励磁调节装置基本原理

励磁调节器构成
2、余弦移相 实际应用中，分为近似余弦移相和精确余弦移相：
U k = PID (U r − U t )
α = arccos(k × U k ) U fd = 1.35U ac cos(α )
U fd = 1.35U ac cos(arccos( kU k ) U fd = 1.35U ac kU k
励磁调节器构成
直流采样：
各电气量经过变送器变换， 输出电气量有效值，可 以减小A/D采样通道数， 减小软件计算量，但响 应速度慢，硬件多，故 障率高
U 电压变送器 U
I
电流变送器
I
采样 系统
U 功率变送器 I
P Q
励磁wk.baidu.com节器构成
交流采样：
将交流信号经过隔离后，直接进入AD采样系统， 采样值经软件计算，得到各电气量测量值，交流 采样响应速度快，要求AD采样芯片速度高，性 能优，每周采样要求30点以上，采用等角度采样
电压(Ua,Ub,Uc) 采样系统 电流(Ia,Ib,Ic) 软件计算 U,I, P,Q
励磁调节器构成
交流采样计算方法：
1、三相对称算法 三相信号必须对称，否则误差较大
cos 2 (α ) + cos 2 (α + 120) + cos 2 (α − 120) = 1
2 2 2 U g = (U ab + U bc + U ca ) / 3 2 I g = ( I a + I b2 + I c2 ) / 3
励磁调节方式
多变量励磁调节：
励磁输出取决于多个电气量的变化，以使 各个电气特性均满足运行要求，理论上 求得模型方程的最优解或次优解。 附加控制式：PID+PSS PID+LEOC PID+NEOC
励磁调节器构成
励磁调节器从功能上可分为基本调节部分和辅助调节部分 基本调节：测量比较+综合放大+移相触发； 辅助调节：补偿器+稳定器+限制器
// α = arccos(k × U k / U ac ) // U fd = 1.35U ac cos(arccos( kU k / U ac ) // U fd = 1.35kU k
精确余弦移相的励磁电压仅于励磁计算结果相关， 使用精确余弦移相的励磁系统，可以对发电机进 行开环控制，便于发电机零起试验
∆U U =
fd
fd
1 . 35 × U ac × SIN α × A × π × 100 % = 1 . 35 × U ac × COS α × 180
A×π × tg α = 0 . 017444 × A × tg α 180
励磁调节器构成
上式中A即为触发角分辨率，触发角分辨率 直接由移相触发环节中计数器主频和同步频 率决定，即计数器中一个码表示同步信号中 的角度，
励磁调节器构成
脉冲产生方法：
1、增计数器方法 将移相值锁存，同步过零时启动计数器，当计 数大于锁存的移相值时，发出触发脉冲 采用软件模块和中断，占用CPU资源
a
锁存
增计数器
比 较 器
2、减计数器方法 将移相值锁存进计数器，当同步过零时，启动减计 数器，当计数器值为零时，发出脉冲。 使用硬件（可编程器件）完成，不占用CPU资源
2
2
有功功率值：P = U Rn I Rn + U Xn I Xn 无功功率值：Q = U Rn I Xn − U Xn I Rn
励磁调节器构成
3、dq分解法
β轴
d轴
1 1 u a 1 − − u a uα 2 2 2 u = C 32 ub = u 3 3 b 3 β 0 − u c u 2 2 c
α = k × U k = k × PID(U r − U t ) U fd = 1.25U ac cos(α ) = 1.35U ac cos(k × PID(U r − U t )
由于励磁电压Ufd与发电机电压差成余弦关系，事实上 励磁系统环节为非线性关系，励磁系统增益系数与发 电机工作点相关，给数学模型造成困难
a相
u dβ uβ
ud u
u qα
u u d = D× α u u q β cosθ = − sin θ
sinθ uα cosθ u β

u dα
c相
uα
uq
q轴
b相
α轴
uqβ
励磁调节器构成
A = ( f syn / f c ) × 360 f syn为同步频率 ，f c为计数主频
例如：对于中频400HZ励磁三机励磁系统， fc采用40M，则A=0.0036，而对于自并励系 统，得到相同的分辨率，计数频率只需5M
励磁调节器构成
对于自并励励磁系统： 空载运行角在80度左右，如：A=0.0036度/码，则有： 空载额定工况下，输出变化的最小百分数是：
励磁调节器构成
2、傅氏算法 采用离散FFT算法，计算各次谐波有效值及相位
U Rn N = 2 2π (nk ∑ u k COS (nk N ) k =1
N
U In
2
N = 2
2π (nk ∑ u k SIN (nk N ) k =1
N
2
电压模值(幅值）：U n = U Rn + U In
电流模值 (幅值）： I n = I Rn + I In
如：A=0.0144度/码（1.25M），则有： 空载额定工况下，输出变化的最小百分数是：
励磁调节器构成
对于高起始的三机励磁系统： 空载运行角在88度左右，如：A=0.0036度/码，则有： 空载额定工况下，输出变化的最小百分数是：
如：A=0.0144度/码（10M），则有： 空载额定工况下，输出变化的最小百分数是：
Pn = ∑ U k I k P = Pa + Pb + Pc
Qn = ∑ U k I ( k − N / 4 ) Q = Qa + Qb + Qc
励磁调节器构成
频率测量：
1、计数器测量 将交流信号整形为方波信 号，在方波信号内进行 计数，计数器值与信号 周期成比例
fm = fs / N
励磁调节器构成
励磁调节器基本原理
励磁调节方式
按扰动量调节
P 负载的扰动引起机端电压及 Q
功率的变化，根据扰动量形 成励磁控制分量，以补偿扰 动量而增加的励磁电流； 复式调节器、各种稳定器 和补偿器
调节对象 (同步电机)
励磁调节器
∆U fd = K × f ( P, Q )
励磁调节方式
按偏差量调节：
按照被调节量的目标值和 实际值之间的差值，控制 调节器的励磁输出； 实质上是负反馈调节
−
1 1 − ua 2 2 u 3 3 b − uc 2 2
能够计算出基波幅值，负序分量幅值，零序分量，对 于系统故障或TV断线故障判别提供依据
励磁调节器构成
4、全波积分法 对电气量周期内各瞬时值平方积分，求得有效值
2 U n = ∑ U k2 / N 2 I n = ∑ I k2 / N
负载 变化 电压 变化 偏差 增大 励磁 输出 偏差 减小
P Q
调节对象 (同步电机)
U
励磁调节器 目标
电压 恢复
∆U fd = K × f (U r , U t )
励磁调节方式
单变量调节：
比例式励磁调节 励磁输出与电压偏差成 U fd = K × (U r − U t ) 比例关系； PID励磁调节 比例+积分+微分 ' U fd = K P ∆U t + K i ∫ ∆U t dt + K D ∆U t 理想PID调节 实际PID调节
u u a u d = D × α = D × C 32 × u u b u β u q c
=
2 cosθ 3 − sinθ
1 sinθ cosθ 0
A/D转换
采样保持
A/D转换
励磁调节器构成
采样精度：
采样系统中最要的参数：A/D转换位数 采样位数直接决定最小采样精度： 1、12位A/D采样 额定值码值=4096/2*2.0=1024，精度=0.1% 2、14位A/D采样 额定值码值=16384/2*2.0=4096，精度=0.025% 2、16位A/D采样 额定值码值=65536/2*2.0=16384，精度=0.006%
U ab ,U bc ,U ca 为瞬时值 I a , I b , I c 为瞬时值
P = [U ab ( I a − I b ) + U bc ( I b − I c ) + U ca ( I c − I a )] / 9 Q = [U ab I c + U bc I a + U ca I b ) / 3 3
2、傅氏变换法 利用傅氏法求得电压相位，根据相位变化， 得到频率变化量，修正频率值
ϕ n = arctg (U nX / U nR ) ∆ϕ = ϕ n − ϕ n −1 ∆ϕ ∆f = × f n −1 2π + ϕ
f n = f n −1 + ∆f
励磁调节器构成
移相方式：
1、线性移相 触发脉冲角度和调节器输出成线性关系：
励磁调节器构成
脉冲放大及隔离：
IGM
1、脉冲放大采用MOSFET 放大，损耗小，集成度 高，满足强触发要求。 2、脉冲隔离采用专用脉冲 变压器，隔离电压最高 为15KV。
PGAV=30W
PGAV=8W
IGT IGD
UGD
UGT
UGM
a
锁存
同步
减计数器
励磁调节器构成
触发角分辨率：
触发角分辨率直接影响发电机电压调节精度：
U fd = 1.35 × U ac × COSα
∆U fd = dU fd dα
dU fd dα
= −1.35 × U ac × SINα
A×π 180
× ∆α = −1.35U ac SIN (α )∆α = −1.35U ac SIN (α )
测量 比较 补偿器 限制器 稳定器 综合 放大 移相 脉冲 放大
励磁调节器构成
采样系统结构
通道数量 采样保存环节数量 A/D转换环节数量 1、片外多路开关+AD转换 2、片内多路开关+AD转换 3、独立AD转换
多 路 开 关 采 样 保 持 A/D转换
采 样 保 持
多 路 开 关
A/D转换
采样保持