励磁系统ABB培训教材.doc
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1、第一部分:基本原理和硬件介绍一、发电机的电磁机理基本说明:1、应用电磁理论,导体在磁场中切割磁力线产生电动势(电压):=BLV(B:磁场强度,L:导体长度,V:切割速度)。简单的讲就是:导体在磁场中做切割磁力线运动,就产生感应电动势,当形成闭合回路时,就会感生出电流。2、对于发电机:转子产生的磁场旋转切割定子线圈,在定子线圈上产生电动势(电压),如右图,由=BLV可以理解:1、导体长度L相当于匝数乘单圈长度,固定不变;2、假定转速不变,切割速度V=R也可以理解为不变;3、电动势(机端电压)只与旋转的转子磁场强度成正比,其他基本不变。U2U1W2V1W1V23、对于载流导线的磁场:任一载流导线在
2、点 P 处的磁感强度: ,电流IPCD*PCDIB在直导线周围P产生的磁场,无限长载流导体的磁感强度:,当转子本身固有特性不变时,转子电流磁场在定子导线处感生的磁场强度B=KI,其中,I是励磁电流值,K系。 IBX4、综上所述可以理解为发电机定子产生的电动势(机端电压):U=BLV=KI(K:综合比例系数,I:励磁电流),电动势U与励磁电流I的大小成正比。5、电动势与机端电压有区别,电动势等于机端电压加定子线圈阻抗的压降,当发电机空载运行时,定子电流为0,阻抗的压降也为0,发电机的电动势也等于机端电压,调节发电机的励磁电流,直接作用于调节发电机的机端电压;当发电机并网后,定子线圈与负载组成闭合
3、回路,由于定子两端电动势的作用在闭合回路中产生定子电流,阻抗的压降等于定子电流乘以阻抗,机端电压等于发电机的电动势减去阻抗的压降,向外传递电功率。6、由电磁理论可知,电流流过定子线圈产生磁场,而定子电流的磁场又反作用于转子上,对转子产生磁场力作用,可以正交分解为定子有功电流磁场力和定子无功电流磁场力2个作用力,其中定子有功电流磁场力对转子的机械扭力起平衡作用,定子无功电流磁场力对转子的转子电流磁场力平衡作用,最终达到平衡状态,下面在发电机的基本原理中将详细讲述。二、发电机的基本原理说明:1、发电机的基本原理应用到电磁理论,电生磁,磁生电,并且电和磁之间又有磁场力的作用,那就是电枢反应,有功电流
4、产生电磁力,并形成电磁转矩,无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩,理论比较抽象,讲起来比较难懂,这里用简单的左右手法则来讲述发电机的基本原理,首先介绍一下左右手法则。2、左手法则:确定载流导线在外磁场中受力方向的定则,即与力有关,又称电动机定则。左手平展,大拇指与其余4指垂直,若磁力线垂直穿过手心,4指指向电流方向,则大拇指所指方向即为载流导线在磁场中受力的方向,如右图。3、右手定则:主要判断的是与力无关的方向。右手平展,使大拇指与其余4指垂直,并且都跟手掌在一个平面。把右手放入磁场中,若磁力线垂直进入手心,大拇指指向导线运动方向,则4指所指方向为导线中感应电流的方向,如右图。右手定则还可以判断
5、电流产生磁场的方向,如右图。BI4、判断原则:关于力的用左手,其他的(与力无关,如电流方向、磁场方向等)用右手定则,简单而形象地记忆法则:“力”字向左撇,就用左手;而“电”字向右撇,就用右手。5、转子电流(励磁电流)IL产生的磁场B1,大小与转子电流IL成正比,B1 =K1I(常数K1综合比例系数),方向与力无关,利用右手定则,判定方向如图1的B1,代表进入纸面方向,代表出纸面向外方向,以下同,随着转子逆时针旋转,磁场B1也跟着逆时针旋转。6、定子线圈在旋转的转子磁场B1切割磁力线产生电动势,与力无关,应用右手定则,判定电动势方向如图1的Uf,当定子线圈与转子线圈空间垂直(如位置90度或270
6、度)时,如图1位置,切割的磁力线密度最大,感应的电动势数值最大;当定子线圈与转子线圈空间水平(如位置0度或180度)时,如图2位置,运动方向与磁力线平行,不切割磁力线,感应的电动势Uf数值为0。7、实际上,定子线圈感应电动势的大小与转子旋转角的余弦值有关:即Uf= LRB1COS(转子线圈旋转角度),其中=t,t为时间(秒),以图1为起点旋转。B1=K1I(常数K1综合比例系数)。可以理解为发电机的电动势(空载为机端电压,负载为机端电压加阻电压):Uf= LRK1I COSt,与励磁电流I成正比,是时间t的余弦函数。d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS8、在发电机并网之后,在闭合回路中,由感应的
7、电动势Uf带负载R在定子线圈中产生定子电流If,假定电动势Uf固定不变的话,忽略定子线圈的阻,定子电流If大小与负载(有功功率和无功功率)有关,定子电流的方向与功率因数有关,即电流If滞后电动势Uf的角度即为功率因数角,可以理解为定子电动势Uf在转子旋转t=/后才产生对应的定子电+900Fa流。即如图1的状态变为如图3。9、定子电流If产生的磁场B2,由于定子线圈的固有特性,磁场B2的大小与定子电流If成正比,即B2=K2If(常数K1综合比例系数),方向与力无关,利用右手定则,判定方向如图3的B2,为便于分析,把B2正交分解为相对于转子0度的磁场B2d=E2COS(= K2If COS)和9
8、0度的磁场B2q=E2SIN(= KIf sin)两个磁场,如图3。10、B2d磁场对转子2线圈电流IL的作用力fB2d(与力有关,用左手法则判断方向如图3),大小与转子电流IL和磁场B2d成正比,方向与转子旋转方向相反,稳定状态下B2d磁场力与转子的扭力fn平衡。11、转子电流IL在两个线圈的电流流向相反,如图3,用右手法则判断转子1线圈电流产生的磁场顺时针方向,并且转子1磁场作用在转子2线圈电流上,用左手法则判断转子1磁场在转子2上的作用力fIL方向向外,大小与励磁电流IL的平方值有关,同理转子2电流磁场在转子1上的作用力方向也向外,大小也与fIL相等,因此转子电流IL在两个线圈之间产生的
9、力fIL相斥(如图3方向)。12、而B2q磁场对转子2电流IL的作用力fB2q(与力有关,用左手法则判断方向如图3),大小与转子电流IL和磁场B2q成正比,方向与转子2上的转子1作用力fIL方向相反,稳定状态下B2q磁场力fB2q与转子1电流磁场在转子2上的作用力fIL平衡。13、当调节主汽门大小,只改变了转子扭力fn的大小,励磁电流不变,转子线圈间磁场力fIL的大小不变,由牛顿力的平衡定律,如果保持转速不变,转子线圈平面垂直方向受力平衡,磁场力fB2d的大小要改变,但磁场力fB2q的大小不变,即产生磁场力fB2d的大小要改变,由B2d=E2COS(= K2If COS)可以看出,也就是调节主
10、汽门可以改变定子电流If相对于电动势的If COS分量,即有功电流要改变,无功电流(If SIN)基本不变。14、一样理论,调节励磁电流大小,转子扭力fn不变,转子线圈间磁场力fIL的大小改变,相应改变磁场力fB2q的大小,由B2q=B2 SIN(= K2If SIN)可以看出,也就是调节励磁电流可以改变定子电流If相对于电动势的If SIN分量,即无功电流要改变,有功电流(If COS)基本不变。15、物理教科书上有关描述:当发电机定子电流与电动势同相位,定子磁势轴线与励磁磁势轴线互相垂直,称交轴电枢反应,定、转子磁场互相作用,形成电磁制动转矩,发电机从原动机取得机械能,转化为电能输送出去。
11、当发电机正常运行于功率因数滞后时,定子磁势中一部分正好与励磁磁势方向相反,起直轴去磁作用,当发电机运行于功率因数超前时,定子磁势中一部分正好与励磁磁势方向一样,起直轴助磁作用。电枢反应的去磁(助磁)作用将会影响发电机端电压有下降(上升)的趋势,为了保持端电压不变,必须相应地增加(减少)励磁电流。16、结论:发电机在旋转的转子磁场中发电,把机械能转化为电能,在发电机并网前(空载),调节发电机的励磁电流,作用于调节发电机的机端电压,发电机并网后,调节发电机的励磁电流,作用于调节发电机的无功负荷(无功电流),有功不变,调节主汽门作用于有功功率(有功电流)的变化,与励磁电流的大小无关。三、励磁系统硬件
12、框图说明1、励磁系统主要作用是为发电机提供励磁电流,如上图,励磁电流取自发电机G,经励磁变-T02降压和整流柜-EG1-5整流后输出可调的直流电流,经灭磁开关直接送至发电机的转子回路,提供可调的励磁电流。2、励磁系统主要包括:功率元件整流桥(上图EG1-5)、采样模块(上图MUB)、逻辑编程和计算的主板模块(上图COB)、输入输出控制模块(上图FIO1-2)、脉冲形成模块(上图EG1-5的CIN和GDI)、灭磁(上图Q02)和冷却(上图E01)等回路。3、励磁系统主要功率调节元件整流桥(上图EG1-5)的原理:如下图(全波整流),整流桥是由6只可控二极管组成的十二桥整流回路,输入三相电源(上图
13、励磁变-T02低压侧电源)。上图为全波整流(控制角a=0),在不同的控制角下,输出的电流(励磁电流)也不同,当控制角a90时,三相全控整流桥工作在逆变状态,整流桥输出平均电压Ud为负值,即将直流转变为交流。三相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压:对于单相逆变如图:4、对于励磁系统整流桥(上图EG1-5),在整流状态时,其输出电流I=1.35U/Rcos=KUcos,K=1.35/R是比例系数,当整流桥输入电压(励磁变低压侧电压)基本不变时,整流桥的直流输出电流与控制角的余弦值成正比,当角增大时,cos值减小,整流桥输出电流(励磁电流)也减小,反之亦然;只有在逆变灭磁时角取135度,大于9
14、0度。5、结合励磁系统的硬件结构原理图(上图),我司励磁系统的主功率回路:发电机输出的电压除了到主变外,还经过励磁变(上图T02),送至整流桥(上图EG1-5),在可控硅的控制角(上图EG1-5的CIN和GDI输出控制角)控制下,整流桥(上图EG1-5)直接输出整流后的直流电流到灭磁开关Q02,灭磁开关闭合,直流送至发电机的转子线圈,作为发电机的励磁电流,在灭磁开关后有转子过电压保护F02和R02,在灭磁开关前有起励回路Q03和A03。6、结合励磁系统的硬件结构原理图(上图),我司励磁系统的采样控制回路:发电机出口电压PT和电流CT经端子排直接送至测量模块MUB采样和计算,送入主模块COB;励
15、磁变低压侧电压和电流(励磁电流)经端子排直接送至PSI模块,由PSI模块采集后分别送至EGC和COB,进行采样和计算;控制和信号经端子排直接送至快速输入输出模块FIO1和FIO2,直接送入主模块COB进行逻辑控制;U11、U12、U03、U13为变送器,输出励磁电流和电压;LCP调节器屏面板显示,CDP整流柜面板显示,SPA手操器,T15整流柜风扇电源,T05控制电源,Q15直流110V主电源,Q25直流110V灭磁开关第二路跳闸电源,G15、G05调节器直流24V电源模块等。7、励磁系统自动调节其实是一种恒电压模拟量的闭环调节控制系统,调节器测量模块MUB采集发电机的实际机端电压(上图Ug1
16、或Ug2),与设定值比较,根据电压偏差量,计算整流桥的控制角,送至COB板的脉冲形成模块,产生相应控制角的触发脉冲,送至整流桥的CIN和GDI板,进行监测和放大,放大后的脉冲直接控制可控硅,调整励磁功率元件整流桥(上图EG1-5)的控制角,改变整流桥的电流输出,改变励磁电流,保持机端电压相对稳定。8、如机端电压低于设定值,调节器计算获得一个负的电压偏差U,使整流桥的控制电压Uc减小,从而使整流桥的控制角也减小,整流柜的直流输出I=Kcos,因此整流柜的直流输出电流I增加,使发电机的机端电压升高,直至机端电压相对稳定。9、反之,机端电压高于设定值,产生正的电压偏差,增加控制电压,增大控制角,减小
17、整流桥直流输出,降低发电机机端电压。10、励磁系统手动调节实际也是一种恒励磁电流模拟量的闭环调节控制系统,原理与自动调节一样,发电机的励磁电流(上图励磁变低压侧电流-T11和-T13)经PSI模块,送至调节器的EGC板和COB板,采集的励磁实际电流,与设定值比较,根据励磁电流偏差量,计算整流桥的控制角,送至COB板的产生相应控制角的触发脉冲,调整励磁功率元件整流桥(上图EG1-5)的电流输出,保持励磁电流相对稳定。11、在自动调节中有许多限制器和保护器,主要有定子过流(定子电流)、过励磁(转子电流)、过V/Hz(定子电压)、低励磁(有功功率和无功功率)等限制器和保护器,采集相应的模拟量与设定值
18、比较,产生偏差,具备条件时参与调节控制,如果调节限制未能限制住,超过保护定值,保护器动作,向DCS和发变组保护发报警和跳闸。12、过励磁电压(转子电压)和转子接地(转子对大轴电压)仅有保护和报警,转子接地一般不投,采集相应的模拟量与设定值比较,产生偏差,超过保护定值,保护器动作,向DCS和发变组保护发报警和跳闸。其他还有冷却系统、整流柜设备、调节器板件故障等自检设备故障报警,设备故障达到跳闸条件向DCS和发变组保护发报警和跳闸。13、励磁系统设计有灭磁开关和灭磁回路,由远方和就地2种控制方式,远方主要由DCS、同期、AVC、发变组保护等装置。14、有1套完善的控制回路,控制起励、增减磁、投退励
19、磁和灭磁开关等操作,并有人机接口与设备进行通讯和操作。四、励磁系统的主要设备(现场都能看到,不再详述)1、励磁变:油变、测温元件、呼吸器等。2、整流柜:有可控硅(控制电流)、保险(短路)、阻容保护(保可控硅过压)、霍尔传感器(直流电流测量)、整流冷却风机(散热)、脉冲隔离放大板(脉冲能量)、接口板(测量、脉冲、控制、显示等智能控制)和电流表(故障显示)等。3、电源转接柜:交流母线接线、起励回路、自用电隔离变压器、同步电源隔离变压器、励磁电流测量CT等。4、灭磁开关柜:灭磁开关、灭磁电阻、转子过压检测控制板、转子过压可控硅、励磁电流和直流电压测量等。5、调解器:输入输出接口板、测量板(MUB)、
20、主控板(COB)、后备紧急手动板(EGC)、变送器、电源模块、控制回路等。第二部分:软件框图和操作说明一、励磁系统软件框图说明1、励磁系统调节器主要作用是精确地控制和调节发电机的端电压或励磁电流,它必须是一个快速控制器,不断地计算给定值与反馈值的偏差,在尽可能短的时间完成调节运算,控制可控硅整流桥的触发角度。2、调节运算完全由软件实现。模拟量信号和控制量信号由测量单元或开关量输入输出板转换成数字信号后送入控制计算单元。3、在如下软件框图中,主功率回路:发电机SM出口电能经励磁变送至整流桥可控硅,由可控硅控制后输出直流励磁电流经闭合的灭磁开关送入转子线圈,即励磁电流,产生旋转励磁电流磁场,切割发
21、电机定子。4、自动(端电压)调节控制回路:发电机SM出口PT经测量模块MUB测量形成数字量送入自动比例积分微分单元AVR-PID的加法器上,此加法器的另一路输入为机端电压的给定值,与给定值计算后输出偏差值经限制参数选择(10)、PID计算(11)和手自动切换选择(20)后直接输出到门极控制单元(12),按控制角形成触发脉冲控制整流桥输出。5、自动通道的给定值:由给定操作FIO经运行方式选择送至AVR给定值单元(1),经给定值积分器(1)累计后送入调差单元的加法器上,此加法器的另两路输入为有功补偿(2)和无功补偿(3)的补偿系数(调差系数),经调差补偿后输出给定值经V/Hz限制器限幅(4)和软起
22、励(5)控制(仅起励时用)后直接送至比例积分微分单元AVR-PID的加法器输入端,与机端实际采样电压进行偏差计算,输出控制电压、控制角和触发脉冲。(上段已讲述)6、手动(恒励磁电流)调节控制回路:励磁变低压侧电流(励磁电流)经测量模块PSI和MUB测量形成数字量送入手动比例积分单元PI(18)的加法器上,此加法器的另一路输入为励磁电流的给定值,与给定值比较后输出偏差值经手动PI计算(18)、手自动切换选择(20)直接输出到门极控制单元(12),按控制角形成触发脉冲控制整流桥输出。7、手动通道的给定值:由给定操作FIO经运行方式选择送至手动给定值单元(17),经手动积分器(17)累计后直接送至手
23、动比例积分单元AVR-PID(18)的加法器输入端,与励磁电流实际采样值进行偏差计算,输出励磁电流偏差经手动PI(18)计算,再输出控制电压、控制角和触发脉冲。8、其他两种运行方式:恒无功功率(15)和恒功率因数(16)调节原理与自动调节类似,根据实际采样值与设定值(来自给定操作FIO)偏差,送至AVR给定单元(1)的积分累计,输出控制与自动调节的其他回路公用,输出控制电压、控制角和触发脉冲,控制整流桥输出。9、自动运行手动跟踪:自动PID的控制电压输出与手动PI的控制电压输出都输入到跟踪单元(6)的加法器上,如果有偏差,如自动5V,手动4V,经加法器(6)计算后偏差1V,此偏差值直接送入手动
24、给定单元(17)的积分回路,在原控制基础上增加1V的控制电压,手动PI输出控制电压增加到5V为止,此时自动5V,手动也5V,加法器(6)计算后偏差0V,跟踪平衡;相反,如果自动5V,手动6V,经加法器(6)计算后偏差-1V,此偏差值直接送入手动给定单元(17)的积分回路,在原控制基础上减少1V的控制电压,手动PI输出控制电压减少到5V为止,此时自动5V,手动也5V,加法器(6)计算后偏差0V,跟踪平衡。10、手动运行自动跟踪:与上述跟踪原理一样,手自动控制电压经加法器(6)计算后偏差,直接送入AVR自动给定单元(1)的积分回路,在原控制电压基础上再增加偏差的控制电压,使自动PID和手动PI输出
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