第四节励磁调节器原理 、自动调节器的概念和基本框图 励磁调节器是一个闭环比例调节器 输入量:发电机电压U 输出量:励磁机的励磁电流或是转子电流,通称为ⅠAR 功能:一是保持发电机的端电压不变;其 次是保持并联机组间无功电流的合理分配。 图2-23人工调压的作用 图2-22励磁系统一例 人工不断调整Rc的大小,以达到维持其端电压不变的目的。 人工在调压过程中的作用可用图223中的ab线段来表示 人工和发电机形成了一个“封闭回路”。 Q做厘國电 电源 电源 1测量元差系数电源动控制 自动调压器 1手控励磁机 发电机 自动励磁系统器 图2-24自动励磁系统基本原理框图
-42- 第四节 励磁调节器原理 一、自动调节器的概念和基本框图 励磁调节器是一个闭环比例调节器。 输入量：发电机电压 UG 输出量：励磁机的励磁电流或是转子电流，通称为 I AVR 功能：一是保持发电机的端电压不变；其 次是保持并联机组间无功电流的合理分配。 人工不断调整 Rc 的大小，以达到维持其端电压不变的目的。 人工在调压过程中的作用可用图 2-23 中的 ab 线段来表示。 人工和发电机形成了一个“封闭回路”。 图 2-22 励磁系统一例 U G • = + − Rc DE I EE I EF G 图 2-23 人工调压的作用 o UG UGb UGa I EE I EEb I EEa a b 图 2-24 自动励磁系统基本原理框图 自动励磁系统器 电源 电源 电源 测量元件 调差系数 手动控制 自动调压器 手控 励磁机 发电机 前置放大 放大 功率 励磁机 发电机 + + + + − − 电压 基准
具有ab线段的特性的自动励磁调节器的基本框图励磁调整电流, 当UG↓一lE↑—Ea↑ UG重新回到基准值附近 反之,UG↑→lF↓—Ed↓—→Uω重新回到基准值附近 基本环节:测量、放大、 Q励磁电源 同步、触发,实现电压 5器 调节和无功功率分配等 反圆 最基本的调节功能。 触发國为二圆 2.辅助控制:是为满足发 附加控制信号1 「控 电源 电机不同工况,改善电 力系统稳定性,改善励 图2-25典型可控硅自动励磁调节器框图 磁控制系统动态特性而设置的单元。 3.当自动励磁调节器退出后,由自动切换装置将手控单元投入。 二、励磁调节器原理 (一)测量比较单元 作用:测量发电机电压 并变换为直流电压,与给定8 的基准电压相比较,得出电 压的偏差信号。测量比较单 元由电压测量、比较整定环 图2-32电压测量环节原理图 节组成
-43- 具有 ab 线段的特性的自动励磁调节器的基本框图励磁调整电流， 当 UG ↓ I EF ↑ Ed ↑ UG 重新回到基准值附近 反之， UG ↑ I EF ↓ Ed ↓ UG 重新回到基准值附近 1． 基本环节：测量、放大、 同步、触发，实现电压 调节和无功功率分配等 最基本的调节功能。 2． 辅助控制：是为满足发 电机不同工况，改善电 力系统稳定性，改善励 磁控制系统动态特性而设置的单元。 3． 当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单元投入。 二、励磁调节器原理 （一）测量比较单元 作用：测量发电机电压 并变换为直流电压，与给定 的基准电压相比较，得出电 压的偏差信号。测量比较单 元由电压测量、比较整定环 节组成。 图 2-25 典型可控硅自动励磁调节器框图 SCR CT PT 稳压电源 起励 手控 调差 变压器 励磁电源 G 放大 反馈附加控制信号 触发 测量 同步 图 2-32 电压测量环节原理图 T 2 T1 R1 R2 R3 R4 C1 Use 8 1210
电压测量 电压测量是将机端三相合成电压降压、整流、滤波后转换成一正 比于发电机电压U的直流电压Ue。 2.比较整定电路 Rs Uvz\ Uv 图2-27比较整定电路 (a)原理电路;(b)输出特性 直流电压Uge与来自电压整定器Rp的给定电压进行比较,取得 偏差信号U,送综合放大单元。 加法器输入量:Us+U/1z1+U1z2, 其中:Uz是取自稳压管VZ的恒定负电压 Uz2是可变的整定电压。 设U1z2=0,则: ude =+(kcU se-k2Urzl 其中:Ka1 R R Rot Rs R
-44- 1. 电压测量 电压测量是将机端三相合成电压降压、整流、滤波后转换成一正 比于发电机电压 UG 的直流电压 Use 。 2. 比较整定电路 直流电压 Use 与来自电压整定器 RP 的给定电压进行比较，取得 偏差信号 Ude ，送综合放大单元。 加法器输入量： Use + UVZ1 + UVZ 2 ， 其中： UVZ1 是取自稳压管 VZ 的恒定负电压 UVZ 2 是可变的整定电压。 设 UVZ 2 = 0， 则： Ude = +(Kc1Use − Kc2UVZ1 ) 其中： R R R K f c 6 5 1 + = − 、 R R K f c 9 2 = − 图 2-27 比较整定电路 (a)原理电路；(b)输出特性 (a) UseUVZ 2 U de AJ R11 R R14 f − + 19 UVZ1 R5 R6 RR87 RR78 −15V RP VZ 20 R9 R18 (b) O O UG UG UVZ1 U de U Use UVZ 2 1 2 1+ 2 UREF U REF1
特性为①+②所示 设U2≠0,则: (KaU se-Kc UrzI-Kc3Urz2 其中K R/ R7+ R 特性向右平移,如图中虚线所示。因此调节电位器RP可改变发电机 整定电压的作用。 将各通道增益进行归算: Ude=+kU K K K +Kclu se-Uree) K K 其中 VZI 可见,整定电压UREF随U/z2而变化。 3.比较整定电路的整定 当整定电压UREF随U122变化时,而固定电压Uz1与调节器最小 整定电压值有关。具体调节为: 电位器R5用作最小电压整定(改变Ka),其阻值减小,发电机 运行电压下限降低;阻值增加,电压下限升高。整定时,只有固定部
-45- 特性为①＋②所示。 设 0 2 U VZ ，则： U (K U K U K U ) de = + c1 se − c2 VZ1 − c3 VZ2 其中 R R R K f c 7 8 3 + = − 特性向右平移，如图中虚线所示。因此调节电位器 RP 可改变发电机 整定电压的作用。 将各通道增益进行归算： = + − − U K K U K K U K U V Z c c V Z c c d e c s e 2 1 3 1 1 2 1 ( ) = + Kc1 U s e −U REF 其中 2 1 3 1 1 2 VZ c c VZ c c REF U K K U K K U = + 可见，整定电压 UREF 随 UVZ 2 而变化。 3. 比较整定电路的整定 当整定电压 UREF 随 UVZ 2 变化时，而固定电压 UVZ1 与调节器最小 整定电压值有关。具体调节为： 电位器 R5 用作最小电压整定（改变 Kc1 ），其阻值减小，发电机 运行电压下限降低；阻值增加，电压下限升高。整定时，只有固定部
分经R输入运放,变动部分无输入(端子19接0V),模拟输入机端 电压为预定下限电压,调节R,使AJ输出(端子16)为0V。 电位器Rg用作电压调节范围整定,其阻值减小,电压调节范围增 加;其阻值增加,电压调节范围减小。当最小电压整定后,调节范围 的大小便决定了发电机运行电压的上限。整定时(设最小电压整定电 位器R已整定完毕),置给定电压为最大值(端子19和20短接),模 拟输入机端电压为预定上限电压,调节Rg,使AJ的输出为0V。 电位器Rμ用作运算放大器AJ的增益系数的调整。增益范围为 1~10倍。 为完成上述功能,电压整定器附设了一套控制电路,主要由继电 器逻辑电路及六对凸轮节点构成。凸轮与微电机同轴,用作反映电压 整定器的几个特殊位置(额定位置、上限位置和下限位置等) (二)综合放大单元 输入控制信号: 被调量控制量:U(正常情况) ←测量比较 励磁系统稳定器 2.反馈控制量:励磁系统稳定信号、电 电力系统稳定器 力系统稳定信号(正常情况) 大—最小励磁限制器 3.限制控制量:最大、最小励磁限制信 —最大励磁限制器 号(异常情况) 图2-28综合放大单元的输入信号
-46- 分经 R9输入运放，变动部分无输入（端子 19 接 0V），模拟输入机端 电压为预定下限电压，调节 R5，使 AJ 输出（端子 16）为 0V。 电位器 R8用作电压调节范围整定，其阻值减小，电压调节范围增 加；其阻值增加，电压调节范围减小。当最小电压整定后，调节范围 的大小便决定了发电机运行电压的上限。整定时（设最小电压整定电 位器 R5已整定完毕），置给定电压为最大值（端子 19 和 20 短接），模 拟输入机端电压为预定上限电压，调节 R8，使 AJ 的输出为 0V。 电位器 R14 用作运算放大器 AJ 的增益系数的调整。增益范围为 1～10 倍。 为完成上述功能，电压整定器附设了一套控制电路，主要由继电 器逻辑电路及六对凸轮节点构成。凸轮与微电机同轴，用作反映电压 整定器的几个特殊位置（额定位置、上限位置和下限位置等）。 （二）综合放大单元 输入控制信号： 1．被调量控制量： Ude （正常情况） 2．反馈控制量：励磁系统稳定信号、电 力系统稳定信号（正常情况） 3．限制控制量：最大、最小励磁限制信 号（异常情况） 图 2-28 综合放大单元的输入信号 U SM 大 放 合 综 测量比较 励磁系统稳定器 电力系统稳定器 最小励磁限制器 最大励磁限制器
图2-35是控制信号综合放大单元原理接线图,它由正竞比电路, 负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成 (1)正竞比电路。它由VT1、VV2、R1~R13所组成。 Rs 来来,PP Vva UwH Uur Ur R12 辅助控制信号 图2-29控制信号综合放大单元原理接线 输入信号正值竞比 J1:测量比较电路输出信号Ue V2:低励限制信号UME 1.在正常情况下:UME≤0Ud为正V导通 2.励磁电流小于最小励磁限制单元起动值时,UM由小于零变 为正电平,且Ul>U,这时V2导通,V1受反向电压而阻 断,将U信号闭锁,励磁控制由Ul决定, (2)负竞比电路。如图2-29中第二级电路所示,由VT2、V5~Vn、3、 V8、Rs、R6、R0所组成 输入信号负值竞比(都属限制信号):
-47- 图 2-35 是控制信号综合放大单元原理接线图，它由正竞比电路， 负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成。 （1）正竞比电路。它由 VT1、V1 ~ V2、R11 ~ R13 所组成。 输入信号正值竞比： V1 ：测量比较电路输出信号 U de V2 ：低励限制信号 U ME 1． 在正常情况下： U ME 0 U de 为正 V1 导通 2． 励磁电流小于最小励磁限制单元起动值时， U ME 由小于零变 为正电平，且 U ME Ude ，这时 V2 导通， V1 受反向电压而阻 断，将 U de 信号闭锁，励磁控制由 U ME 决定， （2）负竞比电路。如图 2-29 中第二级电路所示，由 VT2 、V5 ~ V7 、V3 、 V8、 R5、 R6、 R10 所组成。 输入信号负值竞比（都属限制信号）： 图 2-29 控制信号综合放大单元原理接线 R10 R11 AJ + − VT3 VT4 VT2 VT1 V 3 V5 V6 V7 R6 0 R5 V 8 UVH U MX U IC U SM A B R18 VZ R19 1 VZ2 C R0 U de U ME V1 V 2 1 2 +15V −15V −15V V 4 R12 R13 0 R7 辅助控制信号 R14 R15 R16 R17
J6:最大励磁限制信号Ua 7:瞬时过电流限制信号Ux Js:电压频率限制器信号vm 1.正常情况,这些限制信号都处正电平,v、V6、v均阻断 2、只要其中有一个限制信号动作,由正电平变为负电平,相应二极 管导通,就使B点电位变负。正竞比门输出就被封锁,即V3受反压 阻断,使正竞比门所有输入信号都被闭锁住。 3、显然负竞比门所有限制信号级别高于正竞比门的控制信号。 (3)信号综合(运算)放大。 R14~R7输入有关辅助控制信号,如励磁系统稳定器信号,电力系统 稳定器信号,其它补偿和校正信号等。它们的综合比例可通过适当选 择输入电阻R14~R1的数值来取得,一般情况下其增益为1。在运算 放大器的输出端有: U=U,U+U+U+U 图中z1和z2是对运放输出双向限幅: 1、当运放输出电压Uc≥Uzn时,击穿,输出正向被限幅。 2、同理,当Uc≤-Uz时,击穿,使输出负向被限幅
-48- V6 ：最大励磁限制信号 U MX V7 ：瞬时过电流限制信号 U IC V5 ：电压/频率限制器信号 VVH 1．正常情况，这些限制信号都处正电平， V5、V6、V7 均阻断 2、只要其中有一个限制信号动作，由正电平变为负电平，相应二极 管导通，就使 B 点电位变负。正竞比门输出就被封锁，即 V3 受反压 阻断，使正竞比门所有输入信号都被闭锁住。 3、显然负竞比门所有限制信号级别高于正竞比门的控制信号。 （3）信号综合（运算）放大。 R14 ~ R17 输入有关辅助控制信号，如励磁系统稳定器信号，电力系统 稳定器信号，其它补偿和校正信号等。它们的综合比例可通过适当选 择输入电阻 R14 ~ R17 的数值来取得，一般情况下其增益为 1。在运算 放大器的输出端有： U U U U U U C de aux1 aux2 aux3 aux4 = − + + + + 图中 VZ1 和 VZ2 是对运放输出双向限幅： 1、 当运放输出电压 UC UVZ1 时， VZ1 击穿，输出正向被限幅。 2、 同理，当 UC −UVZ2 时， VZ2 击穿，使输出负向被限幅
(4)互补输出电路。由m;、m、Rn Rn组成互补推挽射极跟随器,提高与 下一级负载阻抗的匹配能力。R,和R 为限流电阻。射极跟随器输出的电压 U是下一级移相触发电路的控制电 图2-30综合运放的输出特性 压。综合运放的输出特性如图2-30 (三)移相触发单元 移相触发单元是励磁调节器的输出 单元,它根据综合放大单元送来的综 整流装置 发 合控制信号UsM的变化,产生触发脉 6 [脉冲给定基准器 器 冲,用以触发功率整流单元的晶闸 「综合控制信号Us 管,从而改变可控整流柜的输出,达 图2-31移相触发单元原理框图 到调节发电机励磁的目的。 1、同步信号取自晶闸管整流装置的主回路,以保证在晶闸管每次 承受正向阳极电压时,向其控制极发出脉冲,使晶闸管可靠导 通。触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步 2、同步变压器和同步移相器,主要用来作为同步信号发生器,以 提供具有合适幅值和合适相位的交流同步信号。 脉冲发生器则根据综合放大单元送来的综合控制信号us与同 步信号比较,产生与主回路同步且相位可控的触发脉冲,并加
-49- （4）互补输出电路。由 VT3、VT4、R18、 R19 组成互补推挽射极跟随器，提高与 下一级负载阻抗的匹配能力。 R18 和 R19 为限流电阻。射极跟随器输出的电压 USM 是下一级移相触发电路的控制电 压。综合运放的输出特性如图 2-30。 （三）移相触发单元 移相触发单元是励磁调节器的输出 单元，它根据综合放大单元送来的综 合控制信号 USM 的变化，产生触发脉 冲，用以触发功率整流单元的晶闸 管，从而改变可控整流柜的输出，达 到调节发电机励磁的目的。 1、 同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，以保证在晶闸管每次 承受正向阳极电压时，向其控制极发出脉冲，使晶闸管可靠导 通。触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步。 2、 同步变压器和同步移相器，主要用来作为同步信号发生器，以 提供具有合适幅值和合适相位的交流同步信号。 3、 脉冲发生器则根据综合放大单元送来的综合控制信号 USM 与同 步信号比较，产生与主回路同步且相位可控的触发脉冲，并加 USM Ude 10 10 6 6 2 2 2 2 6 6 10 10 − − − − − − 0 图 2-30 综合运放的输出特性 图 2-31 移相触发单元原理框图 器 相 移 步 同 脉冲给定基准器 综合控制信号USM 器 压 变 步 同 器 生 发 冲 步信号 脉 三相同3 整流装置 至晶闸管 6 6
以放大,最后输出具有合适电压幅值、合适脉冲宽度和足够驱 动能力的触发脉冲,送至晶闸管整流桥,以触发晶闸管整流桥。 4、脉冲给定基准器用来平移综合控制电压UsM与控制角α的关系 (即移相特性),以使运行中的控制电压Us在合适的范围内, 而不致产生饱和失控。 在不计交流回路感抗的存在时,认为换 流是在瞬时完成的。余弦波移相触发单 USM 元(具体电路从略)的输入电压USM与 控制角C就会具有下述关系: U SM 图2-32可控整流电路输入一输出特性 a= arccos 同步电压幅值 在《电力电子》课程的学习中,我们知道全控整流桥输出的直流 电压U4的高低是随控制角a的变化而变化的,其表达式为 U,=1.35 E, cosa E1-—全控整流桥输入线电压。 代入得到全控输出电压平均值为 U=UA2=1.35E10 (2-15) 上式说明整流电路的输入量UM和输出量U之间呈线性关
-50- 以放大，最后输出具有合适电压幅值、合适脉冲宽度和足够驱 动能力的触发脉冲，送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管整流桥。 4、 脉冲给定基准器用来平移综合控制电压 USM 与控制角 的关系 （即移相特性），以使运行中的控制电压 USM 在合适的范围内， 而不致产生饱和失控。 在不计交流回路感抗的存在时，认为换 流是在瞬时完成的。余弦波移相触发单 元（具体电路从略）的输入电压 USM 与 控制角 就会具有下述关系： U U sym SM = arccos Usym ——同步电压幅值。 在《电力电子》课程的学习中，我们知道全控整流桥输出的直流 电压 Ud 的高低是随控制角 的变化而变化的，其表达式为 Ud = 1.35El cos El ——全控整流桥输入线电压。 代入得到全控输出电压平均值为 U U U U E sym SM d AVR 35 l = =1. （2-15） 上式说明整流电路的输入量 USM 和输出量 U AVR 之间呈线性关 U (V ) SM U AVR − 5 0 + 5 图 2-32 可控整流电路输入—输出特性
系,其特性如图2-32所示,图中实线表示整流器特性,虚线表示逆变 器特性。 (四)自动一手动的自动切换 励磁调节器由自动励磁(AC)调节器和手动励磁(DC)调节器 组成,为双通道结构。 、正常运行时,AC调节器工作,DC调节器作AC调节器的备用 2、当AC调节器故障时,由AC-DC自动切换装置控制,将DC调 节器投入运行 3、为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击,在励磁调节器 中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器,可确保 切换冲击最小。 4、当采用手控方式(DC)时,装置中只有测量、放大单元退出工 作,而脉冲触发单元则继续工作。即用手控方式给出的控制信 号UsM相当于自动控制(AC)时综合放大单元输出的控制信号 5、Us=Us时,两种方式的切换才能平滑的进行 平衡电压U为UM与UsM之差 这一电压经滤波器后接平衡电压表,供手 动切换时观测平衡电压用。 图2-33Us,Us平衡电路
-51- 系，其特性如图 2-32 所示，图中实线表示整流器特性，虚线表示逆变 器特性。 （四）自动－手动的自动切换 励磁调节器由自动励磁（AC）调节器和手动励磁（DC）调节器 组成，为双通道结构。 1、 正常运行时，AC 调节器工作，DC 调节器作 AC 调节器的备用。 2、 当 AC 调节器故障时，由 AC-DC 自动切换装置控制，将 DC 调 节器投入运行。 3、 为了防止 AC 调节器向 DC 调节器切换引起冲击，在励磁调节器 中还设有 DC 调节器自动跟踪 AC 调节器的自动跟随器，可确保 切换冲击最小。 4、 当采用手控方式（DC）时，装置中只有测量、放大单元退出工 作，而脉冲触发单元则继续工作。即用手控方式给出的控制信 号 U SM ' 相当于自动控制（AC）时综合放大单元输出的控制信号 USM 。 5、 USM = USM / 时，两种方式的切换才能平滑的进行。 平衡电压 U ' 为 USM 与 U SM ' 之差。 这一电压经滤波器后接平衡电压表，供手 动切换时观测平衡电压用。 图 2-33 USM USM ' . 平衡电路 AJ + − U SM ' U SM U