發電機的自動勵磁調節器功能介紹
發布時間：2025-05-20 點擊：44
發電機的自動勵磁調節器功能介紹
勵磁調節器是維持發電機的機端電壓恒定、通過合理的調差設置保證并列運行的機組間無功功率的合理分配，通過快速的勵磁響應提高電力系統的暫態穩定和靜態穩定。此外，調節器還具有故障錄波、事件記錄、系統自檢、智能調試等功能。
一、數字移相及觸發脈沖形成
數字移相就是將pid計算輸出的數字量y轉換為控制角α，并在規定的角度區間內形成脈沖，經功率放大后形成觸發脈沖，給相應晶閘管觸發。對三相全控橋觸發脈沖，控制角α有上、下限，即αmin≤α≤αmax，如取αmin＝5°、αmax＝150°，并需采用雙脈沖觸發。
1．數字移相工作原理
數字移相就是將前述電壓控制信號y對應的數字量d在規定的角度區間內轉換成時間tα，再由tα轉換為工頻電角度α，從而使數字移相。利用減法計數器在一定計數脈沖fc下對d作減計數運算，從計數開始到減計數器出現0為止的時間就是tα。顯然，tα等于d個計數脈沖周期，即
將式（6-33）中的延時轉換成對應的電角度，即控制角α，則有
式中 t1-交流電源的周期，對應角頻率ω1，工頻50hz。
2．數字移相實現
根據式（6-1）直流勵磁電壓ud與延遲觸發角α之間關系，首先需確定延遲觸發角α的計算起始點，全控整流橋六個晶閘管依次相隔60°被觸發換相，對應有六個電源電壓為同步電壓，各同步電壓由負變正過零點的時刻即為a＝0°的計算起始點。
在圖1中示出了vso1～vso6六個晶閘管同步電壓形成的區間，方框中標示有＃1（＃6）晶閘管觸發脈沖形成區間，對應同步電壓分別是uac、ube、uba、uca、ucb、uab，各自正半周的起點即是α＝0°起始點。方框中帶括弧的編號表示雙脈沖觸發時另一晶閘管的編號。當圖1中的方框開始出現時（即同步電壓正半周開始時），減計數器就對置入的數字量d開始進行減計數。
圖1 發電機同步去電壓形成的區間
數字移相觸發電路如圖2所示。uac、ube、uba經方波形成電路后，得到正半周高電位的方波電壓［u＋ ac］、［u＋ be］、［u+ ba］，經反相器后分別得到uca、uca、ucb正半周高電位的方波電壓［u+ ca］、［u+ ca］、［u+ cb］，這些高電位方波電壓就是晶閘管vso1～vso6的同步電壓。同步電壓作用于減計數器的“gate”端，在時鐘脈沖fc作用下，減計數器對“d”端置入到計數器的數字量d作減法運算，當計數器為0時，輸出端“out”由高電位突變為低電位0v。“out”突變低電位時刻與控制角α對應，從而獲得了與控制角α相對應的低電位脈沖。
圖2 發電機數字移相觸發電路
“out”的低電位脈沖經光電隔離、電平轉換，再經放大就可得到晶閘管的觸發脈沖。
在自并勵勵磁系統中，觸發脈沖要經脈沖變壓器放大后輸出，所以脈沖變壓器一、二次繞組間應有足夠高的隔離耐壓水平。自并勵勵磁系統電流大，可控整流柜一般為多個并聯，故觸發脈沖輸出數量要滿足要求，輸出功率要足夠大以保證晶閘管觸發導通。
由上述控制過程可知，輸入數字量從d減至0，經歷時間為tα，把延時tα換算成對應的適時觸發角α，計數脈沖個數d與α形成對應關系，見式（6-34），或寫成
【例6-2】某發電機勵磁電壓ud＝1000v，α＝18°，計數脈沖頻率500khz，交流電源50hz。
求：
（1）數字控制量d；
（2）要求勵磁電壓ud調至985v，數字控制量d′是多少？延遲觸發角α′是多少？解 由式（6-35）可求得數字控制量
因為ud＝1.35ecosα，所以得
所以α′＝20.48°
可取d′為569。
二、勵磁系統中的輔助控制
1．勵磁限制
大型同步發電機運行的安全性極為重要，繼電保護裝置是保證發電機安全的不可缺少的措施，aer的限制功能與繼電保護兩者的配合保證了發電機運行的安全。大型同步發電機上aer的限制功能有強勵反時限限制、過勵延時限制、欠勵瞬時限制、u／f限制、最大勵磁電流瞬時限制等。
（1）強勵反時限限制
發電機勵磁繞組允許的勵磁電流與持續時間呈反時限制性，即勵磁電流愈大，允許作用的時間愈短；勵磁電流減小時，允許作用的時間增加。為使aer起到強勵反時限限制功能，應根據發電機勵磁繞組特性，將允許強勵倍數（如取2.0）、允許強勵時間（如10s）、稍低于強勵允許的反時限特性曲線輸入到aer中。允許強勵倍數和允許強勵時間的設置，實際上就限制了強勵允許反時限特性的峰值（最大強勵電壓、最短的允許時間）不超過發電機的允許限值。
電力系統發生短路故障時，發電機機端電壓可能大幅度降低，aer將發電機處強勵狀態。此時aer根據測到的勵磁電流，計算該勵磁電流的持續時間，當持續時間達到設置強勵反時限特性曲線相應允許時間時，aer停止強勵并將勵磁電流限定在限額值，見圖3?？梢?，aer的強勵反時限限制可使發電機勵磁繞組過熱不超過允許值，保證了發電機的安全。發電機勵磁繞組過負荷時，強勵反時限限制同樣可起到保護作用。
圖3 發電機反時限過勵磁限制特性曲線圖
（2）過勵延時限制
發電機在運行中，轉子電流（勵磁電流）和定子電流都不能長期超過額定值運行，圖4示出了發電機勵磁電流限制區域及定子電流限制區域。因發電機的空載電動勢eq與轉子勵磁電流成正比，所以以m點為圓心、轉子電流允許值（如1.1ian）相應的eq為半徑的圓弧cd即為過勵延時限制線。發電機在運行中，aer不斷實時測量發電機的p、q值，當q值大于該點的允許值且持續時間達設定時間（如2min）時，過勵延時限制動作，減小發電機勵磁，將無功功率限制在設定曲線的無功功率值。
圖4 發電機靜態穩定性限制曲線圖
（3）欠勵瞬時限制。由于電力系統運行需要，同步發電機在運行中可能發生進相運行，即吸收感性無功功率和發出有功功率。由圖6-15所示的功角特性可見，在某一有功功率下，勵磁電流的減小意味著功率角增大，當δ角大于90°時發電機可能失去靜態穩定。為此，
aer中設有欠勵瞬時限制，當發電機進入設定的欠勵限制線時，aer瞬時欠勵限制動作，增大發電機勵磁，以保持發電機與系統的靜態穩定性，使發電機定子端部發熱在允許的范圍內。
隱極機的靜態穩定極限的理論值是δ＝90°，因此，mh是理論上的靜態穩定運行邊界。在突然過負荷時，為了維持發電機的穩定運行，實際的靜態穩定運行邊界應留有一定的余量。圖6-39中bf曲線是考慮了能承受0.1pn過負荷能力的實際靜穩定極限。曲線bf是這樣作出來的：先在理論邊界上取一些點（如點1），然后保持勵磁電流（eq/xd）不變，作圓弧12，再找出實際功率比理論功率低0.1pn的點的集合直線23，曲線12和直線23的交點就在實際穩定極限上。用同樣的方法將能找到實際穩定極限的所有的點，連接這些點可得實際穩定極限的邊界。
（4）電壓／頻率（u/f）限制
發電機的端電壓的計算公式為
u=4.44fbn×10-8(6-36)
式中 b——磁感應強度；
f——系統頻率；
n——繞組匝數；
s——每極有效截面積。
式（6-36）中，4.44ns為常數，設為系數k，則有
設額定運行時（對應un、fx）的磁感應強度為bn，則有
式（6-38）中u*、f*為電壓、頻率的標幺值。測量n值大小就可判定發電機過勵磁的程度。
當發電機電壓升高或系統頻率降低時，發電機過勵磁，n增大，表現為鐵芯飽和，勵磁電流急劇增大，渦流損耗增大；諧波磁場增強，使附加損耗加大，引起局部發熱；同時定子鐵芯背部漏磁場增強，在定位筋附近引起局部過熱，過熱程度隨n值增大急劇增加。防止發電機及變壓器由于電壓過高或頻率過低而鐵芯過熱，采取對電壓與頻率比值進行限制。
aer中的過勵磁限制可起到發電機過勵磁保護作用，當然過勵磁限制值應與發電機過勵磁保護動作值相配合。應當指出，水輪發電機突然甩負荷時（如線路故障跳閘），因調速系統關閉導水葉有較大的慣性，所以轉速急劇上升，導致機端電壓升高，危及定子絕緣。在這種情況下過電壓限制可抑制機端電壓的迅速上升。
（5）最大勵磁電流瞬時限制
電力系統穩定要求發電機勵磁系統有高的電壓上升速度。交流勵磁機勵磁系統在通常情況下很難滿足要求。而采用提高勵磁頂值電壓的方法，可以使電壓響應比增大。如圖6-40所示，當勵磁頂值電壓提高時，即ufdmax2＞ufdmax1，對同一時間t1有utd2＞ufd1，即勵磁頂值電壓愈高，勵磁電壓
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一、數字移相及觸發脈沖形成
數字移相就是將pid計算輸出的數字量y轉換為控制角α，并在規定的角度區間內形成脈沖，經功率放大后形成觸發脈沖，給相應晶閘管觸發。對三相全控橋觸發脈沖，控制角α有上、下限，即αmin≤α≤αmax，如取αmin＝5°、αmax＝150°，并需采用雙脈沖觸發。
1．數字移相工作原理
數字移相就是將前述電壓控制信號y對應的數字量d在規定的角度區間內轉換成時間tα，再由tα轉換為工頻電角度α，從而使數字移相。利用減法計數器在一定計數脈沖fc下對d作減計數運算，從計數開始到減計數器出現0為止的時間就是tα。顯然，tα等于d個計數脈沖周期，即
將式（6-33）中的延時轉換成對應的電角度，即控制角α，則有
式中 t1-交流電源的周期，對應角頻率ω1，工頻50hz。
2．數字移相實現
根據式（6-1）直流勵磁電壓ud與延遲觸發角α之間關系，首先需確定延遲觸發角α的計算起始點，全控整流橋六個晶閘管依次相隔60°被觸發換相，對應有六個電源電壓為同步電壓，各同步電壓由負變正過零點的時刻即為a＝0°的計算起始點。
在圖1中示出了vso1～vso6六個晶閘管同步電壓形成的區間，方框中標示有＃1（＃6）晶閘管觸發脈沖形成區間，對應同步電壓分別是uac、ube、uba、uca、ucb、uab，各自正半周的起點即是α＝0°起始點。方框中帶括弧的編號表示雙脈沖觸發時另一晶閘管的編號。當圖1中的方框開始出現時（即同步電壓正半周開始時），減計數器就對置入的數字量d開始進行減計數。
圖1 發電機同步去電壓形成的區間
數字移相觸發電路如圖2所示。uac、ube、uba經方波形成電路后，得到正半周高電位的方波電壓［u＋ ac］、［u＋ be］、［u+ ba］，經反相器后分別得到uca、uca、ucb正半周高電位的方波電壓［u+ ca］、［u+ ca］、［u+ cb］，這些高電位方波電壓就是晶閘管vso1～vso6的同步電壓。同步電壓作用于減計數器的“gate”端，在時鐘脈沖fc作用下，減計數器對“d”端置入到計數器的數字量d作減法運算，當計數器為0時，輸出端“out”由高電位突變為低電位0v。“out”突變低電位時刻與控制角α對應，從而獲得了與控制角α相對應的低電位脈沖。
圖2 發電機數字移相觸發電路
“out”的低電位脈沖經光電隔離、電平轉換，再經放大就可得到晶閘管的觸發脈沖。
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電力系統發生短路故障時，發電機機端電壓可能大幅度降低，aer將發電機處強勵狀態。此時aer根據測到的勵磁電流，計算該勵磁電流的持續時間，當持續時間達到設置強勵反時限特性曲線相應允許時間時，aer停止強勵并將勵磁電流限定在限額值，見圖3?？梢?，aer的強勵反時限限制可使發電機勵磁繞組過熱不超過允許值，保證了發電機的安全。發電機勵磁繞組過負荷時，強勵反時限限制同樣可起到保護作用。
圖3 發電機反時限過勵磁限制特性曲線圖
（2）過勵延時限制
發電機在運行中，轉子電流（勵磁電流）和定子電流都不能長期超過額定值運行，圖4示出了發電機勵磁電流限制區域及定子電流限制區域。因發電機的空載電動勢eq與轉子勵磁電流成正比，所以以m點為圓心、轉子電流允許值（如1.1ian）相應的eq為半徑的圓弧cd即為過勵延時限制線。發電機在運行中，aer不斷實時測量發電機的p、q值，當q值大于該點的允許值且持續時間達設定時間（如2min）時，過勵延時限制動作，減小發電機勵磁，將無功功率限制在設定曲線的無功功率值。
圖4 發電機靜態穩定性限制曲線圖
（3）欠勵瞬時限制。由于電力系統運行需要，同步發電機在運行中可能發生進相運行，即吸收感性無功功率和發出有功功率。由圖6-15所示的功角特性可見，在某一有功功率下，勵磁電流的減小意味著功率角增大，當δ角大于90°時發電機可能失去靜態穩定。為此，
aer中設有欠勵瞬時限制，當發電機進入設定的欠勵限制線時，aer瞬時欠勵限制動作，增大發電機勵磁，以保持發電機與系統的靜態穩定性，使發電機定子端部發熱在允許的范圍內。
隱極機的靜態穩定極限的理論值是δ＝90°，因此，mh是理論上的靜態穩定運行邊界。在突然過負荷時，為了維持發電機的穩定運行，實際的靜態穩定運行邊界應留有一定的余量。圖6-39中bf曲線是考慮了能承受0.1pn過負荷能力的實際靜穩定極限。曲線bf是這樣作出來的：先在理論邊界上取一些點（如點1），然后保持勵磁電流（eq/xd）不變，作圓弧12，再找出實際功率比理論功率低0.1pn的點的集合直線23，曲線12和直線23的交點就在實際穩定極限上。用同樣的方法將能找到實際穩定極限的所有的點，連接這些點可得實際穩定極限的邊界。
（4）電壓／頻率（u/f）限制
發電機的端電壓的計算公式為
u=4.44fbn×10-8(6-36)
式中 b——磁感應強度；
f——系統頻率；
n——繞組匝數；
s——每極有效截面積。
式（6-36）中，4.44ns為常數，設為系數k，則有
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式（6-38）中u*、f*為電壓、頻率的標幺值。測量n值大小就可判定發電機過勵磁的程度。
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aer中的過勵磁限制可起到發電機過勵磁保護作用，當然過勵磁限制值應與發電機過勵磁保護動作值相配合。應當指出，水輪發電機突然甩負荷時（如線路故障跳閘），因調速系統關閉導水葉有較大的慣性，所以轉速急劇上升，導致機端電壓升高，危及定子絕緣。在這種情況下過電壓限制可抑制機端電壓的迅速上升。
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電力系統穩定要求發電機勵磁系統有高的電壓上升速度。交流勵磁機勵磁系統在通常情況下很難滿足要求。而采用提高勵磁頂值電壓的方法，可以使電壓響應比增大。如圖6-40所示，當勵磁頂值電壓提高時，即ufdmax2＞ufdmax1，對同一時間t1有utd2＞ufd1，即勵磁頂值電壓愈高，勵磁電壓
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