基于TCA785的同步發電機晶閘管勵磁控制器原理分析

作為一個發電廠的生產技術人員，在多年的工作中發現，同步水輪發電機晶閘管勵磁系統的檢修，是電修人員工作的難點之一。

勵磁系統的檢修，需要熟練掌握多方面知識，理論聯系實際，才能在保證人身、系統、設備安全的基礎上解決實際問題。

想要檢修晶閘管勵磁系統，需要要熟練掌握電路與磁路理論和電子技術，熟悉半導體變流技術，熟悉電力系統運行方式，才能把勵磁控制器原理和晶閘管可控整流橋原理融會貫通，才能輕松應對突發的各種勵磁系統故障。

本文以機端電壓為6.3KV的小型同步水輪發電機組的晶閘管勵磁控制器（基于TCA785）作為分析實例。其他類型的勵磁控制器原理基本相同。

本例中的主電路為三相半控整流橋，采用半控橋的優點是降低了設備成本并且提高了檢修效率。缺點是不能使用逆變方式滅磁，滅磁時機組的磁場能量只能通過滅磁電阻轉化為熱量消耗掉。

一、測量比較放大單元

1.測量比較單元

測量比較單元就象一個調度中心，可以及時感知發電機出口電壓的變化然后發出提高或降低晶閘管的開度的指令給移相觸發單元，從而達到調節發電機電壓的目的。

電力系統發生短路時，通常要求調節器提供強勵。但是，當不對稱短路發生在遠方時，短路后的電壓可能與正常電壓差別不大，因而不易區別。在用分立元件組成的測量比較單元里，因為分辨率不高，在測量比較單元的輸入端需裝設正序電壓濾過器。當電力系統發生不對稱短路引起三相電壓不對稱時，濾過器將把負序分量濾掉，只輸出對稱的、數值降低較多的正序電壓。這既提高了分立元件調節器反應不對稱短路的靈敏度，又可使測量整流電路仍工作在對稱狀態。采用正序電壓濾過器的缺點是增大了調節器的時間常數（約5ms），并在一定程度上使調節器的頻率特性變壞。因此，在使用集成電路的高靈敏度調節器中，并不裝設正序電壓濾過器。

對測量比較單元的基本要求是：測量不對稱短路有足夠的測量靈敏度；時間常數小，響應速度快；直流測量電壓平穩，波紋系數小；直流基準電壓穩定，具有溫度補償能力；輸入電壓與輸出電壓之間存在線性關系以及受系統頻率變化的影響小等。

2.綜合放大單元

測量比較單元輸出的電壓偏差信號幅值較小，且變化緩慢，靈敏度低，因此不能直接用于控制移相觸發單元。為了提高調節器的靈敏度，必須加以放大。此外，為了實現電力系統對調節器的多功能要求，通常需要線性地綜合測量比較、反饋及限制等直流信號并加以放大。以上這些任務都是由綜合放大單元來完成的，也就是說，綜合放大單元起著綜合和放大信號兩方面的作用。

對綜合放大單元的基本要求是：具有線性地綜合和放大多個輸入控制信號的能力，時間常數小，運算精度高且工作穩定等。

3.實際電路分析

如圖2所示，本單元輸入的信號是發電機的電壓UF及電流IF（IF流過調差電阻RT后轉換成電壓信號UR），還有標準給定電壓信號UG。輸出的信號是一個與發電機電壓成比例的自動控制電壓UK。

發電機的電壓信號由電壓互感器TV提供，經電路板上安裝的三相電源變壓器降壓為UFˊ，UFˊ與UR迭加后的電壓為UF〞，并輸入到由V1-V6組成的整流電路整流，經電容C1濾波后得到平滑的直流電壓，經電阻R2和電位器RP1分壓，并從電位器的滑動點取出電壓信號，此點電壓值依然正比于發電機機端電壓，我們就當它為機端電壓UF。它經過輸入電阻R3進入運算放大器的反相端，另外標準給定電壓UG（UG為穩定的直流電壓）經過輸入電阻R4也輸入到A1的反相端，這樣A1的反相端同時輸入了兩個電壓UF和UG，A1接成反相加法放大器，UF與UG迭加比較后得到的差值ΔU經過A1放大后，從輸出端得到一個負值的電壓，經電阻R7再送到下一級運算放大器A2的反相端，經放大及反相后輸出端得到一個正值的電壓，此電壓即是自動控制電壓UK。UK也與發電機端的電壓UF成正比，UF上升，UK增大，UF下降，UK也減小。此電壓要送到下述的移相觸發電路中與該電路產生的鋸齒波電壓UJ進行迭加，控制脈沖的產生和移相。

測量比較放大單元的輸出特征UK=f（UF）如圖3所示，從圖中可以看到，UK有一個最高值UKmax，約6.6V（H點），此值由A2的反饋電路中的穩壓管V11的穩壓值決定，UKmax可以限制晶閘管的最小導通角θmin 。一般為2o至30o左右，即任何情況下都不使晶閘管關斷。UK又有一個最低值UKmin，此值可以通過電位器PR2隨意整定，圖中約2.5V（L點），此值可以限制晶閘管的最大導通角θmax，也就是說可以限制勵磁裝置的強勵能力。UKmin越低強勵能力越大。當發電機的電壓額定值為110V以上時，UK達最大值，電壓降到100V以下時，UK有最小值UKmin。這就是本環節的輸出特性。

二、移相觸發單元

移相觸發單元的任務，是將綜合放大單元輸出的控制信號Uk的變化，轉變為脈沖相位的變化，并以此脈沖觸發晶閘管整流橋（即勵磁系統的功率輸出部分）的晶閘管，使其控制角α隨Uk的變化而改變，從而達到自動調節勵磁的目的。

移相觸發單元一般由同步、移相、脈沖形成和脈沖放大等環節組成。

對移相觸發單元的基本要求

1.各相觸發脈沖必須與整流橋主電路的電源同步，即具有相同的頻率并保持一定的相位關系。

2.為確保晶閘管可靠和準確的觸發，要求觸發電路應有足夠大的功率輸出，且觸發脈沖的前沿上升要陡（一般在10μs左右），并具有足夠的幅值和寬度。

3.觸發脈沖的移相范圍及數目，應能滿足晶閘管整流橋和調節器調壓范圍的要求。

4.在整個移相范圍內，各相觸發脈沖的控制角α應保持一致，以減小整流橋輸出電壓的諧波分量。一般要求各相觸發脈沖的相位偏差不大于10o（在全控橋中不大于5o）。

5.為了避免反向擊穿，晶閘管的控制極不應出現反向電壓。為此可用串聯二極管隔離反向電壓，或用并聯二極管將反向電壓短接，也可兩者兼用。此外，觸發脈沖的強度，應不大于晶閘管控制極的電壓，電流和功率的允許值。

6.為確保安全，觸發電路應該與處于高電壓的主電路互相隔離。

7.具有抗干擾能力，在允許的電網電壓波動和波形畸變條件下能維持正常的工作。

移相觸發電路的種類很多，在勵磁調節器中應用的有以下幾種：

1.晶體管單穩態移相觸發電路；

2.單結晶體管移相觸發電路；

3.晶體管鋸齒波移相觸發電路；

4.正弦波移相觸發電路；

5.磁性元件半波移相觸發電路；

6.集成電路移相觸發電路；

7.微電腦（PLC或單片機）移相觸發電路。

脈沖移相觸發單元電路分析：

本單元輸入的信號一是與晶閘管主電路交流電壓同步的同步電壓UT，二是測量放大單元輸出的自動控制電壓UK，輸出的是相位可由UK控制的脈沖電壓信號UP。UK值升高UP相位 往后移，即控制角α增大，UK值下降，UP相位往前移，控制角α減小。

本單元的作用首先是將交流同步電壓UT信號轉換成同步的鋸齒波電壓UJ。每相采用了一片集成移相觸發器TCA785，它的工作原理與用運算放大器或分立元件構成的電路是一樣的，但是與之相比大大簡化了電路，并且工作穩定，可靠性也提高了。

以A相為例，交流同步電壓信號從5腳和1腳輸入，自動控制信號電壓UK從11腳加入，10腳外接電容器C8，內部電路向C8恒流充電產生線性鋸齒波電壓UJ。9腳外接電阻R24和電位器RP6，調節RP6可改變該相脈沖的相位以便調整三相晶閘管的導通角θ，使之相等，使可控橋三相負荷得到平衡。15腳為輸出端，輸出矩形電壓，經電阻R23加到三極管VT1，當輸出為正值時，VT1導通產生脈沖，發光二極管發亮時，說明脈沖正常。

本單元的移相觸發原理是幅值控制，見圖5所示。圖中UJ為鋸齒波電壓，它每正半周產生一次，UK1，UK2是自動控制電壓，UK1>UK2它們同鋸齒波的交點分別為P1和P2，P1點在后，P2點在前。UK1產生的脈沖其相位為α1，相應的導通角為θ1，UK2產生的脈沖其相位為α2，相應的導通角為θ2，顯然α1>α2，而θ1<θ2，只要UK幅值發生了變化，晶閘管的導通角也隨之變化，UK升高θ減小，UK降低，θ增大。

三、調差單元

調差單元又稱為無功補償單元。幾臺發電機并聯運行時，母線的電壓水平和機組間無功功率的分配，主要取決于發電機的電壓調節特性（即Ug=f（Ir）），Ir為發電機的無功電流）。

實際運行的發電機，一般采取正調差系數，以使無功功率在各機組間穩定和合理地分配。幾臺具有無差特性的發電機不能并聯運行，因為無功功率在它們之間無法穩定分配。一臺具有無差特性的機組可與幾臺具有有差特性的機組的機組并聯運行，但由于無功功率的變化僅由無差特性機組承擔，故這種運行方式是不合理的。

負調差系數通常在大型發電機——變壓器單元接線上采用。這時發電機經升壓變壓器在高壓母線上并聯運行，發電機對高壓母線電壓而言，仍具有正的調差系數，以保證個單元間無功功率的穩定分配。考慮發電機無功電流在變壓器漏抗上產生的壓降后，發電機對其端電壓的電壓調節特性是向上傾斜的，即δ<0 。換言之，此處的負調差系數主要用于補償升壓變壓器上的壓降，以使發電機對高壓母線電壓的調節特性不至下降得太厲害。對整臺發電機系統而言，它仍然是正調差系數，負調差系數只是局部，是為實現正調差系數而服務的。

調差單元電路分析：

本單元專為發電機并列運行而設置，可以使并列機組無功功率穩定，還能夠使并列運行機組間的無功功率得到合理的分配。

本調節器采用單相調差，用W相電流互感器TAW副邊的電流流過調差電阻RT時在它上面產生的壓降迭加到送入測量放大環節的電壓互感器TV的U相電壓上，使該相電壓隨著發電機無功電流變化而變化。如果無功功率增大，使TAW的電流增大，RT上的電壓降增大，U相電壓升高，相當于測量橋測量到發電機端電壓UF升高了，根據上述的調節原理，UF升高必然導致UK也升高， 使勵磁電流IF減小，機端電壓降低，發電機向電網送出的無功功率減小，回到整定值。如果無功功率減小，通過調差電阻的無功電流也減小，RT上的壓降減小，U相電壓降低，使UK降低，導通角增大，勵磁電流IF增大，無功功率回升到整定值。可見調差單元相當于一個負反饋環節能起到穩定無功的作用。

一般調差電路應接成正調差才能起到穩定無功的作用，如電流互感器接到調差電阻的極性反了則變成了負調差，則結果也相反，起到了正反饋作用，會使無功擺動嚴重，甚至產生振蕩。判斷正調差的方法是增大調差電阻的阻值，如勵磁電流或無功功率減小時，便是正調差。如勵磁電流隨調差電阻阻值的增大而增大時，則為負調差。

開環小電流實驗的目的是檢查調節器輸出的脈沖能否滿足移相的要求，能否可靠的觸發晶閘管使之導通，并檢查觸發單元的脈沖相位，相序是否與主電路晶閘管陽極電壓同步。

當勵磁變壓器TE和電壓互感器TV均為Y/Y接法時，可用一臺三相調壓器TB代替TV和TE向勵磁調節器和可控整流橋供電。TB原邊接廠用電源3相交流380V/220V，副邊分別接到勵磁屏內端子排上勵磁調節器電源輸入端和可控橋交流輸入端。但應注意，應先拆除原來接至TV和TE的連線。

當勵磁變壓器TE和電壓互感器TV為Δ接法時，可用直流電焊機（或其他可調的直流電源）供電給轉子繞組，使發電機建立電壓，此時TE和TV均有電壓，實驗可以進行。如無直流電焊機和其他直流電源，可以通過倒送電來進行，但應先拆除發電機出口的接線，避免倒送電時發電機定子帶電。合上發電機出口油開關QFG，將網上的電壓加到TE和TV上，這時的電壓基本上是額定電壓。實驗可以進行。

做開環小電流實驗時，滅磁開關QFM不可合上，以免發電機轉子帶電。

無論采用哪一種方法，加到勵磁調節器的電壓應均在105V左右，相當于6.3KV機組的額定電壓。調節器帶電后檢查下列各單元是否正常。

A.控制電源變壓器副邊電壓是否正常。

B.輸入到電路板的穩壓電源電壓是否正常。

C.輸出UG的給定電路是否正常工作。

D.檢查脈沖移相單元中的三只發光二極管均發亮，則脈沖正常。

E.檢查主電路和控制電路的相位相序是否正確。

用示波器觀察可控橋輸出負載波形來判斷比較方便，如有馬鞍波出現，則說明相序反了，如三相負載波形相差很大，導通角不能同時關小或增大，調節時屏上的勵磁電壓表擺動厲害不能穩定，都說明他們的相位配合不正確。必須調換電壓互感器的相位或勵磁變壓器的相位。使之正確。正確時，當輸入電壓為105V時，整定三相的導通角為50o至60o，輸入電壓增至110V時，三相導通角約為20o至30o，把輸入電壓調低至100V以下時，導通角應開至最大。如三相導通角不相等可調節各相的有關電位器使之相等。

F.整定測量放大環節的工作點。

整定給定電壓UG，調整電位器RP1，使可控橋輸出的電壓等于發電機建立空載額定電壓時的需要的勵磁電壓。如用他勵給發電機建壓，可以直接測出該電壓。

如果能掌握了上述原理和實驗方法，再加強相應的理論學習，聯系實際，相信在實際工作中就能夠處理好同步發電機晶閘管勵磁控制器在運行中發生的問題。