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简论同步电动机励磁控制系统原理及应用方法

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  【摘 要】在电力系统的运行中,同步电动机的励磁控制系统起着重要的作用,它不仅控制电动机的端电压,而且还控制电动机无功功率、功率因数和电流等参数。本论文主要介绍了同步电动机励磁控制系统的工作原理以及励磁系统的双通道控制。
  【关键词】同步电动机;励磁控制系统;双通道
  一、励磁系统的概述及现状分析
  励磁系统是同步电动机的重要组成部分,它是供给同步电动机励磁电源的一套系统,励磁系统是一种直流电源装置。励磁系统一般由两部分组成:一部分用于向电动机的磁场绕组提供直流电流,以建立直流磁场,通常称作称励磁功率单元。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流,以满足安全运行的需要,通常称作励磁控制部分(或励磁调节器)。
  励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流,即励磁电流,以建立直流磁场。励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中,电动机依靠电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。
  励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出,是整个励磁系统中较为重要的组成部分。励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息,以产生相应的控制信号,经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的电动机励磁电流。系统正常运行时,励磁调节器就能反映电动机电压高低以维持发电机电压在给定水平。
  二、发电机励磁系统的工作原理重要性
  励磁调节器的主要任务是维持电动机机端电压恒定。为此,励磁调节器需采集发电机机端交流电压Ua、Ub、Uc ,定子交流电流Ia、Ib、Ic,转子电流等模拟量。调节器通过模拟信号板将高压(100V)、大电流(5A)信号进行隔离并转换为±5V电压信号,然后传输到主CPU板上的A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号。通常在一个周波内(20ms)进行多点采样,然后计算出机端电压等测量值。为了能准确测量有功及无功,需对电压及电流进行瞬态无相差采样,即可计算出有功及无功。
  在正常运行时,DSP(数字信号处理器)根据现场的操作信号进行逻辑判断,判别是否应该进入用户程序。一旦开机条件具备,应用程序运行。程序的计算模块根据工控机的控制调节方式的选择而进行计算,如按机端电压偏差进行PID调节(即恒机端电压运行方式),则DSP转入电压偏差PID调节子模块,计算程序算出触发角,并将此角度送至大规模可编程逻辑芯片上的计数器产生延时脉冲,脉冲经放大板驱动后即完成一次调节控制。
  1相复励励磁原理
  由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°和电流互感器LH提供的电压几何叠加,经过桥式整流器ZL整流,供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流,进行电流补偿,由线形电抗器DK移相进行相位补偿。
  2三次谐波原理
  对一般发电机来源,我们需要的是工频正弦波,称为基波,比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大,在谐波发电机定子槽中,安放有主绕组和谐波励磁绕组(s1、s2),而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来,经过ZL桥式整流器整流,送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。
  3可控硅直接励磁原理
  可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量,经整流后送入励磁绕组去的励磁方式,它是由自动电压调节器(AVR),控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。
  4无刷励磁原理
  无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机,其定子上的剩磁或永久磁铁(带永磁机)建立电压,该交流电压经旋转整流起整流后,送入主发电机的励磁绕组,使发电机建压。自动电压调节器(AVR)能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流,维持发电机的所设定电压近似不变。
  三、励磁控制系统中常见的三种运行方式
  第一是恒机端电压运行即自动运行,它对发电机端电压偏差进行最优控制调节,并完成自动电压调节器的全部功能,是调节器的主要运行方式。
  第二是恒励磁电流运行即手动运行,它对励磁电流偏差进行常规比例调节,由于只能维持励磁电流的稳定运行,故无法满足系统的强励要求,是调节器的备用和试验通道。恒励磁电流运行方式,一般是在恒机端电压运行下出现强励、PT断线、功率柜故障等情况时,调节器自动转换,故障消除后又自动恢复。
  第三是恒无功运行,它对发电机无功偏差进行常规比例调节,其投入也是自动的,比如调节器过励或欠励动作后,调节器就自动由恒机端电压运行转入恒无功运行,起稳定无功的作用。当这些限制复归后,其运行方式也自动恢复到恒机端电压运行。
  四、励磁监控单元的要点
  励磁监控单元以人机界面为主要部件,人机界面为工业控制中非常成熟的人机交互平台。人机界面采用昆仑通态组态软件配以液晶显示屏。人机界面通过 RS232C/RS485 串行通讯口与励磁调节器单元相联,从而实现对励磁系统各组成部分的集中控制和管理。励磁系统监控单元可显示电动机定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电流、励磁电压、脉冲角度、电动机频率等参数。
  五、励磁系统的双通道控制作用
  同步电动机励磁控制系统是由两套完全独立的可以互换的A、B调节器组成, 调节器拥有 1 个隔离的 RS232 全双工通信接口,这个接口用来完成冗余调节器之间的数据交换,两套调节器交换双方的数据采集量、工作状态标志、各种给定和控制环的输出等,以实现互为跟踪,互为热备用的功能。同时通过节点将已方状态通知对方,以达到自动切换的目的。当两套均正常工作时,按任一套上的切换按钮,即将此套定为主套。当某一套出现故障时,即自动切换至另一套。同时两套系统间的操作电源及脉冲电源通过外部端子并联输出。
  六、发电机励磁系统在灭磁及过电压是的保护应用
  自动灭磁装置是在发电机开关和励磁开关跳闸后,用于消除发电机磁场和励磁机磁场,为的是在发电机切开后尽快降低发电机电压至零。
  线性电阻的灭磁原理:FMK跳闸时,因励磁电流不能突变,其两端将产生弧压Uk,该弧压减去功率柜整流电压Ud后,使励磁电压Uf由正常运行时的上正下负变为下正上负,此时二极管D导通,励磁电流开始经Rm2和D续流。由于Rm2很小,励磁电流在Rm2上的压降也不很高,因而较安全。一旦FMK的弧电流下降到不能维持,FMK就彻底断开了,灭磁能量由FMK转移到续流电阻上,灭磁电压和灭磁时间就由励磁电流和续流电阻确定。正如前面所述,利用恒阻值电阻放电,其电压和电流都将呈指数衰减,且时间较长。
  励磁系统应装设自动灭磁装置及灭磁开关。对采用三相全控桥的励磁系统宜采用逆变灭磁作为正常跳闸时的灭磁方式,自动灭磁开关作为事故时的灭磁方式。
  氧化锌灭磁装置,即采用的非线性电阻是氧化锌电阻。
  我们知道,在灭磁开关灭磁系统中,转子的灭磁主要是依靠灭磁开关的灭弧栅吸能来灭磁。而在非线性电阻灭磁系统中,一般也有灭磁开关FMK,但其作用主要是用来接通和断开转子回路,使转子建立起反电势并击穿非线性电阻Rf,将转子磁场能量由开关转移到非线性电阻上,因而一般都是属移能型灭磁系统。这里,ZTC是自动投入电阻Rz的接触器,由FMK跳闸并延时投入,延时时间一般为1秒左右,主要考虑因数是在氧化锌电阻完成大部分灭磁任务后,及时投入Rz,一方面吸收发电机阻尼绕组能量,另一方面短接停机过程中的发电机转子,防止转子出现过电压。
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