励磁调节装置基本原理
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u u d D u u q u a D C 32 u b u c 1 1 u 1 a sin 2 2 u 3 3 b cos 0 uc 2 2
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
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 N 2 u k COS (nk ) 2 k 1 N
U In
2
N 2
2 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
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 1.35U ac COS
U fd dU fd d
dU fd d
1.35U ac SIN
A 180
1.35U ac SIN( ) 1.35U ac SIN( )
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%
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
cos2 ( ) cos2 ( 120) cos2 ( 120) 1
2 2 2 U g (U ab U bc U ca )/3 2 I g (I a I b2 I c2 ) / 3
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：
k U k k PID(U r U t ) U fd 1.25U ac cos( ) 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
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
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：
2 cos 3 sin
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 Un U k2 / N 2 In I k2 / N
Pn U k I k
Qn U k I ( k N / 4 ) Q Qa Qb Qc
励磁调节器构成
脉冲放大及隔离：
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。
IGM
PGAV=30W
PGAV=8W
IGT IGD
UGD
UGT
UGM
// 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
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
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
P Pa Pb Pc
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
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
n arctg(U nX / U nR ) n n 1 f f n 1 2
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
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
2
2
励磁调节器构成
3、dq分解法
轴
d轴
u a u u C 32ub uc
1 1 u a 1 2 2 2 u 3 3 b 3 0 u 2 2 c
U fd U fd
100%
1.35 U ac SIN A 1.35 U ac COS 180
A tg 0.017444 A tg 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负反馈调节
A ( f syn / fc ) 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：
a相
ud u
ud u
uq
u d D u u q u cos sin
u sin u cos
ud
c相
u
uq
q轴
b相
轴
uq
励磁调节器构成
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 )
arccos(k U k ) U fd 1.35U ac cos( )
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
励磁调节器构成
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
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
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 N 2 u k COS (nk ) 2 k 1 N
U In
2
N 2
2 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
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 1.35U ac COS
U fd dU fd d
dU fd d
1.35U ac SIN
A 180
1.35U ac SIN( ) 1.35U ac SIN( )
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%
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
cos2 ( ) cos2 ( 120) cos2 ( 120) 1
2 2 2 U g (U ab U bc U ca )/3 2 I g (I a I b2 I c2 ) / 3
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：
k U k k PID(U r U t ) U fd 1.25U ac cos( ) 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
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
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：
2 cos 3 sin
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 Un U k2 / N 2 In I k2 / N
Pn U k I k
Qn U k I ( k N / 4 ) Q Qa Qb Qc
励磁调节器构成
脉冲放大及隔离：
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。
IGM
PGAV=30W
PGAV=8W
IGT IGD
UGD
UGT
UGM
// 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
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
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
P Pa Pb Pc
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
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
n arctg(U nX / U nR ) n n 1 f f n 1 2
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
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
2
2
励磁调节器构成
3、dq分解法
轴
d轴
u a u u C 32ub uc
1 1 u a 1 2 2 2 u 3 3 b 3 0 u 2 2 c
U fd U fd
100%
1.35 U ac SIN A 1.35 U ac COS 180
A tg 0.017444 A tg 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负反馈调节
A ( f syn / fc ) 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：
a相
ud u
ud u
uq
u d D u u q u cos sin
u sin u cos
ud
c相
u
uq
q轴
b相
轴
uq
励磁调节器构成
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 )
arccos(k U k ) U fd 1.35U ac cos( )
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
励磁调节器构成
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