CN101795108A - 巨型机组励磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巨型机组励磁控制系统，包括励磁调节器柜、励磁整流柜和灭磁保护柜，其特征在于：所述励磁调节器柜包括人机界面、第一主控制器、第二主控制器以及构成双冗余的第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机；所述励磁整流柜包括晶闸管整流桥、冷却装置、尖峰吸收装置和整流柜控制器，所述整流柜控制器发出用于均流的脉冲信号控制晶闸管整流桥，发出控制信号控制冷却装置的启动和停止，尖峰吸收装置吸收晶闸管整流桥的换向电压；所述灭磁保护柜包括灭磁开关、灭磁电阻、跨接器及跨接器控制器。本发明具有可靠性高、传输速度快且长期稳定性好的特点。

Description

巨型机组励磁控制系统

技术领域

本发明涉及到电机励磁控制领域，主要涉及一种巨型机组励磁控制系统。

背景技术

励磁装置是向发电机转子磁场绕组提供可调励磁电流装置的组合，励磁装置一般由励磁调节器柜、励磁整流柜、灭磁保护柜组成。它的主要作用是根据发电机和电力系统的需求提供满足需要的定量励磁电流，同时该电流可以根据需要进行可靠的调节和控制。

在励磁装置的通讯中，励磁装置内励磁调节器与人机界面的数据交换，通常采用RS232串行通讯，在传输线上只允许一个驱动器和一个接收器，工作模式为单端发送单端接收，最大传输距离为15m，最大数据传输速率20kbps，人机界面设置在就地调节柜的前门，通讯数据线一般在3米以内，为避免现场干扰一般波特率设置9600bps，通讯协议为MODBUS协议，结构上不采用冗余结构，通过数据交换控制器的状态信息、故障信息等可以显示在人机界面上，操作者也可在人机界面上对控制器进行投入、切除等操作。该方法存在通讯慢和无冗余备用的缺点。励磁装置内励磁调节器柜器与励磁整流柜、灭磁保护柜的数据交换，一般采用RS485串行通讯、CAN网、ARCNET局域网和商业以太网等，通过数据交换，励磁调节器可以得到励磁整流柜、灭磁保护柜的模拟量和开关量信息，同时励磁调节器柜的控制信号可以发送到励磁整流柜、灭磁保护柜以达到控制的目的。该方法同样存在通讯慢和无冗余备用的缺点。RS485是一种串行接口标准，在传输线上最大允许32个驱动器和32个接收器，工作模式为双端发送双端接收，最大传输距离为1200m，最大数据传输速率10Mbps，传输介质采用双绞线，通讯速率一般设置为57.6Kbps，通讯协议为MODBUS协议或ASCII自定义协议，不采用冗余结构。该方法存在通讯慢和无冗余备用，并且抗干扰能力差的缺点。CAN网是一种多主的串行通信，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，CAN的直接通信距离最远可达10Km，传输速率为5kbps，最高通信速率可达1Mbps，传输距离为40m，CAN网上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。但是任一时刻只能有一对节点在通信，实际上CAN网是一种改进的点对点通信。该方法存在通讯无冗余备用的缺点。ARCNET局域网通讯采用令牌方式，即令牌所有权工作方式，令牌在网内顺序地传到每一个节点，当一个节点取得令牌时，它可以向其他节点发送一个数据包，然后再把令牌送给下一个节点。当网络负载轻时，即使只有一个节点要发送数据，令牌也要在网内每一个节点上顺序传递。传输速率达2.5Mbps。该方法同样存在通讯无冗余备用的缺点。商业以太网采用的CSMA/CD协议，以太网允许任意一个节点在没有其他节点占用网络时立即向其他节点发送信息，传输速率100M/10Mbps。但商业以太网设备不能满足恶劣环境下的高可靠性标准要求。

在励磁装置并列运行励磁整流柜均流中，大型机组的励磁装置一般由多个励磁整流柜同时并列运行。并列运行的晶闸管整流桥由于各晶闸管的参数离散性、接线长短不同、接触电阻大小不同等原因，会造成晶闸管整流桥输出电流存在较大差异，使得并列运行的晶闸管整流桥负载很不均衡。这样，长期负荷重的晶闸管的品质变坏，可靠性降低，寿命缩短，造成损坏。损坏的晶闸管退出运行，又增加了其它晶闸管的负担，造成连锁反应。

解决并列运行晶闸管整流桥输出电流均衡的方法称为均流技术。通常采用的均流技术有选择适当的交流电缆进行长线均流、通过晶闸管参数匹配实现均流、在每个晶闸管整流桥直流侧铜排加装可调电抗器、对晶闸管元件的触发脉冲进行微调等方法。其中采用交流电缆进行长线均流的方式，电缆利用率低，故障晶闸管整流桥退出运行时，相应的电缆退出运行，因此，需要较多的电缆冗余，增加成本。晶闸管参数匹配实现均流，由于晶闸管运行后，参数发生变化，均流效果无法长期保证。加装可调电抗器均流，增加了电抗，对晶闸管换向不利。而晶闸管元件的触发脉冲进行微调，采用的是模拟方法，不易实现支臂均流，且容易产生温漂，长期稳定性差。

在励磁装置的灭磁中，分为磁场断路器常闭触头接入耗能元件和晶闸管跨接器接入耗能元件两种方案。第一种方案，在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器分闸，同时闭锁整流柜的输出。磁场断路器在结构上具有功率型的常闭触头，在磁场断路器主触头分离前的一定时刻，常闭触头接通，将耗能元件与发电机磁场绕组接成闭环电路，然后磁场断路器主触头再分离。此时磁场绕组的电流只能通过磁场断路器的常闭触头、耗能元件构成回路并流过，蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在耗能元件中。该方式结构相对简单，但要求开关在结构上必须具备功率型的常闭触头，开关的制造技术难度很大，开关成本高，生产该类型开关的厂家很少。经常需要对常闭触头进行机械结构检查和动作时间测量和检查，维护工作量较大。第二种方案，利用晶闸管元件具有一定正、反向电压阻断能力，同时可以正向可控触发导通的特性，将晶闸管跨接器等效于一个电子开关，触发器起对晶闸管跨接器进行触发导通。在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器分闸，同时闭锁整流柜的输出。通过外部控制命令启动控制触发器将晶闸管触发导通，将耗能元件与发电机磁场绕组接成闭环电路，然后磁场断路器主触头分离。此时磁场绕组的电流只能通过晶闸管跨接器、耗能元件构成回路并流过，蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在耗能元件中。该方式结构也相对简单，但是也有很多缺点，比如：首先要求作为电子开关的晶闸管跨接器和触发晶闸管的触发器要非常可靠，一旦任何一个部件出现故障，如跨接器故障、触发故障、触发器工作电源丢失等都会使得晶闸管跨接器无法导通，磁场绕组中的电流不能形成闭环电路而处于开路状态，导致蓄藏在磁场绕组中的磁场能量无法有效释放，由于磁场绕组具有很大的电感量，这将会在磁场绕组两端产生很高的感应电压，严重时会危及到磁场绕组及相连接部件的绝缘安全。

发明内容

本发明旨在针对现有技术不能使励磁装置内数据通信兼顾高速率和可靠性，在励磁装置并列运行励磁整流柜均流中，均流效果无法长期保证，容易产生温漂，长期稳定性差及晶闸管跨接器接入耗能元件的灭磁方式灭磁可靠性不高的缺点，提供一种可靠性高、传输速度快且长期稳定性好的巨型机组励磁控制系统。

本发明通过下述技术方案实现：

巨型机组励磁控制系统，包括励磁调节器柜、励磁整流柜和灭磁保护柜，其特征在于：所述励磁调节器柜包括人机界面、第一主控制器、第二主控制器以及构成双冗余的第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机，所述第一主控制器的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机，所述第二主控制器的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机，所述人机界面的网络口1通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机，网络口2通过网络传输线连接到第二工业以太网交换机；所述励磁整流柜包括晶闸管整流桥、冷却装置、尖峰吸收装置和整流柜控制器，所述整流柜控制器接收第一主控制器和第二主控制器通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号和相应的晶闸管脉冲调整信号，发出用于均流的脉冲信号控制晶闸管整流桥，发出控制信号控制冷却装置的启动和停止；所述晶闸管整流桥将输入的交流电压变换为直流电压，并且输出直流电流；所述尖峰吸收装置吸收晶闸管整流桥的换向过电压和输入信号中的其它过电压；所述灭磁保护柜包括灭磁开关、灭磁电阻、跨接器及跨接器控制器。

所述人机界面为触摸式平板电脑。

所述第一主控制器、第二主控制器均为可编程自动化控制器PAC。

所述第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机均为八端口10/100Mbps非网管型工业以太网交换机。

所述整流柜控制器包括支臂电流测量回路、控制回路和以太网通讯回路。

所述整流柜控制器的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机和第二工业以太网交换机，整流柜控制器通过冗余以太网与第一主控制器和第二主控制器通讯；整流柜控制器接收第一主控制器和第二主控制器通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号。

所述整流柜控制器的支臂电流测量回路实时采样晶闸管整流桥的三相输入电流，经过整流柜控制器的A/D转换模块和CPU模块的滤波和计算，得到晶闸管整流桥的支臂电流的幅值，该支臂电流通过网络发送给第一主控制器和第二主控制器；第一主控制器和第二主控制器根据并联运行的各个晶闸管支臂电流的幅值，对每个晶闸管发出晶闸管脉冲调整信号。

所述晶闸管整流桥的输出电压和电流受触发脉冲控制。

所述跨接器分为第一跨接器、第二跨接器、第三跨接器，所述跨接器控制器分为第一跨接器控制器、第二跨接器控制器、第三跨接器控制器，灭磁时，跨接器控制器同时发出触发脉冲分别触发第一跨接器、第二跨接器，使第一跨接器、第二跨接器导通，导通后灭磁电阻构成的回路接通，灭磁开关分断；当第一跨接器、第二跨接器出故障，灭磁开关分断时，引起较高电压，该电压触发第三跨接器控制器，第三跨接器控制器发出触发脉冲，第三跨接器导通，接通灭磁电阻构成的回路，灭磁开关分断。

本发明具有以下优点：

一、在提高通讯速度和可靠性方面，励磁调节器柜、励磁整流柜、灭磁保护柜全面采用双冗余工业以太网数据交换。双冗余工业以太网数据交换技术实现了网络口冗余、交换机冗余、通讯线冗余，较现有的普遍采用的通讯方案在可靠性上大大提高，再结合工业以太网独有的MODBUS/TCP通讯协议，大大降低了误码率。且双冗余工业以太网数据交换技术通讯速率为10/100Mbps，完全满足工业现场高速通讯的要求。采用先进的KW-Multiprog软件，支持多任务功能及自定义功能块，实现复杂的控制能力，支持IEC-61131-3国际编程标准，支持远程诊断和远程维护功能。

二、在提高并列运行整流柜均流方面，励磁整流柜中的晶闸管整流桥采用数字式闭环控制，比模拟式均流方式控制精度高，而且无温漂，结构更简单可靠，控制也更稳定。通过对并列运行的晶闸管整流桥+A、+B、+C、-A、-B、-C每只晶闸管的电流值实时采集、分析，通过双冗余的工业以太网数值传输，励磁调节器实施全闭环均流控制的智能均流，实现的效果是支臂均流，就是并列运行晶闸管之间的均流，优于整流桥之间的均流。实现了在全动态环境下多并列运行晶闸管整流桥全数字化智能均流，均流移相的范围通过软件控制，具有诊断故障能力，防止均流电路引起的故障。具有运行安全可靠、实时度高、均流系数大于95％的特点。

三、在提高灭磁可靠性方面，第一跨接器、第二跨接器外部供电电源分别采用两路完全独立的电源系统，两套触发器同时接收外部的控制指令，同时触发对应的晶闸管跨接器，第一控制触发器和第二控制触发器做到了电源、器件、外部指令的双冗余，大大提高了可靠性。第三跨接器采用无源工作模式，完全独立的控制电路，无需外部控制电路控制。如果由于非常极限的特殊原因，第一跨接器、第二跨接器和触发控制回路第一控制触发器和第二控制触发器同时发生故障的条件下，磁场断路器分闸后，转子反向电压会持续升高，当达到第三控制触发器触发回路设定动作值后，第三跨接器接通，将灭磁电阻接入回路完成灭磁，实现了第三路灭磁通道的冗余，进一步加大了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构原理图

图2为励磁系统冗余网络通讯原理图

图中标记：1、励磁调节器柜，2、励磁整流柜，3、灭磁保护柜，4、人机界面，5、第一主控制器，6、第二主控制器，7、第一工业以太网交换机，8、第二工业以太网交换机，9、晶闸管整流桥，10、冷却装置，11、尖峰吸收装置，12、整流柜控制器，13、灭磁开关，14、灭磁电阻，15、第一跨接器，16、第二跨接器，17、第三跨接器，18、第一跨接器控制器，19、第二跨接器控制器，20、第三跨接器控制器。

具体实施方式

巨型机组励磁控制系统，包括励磁调节器柜1、励磁整流柜2和灭磁保护柜3，所述励磁调节器柜1包括人机界面4、第一主控制器5、第二主控制器6以及构成双冗余的第一工业以太网交换机7和第二工业以太网交换机8，所述人机界面4为触摸式平板电脑。所述第一主控制器5、第二主控制器6均为可编程自动化控制器PAC。所述第一工业以太网交换机7和第二工业以太网交换机8均为八端口10/100Mbps非网管型工业以太网交换机。所述第一主控制器5的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机7和第二工业以太网交换机8，所述第二主控制器6的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机7和第二工业以太网交换机8，所述人机界面4的网络口1通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机7，网络口2通过网络传输线连接到第二工业以太网交换机8；所述励磁整流柜2包括晶闸管整流桥9、冷却装置10、尖峰吸收装置11和整流柜控制器12，所述整流柜控制器12包括支臂电流测量回路、控制回路和以太网通讯回路。所述整流柜控制器12的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机7和第二工业以太网交换机8，整流柜控制器12通过冗余以太网与第一主控制器5和第二主控制器6通讯；整流柜控制器12接收第一主控制器5和第二主控制器6通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号。所述整流柜控制器12的支臂电流测量回路实时采样晶闸管整流桥9的三相输入电流，经过整流柜控制器12的A/D转换模块和CPU模块的滤波和计算，得到晶闸管整流桥9的支臂电流的幅值，该支臂电流通过网络发送给第一主控制器5和第二主控制器6；第一主控制器5和第二主控制器6根据并联运行的各个晶闸管支臂电流的幅值，对每个晶闸管发出晶闸管脉冲调整信号。所述整流柜控制器12接收第一主控制器5和第二主控制器6通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号和相应的晶闸管脉冲调整信号，发出用于均流的脉冲信号控制晶闸管整流桥9，发出控制信号控制冷却装置10的启动和停止；所述晶闸管整流桥9将输入的交流电压变换为直流电压，并且输出直流电流；所述晶闸管整流桥9的输出电压和电流受触发脉冲控制。所述尖峰吸收装置11吸收晶闸管整流桥9的换向过电压和输入信号中的其它过电压；所述灭磁保护柜3包括灭磁开关13、灭磁电阻14、跨接器及跨接器控制器。所述跨接器分为第一跨接器15、第二跨接器16、第三跨接器17，所述跨接器控制器分为第一跨接器控制器18、第二跨接器控制器19、第三跨接器控制器20，灭磁时，跨接器控制器同时发出触发脉冲分别触发第一跨接器15、第二跨接器16，使第一跨接器15、第二跨接器16导通，导通后灭磁电阻14构成的回路接通，灭磁开关13分断；当第一跨接器15、第二跨接器16出故障，灭磁开关13分断时，引起较高电压，该电压触发第三跨接器控制器20，第三跨接器控制器20发出触发脉冲，第三跨接器17导通，接通灭磁电阻14构成的回路，灭磁开关13分断。

使用时，励磁调节器柜1的第一主控制器5和第二主控制器6通过模拟接口采集发电机的输出电压、输出电流、电力系统电压等各种模拟量信号，由调节器控制器对信号进行计算处理后，产生触发控制脉冲，该触发控制脉冲通过脉冲传输电缆连接到励磁整流柜2去触发励磁整流柜2的晶闸管整流桥9，通过调节晶闸管整流桥9的导通电流从而控制发电机磁场电流，达到励磁控制系统的各种控制目标。采用立足于控制回路的动态均流技术，通过自动调节实现柜间及相间均流，不需要其它任何辅助措施，可以确保均流系数大于95％。而且，当一个或多个功率柜退出后，运行的功率柜之间仍可实现动态均流。励磁变压器为励磁整流柜2提供阳极电源，励磁整流柜2的输出连接到灭磁保护柜3内的磁场开关进线端，磁场开关的出线端连接到发电机磁场绕组。整流柜控制器12根据控制脉冲信号和相应的晶闸管脉冲调整信号，发出用于均流的脉冲信号控制晶闸管整流桥9；整流柜控制器12采集整流桥柜的温度，发出控制信号，控制冷却装置10的启动和停止；当发电机事故停机时，快速切断发电机的直流励磁电源，同时快速将发电机转子绕组中储存的磁场能量快速消耗在灭磁回路中，实现灭磁的任务。

本发明不限于上述实施例，但均应落入本发明权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.巨型机组励磁控制系统，包括励磁调节器柜(1)、励磁整流柜(2)和灭磁保护柜(3)，其特征在于：所述励磁调节器柜(1)包括人机界面(4)、第一主控制器(5)、第二主控制器(6)以及构成双冗余的第一工业以太网交换机(7)和第二工业以太网交换机(8)，所述第一主控制器(5)的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机(7)和第二工业以太网交换机(8)，所述第二主控制器(6)的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机(7)和第二工业以太网交换机(8)，所述人机界面(4)的网络口1通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机(7)，网络口2通过网络传输线连接到第二工业以太网交换机(8)；所述励磁整流柜(2)包括晶闸管整流桥(9)、冷却装置(10)、尖峰吸收装置(11)和整流柜控制器(12)，所述整流柜控制器(12)接收第一主控制器(5)和第二主控制器(6)通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号和相应的晶闸管脉冲调整信号，发出用于均流的脉冲信号控制晶闸管整流桥(9)，发出控制信号控制冷却装置(10)的启动和停止；所述晶闸管整流桥(9)将输入的交流电压变换为直流电压，并且输出直流电流；所述尖峰吸收装置(11)吸收晶闸管整流桥(9)的换向过电压和输入信号中的其它过电压；所述灭磁保护柜(3)包括灭磁开关(13)、灭磁电阻(14)、跨接器及跨接器控制器。

2.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述人机界面(4)为触摸式平板电脑。

3.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述第一主控制器(5)、第二主控制器(6)均为可编程自动化控制器PAC。

4.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述第一工业以太网交换机(7)和第二工业以太网交换机(8)均为八端口10/100Mbps非网管型工业以太网交换机。

5.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述整流柜控制器(12)包括支臂电流测量回路、控制回路和以太网通讯回路。

6.根据权利要求5所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述整流柜控制器(12)的网络口1和网络口2分别通过网络传输线连接到第一工业以太网交换机(7)和第二工业以太网交换机(8)，整流柜控制器(12)通过冗余以太网与第一主控制器(5)和第二主控制器(6)通讯；整流柜控制器(12)接收第一主控制器(5)和第二主控制器(6)通过脉冲传输电缆发出的控制脉冲信号。

7.根据权利要求5所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述整流柜控制器(12)的支臂电流测量回路实时采样晶闸管整流桥(9)的三相输入电流，经过整流柜控制器(12)的A/D转换模块和CPU模块的滤波和计算，得到晶闸管整流桥(9)的支臂电流的幅值，该支臂电流通过网络发送给第一主控制器(5)和第二主控制器(6)；第一主控制器(5)和第二主控制器(6)根据并联运行的各个晶闸管支臂电流的幅值，对每个晶闸管发出晶闸管脉冲调整信号。

8.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述晶闸管整流桥(9)的输出电压和电流受触发脉冲控制。

9.根据权利要求1所述巨型机组励磁控制系统，其特征在于：所述跨接器分为第一跨接器(15)、第二跨接器(16)、第三跨接器(17)，所述跨接器控制器分为第一跨接器控制器(18)、第二跨接器控制器(19)、第三跨接器控制器(20)，灭磁时，跨接器控制器同时发出触发脉冲分别触发第一跨接器(15)、第二跨接器(16)，使第一跨接器(15)、第二跨接器(16)导通，导通后灭磁电阻(14)构成的回路接通，灭磁开关(13)分断；当第一跨接器(15)、第二跨接器(16)出故障，灭磁开关(13)分断时，引起较高电压，该电压触发第三跨接器控制器(20)，第三跨接器控制器(20)发出触发脉冲，第三跨接器(17)导通，接通灭磁电阻(14)构成的回路，灭磁开关(13)分断。

Images