基于TCA785的同步發(fā)電機晶閘管勵磁控制器原理分析

作為一個發(fā)電廠的生產(chǎn)技術(shù)人員，在多年的工作中發(fā)現(xiàn)，同步水輪發(fā)電機晶閘管勵磁系統(tǒng)的檢修，是電修人員工作的難點之一。

勵磁系統(tǒng)的檢修，需要熟練掌握多方面知識，理論聯(lián)系實際，才能在保證人身、系統(tǒng)、設(shè)備安全的基礎(chǔ)上解決實際問題。

想要檢修晶閘管勵磁系統(tǒng)，需要要熟練掌握電路與磁路理論和電子技術(shù)，熟悉半導(dǎo)體變流技術(shù)，熟悉電力系統(tǒng)運行方式，才能把勵磁控制器原理和晶閘管可控整流橋原理融會貫通，才能輕松應(yīng)對突發(fā)的各種勵磁系統(tǒng)故障。

本文以機端電壓為6.3KV的小型同步水輪發(fā)電機組的晶閘管勵磁控制器（基于TCA785）作為分析實例。其他類型的勵磁控制器原理基本相同。

本例中的主電路為三相半控整流橋，采用半控橋的優(yōu)點是降低了設(shè)備成本并且提高了檢修效率。缺點是不能使用逆變方式滅磁，滅磁時機組的磁場能量只能通過滅磁電阻轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉。

一、測量比較放大單元

1.測量比較單元

測量比較單元就象一個調(diào)度中心，可以及時感知發(fā)電機出口電壓的變化然后發(fā)出提高或降低晶閘管的開度的指令給移相觸發(fā)單元，從而達到調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓的目的。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，通常要求調(diào)節(jié)器提供強勵。但是，當不對稱短路發(fā)生在遠方時，短路后的電壓可能與正常電壓差別不大，因而不易區(qū)別。在用分立元件組成的測量比較單元里，因為分辨率不高，在測量比較單元的輸入端需裝設(shè)正序電壓濾過器。當電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路引起三相電壓不對稱時，濾過器將把負序分量濾掉，只輸出對稱的、數(shù)值降低較多的正序電壓。這既提高了分立元件調(diào)節(jié)器反應(yīng)不對稱短路的靈敏度，又可使測量整流電路仍工作在對稱狀態(tài)。采用正序電壓濾過器的缺點是增大了調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)（約5ms），并在一定程度上使調(diào)節(jié)器的頻率特性變壞。因此，在使用集成電路的高靈敏度調(diào)節(jié)器中，并不裝設(shè)正序電壓濾過器。

對測量比較單元的基本要求是：測量不對稱短路有足夠的測量靈敏度；時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快；直流測量電壓平穩(wěn)，波紋系數(shù)?。恢绷骰鶞孰妷悍€(wěn)定，具有溫度補償能力；輸入電壓與輸出電壓之間存在線性關(guān)系以及受系統(tǒng)頻率變化的影響小等。

2.綜合放大單元

測量比較單元輸出的電壓偏差信號幅值較小，且變化緩慢，靈敏度低，因此不能直接用于控制移相觸發(fā)單元。為了提高調(diào)節(jié)器的靈敏度，必須加以放大。此外，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器的多功能要求，通常需要線性地綜合測量比較、反饋及限制等直流信號并加以放大。以上這些任務(wù)都是由綜合放大單元來完成的，也就是說，綜合放大單元起著綜合和放大信號兩方面的作用。

對綜合放大單元的基本要求是：具有線性地綜合和放大多個輸入控制信號的能力，時間常數(shù)小，運算精度高且工作穩(wěn)定等。

3.實際電路分析

如圖2所示，本單元輸入的信號是發(fā)電機的電壓UF及電流IF（IF流過調(diào)差電阻RT后轉(zhuǎn)換成電壓信號UR），還有標準給定電壓信號UG。輸出的信號是一個與發(fā)電機電壓成比例的自動控制電壓UK。

發(fā)電機的電壓信號由電壓互感器TV提供，經(jīng)電路板上安裝的三相電源變壓器降壓為UFˊ，UFˊ與UR迭加后的電壓為UF〞，并輸入到由V1-V6組成的整流電路整流，經(jīng)電容C1濾波后得到平滑的直流電壓，經(jīng)電阻R2和電位器RP1分壓，并從電位器的滑動點取出電壓信號，此點電壓值依然正比于發(fā)電機機端電壓，我們就當它為機端電壓UF。它經(jīng)過輸入電阻R3進入運算放大器的反相端，另外標準給定電壓UG（UG為穩(wěn)定的直流電壓）經(jīng)過輸入電阻R4也輸入到A1的反相端，這樣A1的反相端同時輸入了兩個電壓UF和UG，A1接成反相加法放大器，UF與UG迭加比較后得到的差值ΔU經(jīng)過A1放大后，從輸出端得到一個負值的電壓，經(jīng)電阻R7再送到下一級運算放大器A2的反相端，經(jīng)放大及反相后輸出端得到一個正值的電壓，此電壓即是自動控制電壓UK。UK也與發(fā)電機端的電壓UF成正比，UF上升，UK增大，UF下降，UK也減小。此電壓要送到下述的移相觸發(fā)電路中與該電路產(chǎn)生的鋸齒波電壓UJ進行迭加，控制脈沖的產(chǎn)生和移相。

測量比較放大單元的輸出特征UK=f（UF）如圖3所示，從圖中可以看到，UK有一個最高值UKmax，約6.6V（H點），此值由A2的反饋電路中的穩(wěn)壓管V11的穩(wěn)壓值決定，UKmax可以限制晶閘管的最小導(dǎo)通角θmin 。一般為2o至30o左右，即任何情況下都不使晶閘管關(guān)斷。UK又有一個最低值UKmin，此值可以通過電位器PR2隨意整定，圖中約2.5V（L點），此值可以限制晶閘管的最大導(dǎo)通角θmax，也就是說可以限制勵磁裝置的強勵能力。UKmin越低強勵能力越大。當發(fā)電機的電壓額定值為110V以上時，UK達最大值，電壓降到100V以下時，UK有最小值UKmin。這就是本環(huán)節(jié)的輸出特性。

二、移相觸發(fā)單元

移相觸發(fā)單元的任務(wù)，是將綜合放大單元輸出的控制信號Uk的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖相位的變化，并以此脈沖觸發(fā)晶閘管整流橋（即勵磁系統(tǒng)的功率輸出部分）的晶閘管，使其控制角α隨Uk的變化而改變，從而達到自動調(diào)節(jié)勵磁的目的。

移相觸發(fā)單元一般由同步、移相、脈沖形成和脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。

對移相觸發(fā)單元的基本要求

1.各相觸發(fā)脈沖必須與整流橋主電路的電源同步，即具有相同的頻率并保持一定的相位關(guān)系。

2.為確保晶閘管可靠和準確的觸發(fā)，要求觸發(fā)電路應(yīng)有足夠大的功率輸出，且觸發(fā)脈沖的前沿上升要陡（一般在10μs左右），并具有足夠的幅值和寬度。

3.觸發(fā)脈沖的移相范圍及數(shù)目，應(yīng)能滿足晶閘管整流橋和調(diào)節(jié)器調(diào)壓范圍的要求。

4.在整個移相范圍內(nèi)，各相觸發(fā)脈沖的控制角α應(yīng)保持一致，以減小整流橋輸出電壓的諧波分量。一般要求各相觸發(fā)脈沖的相位偏差不大于10o（在全控橋中不大于5o）。

5.為了避免反向擊穿，晶閘管的控制極不應(yīng)出現(xiàn)反向電壓。為此可用串聯(lián)二極管隔離反向電壓，或用并聯(lián)二極管將反向電壓短接，也可兩者兼用。此外，觸發(fā)脈沖的強度，應(yīng)不大于晶閘管控制極的電壓，電流和功率的允許值。

6.為確保安全，觸發(fā)電路應(yīng)該與處于高電壓的主電路互相隔離。

7.具有抗干擾能力，在允許的電網(wǎng)電壓波動和波形畸變條件下能維持正常的工作。

移相觸發(fā)電路的種類很多，在勵磁調(diào)節(jié)器中應(yīng)用的有以下幾種：

1.晶體管單穩(wěn)態(tài)移相觸發(fā)電路；

2.單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路；

3.晶體管鋸齒波移相觸發(fā)電路；

4.正弦波移相觸發(fā)電路；

5.磁性元件半波移相觸發(fā)電路；

6.集成電路移相觸發(fā)電路；

7.微電腦（PLC或單片機）移相觸發(fā)電路。

脈沖移相觸發(fā)單元電路分析：

本單元輸入的信號一是與晶閘管主電路交流電壓同步的同步電壓UT，二是測量放大單元輸出的自動控制電壓UK，輸出的是相位可由UK控制的脈沖電壓信號UP。UK值升高UP相位 往后移，即控制角α增大，UK值下降，UP相位往前移，控制角α減小。

本單元的作用首先是將交流同步電壓UT信號轉(zhuǎn)換成同步的鋸齒波電壓UJ。每相采用了一片集成移相觸發(fā)器TCA785，它的工作原理與用運算放大器或分立元件構(gòu)成的電路是一樣的，但是與之相比大大簡化了電路，并且工作穩(wěn)定，可靠性也提高了。

以A相為例，交流同步電壓信號從5腳和1腳輸入，自動控制信號電壓UK從11腳加入，10腳外接電容器C8，內(nèi)部電路向C8恒流充電產(chǎn)生線性鋸齒波電壓UJ。9腳外接電阻R24和電位器RP6，調(diào)節(jié)RP6可改變該相脈沖的相位以便調(diào)整三相晶閘管的導(dǎo)通角θ，使之相等，使可控橋三相負荷得到平衡。15腳為輸出端，輸出矩形電壓，經(jīng)電阻R23加到三極管VT1，當輸出為正值時，VT1導(dǎo)通產(chǎn)生脈沖，發(fā)光二極管發(fā)亮時，說明脈沖正常。

本單元的移相觸發(fā)原理是幅值控制，見圖5所示。圖中UJ為鋸齒波電壓，它每正半周產(chǎn)生一次，UK1，UK2是自動控制電壓，UK1>UK2它們同鋸齒波的交點分別為P1和P2，P1點在后，P2點在前。UK1產(chǎn)生的脈沖其相位為α1，相應(yīng)的導(dǎo)通角為θ1，UK2產(chǎn)生的脈沖其相位為α2，相應(yīng)的導(dǎo)通角為θ2，顯然α1>α2，而θ1<θ2，只要UK幅值發(fā)生了變化，晶閘管的導(dǎo)通角也隨之變化，UK升高θ減小，UK降低，θ增大。

三、調(diào)差單元

調(diào)差單元又稱為無功補償單元。幾臺發(fā)電機并聯(lián)運行時，母線的電壓水平和機組間無功功率的分配，主要取決于發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)特性（即Ug=f（Ir）），Ir為發(fā)電機的無功電流）。

實際運行的發(fā)電機，一般采取正調(diào)差系數(shù)，以使無功功率在各機組間穩(wěn)定和合理地分配。幾臺具有無差特性的發(fā)電機不能并聯(lián)運行，因為無功功率在它們之間無法穩(wěn)定分配。一臺具有無差特性的機組可與幾臺具有有差特性的機組的機組并聯(lián)運行，但由于無功功率的變化僅由無差特性機組承擔，故這種運行方式是不合理的。

負調(diào)差系數(shù)通常在大型發(fā)電機——變壓器單元接線上采用。這時發(fā)電機經(jīng)升壓變壓器在高壓母線上并聯(lián)運行，發(fā)電機對高壓母線電壓而言，仍具有正的調(diào)差系數(shù)，以保證個單元間無功功率的穩(wěn)定分配。考慮發(fā)電機無功電流在變壓器漏抗上產(chǎn)生的壓降后，發(fā)電機對其端電壓的電壓調(diào)節(jié)特性是向上傾斜的，即δ<0 。換言之，此處的負調(diào)差系數(shù)主要用于補償升壓變壓器上的壓降，以使發(fā)電機對高壓母線電壓的調(diào)節(jié)特性不至下降得太厲害。對整臺發(fā)電機系統(tǒng)而言，它仍然是正調(diào)差系數(shù)，負調(diào)差系數(shù)只是局部，是為實現(xiàn)正調(diào)差系數(shù)而服務(wù)的。

調(diào)差單元電路分析：

本單元專為發(fā)電機并列運行而設(shè)置，可以使并列機組無功功率穩(wěn)定，還能夠使并列運行機組間的無功功率得到合理的分配。

本調(diào)節(jié)器采用單相調(diào)差，用W相電流互感器TAW副邊的電流流過調(diào)差電阻RT時在它上面產(chǎn)生的壓降迭加到送入測量放大環(huán)節(jié)的電壓互感器TV的U相電壓上，使該相電壓隨著發(fā)電機無功電流變化而變化。如果無功功率增大，使TAW的電流增大，RT上的電壓降增大，U相電壓升高，相當于測量橋測量到發(fā)電機端電壓UF升高了，根據(jù)上述的調(diào)節(jié)原理，UF升高必然導(dǎo)致UK也升高， 使勵磁電流IF減小，機端電壓降低，發(fā)電機向電網(wǎng)送出的無功功率減小，回到整定值。如果無功功率減小，通過調(diào)差電阻的無功電流也減小，RT上的壓降減小，U相電壓降低，使UK降低，導(dǎo)通角增大，勵磁電流IF增大，無功功率回升到整定值?？梢娬{(diào)差單元相當于一個負反饋環(huán)節(jié)能起到穩(wěn)定無功的作用。

一般調(diào)差電路應(yīng)接成正調(diào)差才能起到穩(wěn)定無功的作用，如電流互感器接到調(diào)差電阻的極性反了則變成了負調(diào)差，則結(jié)果也相反，起到了正反饋作用，會使無功擺動嚴重，甚至產(chǎn)生振蕩。判斷正調(diào)差的方法是增大調(diào)差電阻的阻值，如勵磁電流或無功功率減小時，便是正調(diào)差。如勵磁電流隨調(diào)差電阻阻值的增大而增大時，則為負調(diào)差。

開環(huán)小電流實驗的目的是檢查調(diào)節(jié)器輸出的脈沖能否滿足移相的要求，能否可靠的觸發(fā)晶閘管使之導(dǎo)通，并檢查觸發(fā)單元的脈沖相位，相序是否與主電路晶閘管陽極電壓同步。

當勵磁變壓器TE和電壓互感器TV均為Y/Y接法時，可用一臺三相調(diào)壓器TB代替TV和TE向勵磁調(diào)節(jié)器和可控整流橋供電。TB原邊接廠用電源3相交流380V/220V，副邊分別接到勵磁屏內(nèi)端子排上勵磁調(diào)節(jié)器電源輸入端和可控橋交流輸入端。但應(yīng)注意，應(yīng)先拆除原來接至TV和TE的連線。

當勵磁變壓器TE和電壓互感器TV為Δ接法時，可用直流電焊機（或其他可調(diào)的直流電源）供電給轉(zhuǎn)子繞組，使發(fā)電機建立電壓，此時TE和TV均有電壓，實驗可以進行。如無直流電焊機和其他直流電源，可以通過倒送電來進行，但應(yīng)先拆除發(fā)電機出口的接線，避免倒送電時發(fā)電機定子帶電。合上發(fā)電機出口油開關(guān)QFG，將網(wǎng)上的電壓加到TE和TV上，這時的電壓基本上是額定電壓。實驗可以進行。

做開環(huán)小電流實驗時，滅磁開關(guān)QFM不可合上，以免發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶電。

無論采用哪一種方法，加到勵磁調(diào)節(jié)器的電壓應(yīng)均在105V左右，相當于6.3KV機組的額定電壓。調(diào)節(jié)器帶電后檢查下列各單元是否正常。

A.控制電源變壓器副邊電壓是否正常。

B.輸入到電路板的穩(wěn)壓電源電壓是否正常。

C.輸出UG的給定電路是否正常工作。

D.檢查脈沖移相單元中的三只發(fā)光二極管均發(fā)亮，則脈沖正常。

E.檢查主電路和控制電路的相位相序是否正確。

用示波器觀察可控橋輸出負載波形來判斷比較方便，如有馬鞍波出現(xiàn)，則說明相序反了，如三相負載波形相差很大，導(dǎo)通角不能同時關(guān)小或增大，調(diào)節(jié)時屏上的勵磁電壓表擺動厲害不能穩(wěn)定，都說明他們的相位配合不正確。必須調(diào)換電壓互感器的相位或勵磁變壓器的相位。使之正確。正確時，當輸入電壓為105V時，整定三相的導(dǎo)通角為50o至60o，輸入電壓增至110V時，三相導(dǎo)通角約為20o至30o，把輸入電壓調(diào)低至100V以下時，導(dǎo)通角應(yīng)開至最大。如三相導(dǎo)通角不相等可調(diào)節(jié)各相的有關(guān)電位器使之相等。

F.整定測量放大環(huán)節(jié)的工作點。

整定給定電壓UG，調(diào)整電位器RP1，使可控橋輸出的電壓等于發(fā)電機建立空載額定電壓時的需要的勵磁電壓。如用他勵給發(fā)電機建壓，可以直接測出該電壓。

如果能掌握了上述原理和實驗方法，再加強相應(yīng)的理論學習，聯(lián)系實際，相信在實際工作中就能夠處理好同步發(fā)電機晶閘管勵磁控制器在運行中發(fā)生的問題。