電力系統自動裝置福建水利電力職業技術學院第5章

同步發電機自動調節勵磁裝置

重點

可控整流電路的工作原理

微機勵磁調節器的構成原理教學目的：熟悉勵磁系統的任務、基本要求、勵磁方式；掌握可控整流電路原理；熟悉自動調節勵磁裝置構成原理；理解強行勵磁概念及衡量性能指標；理解滅磁的概念、基本要求、方法；理解并聯運行發電機間無功負荷分配原則；熟悉微機勵磁調節裝置特點、硬件組成，掌握軟件原理。5.1

同步發電機勵磁系統的任務和基本要求5.1.1勵磁系統的任務指與同步發電機勵磁電壓的建立、調整及必要時使其電壓消失的設備和電路構成的系統。勵磁系統

定義5.1.1勵磁系統的任務勵磁系統勵磁功率單元勵磁調節裝置

勵磁功率單元向同步發電機的勵磁繞組

，提供可靠的直流勵磁電流

根據發電機及電力系統運行的要求，在接收到相關信息后自動調節勵磁功率單元輸出的勵磁電流，來達到調整發電機端的相關量的目的。5.1.1勵磁系統的任務1.系統在正常運行時維持機端電壓或系統中某點電壓水平(1)發電機單機運行

對于單獨運行的發電機來講，引起端電壓變化的主要原因是無功電流的變化，要保持發電機端電壓不變，應調整勵磁電流.5.1.1勵磁系統的任務2.對并聯運行機組間的無功功率進行合理分配

發電機與無窮大系統并聯運行發電機輸出的有功功率保持不變時，有:當發電機并聯于無窮大系統時，改變勵磁電流，將會引起發電機輸出無功功率的變化。5.1.1勵磁系統的任務3.提高電力系統運行的穩定性

(1)提高電力系統的靜態穩定性

當系統電壓不變時，提高發電機的勵磁電流，即增大發電機的感應電勢，可使發電機的功角特性曲線上移，在相同的功角下，使發電機輸出的有功功率增大，從而可保證發電機運行的穩定性。5.1.1勵磁系統的任務(2)改善電力系統暫態穩定性

發電機暫態穩定的面積定則

提高同步發電機的強勵能力，即提高勵磁頂值電壓和勵磁電壓的上升速度，是提高電力系統暫態穩定性最經濟、最有效的手段之一。5.1.1勵磁系統的任務4.改善電力系統的運行條件

改善電力系統的運行條件(1)系統短路時進行強行勵磁，增加短路電流，提高繼電保護的靈敏度，加速系統電壓的恢復過程，改善異步電動機的自起動條件。(2)限制水輪發電機突然甩負荷時電壓迅速上升。機組突然甩負荷時，進行強減，抑制電壓的上升。(3)發電機內部故障時，快速滅磁。5.1.2對勵磁系統的基本要求對勵磁系統的基本要求（1）正常運行時，能按發電機端電壓的變化自動調節勵磁電流，維持給定電壓水平。（2）系統事故時，具有強行勵磁功能，強勵性能指標。（3）對并列運行的發電機，要求勵磁調節器能穩定合理分配機組間的無功功率。（4）裝置結構簡單可靠，動作快，調節穩定。5.1.2對勵磁系統的基本要求對勵磁功率單元的要求（1）具有足夠的調節容量（2）具有足夠的勵磁頂值電壓和勵磁電壓上升速度要求勵磁功率單元具有足夠的調節容量，以適應電力系統中各種運行工況的要求。勵磁頂值電壓是勵磁功率單元在強行勵磁時，可能提供的最高輸出電壓值，該值與額定工況下勵磁電壓之比稱為強勵倍數，一般取1.6-2。勵磁電壓上升速度:指勵磁電壓在最初0.5s內上升的平均速率。5.2

同步發電機勵磁系統5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（1）（2）優點勵磁電源獨立，可靠性較高技術較成熟，調節方便1.直流勵磁機供電的勵磁方式

5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（1）（3）缺點碳刷、換向器易磨損，甚至產生環火，維護麻煩同軸直流勵磁機影響整個機組長度，增加廠房投資（2）調節速度慢，換向器容量有限5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（1）自勵式直流勵磁機系統

（2）他勵式直流勵磁機系統5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式2.交流勵磁機經整流供電的勵磁方式

交流勵磁機特點：結構簡單，工作可靠性高，維護工作少，根除了環火冒火花問題。

因整流器可以是二極管或是晶閘管，所用整流設備可以是靜止或是旋轉的，因此這種勵磁方式有：

交流勵磁機——靜止二極管

交流勵磁機——靜止晶閘管

交流勵磁機——旋轉二極管

交流勵磁機——旋轉晶閘管5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（1）交流勵磁機——靜止二極管勵磁方式

為提高勵磁響應速度，提高勵磁系統運行的可靠性，一般主勵磁機采用100Hz、副勵磁機采用500Hz的感應子交流發電機。感應子交流發電機的交流繞組、勵磁繞組均置于定子側，轉子上無任何繞組，只有齒和槽，無電刷和滑環。轉子轉動時，借助磁阻變化使交流繞組內的磁通發生變化，從而感應出交變電動勢。5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（2）交流勵磁機——靜止晶閘管勵磁方式

這種勵磁方式中AER直接控制同步發電機的勵磁電壓，所以可得到較高的勵磁響應速度5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（3）交流勵磁機——旋轉二極管勵磁方式

這種勵磁方式取消了轉子滑環，但同步發電機的勵磁調節還是通過勵磁機GE1來實現，其勵磁響應速度與（1）相當；存在著轉子電壓和電流的監測、轉子繞組絕緣監視、旋轉整流設備保護等問題。所以這種勵磁方式應用較少。5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（4）交流勵磁機——旋轉晶閘管勵磁方式

這種勵磁方式具有勵磁響應速度快、無刷的特點，還可對發電機實現逆變滅磁。但這種勵磁方式要將靜止的AER的控制觸發脈沖可靠正確的傳送到旋轉晶閘管上，一般可通過旋轉變壓器或控制勵磁機來實現，技術要求相比傳送到靜止晶閘管上要高。也存在著與旋轉二極管整流勵磁同樣的問題。所以這種勵磁方式在大型發電機組上尚未獲得應用。5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式3.自并勵靜止勵磁方式

（1）（3）優點勵磁系統接線和設備比較簡單，無轉動部分，設備維護簡單，可靠性高直接利用晶閘管取得勵磁功率控制轉子電壓，可獲得很快的勵磁電壓響應速度。（2）取消了勵磁機，可縮短主軸長度，減小基建投資；

發電機自并勵系統中發電機的勵磁電源不用勵磁機，直接由同步發電機輸出端通過可控整流器取得勵磁電流。因這種勵磁裝置沒有轉動部分，又稱靜止勵磁系統。5.2.1

同步發電機常見的勵磁方式（1）存在問題發電機機端附近發生短路故障時能否強勵（2）發電機繼電保護能否可靠動作

隨著系統容量的擴大，自并勵勵磁方式的優點更加明顯。因此發電機的自并勵勵磁方式在中、大型同步發電機組上得到了廣泛應用。5.2.2

勵磁電流的調節方法

同步發電機在運行過程中，為適應系統運行的要求，勵磁電流應根據系統運行情況作相應的調整。通常調整的方法有：

可通過改變勵磁機勵磁回路電阻R就能改變勵磁機的勵磁電流，從而改變勵磁機的端電壓，也相應調節了發電機的勵磁電流。

通過改變勵磁機附加勵磁電流來實現調節發電機的勵磁電流。（1）改變勵磁機勵磁回路電阻（2）改變勵磁機的附加勵磁電流

勵磁系統通過AER改變晶閘管的導通角調節發電機的勵磁電流。（3）改變晶閘管的導通角5.2.3

勵磁電流的調節方式

勵磁電流的調節方式按調節原理來區分，可分為按電壓偏差的比例調節和補償調節兩種方式。

為了調節發電機的端電壓，必須測量端電壓的變化值；測量機構的輸出電壓KUG與UG成正比；比較回路電壓偏差

，當電壓偏高時，

為負；電壓偏低時，

為正。放大機構按照

的大小和方向進行放大，通過執行機構使勵磁電流向相應方向調整，控制發電機的電壓值。被調量與整定值的偏差越大，調節作用越強，這就是按電壓偏差的比例調節。

AER按電壓偏差的比例調節方式應用相當普遍。（1）按電壓偏差的比例進行調節5.2.3

勵磁電流的調節方式

同步發電機由于電樞反應的存在，在勵磁電流保持不變的情況下，同步發電機的端電壓受定子電流和功率因數變化的影響。在滯后功率因數下，機端電壓隨定子電流的增大而下降；在同樣的定子電流下，功率因數越低，機端電壓降得越多。

如果提供發電機的勵磁電流與定子電流、功率因數有關，則構成了定子電流、功率因數的補償調節。因為當定子電流增大、功率因數降低（滯后）時，勵磁電流相應增大，補償了機端電壓的降低。實際上，這種補償調節提供的勵磁電流與成正比，雖然一定程度上補償了定子電流、功率因數變化時對電壓的影響，但對機端電壓來講，這種補償調節帶有盲目性。

目前，按定子電流、功率因數的補償調節方式幾乎不采用了.（2）按定子電流、功率因數的補償調節本節小結1)同步發電機勵磁系統的任務2)對勵磁系統的基本要求3)同步發電機勵磁方式的類型及特點啟示工程案例

從三峽水電站的單機容量70萬千瓦，到金沙江領域的白鶴灘水電站的自主研發單機容量100萬千瓦機組，位居世界第一，在國際水電站建設方面處于遙遙領先的地位；更值得一提的是，白鶴灘水電站的機組每一個部件甚至是小小的螺絲都是中國自主研發設計制造的。100萬千瓦機組精確并列操作投入電網運行，也是中國工程師們追求卓越、精求技能的大國工匠精神的體現。白鶴灘水電站

5.3

可控整流電路5.3

可控整流電路同步發電機勵磁系統中整流電路的主要任務是：將交流電壓整流成直流電壓供給發電機勵磁繞組或勵磁機的勵磁繞組。可控整流電路通常采用三相半控橋式整流電路或三相全控橋式整流電路。5.3.1三相半控橋式整流電路晶閘管導通條件：陽極電位高于陰極，并在控制極上加正向觸發脈沖晶閘管截止條件：通過電流小于維持電流，或陰極電位高于陽極5.3.1三相半控橋式整流電路1.控制觸發脈沖的移相要求

1)任一相觸發脈沖應滯后本相相電壓30°～210°2)觸發脈沖的次序：a相、b相、c相，間隔120°3)移相觸發電路的工作電源應與晶閘管陽極電壓同步5.3.1三相半控橋式整流電路2.輸出電壓波形輸出電壓波形特點：（1）當0°〈α〈60°時，波形連續，一周內有六個波頭，其中缺口、波峰與α有關（2）當60°〈α〈180°時，波形出現間斷5.3.1三相半控橋式整流電路3.續流管VD4的作用

（1）（2）在晶閘管陽極電壓過零時，由于感性負荷在電流下降時產生自感電勢，使原來導通的晶閘管造成續流，無法關斷。若控制角從較小值突增至，因自感電勢的續流作用，會造成“失控”現象。5.3.1三相半控橋式整流電路4.輸出電壓與控制角α關系

5.三相半控橋式整流電路的保護1)過電流保護：采用快速熔斷器原因：主要是負載過載、短路等2)過電壓保護：采用阻容元件、壓敏電阻原因：a.變壓器一次側的拉、合閘有可能在二次側感應過電壓原因：b.勵磁裝置的直流側負載突然斷開，因交流輸入回路有電感存在，也會在二次側引起過電壓原因：c.換相過電壓5.3.2三相全控橋式整流電路5.3.2三相全控橋式整流電路1.控制觸發脈沖的移相要求

1)任一相觸發脈沖應滯后本相相電壓30°～210°2)觸發脈沖的次序：a、-c、b、-a、c、-b，間隔60°3)移相觸發脈沖的工作電源應與晶閘管陽極電壓同步

5.3.2三相全控橋式整流電路2.整流工作狀態

當α〈60°時，輸出電壓有瞬時值均大于零的連續波形當60°〈α〈90°時，輸出電壓是正負交替的兩部分，其平均值大于零當α=90°時，輸出電壓平均值為零當90°〈α時，輸出電壓平均值小于零5.3.2三相全控橋式整流電路3.逆變工作狀態

(1)逆變的作用：將直流側電感儲存的能量向交流側倒送，即可實現對發電機的自動滅磁5.3.2三相全控橋式整流電路(2)逆變的條件

1)感性負荷并已儲存能量2)90°〈α時，輸出電壓平均值小于零3)逆變時交流側電源不得中斷5.3.2三相全控橋式整流電路4.輸出電壓與控制角的關系

三相全控橋式整流電路在電感性負載時，輸出電壓平均值為：5.3.2三相全控橋式整流電路（1）（3）從整流狀態過渡到逆變，勵磁電流方向不變，但勵磁電壓的方向反轉。滅磁速度與逆變角β大小有關。（2）逆變必須有足夠高的電源電壓才有效，由于整流橋交流側電壓隨停機過程衰減，故逆變滅磁是一種衰減的逆變過程，電壓衰減后，滅磁效果變差，使滅磁時間拖長。逆變滅磁的特點5.3.3可控整流電路保護

可控整流橋的過電流保護是每個晶閘管串聯快速熔斷器,當發生過電流時快速熔斷器熔斷，起到保護作用。每個快速熔斷器兩端跨接一個熔斷指示器，正常時熔斷指示器上無電壓；快速熔斷器熔斷后，熔斷指示器上顯示電壓，動作發出信號，指示出具體快速熔斷器的位置。

勵磁變一次系統的操作，會在勵磁變二次側產生過電壓；勵磁變高壓側拉閘也會在二次側產生過電壓。為避免整流橋不受過電壓損壞，在整流橋交流側需設置過電壓保護。1.過電流保護與均流措施2.交流側過電壓保護5.3.3可控整流電路保護

整流橋交流側過電壓保護如圖所示，其中三角形連接的有足夠能容的由氧化鋅閥片組成的非線性電阻NR，用于抑制過電壓幅值；三角形連接的阻容吸收網絡電路用以吸收過電壓產生的能量。5.3.3可控整流電路保護

勵磁裝置的直流側負載突然斷開，因交流輸入回路有電感存在，也會在二次側引起過電壓；晶閘管工作因換相引起過電壓。所以在每個晶閘管的陽極與陰極之間并聯一組阻容元件，用以吸收過電壓；整流橋的輸出端并聯由氧化鋅閥片組成的非線性電阻，用于抑制過電壓幅值。3.直流側過電壓保護5.4同步發電機的強行勵磁與滅磁定義5.4.1同步發電機的強行勵磁

電力系統發生短路故障或其它原因引起發電機端電壓急劇下降時，發電機端電壓降至80~85%時，迅速將發電機勵磁電流增至最大值。強行勵磁

5.4.1同步發電機的強行勵磁（1）（3）提高電力系統的暫態穩定性提高繼電保護的動作靈敏度（2）加快故障切除后的電壓恢復過程強行勵磁的作用（4）改善異步電動機的自起動條件5.4.1同步發電機的強行勵磁強行勵磁性能的衡量指標1.強勵倍數指強勵時達到的最高勵磁電壓與額定勵磁電壓之比5.4.1同步發電機的強行勵磁2.勵磁電壓響應比指在強勵過程中,Δt內勵磁電壓等速上升的數值與額定勵磁額定電壓之比。勵磁電壓響應比：5.4.1同步發電機的強行勵磁5.4.2同步發電機的滅磁

（一）何時要滅磁、滅磁的含義1、何時要滅磁在發電機或發電機變壓器組內部發生故障時，保護將斷路器跳開后，還應迅速滅磁。2、滅磁指將發電機轉子繞組的磁場盡快減弱到最小程度。5.4.1同步發電機的強行勵磁（二）對滅磁裝置的基本要求

基本要求1、滅磁時間要短2、滅磁過程中轉子繞組的電壓不能超過允許值5.4.2同步發電機的滅磁（一）勵磁繞組對線性放電電阻滅磁滅磁過程：滅磁時，滅磁開關Q跳閘，觸頭Q2先閉合，使勵磁繞組GLE接入放電電阻Rm，然后觸頭Q1斷開，可防止勵磁繞組切換到放電電阻時由于開路而產生危險的過電壓。Q1斷開后，勵磁繞組通過Q2對Rm放電，滅磁開始。

滅磁特點：利用常規電阻放電來滅磁的方法，其滅磁速度較慢

5.4.2同步發電機的滅磁（二）利用全控整流橋逆變滅磁滅磁過程：當需要滅磁時，將全控橋的控制角α后退到最小逆變角，全控橋就可以從“整流”狀態過渡到“逆變”狀態。在逆變狀態下，勵磁繞組中儲存的能量就逐漸被反送回交流電源側。由于勵磁繞組是無源的，隨著儲存能量的衰減和逆變電流的降低，逆變過程將隨之結束。滅磁特點：這種滅磁方式由于能量直接通過逆變橋從直流側反送到交流側，所以不需要滅磁開關。它具有接線簡單、經濟等優點。應用范圍：只適合于勵磁電源采用全控橋整流的機組。5.4.2同步發電機的滅磁（三）利用滅弧柵滅磁利用滅弧柵滅磁的實質是將磁場能轉換為電弧能，消耗于滅弧柵片中。特點及應用范圍：滅弧柵滅磁速度快，廣泛應用于大、中型發電機組中。5.4.2同步發電機的滅磁（四）利用非線性電阻滅磁滅磁過程：滅磁指令發出后，滅磁Q開關跳開，由于轉子勵磁繞組電感的作用，Rn的端電壓迅速升高，當達到Rn的導通電壓值時，Rn的阻值迅速下降到很小值，電流in快速增大。當in等于勵磁繞組回路中的勵磁電流時，Q的電弧熄滅，整個回路完成“換流”。這樣，所有能量將在Rn和勵磁繞組內阻上消耗掉。滅磁特點：

滅磁速度基本恒定5.4.2同步發電機的滅磁近年來，國內外已普遍采用雙斷口直流開關(雙斷口磁場斷路器)，配以非線性電阻的方法來滅磁。非線性電阻采用氧化鋅元件，有良好的壓敏特性，滅磁過程中兩端電壓始終維持在滅磁電壓控制值上，因此非常接近理想滅磁，滅磁速度快；氧化鋅元件作為過電壓保護元件，過電壓動作值可靈活整定；氧化鋅元件非線性電阻系數很小，正常電壓下漏電流很小，可直接跨接在勵磁繞組兩端，滅磁可靠；采用雙斷口直流開關，滅磁過程中勵磁電源與勵磁繞組完全斷開，有利于加快滅磁過程；為能可靠滅磁，非線性電阻的總能容應大于勵磁繞組的最大儲能。因此，這種滅磁方法具有滅磁速度快、滅磁可靠、結構簡單、運行維護方便、滅磁過電壓動作值可靈活整定等特點。雙斷口直流開關、非線性電阻滅磁的原理圖5.4.2同步發電機的滅磁

發電機的滅磁實際上是將勵磁繞阻儲存的能量消耗掉。采用線性電阻滅磁時，是將勵磁繞阻儲存的能量轉變為熱能，并消耗在該電阻上；采用可控整流勵磁系統中的逆變滅磁，是將勵磁繞阻儲存的能量饋送給勵磁電源；采用滅弧柵滅磁時，是將磁場能轉換為電弧能，并消耗于滅弧柵片中；采用非線性電阻滅磁時，是將能量在和勵磁繞組內阻上消耗掉。

5.5

并聯運行發電機間無功負荷分配5.5.1

具有AER發電機的外特性發電機的調整特性是指發電機在不同電壓值時其勵磁電流與無功負荷的關系曲線。1.調差系數的概念5.5.1

具有AER發電機的外特性調差系數定義為：1）

時，為正調差系數，特性曲線下傾；2）

時，為負調差系數，特性曲線上翹；3）

時，為無差特性，特性曲線呈水平。在勵磁調節器中設置調差單元可以進行發電機外特性的調整,設置測量比較單元調整基準電壓可以平移發電機外特性。2.調差環節的作用5.5.1

具有AER發電機的外特性調差系數的物理概念正調差系數負調差系數無功電流增大時，調節器AER感受的電壓在上升（相當于發電機電壓虛假升高），于是AER降低發電機的勵磁電流，驅使發電機電壓降低，得到下傾的外特性曲線。無功電流增大時，調節器AER感受的電壓在下降（相當于發電機電壓虛假降低），于是AER增大發電機的勵磁電流，驅使發電機電壓升高，得到上傾的外特性曲線負調差特性主要用來補償變壓器或線路壓降，維持高壓側并列點的電壓水平，所以負調差環節也稱電流補償環節。5.5.1

具有AER發電機的外特性3.調差系數的整定在微機勵磁調節裝置中采用的調差公式為一般用無功功率Q代替無功電流

，即當

時,無功功率Q上升導致

下降，使發電機端電壓下降，即為正調差；當

時，無功功率Q上升導致

上升，使發電機端電壓上升，即為負調差。國標規定勵磁調節器的調差系數可調范圍為士10%，而電力系統運行要求機組并列點的調差系數應整定為3%～5%。5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配1．兩臺正調差特性機組并聯運行兩機組能穩定并聯運行，并可維持無功電流的穩定分配，其分配比例與調差系數有關。要使并聯機組的無功電流增量按機組容量分配，則要求各機組具有相同的調差系數，即兩機組的外特性相同。5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配2.一臺無差特性與一臺有差特性機組并聯運行一臺無差特性的發電機可以和一臺或多臺正調差特性的機組在同一母線上并聯運行。但無功功率分配不合理，在實際中很少采用。5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配3．一臺正調差特性的機組與一臺負調差特性機組并聯運行當系統中無功負荷變化(如增大)，無功功率在兩機組間發生擺動，不能穩定分配，因此不允許負調差特性機組直接參與并聯運行。5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配4.發電機經升壓變壓器后并列運行

發電機的調差特性可以為負調差計及變壓器壓降同相位5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配若增大負的調差系數，其大小正好補償變壓器阻抗上壓降，這樣調節器可以維持高壓母線電壓恒定5.5.2并聯運行發電機間無功負荷分配3．一臺正調差特性的機組與一臺負調差特性機組并聯運行當系統中無功負荷變化(如增大)，無功功率在兩機組間發生擺動，不能穩定分配，因此不允許負調差特性機組直接參與并聯運行。5.6

微機型自動調節勵磁裝置5.6

微機型自動調節勵磁裝置勵磁控制系統功能框圖

調差單元：由測量TV、TA和電阻組成調差電路，并靈敏反映無功功率。測量比較單元：將來自調差單元的電壓與給定值比較，輸出一個直流電壓偏差信號。綜合放大單元：能線性地綜合測量、反饋以及限制等各種信號，并將其放大，以得到適應移相觸發單元所需要的控制電壓。同步與移相觸發單元：將放大單元的信號轉換為相角可以移動的觸發脈沖，來改變可控硅的導通角控制整流橋的輸出。

勵磁控制系統由調差、測量比較、綜合放大、移相觸發、可控整流等單元基本控制和輔助控制部分組成5.6.1

微機型AER的特點

（1）

硬件簡單，可靠性高

（2）

硬件易實現標準化，便于產品更新換代

（4）通信方便

（5）顯示直觀

（3）

便于實現復雜的控制方式利用計算機強有力的判斷和邏輯運算能力及軟件的靈活性，可以在勵磁控制中實現復雜的控制方式，如：最優控制、自適應控制、人工智能等。可以通過通信總線、串行接口或常規模擬量方式方便靈活地接入電站的計算機監控系統，便于遠方控制和實現發電機組的計算機綜合協調控制。發電機的各種運行狀態、運行參數、保護定值等都可以通過顯示面板的數碼管顯示5.6.1

微機型自動調節勵磁裝置的特點微機勵磁調節器的方案1）單微機帶模擬通道勵磁調節器，微機通道為主，模擬通道為從。2）雙微機勵磁調節器。雙通道切換采用：在軟件上設有自檢程序，硬件上設看門狗電路，運行通道出現故障時自動退出，由備用通道無痕跡投入。3）三微機勵磁調節器。4）外部總線式微機勵磁調節器。

5.6.2微機型AER的構成微機型AER由硬件(即電氣元件)軟件(即程序)硬件的基本配置由主機、輸入輸出接口和輸入輸出過程通道等環節組成。軟件由監控程序和應用程序組成（一）硬件電路微機型AER框圖5.6.2微機型AER的構成1.主機

由微處理器CPU、RAM、ROM存儲器等器件組成主機，主機是調節器的核心部件。

根據輸入通道采集的發電機運行狀態變量的數值在CPU中進行調節計算和邏輯判斷，并將實時采樣數據、控制計算過程中的一些中間數據和主程序中控制用的計數值等存放在可讀寫的存儲器RAM中，將固定數據、設計值、應用軟件和系統軟件等則事先固化存放在只讀存儲器ROM或EPROM、EEPROM中。按照預定的程序進行信息處理求得控制量，通過數字移相脈沖接口電路發出與控制角對應的脈沖信號，實現對發電機勵磁電流的控制。

5.6.2微機型AER的構成2.模擬量輸入通道

模擬量信號采集1)母線電壓，僅作起勵時跟蹤母線電壓用。2)機端電壓，通常取自機端兩只不同TV，以防TV斷線引起誤強勵。3)定子電流，取自機端出口電流互感器TA。4)轉子電流，從勵磁變壓器副方電流互感器取得。5)有功、無功和功率因數，均可通過采樣到的電流、電壓信號，經計算得到。5.6.2微機型AER的構成電壓實部表示為：交流采樣:一般每周期采用12點采樣法,三相分別采樣,最后取平均值。根據傅氏算法計算為：電壓虛部表示為：電壓幅值：有功功率：無功功率：5.6.2微機型AER的構成3.開關量輸入/輸出通道

因勵磁調節器需要采集發電機運行狀態信息，如發電機斷路器跳合信號、滅磁開關跳合信號、風扇起停信號、快速熔斷器信號和手動自動切換信號。這些狀態信號經轉換后與數字量輸入接口電路連接。勵磁系統運行中異常情況的告警或保護等動作信號從接口電路輸出后，驅動相應的設備，如燈光、音響等。5.6.2微機型AER的構成4.接口電路

在計算機控制系統中，輸入、輸出通道必須由接口電路來完成兩者間傳遞信息的任務。勵磁調節器除采用通用的接口電路如并行和管理接口(中斷、計數／定時)外，還設置了監控盤臺連接的接口電路、專用的數字移相脈沖特殊接口。5.6.2微機型AER的構成5.脈沖輸出通道

同步和數字觸發控制電路是微機勵磁調節器的一個專用輸出過程通道。作用是將計算機計算出來的、用數字量表示的晶閘管控制角轉換成晶閘管的觸發脈沖

輸出的控制脈沖信號需經中間放大、末級放大后，才能觸發大功率晶閘管控制其輸出電流5.6.2微機型AER的構成6.運行操作設備

勵磁調節器有一套供運行人員操作的控制設備，用于增、減勵磁和監視調節器的運行。另外還有供程序員使用的操作鍵盤，用于調試程序、設定參數等。

5.6.2微機型AER的構成(二)軟件框圖

微機勵磁調節器的軟件應用程序監控程序

是計算機系統軟件，主要為程序的編制、調試和修改等服務，而與勵磁調節沒有直接關系，但仍作為軟件的組成部分安置在微機勵磁調節器中包括主程序和調節控制程序，是實現勵磁調節和完成數據處理、控制計算、控制命令的發出及限制、保護等功能的程序，以及用于實現交流信號的采樣及數據處理、觸發脈沖的軟件分相和機端電壓的頻率測量等功能5.6.2微機型AER的構成1．主程序的流程及功能

在主程序中主要由系統初始化、開機條件判別及開機前設置、開中斷、故障檢測及檢測設置、終端顯示和人機接口命令過程構成。5.6.2微機型AER的構成系統初始化就是在微機勵磁調節器接通電源后、正式工作前，對主機以及開關量、模擬量輸入輸出等各個部分進行模式和初始狀態設置，包括對中斷初始化、串行口和并行口初始化等。5.6.2微機型AER的構成開機條件判別及開機前設置流程圖首先判別是否有開機命令。若無開機命令，則檢查發電機QF分、合狀態。若發電機QF“分”，表明發電機尚未具備開機條件，程序轉入開機前設置，然后重新進行開機條件判別；若發電機QF“合”，則表明發電機已并入電網運行，轉速一定在95％以上，程序退出開機條件判別。若有開機命令，則反復不斷地查詢發電機轉速是否達到95％，一旦達到了，表明開機條件滿足，結束開機條件判別，進入下一階段。5.6.2微機型AER的構成開機前設置主要是將電壓給定值置于空載額定位置以及將一些故障限制復位。主程序中“開中斷”環節表示微機勵磁調節器在此將調用各種調節控制程序實現各種功能。開中斷后，中斷信號一出現，CPU即中斷主程序轉而執行中斷程序，中斷程序執行完畢，將返回主程序繼續執行。故障檢測是實現TV斷線判別、工作電源檢測、硬件檢測信號、自動恢復等。檢測設置就是設置了一個標志，表明勵磁系統已經出現了故障，以便執行故障處理程序。終端顯示程序將需要監視的量從計算機存儲器中按一定格式送往終端顯示。人機接口命令程序實現對電壓偏差的比例積分微分(PID)調節參數、調差系數等參數在線進行修改。5.6.2微機型AER的構成2．調節控制程序的流程和功能

晶閘管全控橋式整流電路，每周期內觸發6次，對50Hz工頻的勵磁電源則每秒觸發300次。為了滿足這種實時性要求，中斷信號每隔60°出現一次，每次中斷間隔時間約3.3ms。要在每個中斷間隔時間內，執行完所有的調節控制計算和限制判別等程序是不可能的。程序采用分時執行方式，在每周期的6個中斷區間，分別執行不同的功能程序。這6個中斷區間以同步信號為標志。5.6.2微機型AER的構成進入中斷以后，首先壓棧保護現場，將被中斷的主程序斷點和寄存器的內容保護起來，以便中斷結束后返回到主程序斷點繼續運行。接下來查詢是否有同步信號。（1）若沒有同步信號則表示沒有勵磁電源，不執行調節控制程序，退出中斷。（2）若有同步信號則查詢是否有機組故障信號。一旦查詢到機組故障信號便轉入逆變滅磁程序。空載逆變條件有：①有停機令；②發電機機端電壓大于130％額定電壓；③發電機頻率低于45Hz。5.6.2微機型AER的構成5.6.2微機型AER的構成3．電壓調節計算

電壓調節計算流程（1）采樣程序（2）調差計算程序（3）對電壓偏差的比例調節

采樣控制程序的作用是將各種變送器送來的電氣量經A/D轉換成微機能識別的數字量，供電壓調節計算使用。調差計算是為了保證并聯運行機組間合理分配無功功率而進行的計算。微機型勵磁調節器采用不同的算法就可實現不同的控制規律，如對電壓偏差的比例（P）調節、比例積分（PI）調節、比例積分微分（PID）調節等5.6.2微機型AER的構成PID調節計算法：通過對電壓偏差進行積分、微分、比例運算后得到控制量來控制α，使調節性能更好。PID計算算式：輸出算式為：5.6.2微機型AER的構成4．限制判別程序

限制判別程序作用是判別發電機是否運行到了應該對勵磁電流進行限制的狀態。

當被限制的參數超過限制值時，持續一定時間后，程序設置某種限制標志，表明發電機的某一運行參數已經超過了限制值，應該進行限制了。5.6.3微機型AER的原理數字移相及觸發脈沖形成

微機勵磁調節器采用的軟件移相觸發，由同步移相、脈沖形成和脈沖放大環節組成。數字移相是將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，去觸發相應的晶閘管5.6.3微機型AER的原理1.數字移相

數字移相工作特性：輸出的控制角α與輸入量y間的關系曲線。在軟件移相中，α是用計數脈沖D來表示，先求出觸發脈沖距α角起始點的延時數字移相分線性余弦移相再將

折算成對應的計數脈沖個數D：5.6.3微機型AER的原理

整個移相觸發的過程是：如果控制角α經計算得出，則可算出脈沖個數D，經過數據總線送到8235芯片中，計數器為減法計數器，整形的方波上升沿起動計數器，計數結束后，計數輸出端輸出信號，經功率放大和脈沖變壓器，形成脈沖去觸發相應的可控硅。5.6.3微機型AER的原理2.同步電路

是對同步變壓器二次電壓進行處理，以處理后的方波作為定時計數器的門控信號，指明控制角α的計時起點，觸發相應的晶閘管。同步電路的作用同步信號的采集形式采集單相同步信號，其它幾個同步點由計算機算出由硬件實現6個同步點5.6.3微機型AER的原理數字移相脈沖原理圖5.6.3微機型AER的原理由硬件實現的三相同步整形電路中的數字移相脈沖原理，采用兩個8253芯片、輸出6個觸發脈沖，作為三相全控橋的雙脈沖觸發，間隔60°。線電壓uac、uba、ucb經方波整形后可得寬度為180°的三個方波，它們各自的反相器也是三個寬180°的方波，這六個方波依次間隔60°。它們的上升沿正好與6個自然換相點對應，分別接到兩個8253芯片的6個Gate端，作為三相全控橋晶閘管控制角α的計時起點，6個輸出端經轉換后得到輸出的觸發脈沖信號。5.6.3微機型AER的原理同步電壓波形5.6.3微機型AER的原理3.運行控制方式（1）恒勵磁電流方式（2）恒無功功率方式（3）恒有功功率方式（4）跟蹤母線電壓起勵方式以勵磁電流為給定值，測定電流偏差，進行PID計算，得到控制電壓經移相觸發控制α，達到恒勵磁作用。多應用在并聯運行機組上，以無功功率為給定值，測無功功率進行PID計算。以恒無功功率方式為基礎，按P計算出給定功率因數下的無功功率，以此無功功率為給定值，作恒無功運行。建立在恒機端電壓運行方式下，把母線電壓作為恒電壓方式的給定值，即成為跟蹤母線電壓起勵方式，常在機組起動時用，機組并入系統后，自動返回恒壓運行。可縮短機組并網時間。5.6.3微機型AER的原理4.限制和保護

（1）伏赫限制任務:在機組解列運行時，確保伏赫比不超過安全數值。UG／f比值的整定值通常取標么值1.1～1.15左右。5.6.3微機型AER的原理(2)欠勵瞬時限制(最小勵磁限制)

作用:防止發電機因勵磁電流過度減小而引起失步或發電機過度進相運行而引起定子的端部過熱。(3)最大勵磁電流瞬時限制

作用:限制發電機勵磁電流的最大值,防止超出設計允許的強勵倍數,避免勵磁功率單元及發電機轉子繞組超極限運行而損。原理：檢測勵磁電流，并與最大勵磁電流限制整定值比較，若小于限制值，限制不動；若大于限制值，限制瞬時動作，瞬時限制晶閘管控制角在預先規定范圍內，減小裝置輸出。5.6.3微機型AER的原理(4)反時限延時過勵磁電流限制

作用:用于防止發電機轉子繞組因長時間過流而過熱。5.6.3微機型AER的原理(5)整流柜最大出力限制防止整流柜出現局部故障時，根據具體情況判斷是否限制發電機負荷，限制其最大出力，以免發生過載而擴大故障。(6)空載過電壓限制發電機空載運行時，為防止發電機過電壓，危及定子絕緣而設置。動作時即輸出逆變角，進行逆變滅磁。水電站開發工程啟示

中國西部12個省（自治區、直轄市）水力資源約占全國總量的80%多，特別是西南地區云、貴、川、渝、藏5個省(自治區、直轄市)就占2/3。水力資源富集于金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、烏江、長江上游、南盤江、紅水河、黃河上游、湘西、閩浙贛、東北、黃河北于流以及怒江等水電能源基地，其總裝機容量約3億kW，占全國技術可開發量的45.5%左右。特別是地處西部的金沙江中下游干流總裝機規模近6000萬kW，長江上游（宜賓至宜昌）干流超過3000萬kW，雅礱江、大渡河、黃河上游、瀾滄江、怒江的規模均超過2000萬kW，烏江、南盤江紅水河的規模均超過1000萬kW。這些河水力資源集中，有利于實現流域梯級滾動開發，有利于建成大型的水電能源基地，有利于充分發揮水力資源的規模效益實施“西電東送”。

開發水力資源發展水電，是我國調整能源結構、發展低碳能源、節能減排、保護生態的有效途徑。伴隨著水電的發展，我國水電工程勘察設計和施工技術、大型水輪發電機組制造、遠距離輸電技術等已居世界先進水平。隨著白鶴灘水電站的自主研發單機容量100萬千瓦機組投入運行，采用先進的微機勵磁技術確保機組電壓穩定，也是中國工程師們追求卓越、精求技能的大國工匠精神的體現。5.6.3微機型AER的原理（7）電壓互感器TV斷線保護功能

（8）快速熔斷器熔斷限制

當發生TV斷線時,防止誤強勵發生熔絲熔斷后，控制強勵，只提供額定勵磁。5.7

自動調節勵磁裝置的參數整定5.7.1調差系數

對機端直接并列運行的發電機，調差系數一般取

將變壓器阻抗看作發電機阻抗的一部分，對高壓母線并列點來說，調差系數應為正值，且調差系數應在5%～6%水平。1.機端直接并列運行的發電機2.發電機變壓器組高壓母線并列運行5.7.2強勵反時限限制

一般情況下取

由電機制造廠給出，一般情況下取為10s。（1）強勵允許倍數（2）強勵允許時間

由發電機的勵磁電流特性確定，一般情況下（3）長期允許的勵磁電流5.7.3過勵限制

發電機的過勵限制由電機制造廠提供的允許P-Q曲線確定。

發電機在運行中，為防止失去靜態穩定，在勵磁自動調節裝置中設置了欠勵限制。欠勵限制是根據電機制造廠提供的進相運行時允許的P-Q曲線確定。5.7.4欠勵限制5.7.5

限制

勵磁調節器

限制值應低于發電機（或變壓器）

反時限保護的最低值。

勵磁調節器過電壓限制取1.15UN（UN為發電機額定電壓），與發電機的過電壓保護相配合（發電機過電壓保護的動作電壓

）。5.7.6過電壓限制5.8勵磁系統常見故障及處理

故障處理前應先了解勵磁調節裝置說明書所述的安全措施和對維護人員的基本要求，故障處理人員應滿足上述條件。處理故障時必須有兩個以上的技術人員同時參與，以免單獨一人操作時發生意外。

故障處理時必須根據具體的故障現象仔細分析產生故障的可能因素，考慮好處理過程中可能發生的不利后果，做好預防措施，防止處理時擴大故障或影響機組的安全穩定運行。

盡可能通過開環試驗等方法模擬機組實際運行時的工況，在機組停機時處理故障。若某些故障確實需要在機組運行時方能確定，也應在機組空載運行時進行處理。5.8.1故障處理的基本要求

如果更換裝置中器件，則應切斷勵磁的所有電源及與外界的電氣聯接，以保證人身及設備的安全。1.TV斷相

調節器發“TV斷相”信號是指Ａ通道用的TV1或B通道用的TV2有故障。

當故障發生在當前運行通道時，調節器會自動切換到備用通道運行。

TV斷相一般都由TV三相不平衡引起的。若是A通道的TV故障，則先檢查調節柜對外接線端子排端子的三相電壓是否平衡，若不平衡則故障出在勵磁柜外，這時應檢查TV的保險是否完好或各轉接點是否接觸良好；若三相電壓平衡則說明故障在勵磁柜內，這時應按圖紙順著接線端子號往下查，找出不平衡點，然后再采取相應的處理措施。5.8.2典型故障的處理2.廠用電消失

“廠用電消失”是指用于廠用電供電回路的交流接觸器均不帶電，即廠用電Ｉ段、II段均消失。

5.8.2典型故障的處理

發生“廠用電消失”故障時，顯示屏會彈出故障報警畫面并閃爍報警。

發生“廠用電消失”故障時，首先應檢查廠用電供電回路的交流斷路器是否全部合上，如果合上故障仍然存在則應檢查電廠的兩段廠用電是否送到勵磁屏。

3.直流電消失

“直流電消失”是指直流220V操作電源故障。

5.8.2典型故障的處理

發“直流電消失”故障信號時，顯示屏會彈出故障報警畫面并閃爍報警。

發生“直流電消失”故障時，首先應檢查直流操作電源輸入回路的熔斷器的對外接線端是否有220V直流電壓，若沒有便是勵磁柜外的原因。若有，則應先檢查該兩個熔斷器是否完好。若完好則應參照圖紙檢查合位繼電器KCP、跳位繼電器KTP不同時帶電的原因。若熔斷器熔斷，則應更換。

4.逆變不成功

“逆變不成功”是指發電機在解列的情況下，勵磁裝置在接收到停機令后，5秒種內，機端電壓還大于10％的額定機端電壓。

5.8.2典型故障的處理

調節器在發“逆變不成功”的同時，會發出信號去跳滅磁開關滅磁。

正常運行時，如果發生逆變滅磁失敗跳滅磁開關的情況，一般都是硬件故障。主要檢查停機令有沒有通過數據總線送到調節器操作面板上。

“起勵失敗”是指從投勵開始，十秒鐘內機端電壓還小于10％的額定機端電壓。“起勵失敗”的原因有：

1）未收到起勵（開機令）信號；

2）滅磁開關位置信號未采集到；5.8.2典型故障的處理

3）陽極刀閘沒合或無陽極電壓；5.起勵失敗

4）起勵回路不正常（它勵不動作）；

5）有滅磁及其它故障信號（如風機停風、整流故障、TV斷線等）；

6）發電機轉子連線未接好如碳刷接觸不良等）。5.起勵失敗

發“起勵失敗”信號時應首先檢查調節器在起勵前是否處于正常的準備開機狀態，即功率柜交、直流刀閘、滅磁開關、TV高壓側刀閘、起勵電源開關均合上，而且無停機信號。然后再檢查是否有起勵電源，TV保險是否熔斷，TV回路的接線是否松動。

5.8.2典型故障的處理

如果這些都正常，則另換一個通道起勵，如果可以正常起勵則說明是調節器通道內的原因。如果也不能正常起勵則應該檢查起勵回路、脈沖公共回路、可控硅整流器、轉子回路是否有接地或短路等。

若調節器沒有發“起勵失敗”命令，但機組仍無法起勵，則很大程度為外部原因所致。

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