ABB励磁系统培训教材

励磁培训资料 ABB励磁系统unitol5000技术培训教材 （第一版） 编写：卢贺成 李强 河南华润电力首阳山有限公司 2009年5月 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）：ξ=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ξ=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=Rω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。 3、对于载流导线的磁场：任一载流导线在点 P 处的磁感强度: ，电流I 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是综合系数。 4、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内阻抗的压降，当发电机空载运行时，定子电流为0，内阻抗的压降也为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，内阻抗的压降等于定子电流乘以内阻抗，机端电压等于发电机的电动势减去内阻抗的压降，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内。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电流产生磁场的方向，如右图。 4、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内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Φ的余弦值有关：即Uf= LRωB1COSΦ（转子线圈旋转角度Φ），其中Φ=ωt，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，负载为机端电压加内阻电压）：Uf= LRωK1I COSωt，与励磁电流I成正比，是时间t的余弦函数。 8、在发电机并网之后，在闭合回路中，由感应的电动势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，忽略定子线圈的内阻，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θ，可以理解为定子电动势Uf在转子旋转t=θ/ω后才产生对应的定子电流。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，把B2正交分解为相对于转子0度的磁场B2d=E2COSθ（= K2If COSθ）和90度的磁场B2q=E2SINθ（= KIf sinθ）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ω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=E2COSθ（= K2If COSθ）可以看出，也就是调节主汽门可以改变定子电流If相对于电动势的If COSθ分量，即有功电流要改变，无功电流（If SINθ）基本不变。 14、相同理论，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 SINθ（= K2If SINθ）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 SINθ分量，即无功电流要改变，有功电流（If COSθ）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。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相同，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（上图励磁变-T02低压侧电源）。 上图为全波整流（控制角=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<90时，输出平均电压Ud为正，三相全控桥工作在整流状态，将交流转变为直流，平均电压Ud等于交流线电压在（-/6+）至（/6+）的平均值： 当>90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/Rcosα=KUcosα，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α的余弦值成正比，当α角增大时，cosα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α角取135度，大于90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或Ug2），与设定值比较，根据电压偏差量，计算整流桥的控制角α，送至COB板的脉冲形成模块，产生相应控制角α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α，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ΔU，使整流桥的控制电压Uc减小，从而使整流桥的控制角α也减小，整流柜的直流输出I=Kcosα，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α，送至COB板的产生相应控制角α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）、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，在尽可能短的时间内完成调节运算，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输出控制电压相等，加法器（6）计算后偏差0V，跟踪平衡。 11、通道1运行通道2跟踪：通道1的控制电压输出（20）送至通道2的跟踪单元（7），与通道2的控制电压输出（20）都输入到通道2的跟踪单元（7）的加法器上，如果有偏差，如通道1为5V，通道2为4V，经通道2跟踪单元的加法器（7）计算后偏差1V，此偏差值直接送入通道2的手动给定单元（17）和自动给定单元（1）的积分回路，通道2的给定值增加，在原控制基础上增加1V的控制电压，经控制方式选择（20）后输出控制电压，再与通道1送过来的控制电压比较，直到加法器（6）计算后偏差0V，通道2跟踪平衡；相反，如通道1为5V，通道2为6V，通道2跟踪单元的加法器（7）计算后偏差-1V，通道2给定减少，输出的控制电压减小，通道2加法器（7）计算后偏差0V，通道2跟踪平衡。 12、通道2运行通道1跟踪：与上述跟踪原理一样，两通道控制电压经通道1加法器（6）计算后偏差，直接送入通道1的给定单元积分回路，改变给定值，使两个通道的输出控制电压相等，跟踪平衡。 四、操作说明和应急操作 1、励磁调节器显示屏的操作说明。 调节器显示屏测量显示：在按 按钮，显示屏将显示8个模拟量主要在就地外显示屏上查看：在光标处，用上（下）翻键（↑、↓）一条一条地查看所有实时显示量，用快上（下）翻键（↑↑、↓↓）可以快速隔十条查看所在条的实时显示量。 故障及报警信息查看和复归（复归前完整报警或故障信息、整流柜信号等）： 在故障或报警时，报警 按钮上发光二极管会闪烁，系统会自动显示故障报警信息，第一个故障报警总是显示在第一行，继发故障报警按编号显示在后续行，可以按 按钮显示最近的8个故障报警信息，在复归信号之前记录故障信息和5个整流柜电流表上显示的信息。 点按 按钮复归信号，如果故障消失了，发光二极管灭；如果故障还存在，发光二极管会常亮；如果再次发生故障，发光二极管会再次闪烁；按解锁键（RELEASE）+就地LOCAL按钮，切换到就地，再按 按钮2.5秒以上复归内存的故障报警。 2、励磁系统报警或故障时运行人员现场采取的应急处理： 在DCS或显示控制面板LCP上有励磁报警或故障时，运行人员通知技术部专责同时，首先要尽量准确和详实记录报警故障信息，包括整流柜信息，并进行初步判断是否通道切换、整流柜是否有退出、是否由于柜门未关好报警等。 如果励磁故障进行了通道切换，然后按上述方法进行信号复归，点按 按钮一次，如果复归不掉，再按解锁键（RELEASE）+就地LOCAL按钮，切换到就地，按 按钮2.5秒以上，如果信号复归掉，进行增减磁操作等，检查正常后等30秒以上，再进行一次通道切换，切回原通道运行，再进行增减磁操作等检查，无异常观察运行；如果信号复归不掉，不再进行其他操作，观察运行。按解锁键（RELEASE）+远方RAMOTE按钮，切回远方，等技术支持部处理。 如果励磁故障有1面或2面整流柜退出运行，首先打开退出的整流柜的柜门或滤网，检查风机是否正常运行，如果风机停运，采取增加风机强制冷却措施后，关好柜门，再按上述方法按解锁键+就地按钮，切到就地，按 按钮2.5秒以上复归信号，启动风机，系统恢复正常；如果为其他故障，信号复归不掉或不能恢复运行，不再进行其他操作，只能观察运行，等技术支持部处理。 如果未进行通道切换或整流柜未退出运行，仅报故障或报警，首先判断是否柜门未关好，如仅Start-up blkd extern，146信号，经常由于柜门未关好而报警，检查所有柜门后信号会自动消失，如果其他故障和报警，记录详细报警信息和设备运行状态后，按上述复位方法信号复归一次（直接点按一次 ，复归不掉切到就地，按 按钮2.5秒以上），信号复归掉观察运行，如果信号复归不掉，不再进行其他操作，观察运行，等技术支持部处理。 注：一般不太重要的报警信号，直接点按 按钮一次，可以复归；如果重要故障报警信号，必须先按解锁键+就地按钮，切到就地，再按 按钮2.5秒以上，才能复归内存的故障报警信息；如果还不能复归，不能多次或不停地复位操作，切回远方，等技术支持部处理，及时通知热控专业对DCS系统信息进行备份。 第三部分：自动励磁原理详解 首先回顾一下上次讲课中有关主要内容： 发电机由旋转的励磁电流产生磁场切割定子线圈产生电动势，并网后产生定子电流，把机械能转化为电能，向外输出电功率，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），调节主汽门作用于调节有功功率（有功电流）。 自并励发电机的励磁电流是其输出的电能经励磁变和整流桥控制整流输出的直流电流，合灭磁开关后送至转子上，如下图。 如上图，自动调节软件框图的控制逻辑，DCS增减磁命令经FIO快速输入，再经自动选择，输入到自动调节给定单元（1），经设定增减磁和积分器累加计算后输出给定值，此给定值经调差系数补偿（有功（2）和无功（3）补偿加法器Σ1计算调整）后经V/Hz限制（4）、软起励（5）再送入PID的比较器（Σ2加法器），与来自MUB板的机端电压Ug比较计算，Σ2加法器输出主偏差值，再与各限制器（13、14）比较选择，由参数选择（10）选择合适的PID参数和偏差值，经加法器Σ3再加入PSS的补偿偏差值，Σ3加法器输出的偏差值由PID计算器（11）计算对应偏差值的控制角和控制电压，输出的控制电压经手自动选择（20）到门极控制器（12）产生控制脉冲控制整流桥的输出。 整流桥输出励磁电流大小与控制角α的余弦值成正比，当α角增大时，cosα值减小，整流桥输出电流（励磁电流）也减小，反之亦然；大于90度整流桥逆变灭磁，逆变灭磁的控制角α角取135度。 下面主要针对自动调节器结合上述框图和原理详细讲解： 1、运行方式切换及增减磁等开关量输入硬件图： 集控室DCS接点（手自动及叠加控制切换开关量操作）经电缆，在硬件图901（67页）端子排X10-5，55（自动）、X10-6，56（手动）、X10-7，57（叠加投入）和X10-8，58（叠加退出）的常开节点输入到FIO板U70：5、6、7和8（DI05-DI08），在硬件图901（67页）端子排X11-1，51（功率因数）、X11-2，52（恒无功）的常开节点输入到FIO板U71：1（DI01）和2（DI02）。 开关量输入如上图U70（901）：集控室DCS接点（增减磁开关量操作）经电缆，在硬件图901（67页）端子排X10-3，53（增磁）和X10-4，54（减磁）的常开节点输入到FIO板U70：3（DI03）和4（DI04）。 在硬件图450（58页）中，上述输入的开关量在快速输入输出FIO模块上被定义为U70：3~8（DI03~DI08）和U71：1（DI01）、2（DI02），由对应扁平电缆X31、41和X32、42分别送入通道1和通道2的主控板COB。 在硬件图410（56页）、420（57页）的A10和A20调节器主控板COB模块，上述开关量输入转换为数据量进入CPU，在软件图SP148（4页）和SP149（5页）中被定义为相应的参数进行分析处理。 上述这几个开关量在软件图SP148（4页）和SP149（5页）中分别被定义为10703（增磁）、10704（减磁）、10705（自动）、10706（手动）、10707（叠加投入）、10708（叠加退出）和10801（恒功率因数）、10802（恒无功）参数，如下图，只要外部接点输入的开关量，原理和硬件图都相似，可以自己举例子查看，如灭磁开关合跳（10805、10806）。 2、运行方式切换： 由上述硬件图U70（901、450和410、420页）、软件图SP148（4页）、软件图SP149（5页）知道：DCS手自动及叠加控制操作命令由端子排经快速FIO和扁平电缆送至COB主板，参数被定义为10705（自动）、10706（手动）、10707（叠加投入）、10708（叠加退出）和10801（恒功率因数）、10802（恒无功）。 前两个参数10705、10706在软件图SP76（16页）中为输入量，分别被传递赋值给5306（ON-AUTO-CMD，投自动）和5307（ON-MAN-CMD，投手动），模块SP76（16页）根据各逻辑条件判断确定输出10310（自动）或10311（手动）方式。 同样其他参数10707、10708、10801、10802在软件图SP79（18页）中也为输入量，分别被传递赋值给5310（ON-IMP-CMD，叠加投）、5311（OFF-IMP-CMD，叠加退）、5313（SEL-COSPHI-CTRL，选功率因数）、5312（SEL-Q-CTRL，选恒无功控制）参数，模块SP79（18页）根据各逻辑条件判断输出选择10315（恒功率因数）或10316（恒无功）运行方式。 运行方式控制参数：自动10310、手动10311、恒功率因数10315、恒无功功率10316，用于其它模块的运行方式切换命令。如下面将讲述的自动方式控制参数10310，在软件图SP77（17页）中用于增减磁选择输出到自动给定值单元模块。 下图为运行方式切换的：DCS手自动、叠加控制投退、恒功率因数或恒无功操作命令经FIO快速输入，送入主控板COB，定义为相应的参数10703~10708和10801~10802，再经运行方式控制的逻辑条件判断，选择输出相应的运行方式，如下面将详细讲述：选择输出自动方式运行10310，应用在增减磁命令环节中，将命令选择输入到自动调节给定单元（1），经给定单元的积分累计输出给定值11901。 3、自动给定值的设定： 由上述硬件图U70（901、450和410、420页）、软件图SP148（4页）知道：DCS增减磁操作命令由端子排经快速FIO和扁平电缆送至COB主板，参数被定义为10703（增磁）和10704（减磁）。 这两个参数在软件图SP77（17页）中为输入10703（5304）和10704（5305），由运行方式切换命令选择自动、手动和叠加的增减磁操作的命令（如自动10319、10320；手动10321、10322，恒功率因数10323、10324；恒无功功率10325、10326），分别控制相应给定值的增加或减少（在以后的内容中将详细描述）。 在软件图SP155（8页）、SP77（17页）中10364（5345）和10365（5344）为模拟输入信号或串行通讯线路实现AVR 给定值在就地控制（SP155（8页）、SP77（17页）中10377：LOCAL）的增、减或复归操作，不常用，具体也不再详述，下面讲一下给定值的限幅，如下图SP78（17页）。 在软件图SP78（17页）中，根据控制方式（手自动或叠加控制）分别选择相应的给定值的上限幅10312、下限幅10313、实际给定值10353，并可以根据各自的参数设定分别整定，对于自动控制方式，上限1901（HL REF AVR：110.0 %）、下限1902（LL REF AVR：90.0 %）、上下限爬行时间1905（RAMP TIME1 REF A：60.0 s），其他控制方式不再详述。 在软件图SP77（17页）中，自动方式参数10310（下面将详述），使DCS增减磁操作命令选择输出到自动给定值单元模块（1），让DCS增减磁操作（10703、10704）选择自动给定值操作（10319、10320）命令，在软件图SP43（21页），自动增减磁操作命令（10319：6901、10320：6902）选择积分器INT输入增加或减少一个偏差量（+10000或-10000），积分器INT输出相应的给定值11901。 下图为自动给定值的设定总结：DCS增减磁命令经FIO快速输入，送入主控板COB，定义为相应的参数10703、10704，再经自动方式选择，增减磁命令选择输入到自动调节给定单元（1），经给定单元的积分累计输出给定值11901。 4、自动给定值的补偿和保护 上面已讲述，DCS增磁命令经运行方式选择自动给定值的增减磁命令，选择自动给定值单元积分器INT输出给定设定值11901参数，下面具体讲一下积分器INT作用。 软件图SP43（21页）中，当增磁（10319）或减磁（10320）命令来时，分别动作相应的开关，增加或减少一个数值（10000）输入给多路选择开关模块SEL（0：默认正常，1：空载或叠加，2：跟踪），多路选择开关SEL输出后经最大最小限制，传递给积分器INT的输入I，进入积分环节，积分器的作用就是在原数据的基础上按时间常数增加或减少一个数据，经积分器后输出给定值被定义为参数11901（即输出给定的数值被传递赋值给参数11901，形象的比喻就是11901房间内放的数据为给定值）。 在积分器INT中，其他输入如11708（6904）、10314（6903）为叠加控制输入（恒无功或功率）和12112、12115为自动跟踪输入，在积分器INT的输入端还有积分时间TI（由1901、1902、1905、1906、1908、1907和6905等参数计算而得）、最大限幅OHL（1901）、最小限幅OLL（1902）、预设值BALREF（由1903、1904和6906等参数）和预置投入条件BAL，输出除给定的数值为11901外还有最大限幅O=HL（11902）、最小限幅O=LL（11903）和预设值输出（11904和11905）。 在模块SP44（软件图21页）中，积分器INT输出的给定值（11901）与附加值（6908：0）叠加（加法器Σ）后经调差控制（1909、1910）输出值，首先经V/Hz限制限幅（空载时，比较器2<1中，给定值1大于V/Hz输出控制值，延时1914（0秒））和软起励控制（1915）等控制后输出给定值定义为11906参数，模块SP44（21页）的给定值（参数11906的数值）被传递赋值给参数7001，形象的比喻就是把11906房间内放的数据转移到7001房间内），做为调节器输入模块SP41（21页）的输入参数7001。 软起励功能用于防止机端电压的起励超调。励磁调节器接到开机令后即开始起励升压，最先用发电机的残压和起励电源起励，给定值为10201的值输入到软起模块，当机端电压大于10%额定值后（FLASH OFF（15）：REF=ACT，起励动作返回，如下软件图15页SP152），调节器再以设定的速度增加给定值，使机端电压逐步上升到额定值。 自动给定值的补偿和保护的总结：DCS增减磁命令经自动方式选择，输入到自动调节给定单元，由给定单元的积分累计输出给定设定值11901，经调差补偿、V/Hz限制、软起励等环节后输出给定值11906，送至自动调节输入模块SP41：7001，将与发电机机端电压比较计算，产生偏差。 5、机端电压、电流、有功、无功等的测量 如上图，在硬件图370（52页）中，端子排X45-11、13、15（PT1的R、S、T）的发电机机端电压模拟量输入到调节器-A10的U：R、S和T，端子排X46-1、3、5（CT1的R、S、T）的发电机机端电压模拟量输入到调节器-A10的I：R、S和T。 在软件图SP140（7页）模块中经过标幺值计算后发电机机端电压输出定义为10201参数，发电机机端电压标幺值10201是根据实际测量的数据与额定电压设定值（202参数值，U MACHN KV：22.00 kV）比值计算而得，直接送至自动调节输入模块SP41，将与给定值7001（来自给定值11906，已讲述）比较计算，产生偏差。 其他测量定子电流10210、频率10225、有功10218、无功10220、功率因数10223等标幺值，应用到其他模块中，以后具体讲解。 6、自动调节器偏差、限制保护和控制： 上述已了解，在软件图SP41（21页）中，给定值输入（7001：来自SP44（21页）的自动给定值11906，已讲过）与发电机机端电压采样值（10201：来自SP140（7页）的机端测量单元）进行减法计算，输出主偏差值，经过限幅模块的限制与保护（低励磁励磁限制器的竞大门MAX输出最小限幅LL，过励磁励磁限制器的竞小门MIN输出最大限幅HL，与限幅值比较和选择，后面具体讲解）输出自动调节的偏差值定义为12001参数，被传递赋值给模块SP42（21页）的参数6917，做为调节器比例积分微分（PID）模块SP42（21页）的输入参数。 在调节器输入模块SP41（21页）中，给定值（7001）除了与机端电压（10201）偏差计算外还与附加值（7002：0）和跟踪输入（7003：0）进行计算，输出带附加值或跟踪偏差的偏差值，再送入限制器限幅。 其中附加值7002：0，用于动态试验时，加入干扰量，如做10%阶约响应试验，把7002参数值修改3434，再把参数3434的值改为10%即可，讲动态试验时再具体讲解，跟踪输入7003：来自SP46（22页）的自动跟踪偏差参数12113的数值，通道在备用状态时有偏差输入，工作状态输入为0，以后讲自动跟踪时再具体讲解。 在调节器输入模块SP41（21页）中，低励磁限制器的竞大门输入除了输出的偏差值（控制电压）外，还有P（Q）低励磁限制器偏差值7007（来自P-Q-LIMITER：P（Q）低励磁限制模块SP61（20页）的11501，以后再具体讲解）、欠励磁定子电流限制器偏差值7008（来自I-LIMITER：定子电流限制模块SP56（20页）和QO-CTRL输出控制模块SP63（20页）的11402，以后再具体讲解）、低励磁电流限制器偏差值7009（来自IEMIN-LIMITER：低励磁电流限制模块SP62（20页）的11502，以后再具体讲解），当某一个或多个低励限制器的偏差值大于输出控制电压的偏差值时，选择偏差最大的限制器输出控制电压，增大调节器的励磁输出。 在调节器输入模块SP41（21页）中，过励磁限制器的竞小门输入同样除了输出的偏差值（控制电压）外，还有过励磁电流限制器偏差值7004（来自IE-LIMITER：过励磁电流限制模块SP55（20页）的11301，以后再具体讲解）、过励磁定子电流限制器偏差值7005（来自I-LIMITER：定子电流限制模块SP56（20页）和QO-CTRL输出控制模块SP63（20页）的11401，以后再具体讲解）、用户自定义7006（未用，设最大10000，即100%），当某一个或多个过励限制器的偏差值小于输出控制电压的偏差值时，选择偏差最小的限制器输出控制电压，限制调节器的励磁电流输出。 在调节器输入模块SP41（21页）中，励磁限制器的竞大门和竞小门都有一个优先级选择参数2001，设定为过励磁，即当过励磁和低励磁同时动作时，优先选择过励磁作为调节器控制输出。 自动调节器主偏差值输出，经过限幅模块的限制与保护（低励磁励磁限制器的竞大门MAX输出最小限幅LL，过励磁励磁限制器的竞小门MIN输出最大限幅HL，与限幅值比较和选择）输出自动调节的偏差12001外，还输出各限制器报警信号和限制PID参数选择等。 7、偏差值的PID计算和输出控制 在调节器比例积分微分（PID）模块SP42（21页）中，PID调节控制输入偏差值（调节器控制电压）（6917：来自SP41（21页）的12001）与附加值（6919：0，未用）和PSS控制器输出（6918：来自SP213（27页）的12020，以后具体再详解）进行加法比较后按选定的参数值（如放大倍数、积分时间常数、微分时间常数等）进行比例放大、积分和微分计算，输出控制电压定义为11909参数，（PID）模块SP42（21页）的控制电压值（参数11909的数值）被直接传递给自动跟踪模块SP46（22页）的输入参数11909（AUTO）。 PID 控制器（11）的输入是实际值对给定值的偏差。PID 控制器的输出电压（即控制电压UC）为门极控制单元（12）的输入信号。调节器根据限制器的动作情况自动选择PID 控制器的相应参数。达到优化同步发电机控制性能的目的。参数选择逻辑（10）从PID 参数组中自动选择合适的参数，以增进同步发电机的动态稳定性。 在自动跟踪模块SP46（软件图22页）中，输入的控制电压11909与来自手动控制的控制电压12109经控制方式10311（手动或自动）选择后输出控制电压被定义为参数12110（当无逆变灭磁命令（EXC OFF）时），被传递赋值给门极控制单元（脉冲形成）SP47（22页）的5502（控制电压Uc）。在逆变灭磁命令（EXC OFF）动作时，直接断开调节计算的输出控制电压，12110直接被设定为负的最大：-100%，输出给门极控制单元的5502。 在门极控制单元（脉冲形成）模块SP47（软件图22页）中，控制电压Uc（5502：来自SP46（22页）的12110）经同步电压和脉冲形成单元，产生脉冲10592（去整流柜的CIN板和脉冲放大后驱动整流桥的可控硅）和10591（导通控制角α，用于显示）。 在硬件图220（38页）中，门极控制单元（脉冲形成）模块SP47（软件图22页）产生的脉冲10592经脉冲总线X113传送到脉冲放大模块的在脉冲的作用下，整流柜的直流励磁电流输出相应地改变，从而调节励磁电流和机端电压或无功电流。 下图为自动调节控制全过程的总结：DCS增减磁命令由FIO快速输入和自动方式选择，输入到自动调节给定单元（1），经给定单元的积分累计输出给定设定值11901，经调差、V/Hz限制和软起励输出给定值11906，与机端电压10201比较计算主偏差值，经限制器的限幅选择，输出控制用偏差值12001到PID计算单元，选择合适的PID参数计算输出自动调节器的控制电压11909，经手自动切换输出12110控制电压到门极控制单元，根据控制电压产生脉冲10592和控制角，直接送至整流柜放大后控制整流桥输出励磁电流。 第四部分：手动调节原理详解 首先回顾一下前2次讲课中有关主要内容： 励磁系统主要作用是为发电机提供励磁电流，调节整流桥的控制角α（控制脉冲），调节发电机的励磁电流，就调节发电机的无功负荷（无功电流），当α角增大时，cosα值减小，整流桥输出电流（励磁电流）也减小，反之依然。 励磁调节器分为自动和手动调节，上次已对自动励磁调节原理详细讲述，再回顾一下：DCS增减磁命令由FIO快速输入到COB板定义为10703、10704，由自动方式10310选择，自动增减磁命令（10319、10320）输入到自动调节给定单元（1），经给定单元的积分累计输出给定设定值11901，经调差、V/Hz限制和软起励输出给定值11906，与机端电压10201比较计算主偏差值，经限制器的限幅选择，输出控制用偏差值12001到PID计算单元，选择合适的PID参数计算输出自动调节器的控制电压11909，经手自动切换输出12110控制电压到门极控制单元，根据控制电压产生脉冲10592和控制角10591，直接送至整流柜放大后控制整流桥输出励磁电流。 上次讲课与本次有关的内容：增减磁及运行方式切换等开关量输入回路、运行方式选择、控制电压切换、门极控制及整流桥回路等，这些内容涉及到时再简单讲述一下。 在第一次讲课中励磁系统软件原理框图中手动调节相对简单，这里再回顾一下：如下图（上为原框图，实际上有误，根据软件逻辑，下图为正确的框图，详细讲解时再说明），DCS增减磁命令经FIO快速输入，再经手动选择，输入到手动调节给定单元（17），经增减磁设定和积分器累加计算后输出给定值直接到手动比例积分PI的比较器（18，Σ加法器），与来自MUB板的励磁电流IF比较计算，再与手动低励磁限制器（19）比较选择，输出主偏差值，由手动比例积分PI计算器（18）计算对应偏差值的控制角和控制电压，输出的控制电压经手自动选择（20）到门极控制器（12）产生控制脉冲控制整流桥的输出。 下面主要针对手动调节器结合上述框图和原理详细讲解： 1、手动调节器的给定值设定： 第二课已讲到运行方式切换：DCS手自动、叠加控制投退、恒功率因数或恒无功操作命令经FIO快速输入，再经运行方式控制的逻辑条件判断，选择输出相应的运行方式控制参数：自动10310、手动10311、恒功率因数10315、恒无功功率10316，用于其它模块的运行方式切换命令。如下面将讲述的手动方式控制参数10311，在软件图SP77（17页）中用于增减磁选择输出到手动动给定值单元模块。 前面也讲过，在软件图SP77（17页）中，增磁（10703（5304））和减磁（10704（5305））命令经控制方式（手动10311，=1）选择，分别输出手动给定值的增磁（10321）和减磁（10322）命令参数，这两个参数在模块SP45（22页）中分别被传递赋值给7103和7104，设定手动给定值。 在手动调节给定值设定SP45（软件图22页）中，当增磁（10321，7103）或减磁（10322，7104）命令来时，分别动作相应的开关，增加或减少一个数值（10000）输入给多路选择开关模块SEL（0：默认正常，1：空载或叠加，2：跟踪），多路选择开关SEL输出后经最小限制，传递给积分器INT的输入I，进入积分环节，积分器的作用就是在原数据的基础上按时间常数增加或减少一个数据，经积分器后又经过最小限制才输出给定被定义为参数12105，被传递赋值给模块SP59（22页）参数7109。 在手动设定SP45（软件图22页）积分器INT中，12111、12116为手动跟踪输入（讲跟踪环节再详细讲），在积分器INT的输入端还有积分时间IT（由2103、2104、2101、2102和7105决定）、最大限幅OHL（2106）、最小限幅OLL（2105）、预设值BALREF（由2107、2108和7106等参数决定）和预置投入条件BAL。输出除给定的数值为12105外还有最大限幅O=HL（12101）、最小限幅O=LL（12102）和预设值输出（12103和12104）。 2、手动调节单元的限制和保护： 在手动设定SP45（软件图22页）积分器INT中，过励磁限制输入为7101、7102（来自SP60（软件图22页）：12108和12107），为手动下V/Hz限制输出，在SP60（软件图22页）中，当机端电压10201大于偏差最大值V-Hz-MAX时动作，偏差最大值V-Hz-MAX来自SP44（软件图21页），测量频率值10225大于设定曲线1911、1912、1913：106%，测量频率值10225由SP140（软件图2页）发电机测量PT计算而得，在上次自动调节原理V/Hz限制器已讲过。 手动V/Hz限制是指直接在增减磁中设定点补偿，利用多路选择开关，在限制器动作（12108、7101有效）时，直接选择限制器的偏差值（12107、7102）输入到积分器进行计算，限制器在积分器之前，与自动V/Hz限制器有本质的区别（积分器之后），这一点软件框图中没有。 在手动设定SP45（软件图22页）手动PQ限制器有功电流标幺值10216的绝对值(函数ABS)与设定的手动低励磁PQ曲线2109（-18.0%）、2110（-26.0 %）、2111（-42.0 %）、2112（-62.0 %）、2113（-82.0 %）进行比较和选择，输出手动PQ低励磁限制控制电压，在并网、手动或机端电压故障情况下直接送至手动积分器输出限幅器上，利用限幅器的最低限幅达到手动PQ低励磁限制功能，报手动PQ低励磁限制器动作报警12106。 如果低励磁未动作或手动设定单元积分器输出大于低励磁限制器的输出，手动设定SP45（软件图22页）单元已积分器的输出值为手动的给定值12105；如果低励磁动作并且手动设定单元积分器输出小于低励磁限制器的输出，手动设定SP45（软件图22页）单元已低励磁限制器的输出值为手动的给定值12105，同时报低励磁限制器动作报警12106。 手动P（Q）低励磁限制是直接在积分器的输出口进行限制，积分器经过限制器后才输出给定值，这一点说明原软件框图上内容是错误的，原软件框图手动P（Q）低励磁限制器是积分器输出之后补偿的，并且都是作用于给定值的限制（给定值与采样值偏差之前），与自动P（Q）低励磁限制器也有本质的区别，自动P（Q）低励磁限制器在与机端电压偏差后由竟大门选择输出，作用于偏差值的限制（给定值与采样值偏差之后）。 3、励磁电流的测量 在硬件图110（17页）中，电源转接柜，励磁变低压侧电流CT（励磁电流），经内部转接端子排X08-1、2、3、4（CT的A相和C相），送至励磁电流采样模块PSI板，经扁平电缆X12输入到调节器-A10（410，56页）的EGC和X121输入到调节器-A10（410，56页）的COB，经A/D转换和采样模块，在软件图SP136（9页）模块中，发电机励磁电流采样值经过标幺值计算后输出定义为10501参数，被传递赋值给模块SP59（22页）参数7108，做为手动PI模块SP59（22页）的输入参数7108。 发电机励磁电流标幺值10501是根据实际测量的数据与额定励磁电流设定值502： I EXC A NOMINAL 4387A、励磁电流最大范围设定值507：I EXC SENSE V 5000A和励磁电流采样滤波时间常数519： I EXC FILT tc 0 ms计算而得。 在手动的PI（比例放大和积分）模块SP59（软件图22页）中，设定模块来的给定值输入（7109：上面讲的来自SP45（22页）的12105）与发电机励磁电流采样值（7108：来自SP136（9页）的励磁电流测量单元的输出10501）进行减法比较，输出偏差值（调节器控制电压）进入手动PI比例积分环节，按选定的参数值（如放大倍数2115和2116、积分时间常数2114等）进行比例放大和积分计算，输出控制电压定义为12109参数。 在软件图SP59（22页）中，PI调节控制输入偏差值（调节器控制电压）还与附加值（7110：0）和跟踪器手动控制输出（7111：来自SP46（22页）的12114）进行加法比较，其中附加值7110：0，用于动态试验时，加入干扰量，如做10%阶约响应试验，把7110参数值修改3434，再把参数3434的值改为10%即可，讲动态试验时再具体讲解，跟踪输入7111：来自SP46（22页）的手动跟踪偏差参数12114的数值，通道在备用状态时有偏差输入，工作状态输入为0，以后讲自动跟踪时再具体讲解。