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

1、任務任務5 為發(fā)電機轉子提供穩(wěn)定為發(fā)電機轉子提供穩(wěn)定的直流電的直流電【任務導讀任務導讀】認識同步發(fā)電機轉子并提出三個問題：1為什么要向發(fā)電機轉子提供直流電？2提供直流電需要什么？3 如何向發(fā)電機轉子提供直流電？ 發(fā)電機工作時,轉子線圈通以直流電形成直流恒定磁場,在原動機（汽輪發(fā)電機指汽輪機，水輪發(fā)電機指水輪機）的帶動下轉子快速旋轉,恒定磁場也隨之旋轉,定子的線圈被磁場磁力線切割產生感應電動勢,發(fā)電機就發(fā)出電來。轉子及其恒定磁場被原動機帶動快速旋轉時,在轉子與定子之間小而均勻的間隙中形成一個旋轉的磁場,稱為轉子磁場或主磁場。發(fā)電機就是由合成磁場的磁力線切割定子線圈而發(fā)電機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子磁場引起的發(fā)電的。由于定子磁場是由轉子磁場引起的,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系間總是保持著一先一后并且同速的同步關系,所以稱這所以稱這種發(fā)電機為同步發(fā)電機。種發(fā)電機為同步發(fā)電機。 圖1.1 發(fā)電機轉子引言引言 同步發(fā)電機的轉子繞組所需要的直流電流是由發(fā)電同步發(fā)電機的轉子繞組所需要的直流電流是由發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供的，這也是勵磁系統(tǒng)的基本功能。機勵磁系統(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)電機的一個重要組成部分，勵磁系統(tǒng)作為同步發(fā)電機的一個重要組成部分，它的運行狀況直接決定發(fā)電機組的運行工況，進而影它的運行狀況直接

3、決定發(fā)電機組的運行工況，進而影響整個發(fā)電廠的安全運行水平。所以，如何為發(fā)電機響整個發(fā)電廠的安全運行水平。所以，如何為發(fā)電機的轉子繞組提供穩(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。為了完成這項重要任務，首先應掌握晶的重要任務。為了完成這項重要任務，首先應掌握晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結構和作用。閘管勵磁系統(tǒng)的總體結構和作用。5.1 任務導入：認識發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 晶閘管勵磁系統(tǒng)由功率單元、勵磁調節(jié)功率單元、勵磁調節(jié)單元單元以及保護回路等組成，該系統(tǒng)提供由交流電源轉換的直流電壓和電流作為發(fā)電機勵磁能源。 晶閘管勵磁系統(tǒng)能隨負載的變化自動地改變勵磁電壓和電流，

4、以維持發(fā)電機的電壓恒定。當電網負載突然卸去或發(fā)生過載等事故時，晶閘管勵磁系統(tǒng)能迅速給予響應，提供相應的最大或最小的勵磁功率，使同步發(fā)電機免遭損害而保持正常的運行工況。5.1.1 晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結晶閘管勵磁系統(tǒng)的總體結構構 根據對勵磁系統(tǒng)的整體結構（系統(tǒng)原理方框圖如圖5.1所示）進行分析，晶閘管勵磁系統(tǒng)實質上是建立在負反饋理論上的自動調節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的調節(jié)對象是同步發(fā)電機，端電壓U0是被調量，TA、TV及勵磁調節(jié)單元組成反饋環(huán)節(jié)，Uf充當反饋量。圖5.1 同步發(fā)電機勵磁系統(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 當電網負載增加時，發(fā)電機的端電壓下降，通過勵磁調節(jié)器作用，使晶閘管控制角減小，導通角增大，勵磁電流增加，勵磁電壓增大，將發(fā)電機端電壓提升到原來額定值；當電網負載減少時，發(fā)電機的電壓上升，使可硅控控制角增大，導通角減少，勵磁電流下降，勵磁輸出電壓下降，使發(fā)電機端電壓下降。因此，通過晶閘管系統(tǒng)使發(fā)電機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 根據發(fā)電機調差率控制并聯運行的發(fā)電機之間的無功分配是勵磁系統(tǒng)的一個重要功能。當發(fā)電機并聯于電力系統(tǒng)運行時，它輸出的有功決定于從原動機輸入的功率，而發(fā)電機輸出的無功則和勵磁電流有關，

6、調節(jié)勵磁可改變發(fā)電機輸出的無功。實際運行中，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)提高繼電保護裝置的動作可靠性提高繼電保護裝置的動作可靠性 當系統(tǒng)中發(fā)生短路事故時，由于勵磁系統(tǒng)的強勵作用，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裝置的動作值，使繼電保護裝置仍能可靠動作，使繼電保護、特別是帶時限的繼電保護的動作靈敏度得到了提高。 4)同步發(fā)電機突然卸載時限制電壓上升同步發(fā)電機突然卸載時限制電壓上升 同步發(fā)電機電壓與轉速成正比。且由勵磁的方式決定，當某種原因使水輪發(fā)電機突然卸去大量負載時，則可能使端電壓迅速上升，自動

7、勵磁裝置中強行減磁裝置在電壓升高到某一數值后即迅速減小勵磁電流，限制發(fā)電機的最高電壓，防止卸載后電壓上升而對水輪發(fā)電機造成損害。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節(jié)勵磁裝置的同步發(fā)電機器并列運行，且當其中一臺發(fā)電機因事故失去勵磁時，這臺發(fā)電機對系統(tǒng)是一個相當大的感性負載，自動調節(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)電機失勵而大大降低。當異步運行的發(fā)電機在自同期并列運行時，自動調節(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 當發(fā)電機或升壓變壓器（單元接線）內部發(fā)生故障時，晶閘管勵磁系統(tǒng)能夠實現快速滅磁，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)能夠在各種負荷情況晶閘管勵磁系統(tǒng)能夠在各種負荷情況下根據要求維持發(fā)電機端電壓在給定水下根據要求維持發(fā)電機端電壓在給定水平，而且裝置容量應滿足發(fā)電機各種運平，而且裝置容量應滿足發(fā)電機各種運行方式的勵磁調節(jié)需要。行方式的勵磁調節(jié)需要。(2) 為了在機組間合理分配無功功率，調為了在機組間合理分配無功功率，調節(jié)裝置必須有適當的調差特性，在多臺節(jié)裝置必須有適當的調差特性，在多臺發(fā)電機機端母線并列運行的情況下發(fā)電發(fā)電機機端母線并列運行的情況下發(fā)電機為向下傾斜的正調差的特性；而多臺機為向下傾斜的正調差的特性；而多臺發(fā)電機發(fā)電機變壓器組并列于高

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調差特性，一況下則采用向上傾斜的負調差特性，一般不采用無差調節(jié)特性般不采用無差調節(jié)特性;圖5.2 發(fā)電機調差特性 (3) 晶閘管勵磁系統(tǒng)應反應靈敏，動作迅速，特別是當系統(tǒng)發(fā)生短路等事故而引起電壓顯著下降時，調整裝置能作用于勵磁電源，使勵磁電流達到頂值，達到強行勵磁的目的,以維護系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。(4)晶閘管勵磁系統(tǒng)在調節(jié)過程中應保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。調節(jié)過程中不論是調節(jié)裝置本身還是勵磁電源，被調量不是一次達到新的穩(wěn)定值，而是經過一個振蕩過程才達到這個穩(wěn)定值，總體上要求在動態(tài)調節(jié)過程中調節(jié)速度快，超調量小，穩(wěn)定性好。（5）晶閘管勵磁系統(tǒng)靜態(tài)調

10、節(jié)應精度高，頻率特性好。調節(jié)精度是指運行條件（包撻負載、環(huán)境溫度、頻率、電壓等）變化時機端電壓與給定值的相符合的程度。（6）晶閘管勵磁系統(tǒng)應具有快速減磁和滅磁功能。（7）裝置結構簡單可靠，調試方便，消耗功率小。5.1.3常見的同步發(fā)電機勵磁系常見的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)類型統(tǒng)類型 電力領域內通行兩種分類方法: 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)電機的勵磁電源由與發(fā)電機無直接電聯系的電源經整流電路整流供給勵磁系統(tǒng)能源，如直流勵磁機、交流勵磁機等。他勵勵磁電源不受發(fā)電機運行狀態(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)電機輸出端或廠用電母線上，如晶閘管自并勵、晶閘管自復勵等，自勵系統(tǒng)的功率單元由靜止電力電子元件晶閘管構成，取消了旋轉電機，因此運行維護方便。 第二種分類方法是按照勵磁系統(tǒng)中勵磁調節(jié)單元的調節(jié)手段分類，可分為模擬式勵磁系統(tǒng)和數字式勵磁系統(tǒng)兩大類。A.勵磁調節(jié)單元中主要通過硬件來進行調節(jié)的勵磁系統(tǒng)稱為模擬式勵磁系統(tǒng);B.勵磁調節(jié)單元中主要通過軟件來進行調節(jié)的勵磁系統(tǒng)稱為數字式勵磁系統(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）直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。 如圖5.3所示為直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機的勵磁電流由直流勵磁機GE供給，勵磁機的勵磁電流則由勵磁機自并

12、勵電流iZL和自動調節(jié)勵磁裝置輸出電流iAAVR供給，總的勵磁電流為iL=iZL+iAAVR，調節(jié)勵磁機勵磁電流iZL就可改變勵磁機的電壓，從而改變發(fā)電機的勵磁繞組電流，實現發(fā)電機電壓調整的目的。 勵磁機勵磁電流的調節(jié)方法是：1.手動調整磁場變阻器Rc以改變iZL值；2.根據端電壓偏差信號由勵磁調節(jié)單地元自動調節(jié)iAAVR以保持端電壓為給定值。圖5.3 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)是一種相當成熟的勵磁方式，由于運行穩(wěn)定和調節(jié)方便，以前在同步發(fā)電機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）交流勵磁機旋轉整

13、流器勵磁系統(tǒng)（又稱無刷勵磁） 如圖5.4所示為交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機的勵磁電流由交流勵磁機電樞輸出功率經三相全波整流供給。 硅整流元件、快速熔斷器和連接線裝于發(fā)電機轉子空心軸中，隨軸一起旋轉。交流勵磁機的勵磁電流由發(fā)電機端提供。發(fā)電機勵磁調節(jié)通過AAVR改變晶閘管的導通角，從而改變交流勵磁機的勵磁電流進行的。圖5.4 交流勵磁機旋轉整流器勵磁系統(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)電機的勵磁電源通過勵磁調節(jié)單元控制晶閘管的導通角進行調節(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)點是：沒有直流勵磁機，不存

14、在碳刷和換向器磨損及環(huán)火等問題。調節(jié)速度快，動態(tài)性能好?？s短機組長度，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)電機檢修用短路干燥電源。自并勵勵磁方式的主要缺點是： 強行勵磁能力與機端電壓有關，當發(fā)電機發(fā)生機端三相短路時，由于機端電壓很低，勵磁系統(tǒng)將喪失強行勵磁能力，影響繼電保護動作靈敏，且影響發(fā)電機在電力系統(tǒng)短路被切除后運行的暫態(tài)穩(wěn)定性。（2）自復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二次電壓串聯后加到整流橋上。圖5.6 自復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，還與發(fā)電機電流電壓的相差角有關。因為，當負載電流和功率因數變化時，發(fā)電機電壓會作相應的變化，可以起到補償作用。由于導通角控制僅取決于發(fā)電機電壓，從而晶閘管導通角變化不大，調節(jié)容量可以相對小些，有利于勵磁響應速度的提高。2.模擬式勵磁系統(tǒng)和數字式勵磁系統(tǒng)（1）模擬式勵磁系統(tǒng)）模擬式勵磁系統(tǒng) 勵磁調節(jié)單元是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要部件。早期的勵磁調節(jié)單元為振動型和變阻器型，都具有機械部件，稱為機電型勵磁調節(jié)單元。由于它不能連續(xù)調節(jié)、響應速度緩慢、并有死區(qū)，早已被淘汰。20世紀50年代以來，磁放大器出現后，電力系統(tǒng)廣泛采用磁放大器和電磁元件

16、組成的電磁型調節(jié)單元。由于磁放大器具有時滯性，因此調節(jié)器的時間常數較大，調節(jié)速度較慢，但其可靠性高，通常用于直流勵磁機系統(tǒng)。 隨著半導體技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)開始采用由半導體元件組成的半導體勵磁調節(jié)單元。由于半導體元件幾乎沒有時滯，功率放大倍數也較高。因此，半導體勵磁調節(jié)單元調節(jié)速度較快。 電磁型、半導體型勵磁調節(jié)單元，均屬于模擬式勵磁調節(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)要實現自動調壓、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，必須增加更復雜的硬件電路，因此勵磁調節(jié)單元的元器件會大大增加，將帶來運行操作煩瑣和維護困難的不良后

17、果。（2）數字式勵磁系統(tǒng)）數字式勵磁系統(tǒng) 隨著發(fā)電機單機容量和電網容量的不斷增大，電力系統(tǒng)及發(fā)電機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)的勵磁調節(jié)性能、更多的勵磁限制、報警、保護等附加功能。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，隨著數字控制技術、計算機技術及微電子技術的飛速發(fā)展和日趨成熟，同步發(fā)電機組采用數字式勵磁系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。 數字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調節(jié)單元的主要控數字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調節(jié)單元的主要控制功能都由軟件來完成，不需增加相應功能的制功能都由軟件來完成，不需增加相應功能的硬件電路。硬件電路。由于數字式勵磁系統(tǒng)中勵磁調節(jié)單元以各種

18、微機為核心部件，因此又可稱為微機型勵磁系統(tǒng)。 總體而言，數字式勵磁系統(tǒng)各種控制功能都可以根據需要進行取舍，十分靈活。在模擬式勵磁系統(tǒng)中很難實現甚至無法實現的許多控制功能，在數字式勵磁系統(tǒng)中通過軟件功能的提升很容易實現。5.1.4.繼電強行增磁和強行減磁繼電強行增磁和強行減磁1.強行增磁和強行減磁的作用1）強行增磁的作用）強行增磁的作用 強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)定性和繼電保護動作靈敏度出發(fā)，由勵磁系統(tǒng)迅速將發(fā)電機勵磁電流增至最大值。 強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過程;提高繼電保護的動作靈

19、敏度;改善異步電動機的啟動條件。2）強行減磁的作用）強行減磁的作用 當發(fā)電機突然卸載后，由于轉速上升，引起發(fā)電機電壓急劇升高時，由勵磁系統(tǒng)迅速將發(fā)電機勵磁電流減至最小值，稱為強行減磁。 強行減磁的作用是：發(fā)電機甩負荷時，機組過速，使發(fā)電機電壓升高，可能危及發(fā)電機定子絕緣，強行減磁能迅速將電壓降至空載電壓；發(fā)電機內部故障跳閘時，為了消除發(fā)電機感應電勢繼續(xù)供給故障點短路電流，必須在斷路器跳閘的同時，聯動跳滅磁開關，迅速滅磁，而在滅磁開關跳閘時，直流勵磁機甩負荷，又可能在換向器上產生過電壓，通過強行減磁能夠迅速降低勵磁電流。2.強行增磁和強行減磁的原理接線圖5.7 強增、強減原理接線圖1）強行增磁的

20、工作原理）強行增磁的工作原理 強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。機組正常運行時，發(fā)電機母線電壓正常，KV1、KV2不動作，其常閉觸點打開；KM1不動作，其主觸頭斷開。此時調節(jié)RC就能改變發(fā)電機勵磁電流。 當發(fā)電機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，勵磁機勵磁電流迅速增至最大值，實行強行增磁；另外KM1的輔助常開觸點閉合，點亮信號燈發(fā)出強勵動作信號。 2）強行減磁的工作原理）強行減磁的工作原理 強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。機組正常運行時，發(fā)電機電壓正常，KV3不動作，KM2不動作，其常閉主觸點閉合，將減磁電阻RJC短接。 當發(fā)電機甩負荷時，發(fā)電機電壓升高到額定值的115%時，KV3動作，其常開觸點閉合，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，使勵磁機勵磁電流迅速降低，實行強行減磁；另外KM2的輔助常開觸點閉合，點亮信號燈發(fā)出強減動作信號。當發(fā)電機電壓恢復正常時，電壓繼電器KM3返回，KV3常開觸點打開，K2、KM2失磁返回，強行減磁裝置復歸。 5.1.5 同步發(fā)電機的滅磁同步發(fā)電機的滅磁 發(fā)電機在運行中，如果發(fā)生定子繞組相間短路或匝間短路事故，

22、繼電保護會迅速將發(fā)電機從系統(tǒng)中切除，但發(fā)電機轉子還在旋轉，勵磁電流不能馬上消失，發(fā)電機仍產生感應電勢，會繼續(xù)向短路點提供電流，這將導致事故擴大和惡化。因此在繼電保護裝置將發(fā)電機斷路器跳閘后，還應迅速滅磁。 滅磁就是將發(fā)電機轉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；(2)滅磁過程中轉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，滅磁開關包括一組常開觸點和常閉觸點。當繼電保護動作時，通過發(fā)電機斷路器聯動斷開無磁開頭時，常閉觸點復歸，投入電阻進

23、行滅磁。根據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 當控制角在適當角度時，整流橋輸出負電壓，這時儲存在繞組中的能量開始反饋給交流電源，實現快速滅磁。5.1.6 常見的勵磁系統(tǒng)運行方式常見的勵磁系統(tǒng)運行方式1.恒電壓運行方式 恒電壓運行方式即按給定電壓運行的標準方式，該方式下當機端電壓U0波動時，發(fā)電機發(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.恒勵磁電流運行方式 恒勵磁電

24、流運行方式即按給定勵磁電流運行的方式。該方式調節(jié)的結果是使勵磁電流實際值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，從而達到搶發(fā)無功的目的。3.恒無功功率運行方式 恒無功功率運行方式即按給定無功功率的運行方式。在該運行方式下，發(fā)電機機組能保持穩(wěn)定的無功輸出。5.2 任務分析：選擇合適的勵磁系統(tǒng)任務分析：選擇合適的勵磁系統(tǒng) 為了更好地完成任務，必須對任務本身進行詳細的分析，首先結合模擬式勵磁系統(tǒng)的介紹分析勵磁系統(tǒng)的基本構成及原理，然后重點闡述數字式勵磁系統(tǒng)的結構及功能特點等，為應用數字式勵磁系統(tǒng)解決問題做好充分的準備。5.2.1 勵磁系統(tǒng)的基本構成勵磁系統(tǒng)

25、的基本構成 由于自并勵晶閘管勵磁系統(tǒng)具有接線簡單、設備少、占地面積小、運行可靠和便于制造等一系列的優(yōu)點，因而目前在同步發(fā)電機勵磁系統(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節(jié)單元兩大部分構成，再配上相應的輔助保護環(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原理方框圖勵磁裝置的功率單元從同步發(fā)電機取得電源，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行勵磁的。因此這種勵磁電源的能量從同步發(fā)電機機端取得，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)電機機端電壓互感器來的三相交流電壓，經過電壓測量變壓器降壓，再經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，就改變了被調電壓。測量比較環(huán)節(jié)通常由調差電路、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)電機電壓調節(jié)特性曲線從圖5.15中可看出，在機端電壓的變化量UG（如圖5.15中的UG），調差率小的發(fā)電機無功電流變化量比調差率大的發(fā)電機無功電流變化量大。因此當發(fā)電機調差率小時，無功電流受機端電壓變化影響大，機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；當發(fā)電機調差率調差率大時，無功電流受機端電壓變化影響小。所以調差率太小時，并列機組

28、將不能穩(wěn)定運行。調差電路的基本原理是：在測量回路中，附加一個與發(fā)電機定子電流成正比的電壓，使測量到的電壓隨發(fā)電機無功電流的變化而變化。在正調差情況下，當無功電流增加時，測量到的電壓增加，通過勵磁調節(jié)單元減少發(fā)電機勵磁電流從而降低發(fā)電機端電壓；當無功電流減少時，測量到的電壓減少，通過勵磁調節(jié)單元增加發(fā)電機的勵磁電流，從而提高發(fā)電機端電壓，同時改變了發(fā)電機的調差系數，達到無功電流的合理分配。如圖5.16（a）所示為調差電路接線圖，由電流互感器TA1、TA2、調差電阻R等組成 圖5.16調差電路接線圖【特別提示【特別提示】在模擬式勵磁調節(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成的集成元件比較整定電路。在微機勵磁控制器中，則由微機相應的軟件完成比較整定任務。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； 具有限幅功能，即給定有上限和下限的限制； 在開機和甩負荷時，能快速復歸到額定電壓； 具有就地和遠方兩種調節(jié)功能； 調節(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)和補償信號。因此，該環(huán)節(jié)要對多種直流信號進行綜合，即線性疊加，再進行放大。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。磁性元件構成的磁放大器是勵磁調節(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，時間常數較大，制作和調試都比較復雜，所以目前已經被淘汰。分立元件的晶體管直流放大器線路。勵磁調節(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、一級射極跟隨器構成的簡單晶體管直流放大電路。集成運算放大器線路。隨著集成電路技術的迅速發(fā)展，集成運算放大器作為一種通用性很強的功能部件，它具有運算精度高、快速靈敏、工作穩(wěn)定和調試方便等一系列優(yōu)點。因此,在勵磁調節(jié)單元的綜合放大環(huán)節(jié)中，集成電路運算放大器得到了越來越廣泛的應用。圖5.23 放大器輸出電壓與發(fā)電機電壓

32、的關系曲線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，在勵磁工程實際中集成觸發(fā)電路得到了廣泛的應用，集成觸發(fā)電路是在晶體管觸發(fā)電路的基礎上發(fā)展起來的，因此重點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、快速性和調節(jié)精度等。為了保證晶閘管準確可靠的觸發(fā)導通，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系。觸發(fā)電路產生的觸發(fā)脈沖應在交流電源每半周的同一時刻出現，以保證主電路中的晶閘管在每一周期的導通角相同（即晶閘管在每個周期導通的起點一致）。因此，為了保證同步，采取的技術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寬，從而達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載，觸發(fā)脈沖更應保證足夠寬度。因為在大電感負載下，晶閘管的導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，晶閘管將會重新關斷。觸發(fā)脈沖應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發(fā)一個脈沖；高頻脈沖列。由寬脈沖或雙窄脈沖經高頻調制而得。（3）移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的電路結構和工作原理電路結構。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電路構成。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，才能保證晶閘管導通，而且當控制電壓一定時，每個周期送出的第一個脈沖對應于陽極電壓的時刻都應相同，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系，稱為同步。本電路中由二極管V1、電容C1、R1與L等元件構成鋸齒波形成電路，實現觸發(fā)脈沖與功率單元之間的同步作用。b.晶體管開關電路晶體管開關電路主要由晶體管V3、脈沖變壓器TM等元器件構成構成，GB為晶管開關電供電電源它決定觸發(fā)脈沖功率，其中。3. 輔助保護環(huán)節(jié)（包括輔助控制環(huán)節(jié)和勵磁限制環(huán)節(jié)）輔助保護環(huán)節(jié)是指為發(fā)電機和勵磁裝置安全運行而設置的各種保護裝置和便于運行操作的附加裝置，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)電機轉子剩磁一般比較小，不能滿足自勵建壓的需要。因此要設置起勵單元供給發(fā)電機初始的勵磁電流，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。根據運行及試驗需要，自動調節(jié)勵磁裝置應設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。當電力系統(tǒng)無功容量剩余，發(fā)電機轉為進相運行時，為防止勵磁電流過分了降低，導致機組失去穩(wěn)定，危及發(fā)電機安全，故設置低勵限制單元。（4）過勵限制（又稱電流限制）單元。當電力系統(tǒng)電壓劇烈降低，強勵動作時，為了保護發(fā)電機和勵磁裝置的安全，把勵磁電流限制在安全范圍內，故設置過勵限制單元。5.2.2 數字式勵磁

38、系統(tǒng)數字式勵磁系統(tǒng)1. 數字式勵磁系統(tǒng)的主要類型、基本結構及原理1) 數字式勵磁系統(tǒng)的主要類型數字式勵磁系統(tǒng)的主要類型數字式勵磁系統(tǒng)核心控制器主要有位微機和位微機兩種類型，控制微機有單片機、嵌入式工控機和通用型工控機等類型。數字勵磁調節(jié)器的硬件結構型式是依據機組容量等級和所在電力系統(tǒng)的重要性進行選擇的，按通道數可分為：單通道數字式、雙通道數字式和多通道數字式勵磁系統(tǒng)。（1）單通道數字式勵磁系統(tǒng)中調節(jié)單元由單微機及相應的輸入輸出回路組成，有一個自動調節(jié)通道（）和一個獨立（或內含）手動調節(jié)器通道（）。這種形式在中小型水電站中應用較多。（2）雙通道數字式勵磁系統(tǒng)中調節(jié)單元由雙套微機為控制核心，由各自

39、完全獨立的輸入輸出通道構成兩個自動調節(jié)通道（）和內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現跟蹤功能。當工作通道故障時，備用通道能夠自動而且無擾動地接替故障通道工作。當2個自動調節(jié)通道向故障時，則通過手動通道控制。這種雙通道數字式勵磁系統(tǒng)通常用于大中型水電機組，以確保機組的連續(xù)、可靠和穩(wěn)定運行。（3）多通道數字式勵磁系統(tǒng)中調節(jié)單元主要有是以多微機構成多個自動通道，通常是三通道，工作輸出采用取的表決方式，多個微機間依據不同功能有不同分工，相互以通訊方式傳遞跟蹤各種信息。這種硬件結構型式由于結構相當復雜，目前在發(fā)電

40、廠中（中）實用價值不大。2）數字式勵磁系統(tǒng)的基本結構及原理）數字式勵磁系統(tǒng)的基本結構及原理數字式勵磁系統(tǒng)的基本結構如圖5.26所示 圖5.26 數字式勵磁系統(tǒng)基本結構（1）調差環(huán)節(jié)。為了使并聯運行的各發(fā)電機組按其容量向電網提供無功功率，以實現無功功率在各機組間穩(wěn)定、合理地分配，在勵磁調節(jié)單元的測量比較中設置了調差電路，用以改變發(fā)電機無功調節(jié)特性的斜率（發(fā)電機電壓調節(jié)特性如圖5-4所示）。(2) 信號測量環(huán)節(jié)。由發(fā)電機機端電壓互感器TV和定子電流互感器TA來的信號，調差后并經過數據采集和數據處理，轉換成05V的直流信號供微機輸入用。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雜。(3) 移相觸發(fā)及脈沖放大環(huán)節(jié)。勵磁調節(jié)單元中移相觸發(fā)模塊的任務是產生相位可調的脈沖，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，從而達到自動調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。移相觸發(fā)環(huán)節(jié)是勵磁調節(jié)單元的關鍵部件之一，它要求： 嚴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；要具有頻率自適應性能，即電網頻率變化時，觸發(fā)脈沖仍保持嚴格對稱；產生的觸發(fā)脈沖要有足夠的功率，前沿要陡，要有適當

42、的寬度。對于由單片機為主的勵磁調節(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行控制角延時和分相觸發(fā)方式這種方法由CPU承擔控制角延時，因而加重了CPU負擔，無法充分利用CPU時間，而且由于采樣中斷優(yōu)先級別高，CPU響應脈沖可能會關系到延時，而且頻率的自適應性較差，發(fā)電機頻率變化較大時，延時，分相將不正確。2）利用外部硬件鎖相環(huán)電路和比較器實現硬件延時、分相此種方法能與電網嚴格同步，技術也較成熟，但要用到較多的硬件，是目前比較通行的一種技術方案。3）利用計數器實現延時計數器可用單片機里的計時器，也可用外部的硬件計時器，通過軟件中斷分相，頻率的自適應性是通過測上一周波的頻率來實現

43、的，可達到與電網嚴格同步。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)電機的安全、可靠、穩(wěn)定運行，保護機組設備，要求勵磁系統(tǒng)對各種極限運行工況作出反應，為此，在勵磁調節(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. 數字式勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點目前，同步發(fā)電機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)電機單機容量和電網容量的不斷增大，電力系統(tǒng)及發(fā)電機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)模擬式勵磁調節(jié)器難以滿足如此高的性能要求。在這種情況下，隨著數

44、字控制技術、計算機技術及微電子技術的飛速發(fā)展和日益成熟，同步發(fā)電機采用數字式勵磁系統(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，數字式勵磁系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1) 由于計算機具有強大的計算和邏輯判斷功能，使得復雜的控制策略可以在勵磁控制中得以實現數字式勵磁系統(tǒng)除了可以實現模擬式勵磁系統(tǒng)的PID調節(jié)外，還可實現模擬式勵磁系統(tǒng)難以實現的模糊控制等復雜控制方式，從而豐富和增強了勵磁控制功能，改善了發(fā)電機的運行工況。(2) 調節(jié)、精度高，在線改變參數方便在數字式勵磁系統(tǒng)中，信號處理、調節(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、時間常數等控制

45、參數都由數字設定，比由模擬元件構成的調節(jié)參數要準確得多，而且參數穩(wěn)定性高，基本不存在因熱效應、元件老化等帶來的參數不穩(wěn)定問題。同時數字式勵磁系統(tǒng)在線調整、設定參數也比模擬式調節(jié)器方便，同時調節(jié)速度快，沒有模擬式調節(jié)器中電位器調整帶來的技術缺陷。(3) 利用計算機強有力的判斷和邏輯運算能力及軟件靈活性，可以在勵磁控制中實現完備的限制及保護功能數字式勵磁系統(tǒng)容易實現發(fā)電機恒無功運行和恒功率因數運行，能夠精確選擇正、負調差和調差率，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）限制以及各種保護功能。(4) 可靠性高，無故障工作時間長 由于采用雙微機自動跟

46、蹤，兩個通道互為熱備用，可實現自動切換，還可以在正常運行情況下檢修備用機，在軟件中實現自診斷和自復歸功能。由于調節(jié)控制規(guī)律由軟件實現，減少了硬件電路，因勵磁調節(jié)單元故障維修而帶來的停機時間大大減少。(5) 通信方便無論在水電廠還是火電廠數字式勵磁系統(tǒng)是電廠微機綜合自動化系統(tǒng)不可缺少的組成部分。數字式勵磁調節(jié)器可與上位計算機通信，通過上位計算機可直接改變機組給定電壓值，非常簡便地實現全廠機組的無功調節(jié)及母線電壓的實時控制。(6) 便于產品更新換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雜程度，通常只需要在軟件上加以改進，硬件不需做很大的改動，因而便于產品升級換代。

47、正是上述這些優(yōu)點，使數字式勵磁系統(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)作為數字式勵磁系統(tǒng)中主要類型之一，其總體結構如圖5.27所示，整個系統(tǒng)除了由三相全控橋構成的功率單元以外，主要部分就是以PLC為核心的勵磁調節(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)結構和功能如下： 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、機端電壓、定子電流、轉子電流，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勵。一路取自機端勵磁專用調節(jié)變壓器（TV1），一路取自勵磁電壓互感器或取自機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)可以實現下述勵磁控制功能：a、 分兩個通道工作，正常時自動通道運行，故障時切換到備用通道運行。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節(jié)運行方式運行，兩種方式可在線無擾動切換。當發(fā)生PT斷線時自動切換到恒勵磁電流運行方式

49、運行；c、采用軟件設定電壓給定值或勵磁電流給定值。當發(fā)生斷路器跳閘時，機端電壓能穩(wěn)定在額定值，不會發(fā)生過電壓現象；d、正常停機時逆變滅磁，轉速低于規(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、風機停轉時的勵磁電流限制功能；f、具備空載過壓保護功能、PT斷線檢測，還具有保護功能和模擬量采集的軟件數字濾波功能；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自身的模塊化結構使得計數頻率不高、中斷速度不快等特點，難于用常規(guī)方法實現移相觸發(fā)，因此考慮采用硬件移相電路實現在具體

50、的PLC勵磁調節(jié)單元中，采用了集成相控芯片TC787來實現移相。由于TC787具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等特點，應用TC787的移相觸發(fā)電路完全能滿足PLC微機勵磁系統(tǒng)中移相觸發(fā)的要求，應完全能夠實現PLC勵磁調節(jié)器的移相功能。5.3 任務的解決方案引言引言 在前面對任務進行詳細分析的基礎上，通過引入數字式勵磁系統(tǒng)的典型方案NWLC-3C型可編程勵磁裝置來高效完成任務5。本單元將詳細解析NWLC-3C型可編程勵磁裝置的結構、工作原理及相關操作，進而全面闡述數字式勵磁系統(tǒng)如何高效精確地完成勵磁系統(tǒng)的核心任務向發(fā)電機的轉子繞組提供一個可調的直流電流，同時介

51、紹PLC勵磁調節(jié)單元的運行操作。 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，具有運算速度快、功能強、指令豐富和程序容量大等特點，能實現更多功能軟件化。同時，由于采用模塊化設計，使其擴展方便，其軟件特有的梯形圖編程比其它的機算機語言更簡單易學。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。在正常停機時采用逆變滅磁，故障時采用滅磁開關加線性滅磁電阻無磁?，F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。當控制角=60時，輸出電壓波形見圖5.29 (b)，各相正、負側晶閘管的觸發(fā)脈沖滯后于自然換相點60出現，例如在2點之前VS5、VS6導通，在2點時刻us1觸發(fā)VS1，同時給VS6補發(fā)觸發(fā)脈沖，這時VS1導通，VS5關斷。交流相電壓中畫陰影部分表示導通面積。綜上分析可知：當控制角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，當線電壓瞬時值為零并轉負值時，由于電感的作用，導通著的晶閘管繼續(xù)導通，整流輸出為負的電壓波形，

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可知，90是逆變區(qū)，負載輸出直流平均電壓為負值；當=180時，Udo=-2.34E，為負最大值。負電壓值越大，表示能量釋放給電網越快。但實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，即直流側換極性，交流側不換極性，換流失敗，使晶閘管元件過熱而燒毀。因此發(fā)電機使用三相全控橋進行逆變滅磁時，必須使最小逆變角大于換流角及晶閘管關斷角OFF之和，根據經驗min=2530。因此，當需要發(fā)電機轉子快速滅磁時，要把控制角

54、限制在150155范圍，以確保逆變成功。5.3.2 PLC勵磁調節(jié)單元1. PLC勵磁調節(jié)單元的總體結構及主要特點NWLC-3C勵磁調節(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。勵磁調節(jié)單元框圖如圖5.30所示。圖5.30 勵磁調節(jié)單元框圖PLC勵磁調節(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、信號轉換及模擬調節(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的CQMIH系列PLC，具有運算速度快，功能擴展方便，程序容量大的特點，勵磁調節(jié)單元具備簡潔的硬件結構，采用多通道模式和

55、無擾動切換，總體結構簡單，維護方便。PLC勵磁調節(jié)單元主要特點如下：第一，設計了近方和遠方兩種操作方式，無論是在現場還是在中控室，均能實現勵磁系統(tǒng)的全方位控制。第三，可選配RS485通訊接口，把PLC采集的發(fā)電機參數和勵磁系統(tǒng)參數實時傳送出來，實現實時監(jiān)控。（1）勵磁勵磁調節(jié)單元核心單元可編程序控制器PLC勵磁調節(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轉換成數字量。轉換的模擬量包括：發(fā)電機端電壓、有功功率、勵磁電流、無功功率。2) 采用PID算法

56、，同時通過軟件實現了起勵、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D/A模塊轉換成模擬量，即控制電壓。4) 采用RS485或RS422標準通訊，與上位計算機組成監(jiān)控系統(tǒng)（2）輸入輸出模塊1）開關量輸入模塊。開關量輸入模塊是PLC接收外部輸入的開關量信號的窗口。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，外部觸點接通時對應的寄存器為“1”狀態(tài)。輸入端外接的觸點可以是常開的，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）開關量輸出模塊開關量輸出模塊用來將PLC的輸出信號傳至輸出端子上

57、，驅動外部負載。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上實現。下面以U相為例說明脈沖的產生和移相過程：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腳在對應交流同步信號電壓正半周內輸出一脈沖Q2，14腳在對應交流同步信號電壓負半周內輸出一脈沖Q1。10腳接有電容C3。由其內電源恒流充電，在C3上鋸齒波的斜率和線性度?？刂齐妷篤K和鋸齒波的交點為產生脈沖Q1、Q2的時刻，改變控制電壓UK就改變了產生脈沖的時刻，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、強等特點，工作電壓為DC24V，顯示區(qū)域大小為6英寸。（5）PLC勵磁調節(jié)單元的電源系統(tǒng)NWLC-3C型勵磁調節(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節(jié)器的工作，但交流電源消失冷卻風機將停轉。電源系統(tǒng)框圖如圖5.37所示。圖5.37調節(jié)器電源系統(tǒng)框圖 2. PLC勵磁調節(jié)單元的控制方式及性能指標 （1）PLC勵磁調節(jié)單元的控制方式PLC勵磁勵磁調節(jié)單元根據發(fā)電機端的電壓及無功負荷調節(jié)和控制發(fā)電機的勵磁電流，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)電機端電壓的偏差進行控制，恒定發(fā)電機端電壓；二是按發(fā)電機勵磁電流偏差進行控

60、制，恒定發(fā)電機勵磁電流。本勵磁裝置共有兩個勵磁調節(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進行切換。2）PLC通道和備用通道共用增減磁操作開關，無論在現場或中控室都能進行增減磁操作，以控制發(fā)電機的電壓或無功功率。3）備用通道是模擬調節(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。兩種模式可以實現無擾動切換。正常運行應以恒壓模式為主，恒壓模式故障或需要恒定發(fā)電機勵磁電流的特殊工況時才采用恒流模式。（2） PLC勵磁調節(jié)單元能達到的性能