基于可控硅的自动电压调节器原理解析

时间:2022-06-30 05:47:35

基于可控硅的自动电压调节器原理解析

摘 要:自动电压调节器在同步发电机中起着十分重要的作用,电压调节器能调整同步发电机的励磁,保证同步发电机输出电压恒定。同时,有无功调差功能,保证发电机并联运行时无功分配均衡。文章介绍电压调节器的技术参数、原理、应用及故障分析,着重从电压测量及调压、PID调节、单晶管移相触发、可控硅主回路及附加回路这几方面详细介绍自动电压调节器原理。

关键词:AVR;发电机;PID;可控硅

中图分类号:TM761 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2015)05-0101-02

自动电压调节器简称AVR,它几乎是现代交流发电机不可缺少的一部分。发电机的电压调整精度、电压可调范围、动态特性以及并联调差特性的获得都与AVR密切相关。自动电压调节器由印刷电路板、变压器和半导体元件封装成一个整体。在正面有一只电位器轴头,用以整定发电机电压,顶部有可控硅散热器和一只整定最佳阻尼的可锁定电位器。具有线路简单、重量轻、体积小、静态电压调整率高、动态性能好等优点。

1 工作原理

电压调节器主要任务是使发电机输出电压恒定,在发电机并联运行时能均衡无功分配,同时电压调节器还兼有自励能力。电压调节器系统框图如图1所示。经负载扰动的发电机电压经测量反馈通道的传递,成为反馈信号Ufk,Ufk与给定信号Ug比较,得到一个差值信号U0,U0=Ug-Ufk,U0经过前向通道放大,并移相触发晶闸管的脉冲,使晶闸管工作并调节励磁电流,从而使发电机电压UG恒定。

发电机系统的电压调节过程如图2所示。

接入并联运行的调差环节,调节过程如图3所示。

电气原理图如图4所示,虚线框内为电压调节器部分,虚线框外由控制屏配置。

电压调节器由以下几部分组成。

1.1 电压测量及调压电路,元件组成

如图5所示,电压调节器是由直流弱电元件组成,对发电机交流较高端电压测量,须经过变压器隔离降压,并整流滤波成直流平滑信号。电压调节器测量电压输入端经变压器B降压后,送入桥式整流组件QL1整流。为使整流后的直流信号更平滑,电路中增加了R2、C1滤波。R3、RP1、R4、R5、DW1组成测量比较桥,通过调节RP1电位器的阻值改变a点、b点之间的电压值,此电压值加至PID放大环节。

1.2 可控硅主回路

如图6所示,可控硅主回路由励磁整流板ZL、管形电阻Rf、可控硅VC组成,采用串联调节方式。调节器的励磁电源由发电机绕阻S1、S2经单相半波整流,通过励磁线圈E1、E2,再经可控硅VC构成回路。可控硅VC的控制端受调节器控制回路的控制。

1.3 单晶管移相触发

如图7所示,移相触发单元的作用是产生相位可调节的触发晶闸管的脉冲,即导通角α随放大单元输出信号的大小而改变,达到自动调压的目的。由于改变RC(R13、C5)的充电时间,使单晶管BT输出的脉冲产生移相,并触发可控硅VC,发电机励磁电流得到调节,使发电机电压保持恒定。

1.4 PID调节

PID调节如图8所示,所得点a、b差值电压加至PID放大调节器(由BG1、BG2、单元及R12、R7、C4、C2、RP2组成)的BG1输入端,信号经放大后,使BG2集电极电位发生变化。从而改变充放电RC电路的R13、C5两端的电压,使发生变化。

1.5 附加线路

附加线路包括同步线路、调节器电源线路及并联运行调差线路。同步即单晶管输出脉冲与可控硅正向电压在时间上同步。电压调节器单晶管的同步信号通过D15从可控硅的阳极直接取得。调节器工作电源由变压器B、整流桥QL2、电阻R18、稳压管DW2、DW3组成,给单晶管、放大单元提供电源。DW2、DW3串联,形成两级稳压,是为了增大移相角度。并联运行调差线路由外部的电流互感器TA、变阻器RP构成。

2 调节整定

RP1为发电机整定电位器。RP1能使发电机空载电压在±5%额定电压的范围内调节并整定。RP1位置在调节器正面。RP2为最佳阻尼(即稳定度)整定电位器,调节并整定RP2能抑制发电机电压振荡,并能得到最佳瞬态指标。如调节RP2时,应从振荡调到正好不振荡(看电压表),再稍微调过头一点,以保持一定的稳定余量,如调得太多,虽稳定,但反应时间会加长,RP2位置在顶部。RP2一旦整定好,以后不必再进行调整。

对于只需单机运行的用户,须用导线短接7、8端子。对有并联运行要求的发电机,其端子出线(7、8)与开关屏的电流互感器H和调差电位器RP相连,电流互感器按下列原则选取,其电流比与开关屏电流互感器电流比一致,当发电机为额定电流时,互感器二次电流约为2.5~3.5 A,可采用5 VA的互感器。互感器的二次电流和方向应满足下述调节要求:当发电机单机在额定负载(COSφ=0.8滞后)时,使W4电阻值从0调到最大,发电机电压能从440 V下降到380 V以下。(如果发电机电压反而从440 V上升到460 V以上,请对换互感器二次端子的两跟接线)。必须强调,互感器必须接在V相。电压调节器端子(1、2、3)必须与发电机端子(U、V、W)相对应,否则并联调差将引起混乱。

3 故障判断

当调节器出现故障后,应首先检查元件有无损坏的现象和痕迹,确认损坏的应更换。调节器如需通电检查,发电机可用他励或用一台确认正常的调节器进行发电。被检查的调节器只与发电机的U、V、W三根引线相接,然后用示波器和万用表进行检查。

调节器在试运行和使用中常见故障有三种:

①不建压;②电压失控;③电压不稳定。

对于第一次或新更换的调节器,如出现上述三类故障,可检查是否由下列原因引起:

①连接到调节器端子上的引线是否正确,有无松动、脱落、断开等现象。

②发电机上的旋转整流器是否损坏。

③发电机的剩磁电压是否太低。

4 结 语

总之,AVR是影响发电机性能的关键部件,发电机出厂时都已调节好,用户一般不需要自己调节,以免影响整机性能。随着电力电子元器件特别是IGBT性能的提高和广泛运用于AVR,自动电压调节器的通用性和可靠性在不断提高,已经达到非常成熟的水平,不同厂家和型号的AVR在很大程度上都能互换。更换AVR时,电位器的位置可参考原来的AVR,如性能欠佳,可稍微调整,直到满意为止。

参考文献:

[1] 蔬松桂.控制系统可靠性分析[M].北京:科学出版社,1992.

[2] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 王建辉.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社,2007.

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