CN110299879B - 一种可控两相零式电抗分流励磁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控两相零式电抗分流励磁系统。本发明所述励磁系统由两相零式励磁系统和双绕组电抗分流自励恒压系统组成；通过所述两相零式励磁系统来调节双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁电流，达到控制发电机端电压的作用。本发明为基于两相零式励磁系统和双绕组电抗分流自励恒压系统各自优点相结合的一种励磁方式，主要通过测量并网时发电机端电压与电流分量，通过调节器同步信号整形，测量比较，稳定与放大，触发电路，脉冲形成，可控硅控制，实现自动调节励磁电流大小，进而控制发电机端电压大小达到稳定并网，形成可控闭环。该系统具有改造简单、成本低、并网运行可靠、安全性好等技术优势。
Description
技术领域
本发明属于发电机励磁控制系统领域，涉及一种适用于小型发电机组并网的励磁系统，具体地说是一种可控两相零式电抗分流励磁系统。
背景技术
双绕组电抗分流自励恒压系统，具有励磁功率小，强励磁性能好，动态响应快以及结构简单，成本低廉，操作和维修容易等一系列优点，是我国小型水电站发电机所普遍采用的主要励磁方式之一，尤其农村小水电站最为常见。
但采用这种励磁方式后，发电机在并网时其外特性与电网电压调整特性不同，容易产生振荡或失磁，甚至造成失步而使发电机解列，给并网运行带来困难甚至不能并网，造成水电站资源浪费与经济损失。双绕组电抗分流自励恒压系统的这一缺点，是国内生产厂家和装设此种系统的水电站尚未圆满解决而又急待解决的主要问题。
发明内容
本发明提供一种可控两相零式电抗分流励磁系统，具有自动程度高，改装简便且成本低，并网运行稳定等优点，特别是对电压在320V～460V范围内变化电网均能稳定并网运行。
为实现上述目的，本发明所述一种可控两相零式电抗分流励磁系统，由两相零式励磁系统和双绕组电抗分流自励恒压系统组成；通过所述两相零式励磁系统来调节双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁电流，达到控制发电机端电压的作用。
所述两相零式励磁系统主要由同步电源、测量调差电路、整流电路、放大器、触发电路、可控硅电路依次连接构成；
所述同步电源主要由电源端与同步电源变压器TB相接构成，所述同步电源变压器TB其原边相接电源端为发电机端电源，其副边相分别连接调差电路中ma、调差电路中nc以及可控硅桥的交流侧的整流二极管VD2与整流二极管VD5之间，其主要保证可控硅触发脉冲与主电路的同步以及确定整流主电源的具体相角位置与触发角度，此外分别供给测量调差环节、稳压电源环节所需的交流电源；
所述测量调差电路主要由电流互感器TA1、电流互感器TA2、调差电阻R1、调差电阻R2、开关K4连接构成；同步发电机并网时，通过调节调节开关K4、调差电阻R1、调差电阻R2改变发电机励磁电流和无功负荷大小；
所述整流电路主要由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6以及滤波电容C1连接构成，整流二极管VD1与整流二极管VD4之间接调差电路中na接口线，VD2与VD5之间与同步电源变压器TB的副绕组相接，整流二极管VD3与整流二极管VD6之间接调差电路中mc接口线，3个接口共同构成三相桥式整流电路交流输入端；
所述放大器为单管放大器，所述单管放大器由晶体管T1构成，将测量环节输出的微弱信号进行放大；
所述触发电路主要由单结晶体管T2与单结晶体管T3以及脉冲变压器MB连接构成，进行脉冲形成与输出；
所述可控硅电路主要由可控硅整流器SCR、整流变压器T、可控硅整流器电源顺次相接组成，所述可控硅整流器电源由同步电源变压器TB的第一主绕组抽头、第二主绕组抽头、第三主绕组抽头供给，所述第一主绕组抽头与可控硅整流器SCR之间设置有熔断器FU1，第二主绕组抽头与可控硅整流器SCR之间设置有熔断器FU2，第三主绕组抽头与可控硅整流器SCR之间设置有熔断器FU3；所述熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3主要是起到保护电路安全运行的作用；同步电源变压器TB的副绕组分别连接测量调差电路和三相桥式整流电路，进行交流供电；所述可控硅电路用于对两相零式励磁系统的主回路进行接通与断开控制，所述可控硅电路中的可控硅电路抽头接脉冲变压器接口，通过脉冲信号计算触发角，进行主回路接通与断开，进而控制双绕组电抗分流自励恒压系统中的发电机总励磁电流大小，从而调节发电机端电压和无功输出；
所述双绕组电抗分流自励恒压系统主要由三相电抗器L、转子磁场绕组、负载电阻RL、发电机定子主绕组依次连接构成。
所述两相零式励磁系统的励磁调节基于偏差调节；所述双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁调节基于扰动调节。
所述双绕组电抗分流自励恒压系统的发电机励磁调节环节是建立在两相零式励磁系统测量到的电压偏差进行调节，调节的最终作用使得两相零式电抗分流励磁系统的可控硅整流器SCR输出电流与双绕组电抗分流自励恒压系统的电抗器分流所产生的复励分量合成了双绕组电抗分流自励恒压系统的总的励磁电流供发电机励磁，从而起到自动调节双绕组电抗分流自励恒压系统发电机端电压的作用。
所述同步发电机端的电流互感器TA1与电流互感器TA2根据发电机无功电流获得一个测量电压，这个测量电压直接反映发电机无功功率大小，该电压如果减小，就要控制励磁调节，增大励磁电流，使发电机单机运行时电压升高，并网运行时增大无功功率，从而达到稳定并网；其励磁电流的调节过程如下：
1）通过测量获得调差范围，调差电阻R1、调差电阻R2进行调节，调节后的电流再由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6构成三相桥式整流电路进行整流，再通过常规电阻R3降压,电容C1滤波后送到由稳压管VS3、稳压管VS4、常规电阻R15、常规电阻R16组成的对称比较桥电路进行比较，测得偏差电压信号，测量桥进行输出；
2）测量桥输出电压信号较弱，且存在不稳定现象，通过常规电阻R4、常规电阻R5、常规电阻R6、常规电阻R7、电容C2构成微积分电路，以及联合整流二极管VD16进行稳定、加速作用后进入晶体管T1将信号进一步放大，在发射极中接有常规电阻R7起直流负反馈作用,稳定放大器的静态工作点；电容C3为级间耦合电容，其作用是将晶体管T1、单结晶体管T2、单结晶体管T3前后级的直流偏置电路隔离，以防止前后级静态工作点相互影响；
3）放大后电压信号再经过主要由单结晶体管T2、单结晶体管T3、脉冲变压器MB组成的触发电路后形成脉冲并输出；
4）可控硅整流器获得触发信号，控制可控硅导通角，改变可控硅分流大小，改变励磁电流大小，从而调节发电机的端电压大小，达到稳定并网。
相线A上安装电流互感器TA1，相线C上安装电流互感器TA2；所述相线A与电流互感器TA1的两个接点为ma和na，ma和na之间接出的线路交叉，且ma和na之间接出的交叉线路之间安装有调差电阻R1，ma和na之间接出的交叉线路之间安装有第一开关；相线C与电流互感器TA2的两个接点为mc和nc，mc和nc之间接出的线路之间安装有调差电阻R2，mc和nc之间接出的线路之间安装有第二开关；所述开关K4由第一开关和第二开关构成。
本发明所述一种可控两相零式电抗分流励磁系统，其有益效果在于：
（1）直接在双绕组电抗分流自励恒压系统上进行改装，原发电机不必拆卸和停机，改造起来确实很方便，简单，成本低；
（2）将两相零式励磁系统作为双绕组电抗分流自励恒压系统的端电压偏差调节环节，励磁电流自励分量方面和补差方面均有两相零式励磁系统方面供给，两种系统相辅相成，取长补短，相比原励磁系统各方面的性能都大为提高，特别是解决了原励磁系统并网难的问题。
附图说明
图1为可控两相零式励磁系统原理图；
图2为可控两相零式励磁系统中整流电路放大原理图；
图3为可控两相零式励磁系统部分放大原理图；
图4为可控两相零式励磁系统部分放大原理图；
附图中：1为第一接口、2为第二接口、3为第三接口、4为第四接口、5为第五接口、6为脉冲变压器接口、7为第七接口、5’为第五一接口、6’为可控硅电路抽头、7’为第七一接口、8为第一主绕组抽头、9第二主绕组抽头、10为第三主绕组抽头、R1、R2、R17为调差电阻、R3-R16为常规电阻、VD1-VD18为整流二极管、VS1-VS4为稳压管、C1-C4为电容、T1为晶体管、T2为单结晶体管、T3为单结晶体管、TB为同步电源变压器、T整流变压器、TA1、TA2为电流互感器、A1、A2为电流表、L指三相电抗器、L1、L2指转子磁场绕组、D1、D2、D3、D4、D5、D6指发电机定子主绕组、K4指开关、RL指负载电阻。
具体实施方式
实施例1
如图1、2、3、4所示，本发明所述一种可控两相零式电抗分流励磁系统，所述励磁系统由两相零式励磁系统和双绕组电抗分流自励恒压系统组成；通过所述两相零式励磁系统来调节双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁电流，达到控制发电机端电压的作用。
所述两相零式励磁系统主要由同步电源、测量调差电路、整流电路、放大器、触发电路、可控硅电路依次连接构成；
所述同步电源主要由电源端与同步电源变压器TB相接构成，所述同步电源变压器TB其原边相接电源端，副边相分别连接调差电路中ma、调差电路中nc以及可控硅桥的交流侧的整流二极管VD2与整流二极管VD5之间，调差电路中ma与同步电源变压器TB的副边之间通过第二接口2相接；调差电路中nc与同步电源变压器TB的副边之间通过第四接口4相接；其主要保证可控硅触发脉冲与主电路的同步以及确定整流主电源的具体相角位置与触发角度，此外分别供给测量调差环节、稳压电源环节所需的交流电源；
所述测量调差电路主要由电流互感器TA1、电流互感器TA2、调差电阻R1、调差电阻R2、开关K4连接构成；同步发电机并网时，通过调节开关K4、调差电阻R1、调差电阻R2改变发电机励磁电流和无功负荷大小；
所述整流电路主要由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6以及滤波电容C1连接构成，整流二极管VD1与整流二极管VD4之间通过第一接口1接调差电路中na接口线，整流二极管VD2与整流二极管VD5之间与同步电源变压器TB的副绕组相接，整流二极管VD3与整流二极管VD6之间通过第三接口3接调差电路中mc接口线，3个接口共同构成三相桥式整流电路交流输入端；
所述整流二极管VD1接常规电阻R3，整流二极管VD4接电容C1，还包括稳压管VS4、常规电阻R15、常规电阻R16、稳压管VS3、常规电阻R5、常规电阻R6、电容C2、常规电阻R4、整流二极管VD16，整流二极管VD16接单结晶体管T2；
所述放大器主要为晶体管T1，所述晶体管T1一端依次串接调差电阻17、常规电阻R8，常规电阻R8接常规电阻R12，常规电阻R12接可控硅整流器SCR，所述晶体管T1的另一端依次串接常规电阻R7、电容C3；所述调差电阻17与常规电阻R7并联，上述主要以晶体管T1为核心的单元将测量环节输出的微弱信号进行放大；
所述常规电阻R12通过第五接口5与双绕组电抗分流自励恒压系统的第五一接口5’相接，整流二极管VD17一端通过脉冲变压器接口6与双绕组电抗分流自励恒压系统的可控硅电路抽头6’相接，整流二极管VD17另一端通过第七接口7与双绕组电抗分流自励恒压系统的第七一接口7’相接；
所述双绕组电抗分流自励恒压系统由发电机定子主绕组D1-D6、整流二极管VD7-VD15、常规电阻R13-R14、电容C4、整流变压器T、电流表A1-A2、三相电抗器L、转子磁场绕组L1、转子磁场绕组L2、负载电阻RL组成；
所述触发电路主要由单结晶体管T2与单结晶体管T3以及脉冲变压器MB连接构成，进行脉冲形成与输出；所述触发电路还包括常规电阻R9、常规电阻R12、常规电阻R10、常规电阻R11、整流二极管VD17和整流二极管VD18、稳压管VS1、稳压管VS2；
所述单结晶体管T3串接脉冲变压器MB和常规电阻R11，所述脉冲变压器MB由整流二极管VD17和整流二极管VD18组成；
所述可控硅电路主要由可控硅整流器SCR、整流变压器T、可控硅整流器电源顺次相接组成，所述可控硅整流器电源由同步电源变压器TB的第一主绕组抽头8、第二主绕组抽头9、第三主绕组抽头10供给；
相线A上安装电流互感器TA1，相线C上安装电流互感器TA2；所述相线A与电流互感器TA1的两个接点为ma和na，ma和na之间接出的线路交叉，且ma和na之间接出的交叉线路之间安装有调差电阻R1，ma和na之间接出的交叉线路之间安装有第一开关；相线C与电流互感器TA2的两个接点为mc和nc，mc和nc之间接出的线路之间安装有调差电阻R2，mc和nc之间接出的线路之间安装有第二开关；所述开关K4由第一开关和第二开关构成；
同步电源变压器TB的副绕组分别连接测量调差电路和三相桥式整流电路，进行交流供电；所述可控硅电路用于对两相零式励磁系统的主回路进行接通与断开控制，所述可控硅电路中的可控硅电路抽头6’接脉冲变压器接口6，通过脉冲信号计算触发角，进行主回路接通与断开，进而控制双绕组电抗分流自励恒压系统中的发电机总励磁电流大小，从而调节发电机端电压和无功输出；
所述双绕组电抗分流自励恒压系统主要由三相电抗器L、转子磁场绕组、负载电阻RL、发电机定子主绕组依次连接构成。
所述两相零式励磁系统的励磁调节基于偏差调节；所述双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁调节基于扰动调节。
所述双绕组电抗分流自励恒压系统的发电机励磁调节环节是建立在两相零式励磁系统测量到的电压偏差进行调节，调节的最终作用使得两相零式电抗分流励磁系统的可控硅整流器SCR输出电流与双绕组电抗分流自励恒压系统的电抗器分流所产生的复励分量合成了双绕组电抗分流自励恒压系统的总的励磁电流供发电机励磁，从而起到自动调节双绕组电抗分流自励恒压系统发电机端电压的作用。
在并网运行中，同步发电机端的电流互感器TA1与电流互感器TA2根据发电机无功电流获得一个测量电压，这个测量电压直接反映发电机无功功率大小，该电压如果减小，就要控制励磁调节，增大励磁电流，使发电机单机运行时电压升高，并网运行时增大无功功率，从而达到稳定并网；其励磁电流的调节过程如下：
1）通过测量获得调差范围，调差电阻R1、调差电阻R2进行调节，调节后的电流再由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6构成三相桥式整流电路进行整流，再通过常规电阻R5降压,电容C1滤波后送到由稳压管VS3、稳压管VS4、常规电阻R15、常规电阻R16组成的对称比较桥电路进行比较，测得偏差电压信号，测量桥进行输出；
2）测量桥输出电压信号较弱，且存在不稳定现象，通过常规电阻R4、常规电阻R5、常规电阻R6、常规电阻R7、电容C2构成微积分电路，以及联合整流二极管VD16进行稳定、加速作用后进入晶体管T1将信号进一步放大，在发射极中接有常规电阻R7起直流负反馈作用,稳定放大器的静态工作点；电容C3为级间耦合电容，其作用是将晶体管T1、单结晶体管T2、单结晶体管T3前后级的直流偏置电路隔离，以防止前后级静态工作点相互影响；
3）单结晶体管T2基极经晶体管T1放大后给一个正偏压电压信号，当单结晶体管T2发射基电位大于且足够大时导通，导通后电容C3上电压就会加在单结晶体管T3基极与发射基间使得单结晶体管T3导通既电容C3经过单结晶体管T2、单结晶体管T3基极与发射基、脉冲变压器MB初级绕组放电，单结晶体管T3的发射级电流迅速增大在脉冲变压器MB初级绕组上产生很陡脉冲，再通过脉冲变压器MB次级绕组输送到SCR控制极上；其中，常规电阻R10主要作用增加直流负反馈，使电路工作更稳定；常规电阻R8、常规电阻R9、常规电阻R11集电极电阻主要将集电极电流的变化量转换成电压的变化，以实现电压放大；
4）可控硅整流器阳极获得正向触发电压信号，控制可控硅导通角进行导通，改变可控硅分流大小，改变励磁电流大小，从而调节发电机的端电压大小，达到稳定并网。
Claims (2)
1.一种可控两相零式电抗分流励磁系统，其特征在于：所述励磁系统由两相零式励磁系统和双绕组电抗分流自励恒压系统组成；通过所述两相零式励磁系统来调节双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁电流，达到控制发电机端电压的作用；所述两相零式励磁系统主要由同步电源、测量调差电路、整流电路、放大器、触发电路、可控硅电路依次连接构成；
所述同步电源主要由电源端与同步电源变压器TB相接构成，所述同步电源变压器TB其原边相接电源端，副边相分别连接调差电路中ma、调差电路中nc以及可控硅桥的交流侧的整流二极管VD2与整流二极管VD5之间，其主要保证可控硅触发脉冲与电源端的主电路的同步以及确定整流电源端的具体相角位置与触发角度，此外分别供给测量调差环节、稳压电源环节所需的交流电源；
同步发电机端的电流互感器TA1与电流互感器TA2根据发电机无功电流获得一个测量电压，这个测量电压直接反映发电机无功功率大小，该电压如果减小，就要控制励磁调节，增大励磁电流，使发电机单机运行时电压升高，并网运行时增大无功功率，从而达到稳定并网；其励磁电流的调节过程如下：
1）通过测量获得调差范围，调差电阻R1、调差电阻R2进行调节，调节后的电流再由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6构成三相桥式整流电路进行整流，再通过常规电阻R3降压,电容C1滤波后送到由稳压管VS3、稳压管VS4、常规电阻R15、常规电阻R16组成的对称比较桥电路进行比较，测得偏差电压信号，测量桥进行输出；
2）测量桥输出电压信号较弱，且存在不稳定现象，通过常规电阻R4、常规电阻R5、常规电阻R6、常规电阻R7、电容C2构成微积分电路，以及联合整流二极管VD16进行稳定、加速作用后进入晶体管T1将信号进一步放大；
3）放大后电压信号再经过主要由单结晶体管T2、单结晶体管T3、脉冲变压器MB组成的触发电路后形成脉冲并输出；
4）可控硅整流器获得触发信号，控制可控硅导通角，改变可控硅分流大小，改变励磁电流大小，从而调节发电机的端电压大小，达到稳定并网；
相线A上安装电流互感器TA1，相线C上安装电流互感器TA2；所述相线A与电流互感器TA1的两个接点为ma和na，ma和na之间接出的线路交叉，且ma和na之间接出的交叉线路之间安装有调差电阻R1，ma和na之间接出的交叉线路之间安装有第一开关；相线C与电流互感器TA2的两个接点为mc和nc，mc和nc之间接出的线路之间安装有调差电阻R2，mc和nc之间接出的线路之间安装有第二开关；开关K4由第一开关和第二开关构成；
所述测量调差电路主要由电流互感器TA1、电流互感器TA2、调差电阻R1、调差电阻R2、开关K4连接构成；同步发电机并网时，通过调节开关K4、调差电阻R1、调差电阻R2改变发电机励磁电流和无功负荷大小；
所述整流电路主要由整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3、整流二极管VD4、整流二极管VD5、整流二极管VD6以及滤波电容C1连接构成，整流二极管VD1与整流二极管VD4之间接调差电路中na接口线，VD2与VD5之间与同步电源变压器TB的副绕组相接，整流二极管VD3与整流二极管VD6之间接调差电路中mc接口线，3个接口共同构成三相桥式整流电路交流输入端；
所述放大器为单管放大器，所述单管放大器由晶体管T1构成，将测量环节输出的微弱信号进行放大；
所述触发电路主要由单结晶体管T2与单结晶体管T3以及脉冲变压器MB连接构成，进行脉冲形成与输出；
所述可控硅电路主要由可控硅整流器SCR、整流变压器T、可控硅整流器电源顺次相接组成，所述可控硅整流器电源由同步电源变压器TB的第一主绕组抽头（8）、第二主绕组抽头（9）、第三主绕组抽头（10）供给；同步电源变压器TB的副绕组分别连接测量调差电路和三相桥式整流电路，进行交流供电；所述可控硅电路用于对两相零式励磁系统的主回路进行接通与断开控制，所述可控硅电路中的可控硅电路抽头（6’）接脉冲变压器接口（6），通过脉冲信号计算触发角，进行主回路接通与断开，进而控制双绕组电抗分流自励恒压系统中的发电机总励磁电流大小，从而调节发电机端电压和无功输出；
所述双绕组电抗分流自励恒压系统主要由三相电抗器L、转子磁场绕组、负载电阻RL、发电机定子主绕组依次连接构成；
所述两相零式励磁系统的励磁调节基于偏差调节；所述双绕组电抗分流自励恒压系统的励磁调节基于扰动调节。
2.如权利要求1所述一种可控两相零式电抗分流励磁系统，其特征在于：所述双绕组电抗分流自励恒压系统的发电机励磁调节环节是建立在两相零式励磁系统测量到的电压偏差进行调节，调节的最终作用使得两相零式电抗分流励磁系统的可控硅整流器SCR输出电流与双绕组电抗分流自励恒压系统的三相电抗器L分流所产生的复励分量合成了双绕组电抗分流自励恒压系统的总的励磁电流供发电机励磁，从而起到自动调节双绕组电抗分流自励恒压系统发电机端电压的作用。
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