微机励磁调节器

PEX-3000微机励磁调节器
技术说明书
南京鹏智电气设备有限公司
二零零三年七月
概 述
PEX-3000微机励磁调节器装置是以MCU、DSP为内核构成的系统芯片（SoC）为核心，配以超大规模现场可编程芯片而构成的新型励磁调节器。

它不仅具有早期的微机型励磁调节器的全部调节、控制、限制、保护和容错等功能，而且在运算速度、硬件集成度、抗电磁干扰以及可靠性等方面有了极大的进步。

该系统中，调节算法、励磁控制和限制保护等功能由嵌入式、模块化软件实现，交流信号、直流信号等经高速AD采样并经DSP计算实现采集，另外该系统能根据不同的应用对象，通过对采用的可编程芯片进行现场编程和配置，满足不同的系统配置的需要，具有极大的灵活性和适应性。

该系统可广泛应用于水轮发电机组自并励、火力发电机组三机或自并励系统的可控硅励磁控制，也可应用于带直流励磁机或交流励磁机的开关式励磁控制，是一种通用性极强的励磁调节装置。

本说明书将从PEX-3000微机励磁调节装置的功能、特点、软硬件配置、基本工作原理等几个方面介绍，以便用户对本产品有一较全面的了解。

第一章 装置的特点及适用范围
§1-1 主要特点
采用了现场网络技术和智能化的设计思想，改变了传统励磁系统结构和数据信息交互方式，大大简化了励磁设备之间的连接，增大了数据和信号的传递，节省了联接电缆，使设备可靠性得到提高，维护更加容易。

1) 调节控制及限制保护功能完备，调试维护手段丰富。

2)由于控制和信息的传递由网络系统通过通信网互联而实现，与传统的双通道励磁系
统结构相比，其控制系统是一个开放的系统，接口和规约是标准和通一的，信息是
透明的，能实现励磁系统与计算机监控系统的通信。

3)A、B两套系统之间采用通信网络联结，系统结构简单，可靠性高。

双通道控制系统
间的通信更全面而真实，系统的冗余度和可靠性更高。

4)采用交、直流双重供电系统及进口工业电源，提高供电可靠性。

5)印制板采用多层表面贴装工艺，硬件实现了真正的模块化，即插即用，随时升级。

控制器结构采用全密封设计，精心设计了抗干扰组件，具有很强的抗震动能力和抗
电磁干扰能力。

6)工业级大屏幕液晶显示器，汉化树形菜单。

可方便显示主接线图参数、故障报告、
告警信息、定值整定、录波图形、装置内部的测量值、参数、状态等，包括开入开
出，电压电流的有效值、相位、功率、触发角、各种限制保护标志等。

采用五健组
合键盘，对装置操作自如、易学易用。

7)交流量采集。

采用高性能处理器和高速、高分辨率的A\D转换器，实现每周波24
点采样，结合专用的测量PT,CT，及数字信号处理器（DSP）进行交流量采样计算，保证了测量的高精度及响应速度。

8)能迅速地对电源、硬件、软件的故障进行自诊断及处理，并可进行100个事
件的记录和故障录波。

9)EXsoft V1.0 励磁控制软件包，作为励磁的专用软件产品，提供了各种励磁
调节控制，限制保护，人机接口，通信规约，调试诊断，动态录波等模块。

§1-2 适用范围及使用环境
一、适用范围
PEX-3000微机励磁调节装置适用于各种可控硅励磁系统，以下几个例子（图一至图四）说明PEX-3000微机励磁调节装置几类典型使用。

用户可根据发电机的实际情况设计具体的方案。

二、使用环境
1、使用地点的海拨高度不大于3000米
2、环境温度为-10°～+50°
3、环境相对湿度不大于90%
母线
母线
图四 二机他励可控硅励磁系统接线图
母线
4、使用环境的周围介质不应含有爆炸危险和腐蚀气体，所含导电尘埃的浓度不应使绝缘水 平降低到允许值以下。

第二章 主要性能及可靠性指标
§2-1 主要性能　
本励磁系统的技术指标能满足和优于DL/T650-1998标准及IEC34-16-1：1991和IEC34-16-3：1996的要求。

如：　
1、励磁系统可提供2倍额定励磁电压及2倍额定励磁电流，持续时间允许20秒。

　
2、励磁系统电压响应时间不大于0.1秒。

　
3、励磁系统调压精度优于0.5%。

　
4、在下列厂用电源电压及频率偏差下，励磁系统能保证发电机在额定工况下长期连续
运行。

交流380V/220V系统:电压偏差为额定值的±15%频率偏差为-3～+2HZ　
直流220V系统: 电压偏差范围为额定值的+20%～-20%　
5、励磁调节器交流工作电源电压短时间(不大于50秒)波动范围为55～120%额定值，
频率为45～70HZ范围内，励磁系统能维持正常工作，并能保证强励和强减工作正常
6、励磁系统保证在1.1倍的发电机额定励磁电流和电压下能长期连续运行。

　
7、励磁系统满足发电机手、自动开，停机；进相、滞相运行；零起升压及线路充电要
求，在和监控系统连接后可接收AVC调节命令。

　
8、发电机空载电压整定范围从5%到130%。

　
9、励磁系统设起励装置，保证机组可靠起励。

起励装置的电流不超过发电机空载额定
电压下对应的励磁电流的10%，当电压上升时励磁调节器自动切断起励装置。

通常正常开机时，残压足以保证自动启动，无须操作起励装置。

　
10、设有软件正负无功调差，调差率范围±10%。

　
11、空载阶跃响应：阶跃量为发电机额定电压的5%，超调量小于阶跃量的30%，振荡次
数1次，上升时间0.5s，调节时间不大于5秒。

§2-2 可靠性指标
励磁系统的可使用率 ＞99.9%　
平均无故障运行时间不小于 30000小时　
年强行退出比小于 0.05%　
故障率小于 每年0.4次
第三章 主要功能及技术参数
§3-1 主要功能
PEX-3000微机励磁调节装置是经典和现代控制理论与微机控制技术相结合的新型励磁调节器，是以计算机为核心的实时快速数字式闭环调节装置。

它不仅满足各种励磁方式
的调节控制功能,和各种工况下的限制保护功能,而且具有强大的在线智能调试、录波和诊断分析等辅助功能。

一、调节及控制功能
（1） 恒发电机机端电压的P、PI、PD、PID调节规律。

（2） 恒发电机转子电流的P、PI、PD、PID调节规律。

（3） 发电机恒定可控硅触发角运行（他励方式时可选用）
（4） 不同起励方式的选择：100%UFN起励、零起升压及软起励。

自励起励时可自动点初励 （5） 无功调差调节，可任意设定正、负调差方式，且调差率大小连续可调
（6） 保证机组突甩负荷时机端电压能迅速稳定在额定电压
（7） 保证机组无冲击地进行手动（电流闭环）/自动（电压闭环）的切换和双机切换
（8） 软件数字整定和比较功能，数字整定的速度可现场设定
（9） 保证发电机稳定运行于空载、发电、调相、停机等工况。

（10）可通过串行通讯方式或其它通讯方式接入厂内监控系统
（11）电力系统稳定器（PSS）附加控制
（12）发电机恒无功运行（选用）
二、限制和保护功能
（1） 低励无功瞬时限制及保护，限制定值可实时现场设定
（2） 过励无功延时限制及保护，限制定值可实时现场设定
（3） 发电机励磁电流强励反时限限制及保护，限制定值可实时现场设定
（4） 最大励磁电流瞬时限制及保护
（5） V/F（低频过磁通）限制及保护，当机组转速下降时，如仍维持发电机电压额定将引起发电机及出口变压器过磁通，为保证机组安全运行，在转速下降时，调节器将自动降低发电机电压，转速过低时调节器自动逆变灭磁，限制和保护定值可实时现场设定。

（6） 空载过电压限制及保护，发电机空载运行时，当机端电压超过过压保护设定值时，调节器自动逆变灭磁，过压保护定值可实时现场设定。

（7） PT断线检测和保护，可通过两组PT电压比较和每组PT三相之间电压互相比较判定PT是否断线。

PT断线时调节器可自动切换至手动稳定运行。

（8） 可控硅整流柜快速熔断器熔断、停风、部分整流柜切除时限制励磁电流最大值。

（9） 电源、硬件、软件故障检测和处理功能。

（10）可控硅脉冲检测和故障处理功能。

三、辅助功能
（1） 每个控制器配置一套智能面板，通过液晶显示器和五键组合键盘，工作人员可
方便地实现对设备运行的实时数据，状态参量，整定参数和故障信息的显示，并可修改整定数据，下发控制命令，进行试验操作等。

（2） 通过外接计算机，同时配置EXsoft V1.0 励磁控制软件包，可以对装置进行调试及录波数据的调出和分析。

§3-2 主要技术参数
一、模数转换器输入参数
AD采样通道： 12路
信号输入量参数：
机端电压UF（励磁PT来） 额定值100伏
机端电压UF（仪用PT来） 额定值100伏
系统电压US（系统PT来） 额定值100伏
定子电流IF（定子CT来） 额定值5A
转子电流IL（转子CT来） 额定值5A
二、开关量输入输出容量
输入 16路光电隔离
输出 16路光电隔离
三、通讯接口　
RS485通讯口 与监控系统或DCS通信
CAN通讯口 双套控制器之间通信
RS232通讯口1 与智能面板通信
RS232通讯口2 作为外接调试计算机现场调试使用
四、输出参数：
输出脉冲：可供三相全控整流桥用的六相双脉冲
触发功率：每相脉冲可供5组脉冲变压器回路负载，满足各种额定励磁电流的要求。

五、电源参数
交、直流并联供电。

交流输入220V±15%，直流输入220V±20%。

稳压电源A套和B套的电源完全独立
六、指标参数
（1） 可控硅控制角α分辨率：0.005/码
（2） A/D转换量分辨率：2-14，12路。

（3） 控制计算调节速度：20毫秒
（4） 调压范围：5%～130%
（5） 调压精度：<0.5%
（6） 移相范围：0-180度。

上下限值可程序设置
（7） 调差：软件无功调差、正负大小任选级差为±0.01%。

（8） 频率特性：频率每变化1%，发电机端电压变化不大小额定值的±0.25%。

（9） 整定值调节速度：可编程，满足不大于1%每秒，不少于0.3%每秒。

（10）自并激励磁系统：上升<0.08S
（11）下降<0.15S
（12）工作方式：按主从方式工作，B套通道自动跟踪A套通道，A套通道故障时自动切换至B套，无波动。

（13）稳压电源：A套和B套的电源各自独立。

功率消耗：小于200瓦。

第四章系统配置
§4-1 电气配置
一、系统框图
系统框图是以自并激方式为参考做出，其中模拟量输入和开关量的输入输出可根据用户不同的要求配置。

PEX-3000微机励磁调节装置自并激系统原理图见图6。

二、表计指示
PEX-3000微机励磁调节装置配有两块直流电压表，用于指示励磁和仪表两路PT的线电压，表计回路中串有保险，以防止电压表短路。

在做发电机特性试验时可方便观差发电机电压。

三、操作按钮把手
装置上安装有主从切换、闭环切换、系统电压跟踪、PSS控制、远方/现地选择把手和增磁、减磁、启动、逆变及录波清除按钮，把手用以选择运行方式及功能投切，按钮用于现地操作励磁调节器，远方和就地操作通过远方/就地把手选择
四、电源回路
除了控制器中配有的电源模件提供控制器本身的工作电源外，装置上还配有两套电源回路提供其它元件的工作电源，其中一路为24V操作电源，一路24V脉冲电源，两路5V通讯电源，两套的24V电源输出通过二极管后并联给相应的回路供电，5V通讯电源分别接至本套CAN和RS485通讯口，在电源的输入部分，所有的输入都是经过交直流供电板双路供电，其中交流电源通过隔离变压器，直流直接输入。

五、输入输出继电器
装置的外部开关量信号经过输入和输出继电器隔离，外部输入信号为无源空节点，输出信号也是无源空节点
六、控制器
PEX-3000调节器由以下单板或元件组成
1、CPU 模件 MJ111 2块
2、电源模件 MJ811 2块
3、交流量模件 MJ221 2块
4、脉冲输出模件 MJL01 2块
5、开关量模件 MJ511 2块
6、总线背板 MJ911 2块
7、智能面板 MJ922 2块
七、 软件基本配置
（1）Exsoft 微机励磁调节控制软件包
（2）PSDsoft 系统开发软件包
（3）CPLD 系统开发软件包
图6.发电机自并励励磁系统原理图
§4-2 结构配置
装置采用柜式结构，柜内为立柱加插箱形式，以四根内立柱为主体，形成内框架，柜体外形尺寸为800×600×2200mm（也可由用户自定），柜前门设有玻璃观察窗。

柜子设上下通风窗。

图7为机柜正面及背面的视图。

柜内设表计层，电源层，控制器层，操作层，继电器层，电源隔离变压器和同步变压器。

装置与外部连接的总端子排设在内框架后部两侧，沿后立柱设走线槽。

机柜前门开有观察窗。

可监视装置运行是否正常，前门都配有带锁门把。

机柜底部开有电缆走线孔，提供用户将现场信号和装置输出信号引入或引出。

机柜正视图机柜背视图
图7 机柜布置图
第五章基本工作原理
§5-1 基本原理
PEX-3000微机励磁调节装置将发电机机端三相电压和三相电流，转子电流和系统电压等信号，通过信号测量回路将信号隔离并处理，经高速、高分辨率A/D实现模数转换，输入到CPU中，经交流量采集算法及数字滤波实现励磁系统数据采集。

调节器根据测量到的机端电压，有功功率、无功功率和励磁电流以及机组频率等，实现对发电机励磁的控制，使机端电压维持在恒定值。

调节器具有机端电压和励磁电流及无功功率三种闭环控制运行方式，以及触发角控制的开环运行方式。

正常运行时，调节器按机端电压进行PID调节，并对各种工况进行实时限制判别、故障检测、录波等工作，一旦发现异常情况，自动转换到限制功能，或切换到备用通道，并进行异常或故障报警。

在双通道双重控制情况下，备用通道自动实现跟踪主通道的控制调节量、主要工况和状态，以实现无扰动的切换。

§5-2 PEX3000控制器
PEX-3000微机励磁调节装置包括两套完全相同的PEX3000控制器，每套控制器包括：CPU模件、电源模件、交流量模件、开关量模件、脉冲输出模件、总线背板及智能面板。

控制器采用双CPU设计，主CPU完成励磁控制调节功能，辅助CPU完成液晶面板显示功能，两个CPU系统之间通过CAN通讯接口进行实时信息交换
PEX3000控制器是以MCU、DSP为内核构成的系统芯片（SoC）为核心，采用大规模现场可编程外围芯片PSD及CPLD，多通道高速A/D转换器，串行接口芯片，D/A转换器等而组成的智能控制系统。

其原理框图如下图所示。

一．电源模件
每套控制器机箱内配置一块电源模件（MJ911），此模件后面凤凰端子接入直流220V 电源和交流220V电源（交流电源经过隔离变压器隔离）,交直流电源分别经过AC开关和DC 开关控制，开关后交直流电源经过交直流双路供电电路滤波后进入开关电源，开关电源输出+5V、±12V通过总线背板供机箱内其它板件使用，输入交直流电源有LED指示
二．交流量模件
发电机运行时交流量通过交流量处理板（MJ221）引入系统，其中电压量包括三相励磁PT电压，三相仪用PT电压，三相定子CT电流，可控硅交流输入三相CT电流，其中PT副边电压要求为线电压100V，电流要求为5A，励磁PT电压经过内部PT降压、运放处理一路送去交流采样，一路经过三相整流电路去采样，仪用PT电压经过三相整流电路去采样，三相定子CT电流一路送去交流采样，一路经过三相整流电路去采样，可控硅交流输入三相CT 电流经过三相整流电路去采样
三．开关量模件
开关量输入输出通过开关量模件（MJ511）引入系统，16路开关量输入经过光电隔离后进入CPU读入，控制器输出的故障、控制、报警信号（共16路）经过光电隔离后输出，另外在此板上有二路D/A输出通道，用于测试控制器性能，一路A/D输入通道留作PSS试验时作为白噪声输入口，此回路中加有低通滤波电路和偏置电路
四．脉冲输出模件
脉冲输出模件（MJL01）主要包括6路可控硅触发脉冲功率放大回路，6路脉冲检测回路和脉冲切换回路，同步信号处理回路及系统电压处理回路
五．CPU模件
CPU模件（MJ111）是控制器的核心模件，主要有以下几个部分组成：高速处理器、A/D采样、PSD可编程外围芯片、CPLD大规模逻辑芯片及通讯扩展芯片等，根据励磁控制程序，对同步发电机调节和控制，以及各种限制和保护。

1.CPU具有16位的总线宽度，时钟达40MHZ，高速I/0系统，捕捉功能的计数器的软件定时器，可软件实现可控硅的移相控制和触发脉冲的形成。

程序由高级语言编写，易读、简洁。

2.PSD可编程外围芯片
PSD系列可编程微机控制器外围器件，具有闪速存储器和可编程逻辑等在系统可编程特性（ISP），并将许多外围器件的功能组合在一起，通过串行JTAG编程接口允许在系统编程并不需外部编程器，满足嵌入式系统设计的独特要求。

该PSD外围芯片，在一块集成芯片上集成了如下功能：
容量为1兆的主闪速存储器。

单独的256K位EEPROM。

16KW位PSAM，掉电时通过切换备用电源，SRAM不会丢失数据。

16个输出宏单元和24个输入宏单元PLD可有效地用于实现多种
逻辑功能。

嵌入式输入和输出宏单元，使用户定义的系统逻辑功能有效地实现。

27种独立可配置I/0端口引脚。

内置的JTAG从属串口使得能在现场进行器件的在系统编程或器件的重新编程。

可编程的电源管理单元，实现低功耗工作方式。

3.CPLD大规模可编程逻辑芯片
CPU模件上使用了两片LATTIC公司生产的CPLD芯片来产生可控硅触发脉冲。

CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进等优点。

经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。

比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，我公司选用的是Lattice公司最近推出的市场上最为常用的MACH4系列的产品。

该产品具有以下特点：
z高密度
MACH4系列器件内有32~256个宏单元；32~384个寄存器；I/O引脚32~128个，专用输入2~16个；逻辑容量相当于1250-10000个等效PLD门；封装引脚44~208个。

z高速度和速度同步
MACH4系列器件再在引脚数增加和功能增强的情况下，仍保持了速度同步、高速的特点。

所有信号，无论路径如何，都有相同的延时，其引脚到引脚的传输时间最快可达7.5ns，相应的计数器频率可达133MHz。

z符合JTAG在线系统可编程
MACH4系列具有JTAG测试接口电路。

z低功耗
z5V和3.3V工作电压混合模式
z热插拔能力
4.通讯接口
控制器中设置了四个串行通讯口,其中一个485口用作485网络接口, 一个CAN口用作CAN 网络接口,一个232口用作和智能面板通讯,另一个232口和485口用于和上位机通讯. 六．智能面板
智能面板(MJ922)是控制器的人机接口，由辅助CPU控制，和控制器通过通讯交换信息，不占用主CPU的运行时间。

通过面板上的五键键盘和液晶显示工作人员可方便地实现对设备运行的实时数据，状态参量，整定参数和故障信息的显示，并可修改整定数据，下发控制命令，进行试验操作等，液晶显示界面为全中文树形菜单式结构，操作简单方便。

　
七．总线背板
总线背板(MJ911)用作信号传输，通过总线背板把控制器中的各模件联系在一起，组成一套完整的控制器，实现各模件之间信号的传送。

第六章 软件介绍
PEX-3000微机励磁调节装置的Exsoft软件包，是在基于Windows环境下开发的励磁程序软件，它包含有各种励磁调节和控制所需要的功能，它不仅具有常规调节器全部的调节功能，而且增加了智能化调试和网络化功能，充分体现了微机励磁调节装置的优越性。

§6-1 励磁调节器的运行方式
PEX-3000微机励磁调节器具有多种运方式，常用的有恒定发电机机端电压方式（电压闭环），恒定发电机转子电流方式（电流闭环），恒定发电机无功功率方式（无功闭环），以及恒定可控硅触发角度开环方式（定角度，他励时可用），在励磁系统正常运行时，运行方式可通过微机励磁调节器上的切换开关及控制器的液晶操作面板改变。

一.电压闭环方式（自动）
IL
励磁调节器通过接于发电机机端的电压互感器（PT）测量发电机当前的电压作为控制器的测量值，和控制器内部的电压给定值进行比较，根据两者的差值进行计算，算出可控硅触发角度，通过可控硅整流改变发电机转子电压，从而改变发电机转子电流，实现发电机机端电压UF1接近电压给定值UFG，△U接近于零。

电压闭环运行时，通过增减磁命令改变电压给定值，励磁系统可以自动调整发电机机端电压，如果励磁调节器设有调差系数，则在原闭环的基础上，通过测量发电机定子电流，通过软件计算出发电机无功功率，把无功功率经过调差计算后作为机端电压的附加量，和电压给定值进行PID计算，实现励磁系统发电机无功功率自动调节。

简而言之，在电压闭环方式下，发电机空载时，励磁系统的闭环调节保证机端电压始终和电压给定值一致，而在发电机并网时，在发电机机端电压基本恒定时，电压给定值的变化和无功功率的变化相一致。

二.电流闭环方式（手动）
励磁调节器通过接于励磁变压器副边的电流互感器（CT）测量发电机当前的转子电流作为控制器的测量值，和控制器内部的电流给定值进行比较，根据两者的差值进行计算，算出可控硅触发角度，通过可控硅整流改变发电机转子电压，从而改变发电机转子电流，实现发电机转子电流IL1接近电流给定值ILG，△IL接近于零。

电流闭环运行时，通过增减磁命令改变电流给定值，励磁系统可以自动调整发电机转子电流，这样可改变发电机机端电压和发电机的无功功率。

从调节框图上可以看出，电流闭环调节时，稳定的是发电机转子电流，当发电机机端电压或无功功率因为系统原因变化时，不会有任何调节，需要人工调整，所以一般称之为手动
三.无功闭环方式
励磁调节器通过接于发电机出口的电压互感器（PT）和电流互感器(CT)测量发电机当前的无功功率作为控制器的测量值，和控制器内部的无功给定值进行比较，根据两者的差值进行计算，通过计算的差值改变电压给定值，再经过电压闭环计算出可控硅触发角度，通过可控硅整流改变发电机转子电压，从而改变发电机转子电流，实现发电机无功功率测量值Q 接近无功给定值QG。

无功闭环运行方式实际是电压闭环的一种特殊情况，PID计算调节仍然是电压闭环，但此时会在系统无功发生变化时稳定本机输出，无功闭环运行时无功给定值需要通过控制器液晶面板设定，在调节器有限制或故障发生时会自动退出
四.定角度方式（开环手动）
当可控硅输入接至他励电源时，可使用定角度运行方式，励磁调节器接收增减磁信号，直接改变可控硅的触发角度，通过可控硅整流改变发电机转子电压，从而改变发电机转子电流，发电机机端电压、发电机无功功率或定子电流。

由于自动励磁系统的目的是要稳定发电机机端电压和无功功率水平，要求发电机能够根据系统的变化而自动调节，因此励磁调节器正常情况下都应在电压闭环方式下运行，其它运行方式作为电压闭环的备用或试验的方便而设置，如电流闭环在机端PT断线、功率柜故障、及强励动作后会自动转至电流闭环，在发电机或变压器短路试验时可选择定角度方式，根据系统的设计，可以通过励磁调节器上的切换开关人为切换至可以运行的闭环方式，为了保证闭环方式切换时发电机运行工况不变，励磁调节器备用闭环跟踪当前闭环条件下的励磁状态。