第三章晶体管开关式励磁调节器

同步发电机励磁系统武汉洪山电工科技有限公司1第三章晶体管开关式励磁调节器一、开关式励磁调节器的工作原理图3-1表示了开关式励磁调节器的工作原理，它利用电子开关K将励磁机的电枢电压加于励磁机的辅助励磁绕组LLQr上。图3-1开关式励磁调节器的工作原理图显然，K闭合时，电枢电压加于辅助绕组上；而当K断开时，辅助绕组通过系统二极管续流，其两端电压为零。由于开关在工作中不断地接通及断开，辅助绕组上的电压波形如图3-2所示，即为一方波电压，方波的宽度为K闭合的时间tON，而方波之间的间隔时间则决定于K断开的时间toff，辅助绕组上的电压的平均值为：UtttULLONONoffL(3-1)式中：ULL——励磁机辅助绕组上的电压平均值；UL——励磁机电枢电压。图3-2开关式励磁调节器的电压波形图由此可见，若加大开关K的闭合时间tON，缩短K的断开时间toff，辅助绕组上的电压ULL将上升即励磁机励磁电流加大，励磁机电压上升；反之使闭合时间缩短，即断开时间加长，ULL下降，励磁机的电压亦将降低。即利用改变开关K的闭合时间和断开时间之比，能调节励磁机输出电压的高低而达到自动励磁调节的目的。开关K可以是机械的（称振动型励磁调节器）、闸流管的（称闸流管励磁调节器）、晶闸管的（称晶闸管开关式励磁调节器）、或晶体管的（称晶体管开关式励磁调节器），后者是开关式调节器的最新发展。二、晶体管开关的工作原理一个晶体三极管，若无输入基极电流，即Ib=0，其集电极电流亦为零（IC=0），由于负载电阻R上的压降为零，电源电压E全部加于晶体管上，这相当于开关的断开状态（见图3-3）。图3-3晶体管开关的工作原理图当给晶体管提供一个足够大的基极电源Ib，使IERb（其中为晶体管电流放大倍数）时，晶体管的集电极电流：IERC(3-2)这时，负载电阻两端的电压降近似为E，从而使晶体管c、e极之间的电压接近于零（称处于饱和导通状态），这相当于开关的接通状态。由此可见，通过晶体管基极控制，可使晶体管在两个状态下跳度，这即通常所说的晶体管开关。利用晶体管开关为图3-1中的开关K，就是晶体管开关式励磁调节器的基本构思。由于晶体管开关式励磁调节器的输出功率要求较大，因此开关晶体管是由一组晶体管组成，它们由光耦合器控制，采用光耦合器可以使励磁主回路和控制电路在电气上隔离，以防止灭磁时可能产生的过电压同步发电机励磁系统武汉洪山电工科技有限公司2损伤调节器的控制电路。图3-4表示了所采用的晶体管开关，它实际上是一个四级开关放大器。图3-4晶体管开关的工作原理图在光耦合器GO的发光二极管无信号输入时，光敏三极管不导通，三极管4T，由4R1、4D1获得基极电流而导通，使4T1集电极电位接近于零，4T2因无基极电流而截止，4T3-4T9，则通过4R9，获得基极电流而导通，相当于K闭合，将励磁机的电枢电压加于辅助绕组上。当光耦合器GO的发光二极管中有电流通过时光敏三极管导通，其集电极电位下降使4T1无基极电流而截止，4T2由4R2获得基极电流而导通其集电极电位下降，从而使4T3-4T9因无基极电流而截止，相当于开关K断开，辅助绕组两端此时的电压为零。通过光耦合发光二极管就可控制晶体管开关的闭合及断开。三、调节器的控制电路图3-5表示了调节器控制电路的方框图。图3-5调节器控制电路的方框图控制电路主要由调差电路，测量比较电路，比例、积分、微分校正电路（P.I.D校正电路），可控振荡器电路，断线保护电路及保证它们的正常工作所需的稳压电源组成。调差电路保证发电机有一定的调差，使发电机并联工作时不发生抢无功现象。当电机机为单元式接线时，它能部分补偿升压变压器的压降。测量比较电路将发电机端电压Uf(电压互感器副边电压)经降压整流后变成直流电压，并将它和由1WG1提供的给定电压相比较，所得偏差电压U送比例，积分、微分电路（PID电路），它的输出电压作为控制电压UK经切换继电器J的接点加于可控振荡器，可控振荡器的输出驱动光耦合器及晶体管开关。若发电机电压升高，所产生的调压作用为：UfUUtttUUUKONONoffLLLf这使调节器能自动维持发电机端电压恒定。断线保护的作用是在励磁调节器所用的电压互感器断线时，（熔断器熔断）J动作，自动调整回路断开，可控振荡器的控制电压由1W2供给，从而防止了调节器在这时可能发生的误强励。下面分述各电路工作原理。1、调差电路调差环节是在输入电压的B相上加AC相电流差IAC的压降，形成新的三相（A1、B1、C1）输出，如图3-6所示。图3-6调差电路原理图图3-7发电机的相量图由图3-7所示发电机的相量图可见，在发电在带有功负荷时调差电路和输出和输入基本相同，即调差电路不起作用，这意味着发电机的电压基本上不会随它的在功负荷的大小而变化。但当调节器带无功负荷时，调差环节的输出电压大于输入电压，即若发电机电压不变，调节器感受到的电压上升了，使调节器动作降低发电机电压，即发电机电压随其输出无功的加的加大而降低，说明即有正的调差特性，若将输入电流IAC由非极性端输入，则调节器将使发电机电压随无功负荷的增加而升高，即有负的调差特性。同步发电机励磁系统武汉洪山电工科技有限公司32、测量比较环节测量比较环节由运算放大器LM101组成（见图3-8），它的同相输入端通过电阻1R4接地。反相输入发电机电压U’fo及给定电压Ug其输出电压U=K（U’fo-Ug），调节分压器FR1的分压比可调节此环节的放大系数K。图3-8测量比较电路原理图式中：R3、R9——电阻1R3、1R9的阻值；——分压器FR1的分压比。3、比例、积分、微分校正电路图3-9表示了比例、积分、微分校正电路，即P、I、D校正电路。它的主要作用是改善调节器的静态及动态特性。引入积分校正，可显著减小控制系统的稳态误差，提高调压精度。调节器由于引入了完全积分，使调节误差接近为零（为无差调节系统），引入微分校正，能改善调节系统的动态品质，提高控制系统的动态稳定性。图3-9比例、积分、微分电路原理图校正电路是由高精度运算放大器构成，运算放大器电路的传递函数为：式中：Zf(S)——运算放大器反馈运算阻抗；Z1(S)——运算放大器输入运算阻抗；R7、R8、R10——电阻1R7、1R8、1R10的电阻值；C4、C9——电容光焕发1C6、1C8的电容值；——分压器FR2的分压比；T1～T4——时间常数,其中T1=R10C2；T2=(R7+R2)C6；T2=R7C2；T4=R2C6。显然改变FR2的分压比即可改变T7，即改变微分校正的时间常数。4、可控振荡器可控振荡器如图3-10所示。它的输出在正负最大值之间跳变，在振荡器输出为正最大时，1R14和1R15组成的正反馈电路使同相输入端电位U+为正，这样振荡器的输出保持在这个状态。与此同时，输出电位USC通过1R13为1C11充电，使1C11上电压不断升高，即反相输入端的电位升高，当反相输入端的电位接近同相输入端的电位时，运算放大器的输出不能维持在正最大，故产生了一个正反馈过程。图3-10可控振荡电路原理图USC这使振荡器的输出电位USC由正最大跳变为负最大。而由1R14和1R15组成的正反馈电路又使这个状态得以保持，然后负的输出电压通过1R13使电容反相充电，放大器的反相输入端电位不断降低，当其接近同相输入端电位时，振荡器又发生相反的翻转，图3-11表示了电容1C11两端电压和振荡器输出电压的波形，当振荡器输出为正时，光耦合器的发光二极管导通，输出为负时发光二极管截止。同步发电机励磁系统武汉洪山电工科技有限公司4图3-11振荡器输出电压波形图当控制电压UK变化时，由于改变了1C11的充放电过程，使振荡器输出方波的宽度发生改变，即光耦合器发光二极管导通的时间发生改变，从而改变了晶体管开关的tON/tON+tOff值，即调节了励磁机励磁电流的大小。5、断线保护断线保护如图3-12所示。励磁电压互感器的二次电压和仪表电压互感器的二次电压经降压整流后加于电位器1W3及1W2上，调节1W2及1W3使正常运行时放大器的输出为负，继电器不动作，一旦励磁电压互感器的熔丝熔断，放大器反相输入端电压降低，放大器输出变正，继电器不动作，其接点将振荡器的控制电压切换到由1W1供给，防止了可能发生的强励（见图3-5）。图3-12断线保护电路原理图四、调节器的整定计算1、设发电机空载额定励磁电压为Ule，强励时的励磁电压为:ULQ=KULe(3-5)式中：K——强励倍数；Ule——发电机额定励磁电压；ULQ——励磁时发电机的励磁电压。2、由励磁机的负载特性曲线求得发电机空载额定时（即励磁机电枢电压为ULO）的励磁电流ILLO，则励场变阻器的电阻RC由下式确定：RUIRCLOLLOLL1(3-6)式中：RC——磁场变阻器的电阻值；RLL1——励磁机主励磁绕组的电阻值；ULO——发电机空载额定励磁电压；ILLO——由励磁机负载曲线决定的对应于ULO的励磁机励磁电流。3、由励磁机的负载特性曲线求强励时所需的励磁机励磁电流ILLQ，即负载曲线上对应于ULQ的励磁电流（见图3-13），此时，主励磁绕组可提供的励磁电流ILL1为：IURRUUILLLQCLLLQLOLLo11.(3-7)式中：ULQ——发电机强励时的励磁电压；RLL1——强励时励磁机主励磁绕组的电流。图3-13图4、求需要调节器提供的励磁电流ILL2同步发电机励磁系统武汉洪山电工科技有限公司5IIIWWLLLLQLL2112().(3-8)式中：ILL1——强励时励磁机主绕组中的电流；ILL2——强励时需调节器提供的励磁机励磁电流；ILLQ——强励时需要的励磁机总励磁电流（折合到主励磁绕组的数值）；W1——励磁机主励磁绕组数。5、求调节器输出回路所串电阻RTRUIRTLQLLLL22(3-9)式中：RT——串联在调节器输出端的电阻值；RLL2——励磁机辅助励磁绕组的电阻值。6、在校验调节器最大允许电流时，要求满足IITMAXLL2(3-10)式中：ITMAX——调节器最大输出电流（由生产厂家给定）；ILL2——强励时需调节器提供的励磁机辅助绕组电流。若校验不通过，则应采用更大输出电流的调节器，对稳定问题不突出的电机，也可略为降低强励倍数再算。