蘇南京210013摘 要:在同步發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)裝置中, 可控硅觸發(fā)技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù), 而其中的同步電壓的處理環(huán)節(jié)又是關(guān)鍵。因此, 對半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)和微機(jī)勵磁系統(tǒng)中同步電壓的處理進(jìn)行分析, 并比較。關(guān)鍵詞:自動勵磁調(diào)節(jié)器; 可控硅整流; 同步電壓; 觸發(fā)脈沖中圖分類號:T M 31文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C文章編號:1009-0665(2002 06-0026-03同步發(fā)電機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)裝置(

2、AER 是電力系統(tǒng)中一個重要的自動裝置1, 其中的移相觸發(fā)單元的任務(wù)是產(chǎn)生可以改變相位的脈沖, 用來觸發(fā)整流橋中的可控硅, 使其控制角隨著發(fā)電機(jī)端電壓的變化而改變, 從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)勵磁的目的。移相觸發(fā)單元是由同步、移相、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)構(gòu)成2。若其中的同步電壓處理不好, 將影響移相觸發(fā)脈沖的準(zhǔn)確性, 從而影響發(fā)電機(jī)的勵磁。在半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)中同步電壓的產(chǎn)生很麻煩, 隨著微型計算機(jī)的應(yīng)用, 為同步電壓的處理提供了很大的方便。1 同步電壓的作用根據(jù)在可控硅整流電路中對可控硅進(jìn)行導(dǎo)通控制的要求, 可控硅元件上所加的電壓和控制極上所加的觸發(fā)脈沖在相位上必須配合合理, 否則可控硅將無法正常工作,

3、 這種配合稱為同步。因此, 在可控硅勵磁系統(tǒng)中, 必須引人同步電壓來保證可控硅觸發(fā)脈沖與主電路的同步2。2 同步電壓的產(chǎn)生同步電壓的取法和可控整流電路接線型式有關(guān)2。三相半控硅整流電路中, 由于共陽極組的整流元件不可控, 在自然換流點換流, 共陰極組的可控硅應(yīng)承受的陽極電壓為正時一段區(qū)間內(nèi)觸發(fā)導(dǎo)通, 三相觸發(fā)脈沖應(yīng)按+A 、+B 、+C 相序依次相隔120 發(fā)出。三相全控硅整流電路中, 共陰極組的可控硅只有在其陽極電位最高的一段區(qū)間內(nèi)才有可能導(dǎo)通, 供陰極組的出發(fā)脈沖應(yīng)在這一期間內(nèi)發(fā)出, 三相觸發(fā)脈沖應(yīng)按+A 、+B 、+C 相序依次相隔120 發(fā)出。共陽極組的可控硅只有在其陰極電位最低的一段

4、區(qū)間內(nèi)才有可能導(dǎo)通, 共陽極組的觸發(fā)脈沖應(yīng)在這一段區(qū)間內(nèi)發(fā)出。三相觸發(fā)脈沖應(yīng)按-C 、-A 、-B 相序依次相隔120 發(fā)出。這樣六相觸發(fā)脈沖應(yīng)按+A -C +B -A +C -B 相序依次相隔60 發(fā)出。因此, 移相觸發(fā)單元必須接受與主電路電壓有一定相位關(guān)系的電壓信號, 才能保證觸發(fā)脈沖按要求發(fā)出。同步電壓可經(jīng)同步變壓器獲得, 同步電壓采用適當(dāng)?shù)慕臃? 將主電路電壓變換成具有觸發(fā)電路所要求的幅值、相位及相數(shù)的同步電壓, 作為移相觸發(fā)單元的同步信號。3 同步電壓的處理3. 1 半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理在半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器中, 同步電壓的原方繞組接主電路的電源, 副方繞組在三相半控橋中接成

5、三相Y 形, 在三相全控橋中采用六相雙Y 形接法。根據(jù)全控硅整流橋的工作特點:控制角0 < <90 時, 全控硅整流橋工作在整流狀態(tài); 當(dāng) >90 時, 全控硅整流橋工作在逆變狀態(tài), 僅簡單的引入上述同步電壓( U tb 還不夠, 必須對同步電壓進(jìn)行處理, 才能滿足觸發(fā)脈沖的要求。在三相全控硅整流橋電路中, 施加觸發(fā)脈沖的時間應(yīng)在該相自然換相點之后, 如果在該相自然換262002年12月江 蘇 電 機(jī) 工 程Jiangsu Electrical Engineering第21卷第6期觸發(fā)脈沖導(dǎo)通, 而且由于在自然換相點之后的其間內(nèi)脈沖發(fā)生器不可能再次地發(fā)出脈沖, 所以該相可控硅

6、實際因丟失脈沖而不可能導(dǎo)通。由于觸發(fā)脈沖發(fā)出的時間不可能十分準(zhǔn)確, 所以應(yīng)使最早脈沖發(fā)出的時間距自然換相點有一定距離。因此, 必須引入最小控制角 m i n 的電壓 U min 。由于采用了全控硅整流橋, 當(dāng)發(fā)電機(jī)需要快速減磁時, 整流橋要按逆變方式運(yùn)行, 此時觸發(fā)脈沖應(yīng)于自然換相點90 后發(fā)出, 相位越后逆變作用越大。但是, 由于和前述情況類似的原因, 如果脈沖相位超過180 , 則可控硅不導(dǎo)通而不能實現(xiàn)逆變, 所以脈沖相位最遲也應(yīng)在180 前發(fā)出。因此, 必須引入最大控制角 man 的電壓 U max 。此外, 根據(jù)觸發(fā)脈沖有一定的幅值要求, 還要引入一充電電壓 U 充?？梢? 在半導(dǎo)體三

7、相全控硅整流橋中, 對于1個可控硅要引入4個同步電壓, 即: U tb 、 U 充、 U min 、 U max , 對于6個可控硅要引入24個相位不同的同步電壓。此外, 在半導(dǎo)體勵磁中對于副勵機(jī)來講, 三相可控整流橋適是一個很大的負(fù)載, 可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷將引起陽極電源電壓波形畸變較嚴(yán)重, 因此引起的同步電壓波形畸變的問題也必須予以重視, 否則將影響移相觸發(fā)回路的正常工作。通常對畸變了的同步電壓先進(jìn)行濾波或整形, 以消除畸變的影響。可見, 在半導(dǎo)體勵磁中, 同步電壓的產(chǎn)生很麻煩, 調(diào)試也很困難。3. 2 微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理3. 2. 1 同步電壓的處理框圖原理同步電壓整形的框圖見

8、圖1 。圖1 同步電壓整形的框圖副勵機(jī)發(fā)出的三相交流電壓經(jīng)同步變壓器將電壓變小、隔離、移相, 此同步變壓器采用 /2Y 接法是為了增加與主電源的阻抗, 并將輸入電壓移相后得到超前90 的電壓。再將同步變壓器輸出電壓進(jìn)行二階有源濾波后得到相位滯后90 的電壓, 此電壓與副勵機(jī)的電壓同相。最后將此電壓經(jīng)電壓比較器得到6個上升沿分別對應(yīng)于自然換相點的門控信號, 將此門控信號接到可編程定時計數(shù)器(8253 上形成電源電壓狀態(tài)字。以下對框圖的各個部分進(jìn)行分析。(1 同步變壓器同步變壓器內(nèi)部接線如圖2所示, 一次側(cè)接成 形, 是為了消除零序的影響, 二次側(cè)有6個繞組, c 2與b 2反極性相串得到u j

9、a 、a 2與c 2反極性相串得到u j b 、b 2與a 2反極性相串得到u j c 。畫出 U j a 、 U j b 、 U jc 與一次電壓 U ab 、 U bc 、U ca 的相量關(guān)系圖。如圖3所示, 可見前者超前后者90 相角。圖2 同步變壓器內(nèi)部接線圖圖3 同步變壓器電壓相量關(guān)系(2 濾波二階有源濾波作用是濾去副勵機(jī)由于全控整流橋負(fù)荷所引起的波形畸變, 得到相位滯后90 的電壓, 此電壓不受主電源波形畸變的影響, 其相位與副勵機(jī)發(fā)出的三相交流電壓相位同相。(3 電壓整形圖4為三相同步電壓整形電路, 同步變壓器副方電壓經(jīng)濾波后的電壓u a 、u b 、u c 再經(jīng)電壓比較器后,

10、形成寬180 相距120 的3個方波(如圖5 , 其上升沿分別對應(yīng)自然換流點1、3、5。對于三相全控橋, 須增加3個反相器, 形成6個寬180 相距60 的方波, 其上升沿分別對應(yīng)自然換相點1、2、3、4、5、6, 再將6個同步電壓門控信號送入8253。同步電壓門控信號的作用3:a. 將同步電壓門控信號通過8253形成電源電/27劉 微:同步發(fā)電機(jī)自動勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理常數(shù)t 的裝入。對于最大角及最小角的限制, 可將對應(yīng)的t max 及t min 裝入相應(yīng)的定時/計數(shù)器的計數(shù)器中, 即可達(dá)到最大角及最小角的控制。圖4 三相同步電壓整形電路圖5 三相可控陽極電壓及自然換流點b. 同步電壓

11、門控信號為主機(jī)中斷器控制器提供外部中斷源。c. 同步電壓門控信號分別作為8253的門控信號。(4 可編程定時/計數(shù)器8253是較常用的接口芯片。它具有3個獨立的16位計數(shù)通道的可編程定時/計數(shù)器, 使用+5V 單一電源, 24引腳雙列直插式大規(guī)模集成電路芯片。8253具有方式0至方式5共6種工作方式, 用戶可以根據(jù)電路要求任選, 在此電路中選方式1。方式1又稱硬件再觸發(fā)單拍脈沖計數(shù)。在此方式下, 由外部門控脈沖觸發(fā)計數(shù)器, 使輸出變低, 開始時對時鐘脈沖進(jìn)行倒計數(shù)。當(dāng)時鐘脈沖的個數(shù)等于計數(shù)值時, 即計數(shù)器減到零, 其輸出變高, 其后保持高電平直至下一個門控脈沖到來。計數(shù)器輸出從0變高的正跳沿,

12、 可以用單穩(wěn)態(tài)電路檢出得到一個寬度一定的脈沖。方式1還有其他一些特點:a. 計數(shù)值寫入計數(shù)器后, 并不開始計數(shù), 直到外部觸發(fā)脈沖(同步電壓門控信號 正跳沿到來時才開始減法計數(shù)。若不重新寫入計數(shù)值, 計數(shù)器仍按原計數(shù)值進(jìn)行計數(shù)。b. 計數(shù)器計數(shù)過程中不會被外部門控脈沖打斷, 以保證完整的計數(shù)過程。c. CPU 通過數(shù)據(jù)線改變計數(shù)值, 其計數(shù)值在下一個門控脈沖觸發(fā)后才生效。為了滿足全控整流橋?qū)τ|發(fā)脈沖的要求, 采用2片8253, 共有6個計數(shù)器, 分別對6個可控硅進(jìn)行觸發(fā)。8253的門控脈沖由門控信號回路供給。計數(shù)時鐘脈沖由主機(jī)的時鐘電路供給, 數(shù)據(jù)線直接連接到主機(jī)總線的C 口低8位上。通過軟件

13、對發(fā)電機(jī)電壓與參考電壓之差進(jìn)行PID 運(yùn)算, 得到一個控制量去改變控制角, 這個控制量是一個數(shù)字量, 直接由CPU 寫入8253中, 8253根據(jù)寫入數(shù)的大小及同步電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)控制角為 的觸發(fā)脈沖?？梢? 微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中同步電壓的處理比較簡單, 即只要產(chǎn)生一與主電源同步的門控信號即可。4 結(jié)論(1 在半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器中, 對于1個可控硅要引入4個相位不同的同步電壓 U tb 、 U 充、 U m i n 、 U max , 對于6個可控硅要引入24個相位不同的同步電壓, 很麻煩。若其中有一個量出了問題將影響觸發(fā)脈沖的形成, 調(diào)試較困難, 裝置的可靠性差。(2 在微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器中, 只需產(chǎn)生一個與主電源同步的門控信號, 即6個同步電壓門控信號的上升沿對應(yīng)于自然換相