电力系统自动装置 课件 第5章同步发电机自动调节励磁装置

电力系统自动装置福建水利电力职业技术学院第5章

同步发电机自动调节励磁装置

重点

可控整流电路的工作原理

微机励磁调节器的构成原理教学目的：熟悉励磁系统的任务、基本要求、励磁方式；掌握可控整流电路原理；熟悉自动调节励磁装置构成原理；理解强行励磁概念及衡量性能指标；理解灭磁的概念、基本要求、方法；理解并联运行发电机间无功负荷分配原则；熟悉微机励磁调节装置特点、硬件组成，掌握软件原理。5.1

同步发电机励磁系统的任务和基本要求5.1.1励磁系统的任务指与同步发电机励磁电压的建立、调整及必要时使其电压消失的设备和电路构成的系统。励磁系统

定义5.1.1励磁系统的任务励磁系统励磁功率单元励磁调节装置

励磁功率单元向同步发电机的励磁绕组

，提供可靠的直流励磁电流

根据发电机及电力系统运行的要求，在接收到相关信息后自动调节励磁功率单元输出的励磁电流，来达到调整发电机端的相关量的目的。5.1.1励磁系统的任务1.系统在正常运行时维持机端电压或系统中某点电压水平(1)发电机单机运行

对于单独运行的发电机来讲，引起端电压变化的主要原因是无功电流的变化，要保持发电机端电压不变，应调整励磁电流.5.1.1励磁系统的任务2.对并联运行机组间的无功功率进行合理分配

发电机与无穷大系统并联运行发电机输出的有功功率保持不变时，有:当发电机并联于无穷大系统时，改变励磁电流，将会引起发电机输出无功功率的变化。5.1.1励磁系统的任务3.提高电力系统运行的稳定性

(1)提高电力系统的静态稳定性

当系统电压不变时，提高发电机的励磁电流，即增大发电机的感应电势，可使发电机的功角特性曲线上移，在相同的功角下，使发电机输出的有功功率增大，从而可保证发电机运行的稳定性。5.1.1励磁系统的任务(2)改善电力系统暂态稳定性

发电机暂态稳定的面积定则

提高同步发电机的强励能力，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性最经济、最有效的手段之一。5.1.1励磁系统的任务4.改善电力系统的运行条件

改善电力系统的运行条件(1)系统短路时进行强行励磁，增加短路电流，提高继电保护的灵敏度，加速系统电压的恢复过程，改善异步电动机的自起动条件。(2)限制水轮发电机突然甩负荷时电压迅速上升。机组突然甩负荷时，进行强减，抑制电压的上升。(3)发电机内部故障时，快速灭磁。5.1.2对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求（1）正常运行时，能按发电机端电压的变化自动调节励磁电流，维持给定电压水平。（2）系统事故时，具有强行励磁功能，强励性能指标。（3）对并列运行的发电机，要求励磁调节器能稳定合理分配机组间的无功功率。（4）装置结构简单可靠，动作快，调节稳定。5.1.2对励磁系统的基本要求对励磁功率单元的要求（1）具有足够的调节容量（2）具有足够的励磁顶值电压和励磁电压上升速度要求励磁功率单元具有足够的调节容量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁时，可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压之比称为强励倍数，一般取1.6-2。励磁电压上升速度:指励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率。5.2

同步发电机励磁系统5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（1）（2）优点励磁电源独立，可靠性较高技术较成熟，调节方便1.直流励磁机供电的励磁方式

5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（1）（3）缺点碳刷、换向器易磨损，甚至产生环火，维护麻烦同轴直流励磁机影响整个机组长度，增加厂房投资（2）调节速度慢，换向器容量有限5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（1）自励式直流励磁机系统

（2）他励式直流励磁机系统5.2.1

同步发电机常见的励磁方式2.交流励磁机经整流供电的励磁方式

交流励磁机特点：结构简单，工作可靠性高，维护工作少，根除了环火冒火花问题。

因整流器可以是二极管或是晶闸管，所用整流设备可以是静止或是旋转的，因此这种励磁方式有：

交流励磁机——静止二极管

交流励磁机——静止晶闸管

交流励磁机——旋转二极管

交流励磁机——旋转晶闸管5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（1）交流励磁机——静止二极管励磁方式

为提高励磁响应速度，提高励磁系统运行的可靠性，一般主励磁机采用100Hz、副励磁机采用500Hz的感应子交流发电机。感应子交流发电机的交流绕组、励磁绕组均置于定子侧，转子上无任何绕组，只有齿和槽，无电刷和滑环。转子转动时，借助磁阻变化使交流绕组内的磁通发生变化，从而感应出交变电动势。5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（2）交流励磁机——静止晶闸管励磁方式

这种励磁方式中AER直接控制同步发电机的励磁电压，所以可得到较高的励磁响应速度5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（3）交流励磁机——旋转二极管励磁方式

这种励磁方式取消了转子滑环，但同步发电机的励磁调节还是通过励磁机GE1来实现，其励磁响应速度与（1）相当；存在着转子电压和电流的监测、转子绕组绝缘监视、旋转整流设备保护等问题。所以这种励磁方式应用较少。5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（4）交流励磁机——旋转晶闸管励磁方式

这种励磁方式具有励磁响应速度快、无刷的特点，还可对发电机实现逆变灭磁。但这种励磁方式要将静止的AER的控制触发脉冲可靠正确的传送到旋转晶闸管上，一般可通过旋转变压器或控制励磁机来实现，技术要求相比传送到静止晶闸管上要高。也存在着与旋转二极管整流励磁同样的问题。所以这种励磁方式在大型发电机组上尚未获得应用。5.2.1

同步发电机常见的励磁方式3.自并励静止励磁方式

（1）（3）优点励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，设备维护简单，可靠性高直接利用晶闸管取得励磁功率控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度。（2）取消了励磁机，可缩短主轴长度，减小基建投资；

发电机自并励系统中发电机的励磁电源不用励磁机，直接由同步发电机输出端通过可控整流器取得励磁电流。因这种励磁装置没有转动部分，又称静止励磁系统。5.2.1

同步发电机常见的励磁方式（1）存在问题发电机机端附近发生短路故障时能否强励（2）发电机继电保护能否可靠动作

随着系统容量的扩大，自并励励磁方式的优点更加明显。因此发电机的自并励励磁方式在中、大型同步发电机组上得到了广泛应用。5.2.2

励磁电流的调节方法

同步发电机在运行过程中，为适应系统运行的要求，励磁电流应根据系统运行情况作相应的调整。通常调整的方法有：

可通过改变励磁机励磁回路电阻R就能改变励磁机的励磁电流，从而改变励磁机的端电压，也相应调节了发电机的励磁电流。

通过改变励磁机附加励磁电流来实现调节发电机的励磁电流。（1）改变励磁机励磁回路电阻（2）改变励磁机的附加励磁电流

励磁系统通过AER改变晶闸管的导通角调节发电机的励磁电流。（3）改变晶闸管的导通角5.2.3

励磁电流的调节方式

励磁电流的调节方式按调节原理来区分，可分为按电压偏差的比例调节和补偿调节两种方式。

为了调节发电机的端电压，必须测量端电压的变化值；测量机构的输出电压KUG与UG成正比；比较回路电压偏差

，当电压偏高时，

为负；电压偏低时，

为正。放大机构按照

的大小和方向进行放大，通过执行机构使励磁电流向相应方向调整，控制发电机的电压值。被调量与整定值的偏差越大，调节作用越强，这就是按电压偏差的比例调节。

AER按电压偏差的比例调节方式应用相当普遍。（1）按电压偏差的比例进行调节5.2.3

励磁电流的调节方式

同步发电机由于电枢反应的存在，在励磁电流保持不变的情况下，同步发电机的端电压受定子电流和功率因数变化的影响。在滞后功率因数下，机端电压随定子电流的增大而下降；在同样的定子电流下，功率因数越低，机端电压降得越多。

如果提供发电机的励磁电流与定子电流、功率因数有关，则构成了定子电流、功率因数的补偿调节。因为当定子电流增大、功率因数降低（滞后）时，励磁电流相应增大，补偿了机端电压的降低。实际上，这种补偿调节提供的励磁电流与成正比，虽然一定程度上补偿了定子电流、功率因数变化时对电压的影响，但对机端电压来讲，这种补偿调节带有盲目性。

目前，按定子电流、功率因数的补偿调节方式几乎不采用了.（2）按定子电流、功率因数的补偿调节本节小结1)同步发电机励磁系统的任务2)对励磁系统的基本要求3)同步发电机励磁方式的类型及特点启示工程案例

从三峡水电站的单机容量70万千瓦，到金沙江领域的白鹤滩水电站的自主研发单机容量100万千瓦机组，位居世界第一，在国际水电站建设方面处于遥遥领先的地位；更值得一提的是，白鹤滩水电站的机组每一个部件甚至是小小的螺丝都是中国自主研发设计制造的。100万千瓦机组精确并列操作投入电网运行，也是中国工程师们追求卓越、精求技能的大国工匠精神的体现。白鹤滩水电站

5.3

可控整流电路5.3

可控整流电路同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是：将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。可控整流电路通常采用三相半控桥式整流电路或三相全控桥式整流电路。5.3.1三相半控桥式整流电路晶闸管导通条件：阳极电位高于阴极，并在控制极上加正向触发脉冲晶闸管截止条件：通过电流小于维持电流，或阴极电位高于阳极5.3.1三相半控桥式整流电路1.控制触发脉冲的移相要求

1)任一相触发脉冲应滞后本相相电压30°～210°2)触发脉冲的次序：a相、b相、c相，间隔120°3)移相触发电路的工作电源应与晶闸管阳极电压同步5.3.1三相半控桥式整流电路2.输出电压波形输出电压波形特点：（1）当0°〈α〈60°时，波形连续，一周内有六个波头，其中缺口、波峰与α有关（2）当60°〈α〈180°时，波形出现间断5.3.1三相半控桥式整流电路3.续流管VD4的作用

（1）（2）在晶闸管阳极电压过零时，由于感性负荷在电流下降时产生自感电势，使原来导通的晶闸管造成续流，无法关断。若控制角从较小值突增至，因自感电势的续流作用，会造成“失控”现象。5.3.1三相半控桥式整流电路4.输出电压与控制角α关系

5.三相半控桥式整流电路的保护1)过电流保护：采用快速熔断器原因：主要是负载过载、短路等2)过电压保护：采用阻容元件、压敏电阻原因：a.变压器一次侧的拉、合闸有可能在二次侧感应过电压原因：b.励磁装置的直流侧负载突然断开，因交流输入回路有电感存在，也会在二次侧引起过电压原因：c.换相过电压5.3.2三相全控桥式整流电路5.3.2三相全控桥式整流电路1.控制触发脉冲的移相要求

1)任一相触发脉冲应滞后本相相电压30°～210°2)触发脉冲的次序：a、-c、b、-a、c、-b，间隔60°3)移相触发脉冲的工作电源应与晶闸管阳极电压同步

5.3.2三相全控桥式整流电路2.整流工作状态

当α〈60°时，输出电压有瞬时值均大于零的连续波形当60°〈α〈90°时，输出电压是正负交替的两部分，其平均值大于零当α=90°时，输出电压平均值为零当90°〈α时，输出电压平均值小于零5.3.2三相全控桥式整流电路3.逆变工作状态

(1)逆变的作用：将直流侧电感储存的能量向交流侧倒送，即可实现对发电机的自动灭磁5.3.2三相全控桥式整流电路(2)逆变的条件

1)感性负荷并已储存能量2)90°〈α时，输出电压平均值小于零3)逆变时交流侧电源不得中断5.3.2三相全控桥式整流电路4.输出电压与控制角的关系

三相全控桥式整流电路在电感性负载时，输出电压平均值为：5.3.2三相全控桥式整流电路（1）（3）从整流状态过渡到逆变，励磁电流方向不变，但励磁电压的方向反转。灭磁速度与逆变角β大小有关。（2）逆变必须有足够高的电源电压才有效，由于整流桥交流侧电压随停机过程衰减，故逆变灭磁是一种衰减的逆变过程，电压衰减后，灭磁效果变差，使灭磁时间拖长。逆变灭磁的特点5.3.3可控整流电路保护

可控整流桥的过电流保护是每个晶闸管串联快速熔断器,当发生过电流时快速熔断器熔断，起到保护作用。每个快速熔断器两端跨接一个熔断指示器，正常时熔断指示器上无电压；快速熔断器熔断后，熔断指示器上显示电压，动作发出信号，指示出具体快速熔断器的位置。

励磁变一次系统的操作，会在励磁变二次侧产生过电压；励磁变高压侧拉闸也会在二次侧产生过电压。为避免整流桥不受过电压损坏，在整流桥交流侧需设置过电压保护。1.过电流保护与均流措施2.交流侧过电压保护5.3.3可控整流电路保护

整流桥交流侧过电压保护如图所示，其中三角形连接的有足够能容的由氧化锌阀片组成的非线性电阻NR，用于抑制过电压幅值；三角形连接的阻容吸收网络电路用以吸收过电压产生的能量。5.3.3可控整流电路保护

励磁装置的直流侧负载突然断开，因交流输入回路有电感存在，也会在二次侧引起过电压；晶闸管工作因换相引起过电压。所以在每个晶闸管的阳极与阴极之间并联一组阻容元件，用以吸收过电压；整流桥的输出端并联由氧化锌阀片组成的非线性电阻，用于抑制过电压幅值。3.直流侧过电压保护5.4同步发电机的强行励磁与灭磁定义5.4.1同步发电机的强行励磁

电力系统发生短路故障或其它原因引起发电机端电压急剧下降时，发电机端电压降至80~85%时，迅速将发电机励磁电流增至最大值。强行励磁

5.4.1同步发电机的强行励磁（1）（3）提高电力系统的暂态稳定性提高继电保护的动作灵敏度（2）加快故障切除后的电压恢复过程强行励磁的作用（4）改善异步电动机的自起动条件5.4.1同步发电机的强行励磁强行励磁性能的衡量指标1.强励倍数指强励时达到的最高励磁电压与额定励磁电压之比5.4.1同步发电机的强行励磁2.励磁电压响应比指在强励过程中,Δt内励磁电压等速上升的数值与额定励磁额定电压之比。励磁电压响应比：5.4.1同步发电机的强行励磁5.4.2同步发电机的灭磁

（一）何时要灭磁、灭磁的含义1、何时要灭磁在发电机或发电机变压器组内部发生故障时，保护将断路器跳开后，还应迅速灭磁。2、灭磁指将发电机转子绕组的磁场尽快减弱到最小程度。5.4.1同步发电机的强行励磁（二）对灭磁装置的基本要求

基本要求1、灭磁时间要短2、灭磁过程中转子绕组的电压不能超过允许值5.4.2同步发电机的灭磁（一）励磁绕组对线性放电电阻灭磁灭磁过程：灭磁时，灭磁开关Q跳闸，触头Q2先闭合，使励磁绕组GLE接入放电电阻Rm，然后触头Q1断开，可防止励磁绕组切换到放电电阻时由于开路而产生危险的过电压。Q1断开后，励磁绕组通过Q2对Rm放电，灭磁开始。

灭磁特点：利用常规电阻放电来灭磁的方法，其灭磁速度较慢

5.4.2同步发电机的灭磁（二）利用全控整流桥逆变灭磁灭磁过程：当需要灭磁时，将全控桥的控制角α后退到最小逆变角，全控桥就可以从“整流”状态过渡到“逆变”状态。在逆变状态下，励磁绕组中储存的能量就逐渐被反送回交流电源侧。由于励磁绕组是无源的，随着储存能量的衰减和逆变电流的降低，逆变过程将随之结束。灭磁特点：这种灭磁方式由于能量直接通过逆变桥从直流侧反送到交流侧，所以不需要灭磁开关。它具有接线简单、经济等优点。应用范围：只适合于励磁电源采用全控桥整流的机组。5.4.2同步发电机的灭磁（三）利用灭弧栅灭磁利用灭弧栅灭磁的实质是将磁场能转换为电弧能，消耗于灭弧栅片中。特点及应用范围：灭弧栅灭磁速度快，广泛应用于大、中型发电机组中。5.4.2同步发电机的灭磁（四）利用非线性电阻灭磁灭磁过程：灭磁指令发出后，灭磁Q开关跳开，由于转子励磁绕组电感的作用，Rn的端电压迅速升高，当达到Rn的导通电压值时，Rn的阻值迅速下降到很小值，电流in快速增大。当in等于励磁绕组回路中的励磁电流时，Q的电弧熄灭，整个回路完成“换流”。这样，所有能量将在Rn和励磁绕组内阻上消耗掉。灭磁特点：

灭磁速度基本恒定5.4.2同步发电机的灭磁近年来，国内外已普遍采用双断口直流开关(双断口磁场断路器)，配以非线性电阻的方法来灭磁。非线性电阻采用氧化锌元件，有良好的压敏特性，灭磁过程中两端电压始终维持在灭磁电压控制值上，因此非常接近理想灭磁，灭磁速度快；氧化锌元件作为过电压保护元件，过电压动作值可灵活整定；氧化锌元件非线性电阻系数很小，正常电压下漏电流很小，可直接跨接在励磁绕组两端，灭磁可靠；采用双断口直流开关，灭磁过程中励磁电源与励磁绕组完全断开，有利于加快灭磁过程；为能可靠灭磁，非线性电阻的总能容应大于励磁绕组的最大储能。因此，这种灭磁方法具有灭磁速度快、灭磁可靠、结构简单、运行维护方便、灭磁过电压动作值可灵活整定等特点。双断口直流开关、非线性电阻灭磁的原理图5.4.2同步发电机的灭磁

发电机的灭磁实际上是将励磁绕阻储存的能量消耗掉。采用线性电阻灭磁时，是将励磁绕阻储存的能量转变为热能，并消耗在该电阻上；采用可控整流励磁系统中的逆变灭磁，是将励磁绕阻储存的能量馈送给励磁电源；采用灭弧栅灭磁时，是将磁场能转换为电弧能，并消耗于灭弧栅片中；采用非线性电阻灭磁时，是将能量在和励磁绕组内阻上消耗掉。

5.5

并联运行发电机间无功负荷分配5.5.1

具有AER发电机的外特性发电机的调整特性是指发电机在不同电压值时其励磁电流与无功负荷的关系曲线。1.调差系数的概念5.5.1

具有AER发电机的外特性调差系数定义为：1）

时，为正调差系数，特性曲线下倾；2）

时，为负调差系数，特性曲线上翘；3）

时，为无差特性，特性曲线呈水平。在励磁调节器中设置调差单元可以进行发电机外特性的调整,设置测量比较单元调整基准电压可以平移发电机外特性。2.调差环节的作用5.5.1

具有AER发电机的外特性调差系数的物理概念正调差系数负调差系数无功电流增大时，调节器AER感受的电压在上升（相当于发电机电压虚假升高），于是AER降低发电机的励磁电流，驱使发电机电压降低，得到下倾的外特性曲线。无功电流增大时，调节器AER感受的电压在下降（相当于发电机电压虚假降低），于是AER增大发电机的励磁电流，驱使发电机电压升高，得到上倾的外特性曲线负调差特性主要用来补偿变压器或线路压降，维持高压侧并列点的电压水平，所以负调差环节也称电流补偿环节。5.5.1

具有AER发电机的外特性3.调差系数的整定在微机励磁调节装置中采用的调差公式为一般用无功功率Q代替无功电流

，即当

时,无功功率Q上升导致

下降，使发电机端电压下降，即为正调差；当

时，无功功率Q上升导致

上升，使发电机端电压上升，即为负调差。国标规定励磁调节器的调差系数可调范围为士10%，而电力系统运行要求机组并列点的调差系数应整定为3%～5%。5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配1．两台正调差特性机组并联运行两机组能稳定并联运行，并可维持无功电流的稳定分配，其分配比例与调差系数有关。要使并联机组的无功电流增量按机组容量分配，则要求各机组具有相同的调差系数，即两机组的外特性相同。5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配2.一台无差特性与一台有差特性机组并联运行一台无差特性的发电机可以和一台或多台正调差特性的机组在同一母线上并联运行。但无功功率分配不合理，在实际中很少采用。5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配3．一台正调差特性的机组与一台负调差特性机组并联运行当系统中无功负荷变化(如增大)，无功功率在两机组间发生摆动，不能稳定分配，因此不允许负调差特性机组直接参与并联运行。5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配4.发电机经升压变压器后并列运行

发电机的调差特性可以为负调差计及变压器压降同相位5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配若增大负的调差系数，其大小正好补偿变压器阻抗上压降，这样调节器可以维持高压母线电压恒定5.5.2并联运行发电机间无功负荷分配3．一台正调差特性的机组与一台负调差特性机组并联运行当系统中无功负荷变化(如增大)，无功功率在两机组间发生摆动，不能稳定分配，因此不允许负调差特性机组直接参与并联运行。5.6

微机型自动调节励磁装置5.6

微机型自动调节励磁装置励磁控制系统功能框图

调差单元：由测量TV、TA和电阻组成调差电路，并灵敏反映无功功率。测量比较单元：将来自调差单元的电压与给定值比较，输出一个直流电压偏差信号。综合放大单元：能线性地综合测量、反馈以及限制等各种信号，并将其放大，以得到适应移相触发单元所需要的控制电压。同步与移相触发单元：将放大单元的信号转换为相角可以移动的触发脉冲，来改变可控硅的导通角控制整流桥的输出。

励磁控制系统由调差、测量比较、综合放大、移相触发、可控整流等单元基本控制和辅助控制部分组成5.6.1

微机型AER的特点

（1）

硬件简单，可靠性高

（2）

硬件易实现标准化，便于产品更新换代

（4）通信方便

（5）显示直观

（3）

便于实现复杂的控制方式利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中实现复杂的控制方式，如：最优控制、自适应控制、人工智能等。可以通过通信总线、串行接口或常规模拟量方式方便灵活地接入电站的计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。发电机的各种运行状态、运行参数、保护定值等都可以通过显示面板的数码管显示5.6.1

微机型自动调节励磁装置的特点微机励磁调节器的方案1）单微机带模拟通道励磁调节器，微机通道为主，模拟通道为从。2）双微机励磁调节器。双通道切换采用：在软件上设有自检程序，硬件上设看门狗电路，运行通道出现故障时自动退出，由备用通道无痕迹投入。3）三微机励磁调节器。4）外部总线式微机励磁调节器。

5.6.2微机型AER的构成微机型AER由硬件(即电气元件)软件(即程序)硬件的基本配置由主机、输入输出接口和输入输出过程通道等环节组成。软件由监控程序和应用程序组成（一）硬件电路微机型AER框图5.6.2微机型AER的构成1.主机

由微处理器CPU、RAM、ROM存储器等器件组成主机，主机是调节器的核心部件。

根据输入通道采集的发电机运行状态变量的数值在CPU中进行调节计算和逻辑判断，并将实时采样数据、控制计算过程中的一些中间数据和主程序中控制用的计数值等存放在可读写的存储器RAM中，将固定数据、设计值、应用软件和系统软件等则事先固化存放在只读存储器ROM或EPROM、EEPROM中。按照预定的程序进行信息处理求得控制量，通过数字移相脉冲接口电路发出与控制角对应的脉冲信号，实现对发电机励磁电流的控制。

5.6.2微机型AER的构成2.模拟量输入通道

模拟量信号采集1)母线电压，仅作起励时跟踪母线电压用。2)机端电压，通常取自机端两只不同TV，以防TV断线引起误强励。3)定子电流，取自机端出口电流互感器TA。4)转子电流，从励磁变压器副方电流互感器取得。5)有功、无功和功率因数，均可通过采样到的电流、电压信号，经计算得到。5.6.2微机型AER的构成电压实部表示为：交流采样:一般每周期采用12点采样法,三相分别采样,最后取平均值。根据傅氏算法计算为：电压虚部表示为：电压幅值：有功功率：无功功率：5.6.2微机型AER的构成3.开关量输入/输出通道

因励磁调节器需要采集发电机运行状态信息，如发电机断路器跳合信号、灭磁开关跳合信号、风扇起停信号、快速熔断器信号和手动自动切换信号。这些状态信号经转换后与数字量输入接口电路连接。励磁系统运行中异常情况的告警或保护等动作信号从接口电路输出后，驱动相应的设备，如灯光、音响等。5.6.2微机型AER的构成4.接口电路

在计算机控制系统中，输入、输出通道必须由接口电路来完成两者间传递信息的任务。励磁调节器除采用通用的接口电路如并行和管理接口(中断、计数／定时)外，还设置了监控盘台连接的接口电路、专用的数字移相脉冲特殊接口。5.6.2微机型AER的构成5.脉冲输出通道

同步和数字触发控制电路是微机励磁调节器的一个专用输出过程通道。作用是将计算机计算出来的、用数字量表示的晶闸管控制角转换成晶闸管的触发脉冲

输出的控制脉冲信号需经中间放大、末级放大后，才能触发大功率晶闸管控制其输出电流5.6.2微机型AER的构成6.运行操作设备

励磁调节器有一套供运行人员操作的控制设备，用于增、减励磁和监视调节器的运行。另外还有供程序员使用的操作键盘，用于调试程序、设定参数等。

5.6.2微机型AER的构成(二)软件框图

微机励磁调节器的软件应用程序监控程序

是计算机系统软件，主要为程序的编制、调试和修改等服务，而与励磁调节没有直接关系，但仍作为软件的组成部分安置在微机励磁调节器中包括主程序和调节控制程序，是实现励磁调节和完成数据处理、控制计算、控制命令的发出及限制、保护等功能的程序，以及用于实现交流信号的采样及数据处理、触发脉冲的软件分相和机端电压的频率测量等功能5.6.2微机型AER的构成1．主程序的流程及功能

在主程序中主要由系统初始化、开机条件判别及开机前设置、开中断、故障检测及检测设置、终端显示和人机接口命令过程构成。5.6.2微机型AER的构成系统初始化就是在微机励磁调节器接通电源后、正式工作前，对主机以及开关量、模拟量输入输出等各个部分进行模式和初始状态设置，包括对中断初始化、串行口和并行口初始化等。5.6.2微机型AER的构成开机条件判别及开机前设置流程图首先判别是否有开机命令。若无开机命令，则检查发电机QF分、合状态。若发电机QF“分”，表明发电机尚未具备开机条件，程序转入开机前设置，然后重新进行开机条件判别；若发电机QF“合”，则表明发电机已并入电网运行，转速一定在95％以上，程序退出开机条件判别。若有开机命令，则反复不断地查询发电机转速是否达到95％，一旦达到了，表明开机条件满足，结束开机条件判别，进入下一阶段。5.6.2微机型AER的构成开机前设置主要是将电压给定值置于空载额定位置以及将一些故障限制复位。主程序中“开中断”环节表示微机励磁调节器在此将调用各种调节控制程序实现各种功能。开中断后，中断信号一出现，CPU即中断主程序转而执行中断程序，中断程序执行完毕，将返回主程序继续执行。故障检测是实现TV断线判别、工作电源检测、硬件检测信号、自动恢复等。检测设置就是设置了一个标志，表明励磁系统已经出现了故障，以便执行故障处理程序。终端显示程序将需要监视的量从计算机存储器中按一定格式送往终端显示。人机接口命令程序实现对电压偏差的比例积分微分(PID)调节参数、调差系数等参数在线进行修改。5.6.2微机型AER的构成2．调节控制程序的流程和功能

晶闸管全控桥式整流电路，每周期内触发6次，对50Hz工频的励磁电源则每秒触发300次。为了满足这种实时性要求，中断信号每隔60°出现一次，每次中断间隔时间约3.3ms。要在每个中断间隔时间内，执行完所有的调节控制计算和限制判别等程序是不可能的。程序采用分时执行方式，在每周期的6个中断区间，分别执行不同的功能程序。这6个中断区间以同步信号为标志。5.6.2微机型AER的构成进入中断以后，首先压栈保护现场，将被中断的主程序断点和寄存器的内容保护起来，以便中断结束后返回到主程序断点继续运行。接下来查询是否有同步信号。（1）若没有同步信号则表示没有励磁电源，不执行调节控制程序，退出中断。（2）若有同步信号则查询是否有机组故障信号。一旦查询到机组故障信号便转入逆变灭磁程序。空载逆变条件有：①有停机令；②发电机机端电压大于130％额定电压；③发电机频率低于45Hz。5.6.2微机型AER的构成5.6.2微机型AER的构成3．电压调节计算

电压调节计算流程（1）采样程序（2）调差计算程序（3）对电压偏差的比例调节

采样控制程序的作用是将各种变送器送来的电气量经A/D转换成微机能识别的数字量，供电压调节计算使用。调差计算是为了保证并联运行机组间合理分配无功功率而进行的计算。微机型励磁调节器采用不同的算法就可实现不同的控制规律，如对电压偏差的比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等5.6.2微机型AER的构成PID调节计算法：通过对电压偏差进行积分、微分、比例运算后得到控制量来控制α，使调节性能更好。PID计算算式：输出算式为：5.6.2微机型AER的构成4．限制判别程序

限制判别程序作用是判别发电机是否运行到了应该对励磁电流进行限制的状态。

当被限制的参数超过限制值时，持续一定时间后，程序设置某种限制标志，表明发电机的某一运行参数已经超过了限制值，应该进行限制了。5.6.3微机型AER的原理数字移相及触发脉冲形成

微机励磁调节器采用的软件移相触发，由同步移相、脉冲形成和脉冲放大环节组成。数字移相是将PID计算输出的数字量y转换为控制角α，并在规定的角度区间内形成脉冲，经功率放大后形成触发脉冲，去触发相应的晶闸管5.6.3微机型AER的原理1.数字移相

数字移相工作特性：输出的控制角α与输入量y间的关系曲线。在软件移相中，α是用计数脉冲D来表示，先求出触发脉冲距α角起始点的延时数字移相分线性余弦移相再将

折算成对应的计数脉冲个数D：5.6.3微机型AER的原理

整个移相触发的过程是：如果控制角α经计算得出，则可算出脉冲个数D，经过数据总线送到8235芯片中，计数器为减法计数器，整形的方波上升沿起动计数器，计数结束后，计数输出端输出信号，经功率放大和脉冲变压器，形成脉冲去触发相应的可控硅。5.6.3微机型AER的原理2.同步电路

是对同步变压器二次电压进行处理，以处理后的方波作为定时计数器的门控信号，指明控制角α的计时起点，触发相应的晶闸管。同步电路的作用同步信号的采集形式采集单相同步信号，其它几个同步点由计算机算出由硬件实现6个同步点5.6.3微机型AER的原理数字移相脉冲原理图5.6.3微机型AER的原理由硬件实现的三相同步整形电路中的数字移相脉冲原理，采用两个8253芯片、输出6个触发脉冲，作为三相全控桥的双脉冲触发，间隔60°。线电压uac、uba、ucb经方波整形后可得宽度为180°的三个方波，它们各自的反相器也是三个宽180°的方波，这六个方波依次间隔60°。它们的上升沿正好与6个自然换相点对应，分别接到两个8253芯片的6个Gate端，作为三相全控桥晶闸管控制角α的计时起点，6个输出端经转换后得到输出的触发脉冲信号。5.6.3微机型AER的原理同步电压波形5.6.3微机型AER的原理3.运行控制方式（1）恒励磁电流方式（2）恒无功功率方式（3）恒有功功率方式（4）跟踪母线电压起励方式以励磁电流为给定值，测定电流偏差，进行PID计算，得到控制电压经移相触发控制α，达到恒励磁作用。多应用在并联运行机组上，以无功功率为给定值，测无功功率进行PID计算。以恒无功功率方式为基础，按P计算出给定功率因数下的无功功率，以此无功功率为给定值，作恒无功运行。建立在恒机端电压运行方式下，把母线电压作为恒电压方式的给定值，即成为跟踪母线电压起励方式，常在机组起动时用，机组并入系统后，自动返回恒压运行。可缩短机组并网时间。5.6.3微机型AER的原理4.限制和保护

（1）伏赫限制任务:在机组解列运行时，确保伏赫比不超过安全数值。UG／f比值的整定值通常取标么值1.1～1.15左右。5.6.3微机型AER的原理(2)欠励瞬时限制(最小励磁限制)

作用:防止发电机因励磁电流过度减小而引起失步或发电机过度进相运行而引起定子的端部过热。(3)最大励磁电流瞬时限制

作用:限制发电机励磁电流的最大值,防止超出设计允许的强励倍数,避免励磁功率单元及发电机转子绕组超极限运行而损。原理：检测励磁电流，并与最大励磁电流限制整定值比较，若小于限制值，限制不动；若大于限制值，限制瞬时动作，瞬时限制晶闸管控制角在预先规定范围内，减小装置输出。5.6.3微机型AER的原理(4)反时限延时过励磁电流限制

作用:用于防止发电机转子绕组因长时间过流而过热。5.6.3微机型AER的原理(5)整流柜最大出力限制防止整流柜出现局部故障时，根据具体情况判断是否限制发电机负荷，限制其最大出力，以免发生过载而扩大故障。(6)空载过电压限制发电机空载运行时，为防止发电机过电压，危及定子绝缘而设置。动作时即输出逆变角，进行逆变灭磁。水电站开发工程启示

中国西部12个省（自治区、直辖市）水力资源约占全国总量的80%多，特别是西南地区云、贵、川、渝、藏5个省(自治区、直辖市)就占2/3。水力资源富集于金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、乌江、长江上游、南盘江、红水河、黄河上游、湘西、闽浙赣、东北、黄河北于流以及怒江等水电能源基地，其总装机容量约3亿kW，占全国技术可开发量的45.5%左右。特别是地处西部的金沙江中下游干流总装机规模近6000万kW，长江上游（宜宾至宜昌）干流超过3000万kW，雅砻江、大渡河、黄河上游、澜沧江、怒江的规模均超过2000万kW，乌江、南盘江红水河的规模均超过1000万kW。这些河水力资源集中，有利于实现流域梯级滚动开发，有利于建成大型的水电能源基地，有利于充分发挥水力资源的规模效益实施“西电东送”。

开发水力资源发展水电，是我国调整能源结构、发展低碳能源、节能减排、保护生态的有效途径。伴随着水电的发展，我国水电工程勘察设计和施工技术、大型水轮发电机组制造、远距离输电技术等已居世界先进水平。随着白鹤滩水电站的自主研发单机容量100万千瓦机组投入运行，采用先进的微机励磁技术确保机组电压稳定，也是中国工程师们追求卓越、精求技能的大国工匠精神的体现。5.6.3微机型AER的原理（7）电压互感器TV断线保护功能

（8）快速熔断器熔断限制

当发生TV断线时,防止误强励发生熔丝熔断后，控制强励，只提供额定励磁。5.7

自动调节励磁装置的参数整定5.7.1调差系数

对机端直接并列运行的发电机，调差系数一般取

将变压器阻抗看作发电机阻抗的一部分，对高压母线并列点来说，调差系数应为正值，且调差系数应在5%～6%水平。1.机端直接并列运行的发电机2.发电机变压器组高压母线并列运行5.7.2强励反时限限制

一般情况下取

由电机制造厂给出，一般情况下取为10s。（1）强励允许倍数（2）强励允许时间

由发电机的励磁电流特性确定，一般情况下（3）长期允许的励磁电流5.7.3过励限制

发电机的过励限制由电机制造厂提供的允许P-Q曲线确定。

发电机在运行中，为防止失去静态稳定，在励磁自动调节装置中设置了欠励限制。欠励限制是根据电机制造厂提供的进相运行时允许的P-Q曲线确定。5.7.4欠励限制5.7.5

限制

励磁调节器

限制值应低于发电机（或变压器）

反时限保护的最低值。

励磁调节器过电压限制取1.15UN（UN为发电机额定电压），与发电机的过电压保护相配合（发电机过电压保护的动作电压

）。5.7.6过电压限制5.8励磁系统常见故障及处理

故障处理前应先了解励磁调节装置说明书所述的安全措施和对维护人员的基本要求，故障处理人员应满足上述条件。处理故障时必须有两个以上的技术人员同时参与，以免单独一人操作时发生意外。

故障处理时必须根据具体的故障现象仔细分析产生故障的可能因素，考虑好处理过程中可能发生的不利后果，做好预防措施，防止处理时扩大故障或影响机组的安全稳定运行。

尽可能通过开环试验等方法模拟机组实际运行时的工况，在机组停机时处理故障。若某些故障确实需要在机组运行时方能确定，也应在机组空载运行时进行处理。5.8.1故障处理的基本要求

如果更换装置中器件，则应切断励磁的所有电源及与外界的电气联接，以保证人身及设备的安全。1.TV断相

调节器发“TV断相”信号是指Ａ通道用的TV1或B通道用的TV2有故障。

当故障发生在当前运行通道时，调节器会自动切换到备用通道运行。

TV断相一般都由TV三相不平衡引起的。若是A通道的TV故障，则先检查调节柜对外接线端子排端子的三相电压是否平衡，若不平衡则故障出在励磁柜外，这时应检查TV的保险是否完好或各转接点是否接触良好；若三相电压平衡则说明故障在励磁柜内，这时应按图纸顺着接线端子号往下查，找出不平衡点，然后再采取相应的处理措施。5.8.2典型故障的处理2.厂用电消失

“厂用电消失”是指用于厂用电供电回路的交流接触器均不带电，即厂用电Ｉ段、II段均消失。

5.8.2典型故障的处理

发生“厂用电消失”故障时，显示屏会弹出故障报警画面并闪烁报警。

发生“厂用电消失”故障时，首先应检查厂用电供电回路的交流断路器是否全部合上，如果合上故障仍然存在则应检查电厂的两段厂用电是否送到励磁屏。

3.直流电消失

“直流电消失”是指直流220V操作电源故障。

5.8.2典型故障的处理

发“直流电消失”故障信号时，显示屏会弹出故障报警画面并闪烁报警。

发生“直流电消失”故障时，首先应检查直流操作电源输入回路的熔断器的对外接线端是否有220V直流电压，若没有便是励磁柜外的原因。若有，则应先检查该两个熔断器是否完好。若完好则应参照图纸检查合位继电器KCP、跳位继电器KTP不同时带电的原因。若熔断器熔断，则应更换。

4.逆变不成功

“逆变不成功”是指发电机在解列的情况下，励磁装置在接收到停机令后，5秒种内，机端电压还大于10％的额定机端电压。

5.8.2典型故障的处理

调节器在发“逆变不成功”的同时，会发出信号去跳灭磁开关灭磁。

正常运行时，如果发生逆变灭磁失败跳灭磁开关的情况，一般都是硬件故障。主要检查停机令有没有通过数据总线送到调节器操作面板上。

“起励失败”是指从投励开始，十秒钟内机端电压还小于10％的额定机端电压。“起励失败”的原因有：

1）未收到起励（开机令）信号；

2）灭磁开关位置信号未采集到；5.8.2典型故障的处理

3）阳极刀闸没合或无阳极电压；5.起励失败

4）起励回路不正常（它励不动作）；

5）有灭磁及其它故障信号（如风机停风、整流故障、TV断线等）；

6）发电机转子连线未接好如碳刷接触不良等）。5.起励失败

发“起励失败”信号时应首先检查调节器在起励前是否处于正常的准备开机状态，即功率柜交、直流刀闸、灭磁开关、TV高压侧刀闸、起励电源开关均合上，而且无停机信号。然后再检查是否有起励电源，TV保险是否熔断，TV回路的接线是否松动。

5.8.2典型故障的处理

如果这些都正常，则另换一个通道起励，如果可以正常起励则说明是调节器通道内的原因。如果也不能正常起励则应该检查起励回路、脉冲公共回路、可控硅整流器、转子回路是否有接地或短路等。

若调节器没有发“起励失败”命令，但机组仍无法起励，则很大程度为外部原因所致。

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