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1、可控硅励磁基本知识,伊河水电中心恰甫其海水电厂邢战利,一、可控硅励磁系统,励磁系统：向同步电机的激磁绕组提供用于建立电磁场的直流电流的系统或装置。通过励磁的调节控制，可以达到以下目的：A、恒发电机电压控制，稳定发电机电压。B、设置调差率，保证发电机无功功率的合理分配。C、提高发电机运行的稳定性。D、通过附加的PSS控制，提高电力系统的稳定性。,一、可控硅励磁系统,发电机在转动时需要一个旋转磁场（大多数的发电机组都是旋转磁场式的），这磁场多数是由直流电源通过转子线圈来形成，另外为了使发电机在负荷变化时机端电压基本保持恒定，还需要一个能随发电机端电压变化调整这直流电源输出的调节器，这构成励磁系统的
2、两个主要部分。,一、可控硅励磁系统,二、整流原理,励磁设备是电厂的辅助设备之一，它是把交流电整流成直流电供给转子磁极，通过水轮机带动转子转动以形成旋转磁场切割定子绕组，在定子绕组中感应成电动势，通过导线向负荷供电。,二、整流原理,在励磁设备中，重要的整流元件是可控硅，也叫硅晶体闸流管，简称晶闸管。晶闸管通和断的规律如下几点：,二、整流原理,当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。当晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才能导通，正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通
3、，故导通的控制信号只须正向脉冲电压即可，这个正向脉冲电压称之为触发脉冲。当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，这是和二极管不同的地方。,二、整流原理,1、在励磁设备整流柜中，整流电路为三相全控整流桥电路，为了更清楚地说明三相全控整流桥电路的工作原理，下面介绍三相半控整流电路。三相半控整流电路的原理图如图所示。,二、整流原理,如果可控硅元件具有最大的导通角，即可控硅元件以二极管的方式工作，则三相半 控桥式整流电路变为三相全波整流电路。图中电位最高的那一相可控硅导通，电位 最低的那一相二极管导通，输出电压U的波形如图所示。,二、整流原理,从图中可以看出，各晶闸管上的触发脉冲，其相序应与电源
4、的相序相同。各相触发脉冲依次间隔120。在一个周期内，每相晶闸管各导电120，每相二极管各导电120，负载电流是连续的。,二、整流原理,在相电压的交点处a、b和c是各晶闸管能触发导通的最早时刻。在这点以前晶闸管因承受反压，不能触发导通，因此把它做为计算控制角的起点，即该处的0。这个交点叫自然换相点。,二、整流原理,对VT1来说，自a点导通后，VT1导通的时间可到b点。因为在这段区间内，VT1处于正相电压下，b点是自然换向点，有触发脉冲，因此VT1的导通区间为a b。同理，VT3的导通区间为bc，VT5的导通区间为ca。,二、整流原理,因此，在三相半控桥式整流电路中，可控硅的触发脉冲应满足如下两
5、点：（1）任一相可控硅的触发脉冲应在滞后本相相电压30相角的180区间内发出，即VT1的触发脉冲在aa区间发出，VT3的触发脉冲在bb区间发出，VT5的触发脉冲在cc区间发出，即触发脉冲与可控硅的交流电压必须保持同步。（2）可控硅的触发脉冲，按电源电压的相序（例如图中为UuUvUw）依次应有120的电角度之差。,二、整流原理,当控制角=30时，VT1在Ug1作用下导通，输出电流经二极管D6（D2）构成回路，负载上电压Ud=Uuv（Uuw）；当VT3的触发脉冲Ug3出现时，正遇B相电压最高，VT3因触发而导通，VT1受到反向电压Uvu的作用而关断，此时输出电流经二极管D2（D4）构成回路，负载上
6、电压Ud=Uvw（Uvu）。同理，在Ug5的作用下VT5导通时，因C相电压最高，VT3受到反向电压Uwv的作用而关断，输出电流经二极管D4（D6）构成回路，负载上电压Ud=Uwu（Uwv）。当VT1的触发脉冲Ug1作用时，VT1导通，VT5受到反向电压Uuw的作用而关断，以后重复上述过程。=30时的输出电压波形如图所示。,二、整流原理,控制角=60时半控桥的整流输出电压波形和控制角=90时半控桥的整流输出电压波形如下图所示。,二、整流原理,通过以上分析，三相半控桥式整流电路的输出电压波形有如下特点：（1）当控制角3060时，输出电压波形不再连续，每个可控硅自行关断后到另一相可控硅触发导通时的区
7、间出现间断。,二、整流原理,2、三相桥式全控整流电路。如图所示的三相桥式全控整流电路。在三相桥式全控整流电路中晶闸管是这样编写的：VT1和VT4接u相，VT3和VT6接v相，VT 5和VT2接w相。VT1、VT3、VT5组成共阴极，VT4、VT6、VT2组成共阳极组。,二、整流原理,三相桥式全控整流电路中，6个晶闸管导通的顺序是：VT6VT1VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5VT5VT6 为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律并分析输出波形的变化，下面研究几个特殊控制角时的情况。先分析0，即在自然换相点触发换相时的情况。,二、整流原理,如图所示为0时的波形。为了分析方便起见，把一个周
8、期等分6段。在第1段期间，u相电位最高，因而共阴极组VT1触发导通，v相电位最低，共阳极组的VT6触发导通。这时电流由u相经VT1流向负载，再经VT6流入v相。因此加在负载上的整流电压为UuUvUuv。,二、整流原理,经过60后进入第2段。这时u相电位仍最高，VT1继续导通，但w相电位最低，经自然换相点触发w相的VT2，电流即从v相换到w相，VT6承受反压而关断。这时负载上的电压为UuUwUuw。,二、整流原理,再经过60，进入第3段，这时v相电压最高，共阴极组经触发换相VT3导通，电流从u相换到v相，VT2继续导通。v、w两相工作，负载上的电压为UvUwUvw。,二、整流原理,余依次类推。在
9、第4段，VT3、VT4导通，v、u两相工作。在第5段，VT4、VT5导通，w、u两相工作。在第6段，VT5、VT6导通，w、v两相工作，再下去又重复上述过程。,二、整流原理,从上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的。关于触发脉冲的相位，共阴极组的VT1、VT3和VT5之间应互差120；共阳极的VT4、VT6和VT2之间亦互差120。为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。,二、整流原理,当控制角 0时，每
10、个晶闸管都不在自然换相点，而是从自然换相点向后移角开始换相。分析的方法与0时的电压波形相同。可从角开始把一个周期6等分，在第1段，VT1和VT6导通，期间虽经过共阳极组的自然换相点，w相电压开始低于v相电压，VT2开始承受正向电压，但因未被触发故不能导通，由VT6继续导电，直到第2段开始时触发VT2，才迫使VT6关断。负载电流从VT6转移到VT2上，进入第2段，余类推。,二、整流原理,当控制角=30时，在触发脉冲的作用下，VT1和VT6导通，输出电压U=Uuv。经60电角度后，在触发脉冲的作用下，VT1保持导通，VT2也导通，因此时v相电压高于w相电压，Uvw0，VT6在此反向电压作用下关断，
11、输出电压U=Uuw。再经60电角度后，在触发脉冲的作用下，VT2、VT3导通，因此时v相电压高于u相电压，VT1在反向电压Uvu作用下关断，输出电压U=Uvw。波形如图所示。,二、整流原理,类似的，作出控制角=60时的全控桥整流输出电压波形如图所示。,二、整流原理,当6090时，晶闸管换相时瞬时值已为负值，由于电感的作用，导通的晶闸管继续导通，整流输出出现了负的电压波形，使整流电压值降低。电感性负载当=90时，在电流连续情况下输出电压波形的正负面积相等，输出电压的平均值为零，如图所示。,二、整流原理,3、逆变原理。利用晶闸管电路把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。逆变工
12、作状态就是将输出的直流电压转换为交流电压，实际就是将负载电感L中的能量向电源倒送，使L中的磁能很快消失。观察图控制角=90的电压波形中的t2t3区间，负载电流的流向如图所示，通过分析可知，电感L上的感应电势产生的电流与I同方向，故直流侧发出功率，即将L中的能量释放出来。对电源侧来说，因在t2t3期间，UuUv，电源侧吸取电感L释放出的能量，实现了逆变。为了实现逆变，控制角应大于90，当120时，逆变过程将缩短，当进行到电感负载L中剩余的能量不能维持逆变时，可控硅中电流中断，逆变才结束。,二、整流原理,通过对以上逆变的分析，我们可以看出：要实现逆变，应使Ud为负值，所以三相全控桥式整流电路实现逆
13、变的第一个条件是控制角应在大于90和小于180范围绕内。要实现逆变，负载必须为电感性，且原先三相桥处在整流状态下工作，即转子绕组原先励磁具有能量。因而三相全控桥式整流电路实现逆变的第二条件是负载呈电感性且原先储有能量，当负载是纯电阻时，三相全控桥电路不能实现逆变。逆变就是直流侧电感中储存的能量向交流电源反馈送的过程，因而逆变时交流侧电源不能消失，这就构成了三相全控桥式整流电路实现逆变的第三个条件。,二、整流原理,根据上述对三相全控桥式整流电路工作原理的分析，当090时，全控桥工作在整流状态，改变控制角，可以实现对发电机励磁电流的自动调节。当90180时，全控桥工作在逆变状态，可以实现对发电机的
14、自动灭磁。就是说，当发电机内部故障时，继电保护动作信号给到励磁调节器，使控制角由小于90的整流工作状态突然加大到大于90的某一适当的角度，进入逆变工作状态，将发电机转子绕组储存的能量迅速反馈到交流侧去，从而使发电机电势迅速降低，实现逆变灭磁。,三、恰甫其海电厂励磁系统简介,恰电厂励磁装置是广州电气科学研究院广州擎天电气控制实业有限公司生产的EXC9000静态励磁系统，该系统由1个励磁调节柜，1个进线柜，2个励磁功率柜，1个灭磁开关柜组成。静态励磁系统是用整流器【晶闸管（可控硅整流器）】将交流电源整流成直流电源，供给同步发电机可调励磁电流的系统及装置。,三、恰甫其海电厂励磁系统简介,EXC900
15、0型全数字式静态励磁系统主要特点是功能软件化、系统数字化。本系统的数字化不仅体现在调节器，也体现在功率柜和灭磁柜。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试。,1、调节柜,EXC9000励磁调节器为双微机三通道调节器，其中A、B通道为微机通道，其核心控制器件是32位总线工控机，C通道为模拟通道。,1、调节柜,其中A通道为主通道，测量信号通过机端第一套电压互感器BV1和电流互感器BA1取得；B通道为第一备用通道，测量信号通过机端第二套电压互感器BV2和电流互感器BA2取得；从励磁变副边采集的三相同步电压信号供三个通道公用，从励磁变副边电流互感器取得的励磁电流信
16、号也供三个通道公用。,1、调节柜,三通道调节器采用微机/微机/模拟三通道双模冗余结构，由两个自动通道（A、B）和一个手动通道（C）组成，这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。,1、调节柜,三通道以主从方式工作，正常方式为A通道运行、B通道备用，B通道及C通道自动跟踪A通道。可选择B通道或C通道作为备用通道，B通道为首选备用通道。当A通道出现故障时，自动切换到备用通道运行。C通道总是自动跟踪当前运行通道；同样，当B通道投入运行后出现故障，自动切换到C通道运行。,1、调节柜,调节器主要由A、B、C三个调节通道、模拟量总线板、开关量总线板、人机界面、接口电路等组成。,1、调节柜,其硬件包括：A
17、、B两个自动通道，每个调节通道包括：一块CPU板一块DSP板一块I/O板一块模拟量总线接口板(含C通道)一块开关量总线接口板一块智能I/O板一套人机界面,1.1 自动通道（A/B通道）,CPU板的功能：调节功能：给定值设置、AVR调节器（PID+PSS)、调差、恒Q/PF控制、软起励、通道跟踪、系统电压跟踪等限制功能 V/F限制、过励限制、欠励限制其它功能 智能封脉冲、调节参数在线修改、容错控制（防增、减磁接点粘连、防并网后误逆变）,1.1 自动通道（A/B通道）,DSP板的功能：数据采集 机端PT、CT、系统PT、励磁变副边CT PSS试验信号（V1V4)数据计算 机端电压、机端电流、系统电
18、压、励磁电流、电压频率、有功功率、无功功率 数据传递 将相关数据储存到RAM，供CPU采集,1.1 自动通道（A/B通道）,I/O板的功能：接收对调节器的控制指令 增、减磁、开机令、停机令、并网令等CAN总线通讯 将调节器相关数据与显示屏、LOU连接故障信号输出 PT故障、脉冲故障、同步断相数字式控制信号输出,1.2 模拟量总线板的功能,对交流采样电气量实现电气隔离；对模拟量进行信号调理；与DSP板连接，将模拟量信号传送到DSP；与开关量总线板连接，传送IL、UK、等信号；10Ug电压信号测量（内部开机令信号）；过励保护信号测量及整定；C通道的调节控制及脉冲输出。,1.3 开关量总线板的功能,
19、实现各种开关量信号转接；实现脉冲控制，并将调节器的脉冲转接到功率柜；实现残压起励、切脉冲、功率柜投退、跨接器阻断等功能；功率柜智能均流给定，用于功率柜闭环均流调节；与模拟量总线板连接，传送同步电压信号等；I/O板模拟量输出接口，试验用途；DC24V电源I、II段检测；通道切换逻辑电路。,1.5 人机界面带触摸功能的显示屏,显示操作报警故障记录故障追忆智能化调试,1.5 人机界面带触摸功能的显示屏,2、功率柜,每个功率柜组成部分：1、6个可控硅组件（硅元件、散热器）2、6个快速熔断器 3、风机及其控制回路 4、集中式阻容过压保护单元 5、功率柜智能板 6、脉冲功放板 7、液晶显示屏 8、测量单元
20、（测温电阻、风压继电器等）,2、功率柜,工况检测实现智能化 桥臂电流和单桥总输出电流 快熔状态（包括阻容保护用快熔）风道温度检测 风机开停状态 风压检测 本功率柜投退状态,2、功率柜,工况显示实现智能化 在每个功率柜柜门上，安装了一个带触摸键的LCD显示器，用于显示该功率柜的各种状态及实现相关操作，见如下图所示。,2、功率柜,风机控制实现智能化当智能控制系统检测到励磁系统有“开机令”或本柜输出电流大于100A时，自动启动风机;无“开机令”且本柜输出电流小于50A时，自动停止风机。,3、灭磁柜,励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁；事故停机，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。灭磁柜内装有L
21、CD显示器，灭磁柜的操作、控制、状态监视、信息显示等实现了智能化，LCD显示器显示灭磁柜运行状况，包括开关位置、励磁电压、励磁电流、转子温度等。,3、灭磁柜,灭磁及过压保护原理框图,3、灭磁柜,正常停机逆变灭磁事故停机跳灭磁开关将能量转移到灭磁电阻进行灭磁灭磁电阻：ZnO或者线性电阻,3、灭磁柜,灭磁柜主要组成单元1、灭磁柜智能板2、直流变送器板3、BOD（过压保护）板4、灭磁开关5、灭磁电阻6、直流变送器,3、灭磁柜,灭磁柜智能板的功能：测量励磁电压、励磁电流计算转子绕组温度灭磁开关动作计数、BOD动作计数试验录波显示灭磁柜运行状况CAN总线连接,3、灭磁柜,灭磁柜信息显示,3、灭磁柜,灭磁
22、柜的分和闸操作：,3、灭磁柜,直流变送器板的功能：1、测量励磁电压、电流信号；2、将该信号输送至灭磁柜智能板；3、接收过压保护动作信号（CT电流信）号），实现转子过电压监测；4、转子过电压动作后，向调节器及灭磁柜智能板发出动作信号。,3、灭磁柜,灭磁开关图示：,3、灭磁柜,ZnO图示,四、运行操作,1、发电机运行方式 发电机可以按下述方式运行：1)空载运行，发电机升压但不并网、不带负荷2)发电机并网带负荷运行3)发电机升压带厂用电负荷运行但不并网 发电机带厂用电负荷运行，基本上与空载运行相同。,四、运行操作,2、发电机空载运行 发电机空载运行，发电机端电压等于转子感应电势。在转速恒定条件下，发
23、电机端电压直接取决于励磁电流。在发电机额定电压范围内，发电机端电压与励磁电流之间存在着或多或少的线性关系。,四、运行操作,3、发电机并网带负荷运行 发电机并网带负荷运行即负载运行时，流过定子绕组的电流通过同步电抗引起电压降。如果励磁电流保持不变，则端电压因此而降低。在这里，励磁系统在调节器自动方式下运行具有通过改变励磁电流来防止电压降低的功能，即恒机端电压。,四、运行操作,4、操作及显示 正常情况励磁系统由控制室远控操作，命令由电厂的监控系统发出，直接安装在调节柜前面板上的就地按钮、转换开关一般仅在试验和紧急控制时使用。,四、运行操作,4.1 调节器状态检查 调节器选择A套运行、B套备用，且A
24、、B套都处于自动方式。前面板上“A通道运行”、“B通道备用”指示灯亮，人机界面上的“自动”指示灯点亮。,四、运行操作,4.2 运行方式设置 进入“运行方式设置”画面后，显示功能触摸按键，这些功能的投切都可以直接在相应的按钮上操作。功能投入后相应按钮变成红色，同时按钮上文字显示也会改变。,四、运行操作,4.3 开机前功率柜的操作 确认“脉冲切除”开关在“OFF”位置，表示本柜脉冲可以正常输出。确认本柜风机电源开关处于“投入”位置，表示本柜在接收到机组开机令后风机可以正常投入。,四、运行操作,4.4 开机前灭磁柜的操作 确认灭磁开关处于正常“合闸”或“分闸”位置，并且灭磁柜显示屏上灭磁开关的状态指
25、示与灭磁开关实际位置对应。,四、运行操作,4.5 起励过程 残压起励功能投入情况下，当有起励命令时，先投入残压起励，10S内建压10%时退出起励；如果10S建压10%不成功，则自动投入辅助起励电源起励，之后建压10%时或5S时限到，自动切除辅助起励电源回路。如果起励时限到但机端电压没有达到10%额定，调节器会发出“起励失败”信号。,四、运行操作,4.6 零起升压 可进入调节柜人机界面“起励操作”画面，选择“零起升压”功能投入。在“零起升压”功能投入时，机端电压的起励建压水平只能为10%。之后，可以通过增、减磁操作改变机端电压值。,四、运行操作,4.7 正常预置值升压 进入人机界面“起励操作”画
26、面，选择“零起升压”功能退出。按正常预置值升压方式，机端电压的起励建压水平为设定值，电压预置值一般为100。之后，可以通过增、减磁操作改变机端电压值。,四、运行操作,4.8 通道跟踪与切换 励磁调节器由A、B、C三通道组成。A通道是主运行通道，B通道是主备用通道，C通道为辅助备用通道。A、B通道是硬件和软件结构完全相同的微机通道，可完成调节器的所有功能。C通道是简单的模拟通道，只设有手动方式。,四、运行操作,4.8 通道跟踪与切换 A通道运行时，可人工选择B通道或C通道做为备用通道；B通道运行时，默认C通道为备用通道。A通道不做备用通道。C通道运行，无备用。通道跟踪功能投入后，非运行通道总是跟
27、踪运行通道。跟踪的原则：控制信号一致。,四、运行操作,4.9 通道自动切换 调节器A通道或B通道运行中，如果运行通道发生下列故障事件时，调节器会自动切换到备用通道：微机电源故障脉冲故障调节器故障PT故障,四、运行操作,4.10 系统电压跟踪 励磁系统具有“系统电压跟踪”功能，当该功能投入时，励磁调节器将自动调节励磁电流的输出，控制发电机机端电压，使之与系统电压保持基本一致，这样，当发电机并网时，可以减小并网时因为机组电压和系统电压的压差过大造成的冲击。,四、运行操作,4.10 系统电压跟踪“系统电压跟踪”有效的条件 A.调节器显示屏上的“系统电压跟踪”功能投入；B.系统电压大于80；C.处于A
28、/B通道运行（即C通道无此功能）；D.发电机出口断路器分断（即机组处于空载状态，未并网）。,四、运行操作,4.11 增、减磁操作 发电机空载情况下，随增减磁操作，可观察到机端电压和励磁电流明显变化；发电机负载情况下，只能进行小幅度的增减磁操作，机端电压变化不明显，但可观察到发电机无功明显变化。,四、运行操作,4.12 逆变灭磁 励磁系统接收到停机令或将调节器面板上的“整流/逆变”开关打到“逆变”位置，在满足下列条件时，逆变灭磁：发电机已解列定子电流小于10%,四、运行操作,4.13 灭磁开关的操作（1）正常停机采用逆变灭磁，不需要跳灭磁开关。（2）在并网状态下，严禁跳灭磁开关；（3）灭磁开关有
29、两路分闸回路，可以保证灭磁开关的可靠分断，但应在检修时对两个回路都进行检查。（4）励磁系统内部自动分闸信号只有1个：逆变灭磁失败分闸。（5）过压、过励、失磁等分闸指令均由外部保护装置控制。,四、运行操作,4.14 功率柜的操作 励磁系统正常运行中，功率柜冷却风机的启动、停止控制是自动进行的。另外，通过功率柜显示屏的薄膜按键操作，可手动启、停风机。风机自动启动的条件：有“开机令”信号或本功率柜输出电流大于100A。风机自动停止的条件：“开机令”信号消失且本功率柜输出电流小于50A。,四、运行操作,4.15 机组并网后的操作（1）观察并网瞬间无功数值的大小，若无功为正且很大或为负，均说明并网时机端电压与网压没有一致，需要重新调整。（2）观察励磁调节柜上有功、无功的显示是否正常。（3）观察远/近方增减磁操作是否正常。（增磁无功增，减磁无功减）（4）确保发电机出口断路器接点已送入励磁系统。（5）测试调差单元是否工组正常。对于多台机组并联运行，若某台机组增磁，发生和其它机组争抢无功情况，应将励磁装置调差率往正方向增大。,励磁装置原理图,
