数字励磁系统

数字励磁系统（精选八篇）

数字励磁系统 篇1

随着大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，以及发电机单机容量和电网容量的不断扩大，电力系统及发电机组对励磁控制的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求[1],进而在市场上出现了许多数字励磁调节器的产品。目前，生产和使用的同步发电机大多采用单片机控制，这种控制系统十分复杂，降低了装置的可靠性，不利于维护，潜力又十分有限。本文主要介绍应用DSP芯片TMS320LF2407A设计的微机励磁调节器，一种硬件电路简单，性能优良，适应今后励磁控制发展趋势的励磁调节器。

1 数字励磁调节器的模型

1.1 传统励磁调节器模型

传统励磁控制系统框图如图一所示。采用PID方式，通过改变比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD来获得静态、动态特性。其中位置式PID和增量式PID的控制表达式分别为:

1.2 模糊PID方式励磁控制系统

模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强。为了克服传统PID控制器的缺点[2]，人们将模糊控制与PID控制器结合起来，扬长避短，研究出了多种模糊PID控制器。按模糊PID控制方式去控制励磁的系统控制方框图如图二所示。

输出模糊集合kp,ki,kd的计算公式是:

对输出模糊集合kp、ki、kd需要精确化，即只有精确化的kp、ki、kd才能用来参与PID计算。由于模糊关系矩阵Rp、Ri、Rd都是高阶矩阵，每次计算都要花费大量的时间，使系统的实时性能变差。为了克服计算量大的缺点，在实际应用中通常采用查表法。查表法的基本思想是:通过离线计算取得一张模糊控制表，并将其控制表放在计算机内存中。当模糊控制器进行工作时，计算机只需直接根据采样得到的误差和误差变化率来找出当前时刻输出的三个参数的量化值。下面按照二维模糊控制器的常规设计方法，分精确量的模糊化、模糊控制规则的形成、模糊推理判决及反模糊化几个步骤来完成设计。

1.2.1 精确量的模糊化

在论域上取语言值e,ec集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隶属函数取常用的三角形形状，各语言值的隶属函数如图三所示。

设kP、ki、kd的基本论域为(-7，+7)，在论域上取语言值kP集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，各个语言值的隶属函数如图四所示。

1.2.2 模糊控制规则的形成

根据PID控制的基本特性，在不同的e和ec时，对kP、ki、kd的要求也不同。

(1)当偏差e较大时，为了能加快系统的响应速度，应取较大的kP;同时为了避免可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，当e较小时，kP可取大一些，当ec较小时，kP应取小一些;同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常较小的ki。

(2)当偏差e较小时，为了使系统有良好的稳态性能，应增加kp和ki的取值，同时为了避免系统在设定值出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，kd的取值是相当重要的。一般是当ec较小时，kd可取大些;当ec较大时，kd应取小些。

(3)偏差变化量ec的大小表明偏差值变化的速率，ec值越大，kd取值越小，ki值越大，反之亦然。

1.2.3 模糊推理判决及反模糊化

对应于ΔkP的第(1)条模糊规则的隶属度计算方法是:

依此类推，可以求得参数ΔkP在不同偏差e和偏差变化ec下所有模糊规则调整的隶属度。当输出变量的隶属函数为单点集时，根据重心法，由e和ec可以求得此时参数ΔkP的调整值为:

式中，upj(kp)(j=1,2,…,49)是kP的隶属度，kPj(j=1,2,…,49)是kP在不同的e和ec下参数值。同理，对于参数Δki，Δkd的模糊推理和运算过程与ΔkP类同。

2 励磁调节器的采样

交流采样法是直接将交流电参量经互感器后直接进行采样，这种采样方法能实时反映出电参量的瞬时值的大小以及动态变化情况，这就使同步采样或准同步采样成为了可能，这也就使实时检测电压和电流的相位夹角成为可能。由于采样电路不存在直流滤波大电容，所以不存在滞后，有利于实时控制励磁，也几乎不存在非线性因素的影响，因此检测的精度可以达到很高[3]。

因此，检测电路上与其他励磁调节器相比对检测环节的要求，不仅是能够实时并且精确的反映电参量瞬时值的大小，而且要尽可能的反映多个电参量，此外硬件电路要简单可靠。本设计采用的是交流采样法，如图五所示。

3 仿真结果[4]

4 结束语

本设计创造性的指出了数字励磁调节器按模糊PID进行调节的可行性以及优点，并且用Matlab软件进行了仿真，并对所设计数字励磁调节器进行了现场实验，最后对结果进行了分析，证明了此数字励磁控制系统的设计是可行的。

参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:水利水电出版社,2002.

[2]王红君,赵辉,华岩.模糊参数自适应PID控制器在同步发电机励磁系统中的应用[J].电气传动,2000,2:37-40.

[3]周双喜,李丹.同步发电机数字式励磁调节器[M].北京:中国电力出版社,1998.

同步发电机励磁系统及控制 篇2

同步发电机励磁系统及控制

同步发电机励磁系统设备接线比较简单,有较高的`可靠性并且造价高,调节速度快.取机端电压能保证励磁系统正常的运行.

作 者：张宇 董星亚 作者单位：内蒙古京隆发电有限责任公司生产设备部,内蒙古・乌兰察布,012100刊 名：科协论坛(下半月)英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY ASSOCIATION FORUM年，卷(期)：“”(10)分类号：Q153关键词：自并励 起励 励磁控制

数字励磁系统 篇3

永磁电机是目前电动汽车最常用的驱动电机,但调磁困难、恒功率调速范围窄等固有缺陷限制了其在电动汽车上的广泛应用,在这种背景下“混合励磁”思想应运而生。新型的混合励磁电机合理地改变了永磁电机的结构,在电机定子上附加电励磁绕组,这样可以通过控制电励磁绕组中励磁电流的大小和方向来调节气隙磁场。本文针对一台8极混合励磁电机设计了相应的驱动系统,通过实验分析证明了混合励磁电机与同等级的永磁同步电机相比,其调速范围和峰值电磁力矩大大增加,较好地解决了调磁困难的问题。

1电机本体结构及基本原理

传统永磁电机一般采用矢量控制技术进行弱磁,但由于固有磁阻较大,弱磁效果并不理想。本系统所选用混合励磁无刷直流电机本质上并不是一种新类型电机,它仍属于永磁同步电机的范畴,只是在其基础上进行了合理的改变。混合励磁电机样机截面图如图1所示,电机定子上装有普通定子电枢绕组和附加励磁绕组两套线圈,附加励磁绕组沿圆周方向安装并与电枢绕组正交;转子包括相间安装的表贴式永磁极和铁磁材料组成的调磁极。这样,电机的气隙磁场就是永磁体和附加励磁电流共同作用的结果。

由混合励磁电机结构图可知,其空载磁链可表示为:

ψK=ψPM+ψL 。 (1)

其中:ψL为励磁电流if所产生的磁链;ψPM为永磁磁链。结合式(1)可得到混合励磁电机在带载情况下,每相绕组对应的磁链:

ψ=ψK+ψm 。 (2)

其中:ψm为每相电枢反应磁链,ψm=Lmim,im、Lm分别为每相电枢电流和自感。进一步分析可近似得到混合励磁电机带载时每相的端电压平衡方程和输出转矩为:

undefined。 (3)

undefined。 (4)

其中:R为每相等效电阻;E为反电势;ω为电机角速度;TPM为永磁转矩;Tf为附加励磁转矩;θ为电机的角位移;Lmf为每相电枢绕组与励磁绕组的互感。

由以上分析可知,混合励磁电机驱动系统可以通过控制励磁电流来影响电机内部磁链,从而能达到最终控制转速和转矩的目的。

2电机工作区间的划分及调速系统控制策略

普通的永磁同步电机应用在电动汽车中主要存在两大限制:①输出转矩的限制,若电动汽车在低速爬坡过程中电机发生过载,就需要通过增加电枢电流来提高电机的输出转矩,但长时间的过载电流易损坏电机,且驱动器容量也有限制,所以一味地增加电枢电流不能保证电动汽车长期稳定可靠地运行;②最高转速的限制,电机在基速以上采用传统的调压调速实行恒功率运行, 但随着实际转速增加调压达到极限时电机不再保持恒功率运行,运行效率将急剧下降。

电动汽车驱动电机采用混合励磁控制策略的主要优势是:①能使电机在额定转速以下采用增磁控制方式产生比额定值更大的力矩而不发生电枢电流过载的现象;②当电动汽车在恒功率运行范围内时,可采用弱磁控制策略使驱动电机转速大大超过其额定值从而满足现代电动汽车的运行需求。

由上分析可知,从外加励磁电流的角度来看可将电动汽车划分为3个不同的运行区间:①零励磁运行区(励磁电流if=0),该区域以驱动电机的额定基速nN为界又可分为低速零励磁区和高速零励磁区;②低速增磁区(励磁电流if>0,转速nnR,nR为电机开始弱磁升速时的转速),该区域扩大了电动车恒功率调速范围。综上所述,如何根据运行工况(主要是负载和速度的变化)来使电动汽车在不同的运行区间自由切换,同时又保证调压、调速、调磁协调控制,是整个调速系统的关键所在。

3驱动系统硬件

3.1 控制系统整体框架

混合励磁电机驱动系统由于要实现调压、调磁协调控制,因此比普通的永磁同步电机驱动系统要复杂,图2为系统的结构框图。整个系统主要包括主电路模块、控制电路模块和相关的辅助电路。主电路设置了电枢电流控制器和励磁电流控制器两个相对独立的部分。两部分都由TI公司的高性能数字信号处理器TMS320F2812来控制,其中2812事件管理器A能产生6路PWM波控制三相定子电枢电流,而辅助励磁电流回路的4路PWM控制信号则来自事件管理器B。除此之外,以TMS320F2812为核心的控制电路模块还完成电机位置信号的获取、电流环/速度环的控制以及与车载管理系统的相互通信等任务。

3.2 功率主电路

由于需要分别对三相电枢电流和励磁电流进行双极性控制,因此可靠性高、性能优良的功率器件及驱动电路是整个系统稳定运行的前提。混合励磁电机的三相电枢绕组功率回路拓扑种类较多,本文中选用带中性点的全桥逆变电路作为主拓扑。系统电枢绕组主电路采用6单元IPM功率模块,对于励磁回路,由于电动汽车运行在不同工作区间时需要对电流实现双向控制,故选择单相全桥4单元IPM功率模块。

电动汽车运行时,以DSP为核心的数控系统接收位置传感器的反馈信号并给出相应的换相逻辑,同时根据软件计算出的电机实时转速和电流采样信号执行双闭环控制,最终确定PWM驱动信号的占空比。

3.3 过流保护电路

为了使系统安全稳定运行,一定的保护措施必不可少。以过流保护为例,系统采用了硬件保护、软件保护和IPM功率模块自身保护等多级保护相结合的措施。其中硬件保护电路如图3所示,霍尔传感器将电流采样值(包括励磁电流和三相电枢电流)转换为电压信号并通过比较器与预先设定的安全电压值进行比较,当出现过流现象时,故障信号输出低电平送至TMS320F2812的引脚从而封锁PWM输出并使功率开关器件关断。软件保护是指DSP在一定时间内连续检测到过电流时,程序立即锁死并使PWM输出呈高阻态。IPM自身带有各种保护功能,当在规定时间内监测到故障发生时能实施内部软关断并发出报警信号。

3.4 CAN接口电路设计

电动汽车的整车控制需要良好的通讯协调,为此本系统利用现场总线与车载管理端进行通信。由于TMS320F2812 DSP芯片内嵌有支持CAN2.0B协议的CAN总线模块,因此无需设置专门的CAN控制器,但DSP本身不自带CAN收发器,因此系统选用SN65HVD230作为外接CAN收发器,该收发器具有差分收发能力,最高速率可达1 Mb/s。图4为DSP与CAN总线硬件连接图。

4软件设计

混合励磁电机控制系统软件设计是在硬件电路的基础上配合系统调试而完成的。基于TMS320F2812 型DSP的软件设计采用C语言编程,运用模块化编程思想,增强了软件的扩展能力和易读性。系统软件主要包括初始化程序、循环执行的主程序和一些中断子程序。图5为系统主程序流程图,控制器根据电机的实时速度和采样回来的电枢电流值来判断系统是否进入调磁状态。

5实验分析与结论

实验以一台15 kW的三相八极混合励磁电机为对象,目的是为了验证驱动系统在引入励磁电流控制后对电机动态响应、调速性能等方面的影响。实验数据由ABB公司的DriveStudio工具和示波器采集,并通过origin软件处理后得到实验波形。图6为在同一给定速度下驱动系统分别实施增磁控制和零励磁控制时的电机启动特性。由图6可看出在执行增磁控制(励磁电流为+3 A)时,电机到达给定速度时间约为1.2 s;而在同样的负载条件下励磁电流为0 A时,电机需要1.9 s才能达到给定速度。

图7给出了系统执行突加和突减反向励磁电流指令时对混合励磁电机稳态运行的影响。可以看出电机在1 000 r/min稳态运行时反向施加2 A的励磁电流,由于反向励磁电流削弱了电机的主磁通,所以在给定端电压不变的情况下电机的转速稳步上升。当撤消反向励磁电流时,电机又回到原来的转速。

实验结果表明,本系统在执行增磁、弱磁控制时,可使混合励磁电机稳定运行并且有较好的动态响应,在电动汽车驱动方面应用前景广阔。

参考文献

[1]李优新,王鸿贵,何鸿肃,等.混合励磁无刷电机的调磁原理与实现方法[J].机电工程技术,2003,32(4):18-20,24.

[2]李优新.混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究[J].微特电机,2003(3):3-5.

[3]朱孝勇.混合励磁双凸极电机及其驱动控制系统研究[D].南京:东南大学,2008:15-16.

[4]杨成峰,林鹤云,刘细平.混合励磁同步电机调速系统的控制策略[J].电机与控制学报,2008,12(1):28-33.

[5]Zhu Xiaoyong,Cheng Ming.A novel stator hybird excit-ed doubly salient permanent magnet brushless machine forelectric vehicles[J].Journal of Electrical andTechnology,2006(2):185-191.

数字励磁系统 篇4

山东光明热电股份有限公司装机容量为24MW, 1#、2#发电机装机容量为2×6MW, 采用直流励磁机励磁。直流励磁机的励磁采用SWK-1自动励磁调节装置和磁场变组器励磁。3#发电机装机容量为12MW, 采用无刷励磁方式。

直流励磁机的特点为:同轴的励磁机经过换向器 (整流子) 发出直流电、通过灭磁开关供给发电机转子励磁方式, 其主要缺点是励磁机滑环维护量大, 火花处理比较困难。由于碳刷质量及长时间的磨损, 励磁机滑环出现不同程度的沟槽, 高低不平, 圆形滑环变为椭圆形, 碳刷接触面减小电流增大, 极易出现环火烧坏整流子的事故, 同时加大了更换碳刷及压簧的工作量。

无刷励磁具有响应快、安全、维护方便的特点。其缺点是: (1) 不能中断低压供电电源, 否则失去励磁, 若突然瞬间停电, 励磁系统的稳定性将受影响; (2) 由于无刷, 一旦发生故障则电机无法励磁, 同步电动机将从同步运行方式转入异步运行方式, 这时电机的功率因数从0.85超前变成0.3滞后, 并使电机的出力和效率下降。

2007年底, 该公司3#发电机发生过3起因无刷励磁系统故障导致停机事故。励磁系统故障严重影响发电机的安全稳定运行, 为了确保为矿山生产安全供电、供汽, 同时减少停机次数, 节约材料费, 降低劳动强度, 该公司采购了3套南京南瑞继保电气有限公司的可控硅励磁系统于2008年10月对系统进行相关技术改造。

1 RCS-9410可控硅励磁系统简介

RCS-9410数字励磁调节装置是以励磁系统控制理论、现代数字信号处理最新技术以及数字通信技术相结合的新一代微机励磁调节器, 是南瑞继保电气有限公司通用控制平台上的面向机组控制的闭环控制调节器。它严格按照国际标准、国家标准以及行业标准设计励磁系统的全部调节、控制及限制保护功能, 同时在计算速度、电磁兼容性、可靠性等方面有了更新的提高, 适用于大中型同步发电机组。RCS-941X数字励磁调节装置以超级哈佛结构总线 (SHARC) 的数字信号处理器 (DSP) 作为计算控制的核心, 实现励磁控制的所有功能;以ARM为通讯中心, 实现多种方式的对外通讯;人机联系既有液晶+键盘的装置接口, 又有工作站型的后台接口;采用积木式双通道或多通道冗余结构, 构置成冗余系统;功能软件有着多年的运行经验, 工程设计和实施有着丰富的实践经验, 基于这些因素, PRC-ER励磁调节柜及RCS-9410数字励磁调节装置是一种可靠性高、性能优越、功能丰富、操作简单、维护方便、使用灵活的新型调节器。

RCS-9410数字励磁调节装置采用交、直流并联供电方式:交流输入220V±15%, 直流输入220V±20%, A套和B套调节装置的稳压电源各自独立。A套和B套调节装置一运一备, 可以互相切换, 从而彻底解决了因厂用电中断导致发电机停机的故障。

2 系统改造基本原理

励磁调节装置的主要任务是维持发电机机端电压水平稳定, 从而维持机组一定的负荷水平, 同时对发电机定子及转子侧各电气量的负荷进行限制和保护处理, 励磁调节装置还要对自己进行不断的自检和自诊断, 发现异常和故障, 及时报警并切换到备用通道。

励磁调节装置需完成的主要工作如下。

(1) 模拟量采集。

采集发电机机端交流电压Uga、Ugb、Ugc, 定子交流电流Iga、Igb、Igc, 励磁电流Ifa、Ifb、Ifc, 转子电压Ufd等模拟量, 计算出发电机定子电压、发电机定子电流、发电机有功功率、发电机无功功率、发电机功率因数、发电机励磁电流、发电机转子电压。

(2) 闭环调节。

励磁调节装置工作的目标是保证被调节量实时跟踪对应的参考量, 也就是说, 通过闭环控制使被调节量测量值随其参考值增大而增大, 随其参考值减小而减小, 从而达到调节发电机工况的目的。

(3) 脉冲输出。

闭环调节模块计算得到的触发角度, 经相控脉冲形成环节、产生所要求触发角度的相控脉冲, 由功率放大环节放大后输出至整流桥。

(4) 限制和保护。

调节装置将采样及计算所得到的机组参数模拟量测量值, 与调节装置预先整定的限制保护值相比较, 分析发电机组的实时工况, 判断发电机的工作区域, 对过负荷和欠负荷工况进行限制, 防止发电机进入不安全或不稳定区域, 从而保护机组的安全可靠运行。

(5) 逻辑判断。

在正常运行时, 励磁调节装置不断地根据现场输入的操作命令和状态信号进行逻辑组合, 辨识励磁系统的工作状态或识别现场的控制需求, 并自动做出相应的处理。

(6) 参考值设定。

正常运行时, 励磁调节装置不断地检测增减控制命令, 并按照增减的控制命令持续时间、励磁闭环控制方式、发电机工况和预置的增减速度等要求修改被调节量的参考值从而实现被调节量的增加或减小。

(7) 双机通讯。

从通道自动跟踪主通道的被调节量的参考值和输出的控制值。正常运行中, 一个自动通道为主通道运行, 另外自动通道为从通道运行。通过双机通讯, 从通道不间断地跟踪主通道的运行工况和控制信息, 实现在任何方式下进行主从通道切换, 发电机工况均无波动。

(8) 自检和自诊断。

励磁调节装置在运行中, 不间断地对装置硬件和软件进行自检和自诊断, 及时发现故障或异常, 并做出容错处理, 发出告警信息及切换至完好的从通道运行。具体来讲, 调节装置对电源、硬件、软件、信号进行检测, 自动对异常或故障进行判断和处理, 防止因励磁系统异常导致发电机事故的发生。

(9) 人机对话。

励磁调节装置设置了中文人机界面实现人机信息交换, 该人机对话界面提供数据读取、励磁定值修改、试验操作、录波自动或手动保存等功能。通过这样的人机界面, 可以获取调节装置所有的模拟量数据信息, 获取所有的开关量信息, 获取调节装置当前的自检和自诊断结果信息, 也可读取和修改调节装置的所有的限制和保护定值。

(10) 对外通讯。

励磁调节装置对外通讯接口包括以太网和RS232/RS485, 并适用多种通讯协议。

3 改造方案实施情况

改造前, 2008年5月8日下午14∶06, 该公司曾经发生过厂用电中断导致无法为整个矿井生产供电。

2008年10月改造完成后, 运行情况良好。2009年6月28日5∶24、7月13日9∶40、8月15日13∶42, 因雷击纸厂线路导致纸厂线路开关跳闸和电厂II回路跳闸, 未造成该公司厂用电中断, 保证了矿里配电所和河北降压站的供电, 同时副立井降压站电厂II回路虽然停电, 但是泉沟变电所至副立井的线路为此供电, 有效保证了矿井的安全生产。最为显著的是2009年10月23号16∶00, 泉沟变电所改造期间, 由于网上故障, 造成系统功率缺额, 副立井降压站中的低频减载紧急控制装置动作迅速切除了副立井至泉沟变电所的线路该公司脱网运行半小时, 从而保证了厂用电不中断, 减少了停电对矿井影响的危害, 保证了供电系统的可靠性。

4 技改收益分析

此技术改造解决了该公司1#机和2#机直流励磁机振动问题。直流励磁机振动一直是影响发电机正常运行的安全隐患。因振动导致运行中碳刷磨损严重, 刷辫断, 不停机更换碳刷及刷辫工作是一个重要的危险源, 同时造成整流子的直径变小、变形, 需要进行精车。精车后的整流子直径小, 弹簧压力变小, 导致发热严重, 从而加大了励磁机振动。每3年更换1次整流子, 1年精车1次整流子。自2005年至今, 每年维护1#机和2#机直流励磁机的费用为4.5万元。精车1次整流子需要2天时间, 按照1#机、2#机负荷共计10MW/h计算, 电价按照0.5元/kWh计算, 间接损失为:2×24×10000×0.5=24万元。3#机按照1年1次励磁系统故障停机, 恢复运行10h, 负荷按照9MW/h计算, 则损失9000×10×0.5=4.5万元, 根据以上计算可以得出, 改造后每年可以节省资金为33万, 经济效益显著提高。

数字式励磁调节器抗干扰措施研究 篇5

1 干扰对微机控制系统的危害

1.1 数据采集误差加大

干扰侵入微机系统的前向通道, 叠加在信号上, 致使数据采集误差加大。例如电压测量中, 常见有工频电网电压的串模干扰, 严重时, 会出现干扰信号淹没被测信号的情况。

1.2 控制状态失灵

一般控制状态的输出多半是通过微机系统的后向通道, 由于控制信号输出较大, 一般不易直接受到外界干扰。但是, 在微机控制系统中, 控制状态输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中, 由于干扰的侵入, 都会造成条件状态偏差、失误, 致使输出控制误差加大, 造成控制失常或失灵。

1.3 数据受干扰发生变化

微机系统中, 由于RAM是可以读/写的, 因此, 在干扰的侵害下, RAM中数据会发生窜改。各种特殊功能的寄存器等状态也可能受外来干扰而变化。数据受干扰的结果, 有的造成数值误差, 有的使控制失灵。

1.4 程序运行失常

在微机系统受强干扰后, 造成程序计数器PC值改变, 破坏了程序的正常运行。而PC值被干扰后的数据是随机的, 因此引起程序混乱, 在PC值的错误引导下, 程序将执行一系列毫无意义的指令, 最后常常进入一个毫无意义的死循环中, 使输出严重混乱或失控。

干扰是微机控制系统的大敌, 如果抗干扰问题处理不当, 微机控制系统就不能很好发挥作用。因此, 解决好抗干扰问题就成为微机控制技术能否在电力系统中广泛应用的一个关键。

2 抗干扰的措施

制订抗干扰措施时, 要针对不同干扰源的特点和干扰的主要传播途径, 从削弱干扰源、隔离干扰信号路径以及从软件上排除干扰影响等力面进行考虑。

2.1 隔离干扰信号路径

削弱干扰源与被干扰电路的电磁耦合, 即减小干扰源与被扰电路的互感和电容。铺设线路时, 应将各种强电与弱电信号电缆分开, 尽量分开走线或采用辐射状走线;若采用绞线, 将两根线不断换位, 以使得干扰信号相互抵消, 获得削弱电磁干扰的明显效果。

加强屏蔽也可以有力地削弱空间电磁辐射干扰。屏蔽的通常做法是利用导电、导磁材料做一个闭合屏蔽层, 屏蔽层与大地或信号地相连, 把干扰源与被扰电路隔开, 使干扰源的磁力线或电力线限制在一定的范围内, 削弱电磁波与被扰电路的电磁耦合。可以充分利用设备的外壳作为屏蔽层, 并在其内部设置强电区和弱电区, 减小弱电回路受干扰的机会。

使用交流电源供电的装置, 将由于使用电源变压器而产生工频干扰。对于工作电源带来的干扰, 还可以采用双层变压器隔离, 即在电源变压器前面, 再接入—个1:1的C型铁芯的超隔离变压器。因为电源侧窜入的干扰主要是电场耦合的结果, 采用两只变压器的分布电容等效串联, 耦合电容容量大大减小, 因此对干扰信号的耦合作用也大大降低。

在采集强电信号时, 采用中间隔离的方式进行间接采样, 以便隔断干扰信号的途径。应用较多的有变压器隔离、继电器隔离和光电隔离等方式。其中光电隔离使模拟电路部分和数字电路部分分别有自己的电源和接地, 可以有效池消除干扰, 是比较理想的隔离方式, 在数字式励磁调节器中应用较普遍。

2.2 接地系统的抗干扰措施

微机控制系统中正确接地是抑制干扰的重要方法。把接地和屏蔽很好地结合起来, 可以消除大部分干扰。在微机控制系统中, 通常有以下几种接地线:

1) 机壳保护接地 (屏蔽地) 。是将机柜与系统地相连, 其接地电阻约为2.5Ω如果没有良好的机柜接地, 则由于系统朗场存在强人的高频电磁干扰源和高压电场, 机柜上就会感应出高频干扰电压, 蓄积电荷会引起电位升高, 威胁工作人员的安全和对机内电子元件的工作。

2) 信号地, 即传感器信号的地线。这种地不浮空, 以小于4Ω的接地电阻, 在一点接大地。

3) 交流电源接地。通常50Hz电源的地线接电网的零线。为防止电网零线电位漂移过大, 其接地电阻越小越好。

4) 数字地。它作为逻辑开关网络的零电位。

5) 模拟地。是作为A/D变换、前置放大或比较器的零电位。

为防止干扰, 地线设计上, 可采取如下措施:数字电路与模拟电路分开, 两者的地线也不要相混, 分别与电源端地线相连。电路板上有高速逻辑电路和线性电路时, 要尽量加大线性电路的接地面积;接地线应尽量粗些。因为接地线过细, 接地电位将随电流的变化而变化, 致使微机的定时信号电平不稳, 抗噪声性能变坏。通常应使接地线能通过3倍于印刷电路板上的允许电流;接地线构成闭环路。这可以明显地提高由数字电路组成的印刷电路板的抗干扰能力;多路信号地线, 应采用辐射形接地, 以降低各路信号之间的串扰;对于多设备共地部分的一点接地, 接地点应选在功率较大的负荷处, 以避免大负荷村小信号部分产生的地线波动, 减少强电对弱电的环流[2]。

2.3 软件抗干扰的措施

微机系统的抗干扰不能完全依靠硬件系统, 还应从软件上采取措施, 提高傲机自身防御干扰的能力。软件抗干扰的先决条件是程序存放区不会受干扰侵害, 系统的程序及重要常数不会因干扰侵入而变化, 为此, 应把它们固化到ROM中。在数据采集时的干扰, 可以根据信号的变化规律, 采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。系统受到干扰时, 致使程序计数器PC值改变, 将造成程序失常, 飞逸出轨或进入死循环。对了程序运行失常的软件对策主要是发现失常后及时引导系统恢复到初始状念, 常用软件“看门狗”自复位措施。

参考文献

[1]聂为清.几种励磁控制方案的比较研究[J].电力系统自动化, 1988 (2) .

数字励磁系统 篇6

发电机励磁系统是建立并维持机组电压稳定的核心控制系统,是保障电网稳定运行的要素,也是提高电网输送能力最经济、最优先采用的手段。早期大中型机组的励磁系统由于受电力电子技术发展水平的限制,常采用自复励励磁、直流励磁机励磁、交流励磁机励磁等。

2 问题的提出

某电站于20世纪70年代投运,其发电机组励磁方式采用两机一变直流励磁式。为了保证发电机可靠安全运行,在主机检修的同时也进行了励磁机的大小修。但由于运行时间较长,励磁机设备老化现象明显,导致发电机转子一点接地故障频发,通过检修已很难恢复正常的绝缘水平,这在很大程度上影响了机组的安全稳定运行。为此,需要对励磁机或励磁方式进行改造,以提高励磁系统的绝缘水平。原励磁系统布置图如图1所示。

3 改造方案分析

根据机组现有励磁方式进行如下改造。

方案1:保持两机一变直流励磁方式,只更换直流励磁机。由于直流励磁机的绝缘已严重老化,因此只能将其返厂维修或重新生产。该方案改造的设备较少,但直流励磁机返厂维修或重新生产的成本较高;该励磁系统旋转部件较多,增加了故障率,而且旋转励磁的后期维护量大,费用也高。另外,励磁机的存在增加了发电机的大轴长度,使发电机稳定性变差,尤为突出的是,直流励磁机电枢反应的时间较长,在需要机组强励以提高发电机、电网稳定性时,其特性较差。

方案2:将励磁系统改造为静止自并励励磁系统。自并励为新建大型发电机组励磁系统的主流形式,主要由励磁变压器、励磁调节器、励磁整流装置、灭磁及过电压保护装置等组成。其特点为:(1)可改善轴系稳定性。由于取消了直流励磁机,发电机大轴将缩短,因此降低了原动机动平衡和发电机的轴系振荡问题。(2)能提高电力系统运行水平。励磁系统响应速度快,在加入电力系统稳定器(PSS)后,可大大提高电力系统运行水平。(3)后期维护工作量小。经分析,原励磁调节器和灭磁及过电压装置性能完备,满足发电机运行需求,且在寿命使用周期内,不需要改造;但原励磁变压器及功率柜出力面向励磁机,需要改造为面向发电机。

综上,最终选取方案2对原励磁系统进行改造。

4 改造方案设计

4.1 装置选型依据

为了减少技术改造给发电生产带来的影响,必须缩短改造时间,因此所改造的设备必须尽可能少。其次,为了减少设备浪费并节约改造费用,需要对原励磁系统装置进行复核,例如在寿命期内、运行可靠稳定、各项性能指标满足电网要求的设备,在适当条件下可继续使用。

4.2 装置的布置

由于直流励磁机励磁系统所用功率柜的容量和装置数量较少,当采用自并励励磁系统后,功率柜容量增大、数量增多,而原设备位置已固定,因此设备的布置需要依据现有设备的尺寸来考虑,并尽可能减少对其它设备的改动。为此,在选好装置参数后,需要对励磁屏柜位置进行改造,并尽可能减少屏柜位置移动量。根据原励磁系统设计的新布置方案如图2所示,以调节柜(不动)为基准,将功率柜、灭磁柜等移出或调整位置。

4.3 励磁变压器

励磁变压器的参数选择主要有二次电压和额定电流。根据电力系统稳定运行要求,当发电机电压为80%额定电压时,励磁系统能提供2倍强励能力,即:

式中,αmin为励磁系统强励时晶闸管触发角;Ufn为发电机在额定工况下的励磁电压。

根据GB/T 583—2006要求,励磁系统应保证当发电机励磁电流、电压为发电机额定负载下励磁电流、电压的1.1倍时,能长期连续运行,即:

I2=0.816×1.1Ifn

再考虑电路压降损耗和发电机滑环损失,最终选取励磁变压器容量为1 100kVA,二次电压为550V。

4.4 励磁整流柜

根据DL/T 583—2006要求,整流装置冗余度按照不小于N+1的模式配置,即N模式下保证发电机在包括强励在内的所有运行工况下运行;强励时间要求不小于20s,但发电机转子热稳定极限要求强励时间一般不超过20s。为此,励磁系统主要考虑在1.1倍额定工况运行,再考虑到装置的裕量,最终选取单柜出力为1 500A的2柜并联运行模式。该装置单柜短时工作最大出力可超过2 500A,满足电站运行需求。

4.5 励磁调节器

原励磁调节器运行时间较短,仍在使用寿命周期内,运行期间也稳定可靠,且通过了各种试验,其性能完善、动态响应快,满足系统运行要求。通过对其软件重新升级,仍可适用于改造后的自并励励磁系统,故不再改造。

原灭磁及过电压保护装置直接与发电机转子配套,设计合理、运行期间稳定可靠,且仍在使用寿命周期内,而发电机容量及励磁参数也未改变,仍适用于改造后的系统,故不再改造。

5 结束语

该电厂励磁系统改造后运行时间已达1年,系统各部件稳定可靠,同时,因取消了励磁机部件,故运行过程中转子接地保护未出现误报。这表明改造方案非常成功,可推广应用,能为其它电厂他励源励磁系统或两机一变励磁系统的改造提供参考。

参考文献

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[2]DL/T 583—2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术备件[S]

[3]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:中国电力出版社,2002

[4]郭晟,黄少军.同步发电机自并励励磁系统改造技术[J].北京电力高等专科学校学报,2011(8):116

[5]王海军,霍乾涛,刘国华.提高整流装置输出电流能力的研究及试验验证[J].电气传动,2011(1):37-39,43

[6]陈化钢.电力设备异常运行及事故处理[M].北京:中国水利水电出版社,1999

数字励磁系统 篇7

全国已建成农村水电站4.8万多座, 这些水电站多大20世纪的60~80年代建成。许多电站已经运行了30年以上, 因此这些小水电都相继进行着改造, 随着这些机组的改造, 就产生了大量相适应的励磁系统, 特别是无刷励磁系统的改造。随着我公司近年来许多小机组无刷励磁系统的投运, 我们总结出了无刷励磁系统中励磁变压器的选型计算经验。本篇文章就现通用的二机 (发电机GS和主励磁机G) 无刷励磁系统励磁变压器选型计算出现的问题进行实例探讨。

2 常规选型计算

电站装机容量为3台1620KW无刷机组, 励磁机厂家提供的励磁机的额定励磁电压为187V, 额定励磁电流为14A。

2.1 计算励磁变压器二次侧线电压

根据我们经典计算公式:

U2:励磁变二次线电压;

KC:强励倍数, 选2;

UL:额定励磁电压;

IL:额定励磁电流;

XK:短路阻抗, 取6%;

在发电机的励磁系统中, 因为有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素, 故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高, 以限制过大的短路电流。但另一方面, 励磁变压器所选用的短路阻抗过大, 在强励条件下, 励磁变压器二次电压的下降以及励磁电流的增加, 有可能使整流器外特性的工作点过渡到第Ⅱ种换相状态 (换相角60°<γ<120°) , 导致励磁输出电压显著降低, 因此短路阻抗电压的参数要综合考虑。对比诸方面综合考虑, 我们选择6%。

αmin------强励控制角, 按10°计算;

∑ΔU------励磁回路压降之和, 取1.5;

最后计算出励磁变二次侧电压U2为285V。

2.2 计算励磁变压器二次侧线电流

根据变流技术, 励磁变压器的二次电流为:

其中:IL是额定励磁电流。

计算出励磁变二次侧电流I2为11.34A。

2.3 计算励磁变压器容量

励磁变压器的容量按下列公式计算:

其中:S------励磁变压器的容量;

U2:励磁变压器的二次电压;

I2:励磁变压器的二次电流;

ΔS:励磁变压器的损耗。

由于整流变压器工作电流的非正弦性, 将产生高次谐波附加绕组铜损和铁损, 由实际工作电流产生的总损耗将大于工频电流产生的总损耗, 而计算或试验测量实际工作电流 (含谐波) 产生的损耗是比较困难的, 目前工程上采取增加 (10~30%) 谐波附加损耗系数的方法适当加大变压器容量 (热容量) , 即, 在这里我们选1.1倍, 最后得出励磁变压器容量为6366VA, 靠档后选为8KVA。

2.4 确定励磁变压器接线组别

对于三相双绕组电力变压器的接线组别, 我国有关标准规定为Yyn0、Yd11、Ynd11、Yny0和Yy0五种接线方式。对于励磁变压器接线组别的选择, 我国也多沿用电力变压器的标准, 一般都选用Yd11接线方式, 其原因为励磁变压器的一次侧接成星形接线时, 一次绕组的相电压仅为线电压的, 降低了一次绕组的耐压水平。二次绕组三角形连接, 可为三次谐波短路电流提供一个支路, 用以抵消3次谐波磁通, 改善了相电压波形。最后确定励磁变压器接法为Yd11。

绝缘等级根据用户需求选为F级。

2.5 确定最终型号

最后得出励磁变压器型号:干变8KVA-3.3KV/285V (Yd11, F级绝缘等级) 。

3常规选型后出现的情况

选型后, 在现场投运试验时, 发现起励时端压摆动厉害, 多次调整PID效果不明显。检查控制角时, 发现控制角达到68°, 这与常规的60°差别很大, 再用万用表量取励磁电压时, 发现额定励磁电压为147V, 与励磁机厂家提供的参数187V差别很大。

4 验正发电机及励磁机额定运行时参数

根据现场所测数据, 怀疑励磁机提供的参数与发电机厂家的参数出现匹配偏差, 再向励磁机厂家及发电机厂家索要详细全面的参数, 列表如表1所示。

5 根据额定运行参数进行技术分析并重新合理选型

见图1, 由表1得知发电机额定励磁电压为150V, 根据整流桥交直流电压间关系倒推出此时励磁机的交流线电压应为150V÷1.35=111V, 换算成相电压应为111×1.732=64V, 考虑回路压降, 应为64+1.5=65.5。

而励磁机厂家提供的相电压却为82.5V, 这中间差别比值为:65.5÷82.5=0.79, 与励磁机的额定励磁电压实际值与计算值的比值 (147÷187=0.79) 正好一致, 这说明励磁机与发电机实际额定工况下的参数有0.78左右的比值差别。

最后根据这个实际励磁参数 (额定励磁电压为147V) 重新对励磁变压器选型, 计算励磁变压器二次侧线电压为225V (变压最终选型为:6KVA-3.3KV/225V) , 再投入现场运行, 运行至今未出现起励时端压摆动厉害等现象。

6 对励磁变压器错误选型导致的问题原因进行分析

现在对之前选型后出现过流等情况的原因进行分析。

首先倒算出额定工况下的控制角。

根据之前励磁机厂家提供的参数进行选型计算, 得到励磁变压器二次侧电压为285V, 由公式 (1) 计算, 算出实际额定励磁电压时的控制角为:

显然额定工况下控制角过大。而额定运行工况时控制角过大, 导致平均电压波形出现了较多的负值部分即每次换流须由转子绕组释放能量以维持励磁电流, 使晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态, 波形畸变增大, 功率因数变差, 故障的短路电流变大。

其次, 在无刷励磁系统中, 自动励磁调节器作用于接在交流励磁机励磁回路的晶闸管整流器, 为此, 励磁控制信号只有经过具有较大转子绕组时间常数的交流励磁机惯性环节后, 才能作用到发电机的励磁绕组侧, 同时励磁机本身的参数设计就有一定的放大作用, 调节时本身就会出现一些超调量, 如果此时励磁变压器二次侧电压过高, 就会加剧调节控制的不稳定性, 并且增加烧毁可控硅的风险。

另外由于控制角的增大, 实际上相当于负载的功率因数减小, 增加了励磁变的无功损耗。电压高了也必然导致电流降低, 线圈绕组的导线截面积下降, 电流损耗也增大。

重新计算励磁变压器二次侧线电压为225V后, 再根据公式 (1) 计算额定运行时的控制角为:

显然控制角较原设备有较大改善, 实际证明投运后再未出现端压不稳及烧毁可控硅现象。

7 结论

上述实例说明在无刷励磁系统中, 特别是小水电, 发电机与励磁机在额定工况下存在参数配合问题, 我们应根据发电机的励磁电压和励磁机的交流相电压进行推算, 最后得出真实的励磁机的额定励磁电压, 才能作出励磁变压器的正确选型。

参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:中国电力出版社, 2011.

[2]水电站机电设计手册.北京:水利电力出版社, 1984.

数字励磁系统 篇8

关键词：无刷同步发电机,电容补偿励磁,定转子绕组,工作原理

1 定转子绕组及其结构

这类发电机的定子铁芯槽内嵌有3套绕组, 一套为定子主绕组MC (占有2/3定子槽数) , 另一套为定子副绕组SC (占有剩余的1/3定子槽数) , 还有一套为提供12 V直流电源的绕组。发电机的转子为整体凸极式结构, 为2个磁极, 并且每个磁极上都装有1个磁极绕组。将罗宾系列发电机转子的2个磁极绕组串接后, 与旋转硅整流管和过电压保护电阻并联, 而久保田系列发电机转子的2个磁极绕组则是单独与旋转硅整流管和过电压保护电阻并联。图1所示即为凸极式逆序磁场励磁无刷单相同步发电机接线原理图。

2 工作原理简介

无刷电机的基本原理可以分为起励建压和正常工作这2种状态。

2.1 起励建压过程

起励建压的过程为:1转子由原动机拖动放置至额定转速 (3 000~3 780 rpm/min) 。2N极和S极磁钢旋转形成磁场切割副绕组, 副绕组感应产生电压。3根据电容的充放电特性可知, 副绕组通有电容性电流形成单相脉动磁场1。该脉动磁场可以分解为逆序和顺序2个磁场。顺序磁场与转子磁场同步, 并且方向相同, 加强了转子的励磁, 这是电容绕组助磁的工作原理;逆序磁场则以2倍的工频 (同步转速) 作用于转子励磁绕组, 并在转子励磁绕组中感应出2倍工频的电势。该电势经整流二极管的整流变成了直流励磁能量, 加强了转子的励磁, 这就是逆序磁场励磁的工作原理。4在2方面的正反馈作用下, 主绕组逐步建立空载电压并实现了自励。

2.2 加载自励恒压过程

加载自励恒压过程为:1增加负载, 主绕组端电压将会随即降低。2随着负载电流的增加, 定子主绕组中的单相脉动磁场2在增大, 而由脉动磁场分解成的正、逆序磁场也同样在增大。顺序磁场的增大导致电枢反应加强;逆序磁场的增大则是借助于转子励磁绕组及其整流二极管的作用, 加强了转子的励磁。3这2方面的加强使端电压得以回升, 实现了发电机的自动恒压。

综上所述, 从理论上来讲, 空载时的电压主要受电容绕组及其电容大小的影响, 而负载后则由主绕组的逆序磁场补偿其正序磁场电枢反应的去磁作用。但是, 随着机组的长时间运行, 绕组损耗与附加损耗造成了电机温升的上升, 而脉动磁场的增大使得定子齿磁通密度趋于饱和。此时, 就会出现下列情况,

2.3 实例介绍

FDW-650 W 2极无刷单相同步发电机有关数据记录显示, 额定电压为230 V/50 Hz, 定子铁芯外径D=150 mm, 铁芯长L=57 mm, 主绕组匝数Wa=518匝, 电容绕组匝数Wc=191匝, 励磁绕组匝数Wd=580匝 (每极) , 电容值11 u F。在实际出厂型式实验测试中, 有这样一组数据, 如表1所示。

备注:发电机在热态额定负载的状况下, 继续增加负载, 频率不发生变化, 电压继续下跌, 排除了动力因素的影响。

2.4 讨论

如表2所示, 负载后脉动磁场不足以补偿, 还有没有其他补偿渠道。结合实例进行讨论电容绕组中电容的大小在负载变化过程中所起的作用。

从表2中可以看出, 随着电容的增大, 在负载过程中, 电压会随之加大, 但是, 空载时的电压超出了标准。本文希望电容补偿仅在电压低于额定电压时起到作用。

3 电容补偿思路和方案

小型单相同步发电机励磁方式除了凸极式逆序磁场无刷励磁, 还主要有交流励磁机无刷励磁和晶闸管逆序磁场有刷励磁等。单相同步发电机常用励磁方式的对比情况如表3所示。

综合考虑了晶闸管逆序磁场有刷励磁和凸极式逆序磁场无刷励磁2种励磁方式, 提出以下改进方案, 原理图详见图2:1保持“凸极式逆序磁场无刷励磁”基本工作状态不变。2根据晶闸管逆序磁场有刷励磁的工作原理, 增加取样绕组进行反馈。3 利用可控硅斩波原理, 控制附加1个小容值电容充放电的电压。当空载时, 适当增加副绕组两端的电容, 相当于12 u F;当半载时, 副绕组两端电容基本不加, 相当于11 u F;当满载时, 副绕组两端的电容会随着端电压的下降而逐步增加, 相当于15~18 u F。4实际测试数据如表4所示。

4 与传统无刷电容励磁电机比较

电容补偿励磁无刷发电机与目前行业普通小型单相同步发电机相比, 具有如下优点:1有“凸极式逆序磁场无刷励磁”优点——触点免维护;2有“晶闸管逆序磁场有刷励磁”优点——稳态电压调整率和热态电压调整率较好;3采取简单接线的方式就可以明显改善现有“凸极式逆序磁场无刷励磁”发电机的整机性能, 大大增强了其市场竞争力。

参考文献

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[2]潘砚福.电容绕组助磁负序磁场励磁无刷单相同步发电机的理论分析与实例讨论[J].中小型电机, 1994 (02) .

[3]陶川辉.基于DSP的无刷同步发电机励磁系统的研究[D].淮南:安徽理工大学, 2010.