基于可控硅的自動電壓調節(jié)器原理解析

盧常勝

摘 要：自動電壓調節(jié)器在同步發(fā)電機中起著十分重要的作用，電壓調節(jié)器能調整同步發(fā)電機的勵磁，保證同步發(fā)電機輸出電壓恒定。同時，有無功調差功能，保證發(fā)電機并聯(lián)運行時無功分配均衡。文章介紹電壓調節(jié)器的技術參數(shù)、原理、應用及故障分析，著重從電壓測量及調壓、PID調節(jié)、單晶管移相觸發(fā)、可控硅主回路及附加回路這幾方面詳細介紹自動電壓調節(jié)器原理。

關鍵詞：AVR；發(fā)電機；PID；可控硅

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0101-02

自動電壓調節(jié)器簡稱AVR，它幾乎是現(xiàn)代交流發(fā)電機不可缺少的一部分。發(fā)電機的電壓調整精度、電壓可調范圍、動態(tài)特性以及并聯(lián)調差特性的獲得都與AVR密切相關。自動電壓調節(jié)器由印刷電路板、變壓器和半導體元件封裝成一個整體。在正面有一只電位器軸頭，用以整定發(fā)電機電壓，頂部有可控硅散熱器和一只整定最佳阻尼的可鎖定電位器。具有線路簡單、重量輕、體積小、靜態(tài)電壓調整率高、動態(tài)性能好等優(yōu)點。

1 工作原理

電壓調節(jié)器主要任務是使發(fā)電機輸出電壓恒定，在發(fā)電機并聯(lián)運行時能均衡無功分配，同時電壓調節(jié)器還兼有自勵能力。電壓調節(jié)器系統(tǒng)框圖如圖1所示。經負載擾動的發(fā)電機電壓經測量反饋通道的傳遞，成為反饋信號Ufk，Ufk與給定信號Ug比較，得到一個差值信號U0，U0=Ug-Ufk，U0經過前向通道放大，并移相觸發(fā)晶閘管的脈沖，使晶閘管工作并調節(jié)勵磁電流，從而使發(fā)電機電壓UG恒定。

發(fā)電機系統(tǒng)的電壓調節(jié)過程如圖2所示。

接入并聯(lián)運行的調差環(huán)節(jié)，調節(jié)過程如圖3所示。

電氣原理圖如圖4所示，虛線框內為電壓調節(jié)器部分，虛線框外由控制屏配置。

電壓調節(jié)器由以下幾部分組成。

1.1 電壓測量及調壓電路，元件組成

如圖5所示，電壓調節(jié)器是由直流弱電元件組成，對發(fā)電機交流較高端電壓測量，須經過變壓器隔離降壓，并整流濾波成直流平滑信號。電壓調節(jié)器測量電壓輸入端經變壓器B降壓后，送入橋式整流組件QL1整流。為使整流后的直流信號更平滑，電路中增加了R2、C1濾波。R3、RP1、R4、R5、DW1組成測量比較橋，通過調節(jié)RP1電位器的阻值改變a點、b點之間的電壓值，此電壓值加至PID放大環(huán)節(jié)。

1.2 可控硅主回路

如圖6所示，可控硅主回路由勵磁整流板ZL、管形電阻Rf、可控硅VC組成，采用串聯(lián)調節(jié)方式。調節(jié)器的勵磁電源由發(fā)電機繞阻S1、S2經單相半波整流，通過勵磁線圈E1、E2，再經可控硅VC構成回路。可控硅VC的控制端受調節(jié)器控制回路的控制。

1.3 單晶管移相觸發(fā)

如圖7所示，移相觸發(fā)單元的作用是產生相位可調節(jié)的觸發(fā)晶閘管的脈沖，即導通角α隨放大單元輸出信號的大小而改變，達到自動調壓的目的。由于改變RC（R13、C5）的充電時間，使單晶管BT輸出的脈沖產生移相，并觸發(fā)可控硅VC，發(fā)電機勵磁電流得到調節(jié)，使發(fā)電機電壓保持恒定。

1.4 PID調節(jié)

PID調節(jié)如圖8所示，所得點a、b差值電壓加至PID放大調節(jié)器（由BG1、BG2、單元及R12、R7、C4、C2、RP2組成）的BG1輸入端，信號經放大后，使BG2集電極電位發(fā)生變化。從而改變充放電RC電路的R13、C5兩端的電壓，使發(fā)生變化。

1.5 附加線路

附加線路包括同步線路、調節(jié)器電源線路及并聯(lián)運行調差線路。同步即單晶管輸出脈沖與可控硅正向電壓在時間上同步。電壓調節(jié)器單晶管的同步信號通過D15從可控硅的陽極直接取得。調節(jié)器工作電源由變壓器B、整流橋QL2、電阻R18、穩(wěn)壓管DW2、DW3組成，給單晶管、放大單元提供電源。DW2、DW3串聯(lián)，形成兩級穩(wěn)壓，是為了增大移相角度。并聯(lián)運行調差線路由外部的電流互感器TA、變阻器RP構成。

2 調節(jié)整定

RP1為發(fā)電機整定電位器。RP1能使發(fā)電機空載電壓在±5%額定電壓的范圍內調節(jié)并整定。RP1位置在調節(jié)器正面。RP2為最佳阻尼（即穩(wěn)定度）整定電位器，調節(jié)并整定RP2能抑制發(fā)電機電壓振蕩，并能得到最佳瞬態(tài)指標。如調節(jié)RP2時，應從振蕩調到正好不振蕩（看電壓表），再稍微調過頭一點，以保持一定的穩(wěn)定余量，如調得太多，雖穩(wěn)定，但反應時間會加長，RP2位置在頂部。RP2一旦整定好，以后不必再進行調整。

對于只需單機運行的用戶，須用導線短接7、8端子。對有并聯(lián)運行要求的發(fā)電機，其端子出線（7、8）與開關屏的電流互感器H和調差電位器RP相連，電流互感器按下列原則選取，其電流比與開關屏電流互感器電流比一致，當發(fā)電機為額定電流時，互感器二次電流約為2.5～3.5 A，可采用5 VA的互感器。互感器的二次電流和方向應滿足下述調節(jié)要求：當發(fā)電機單機在額定負載（COSφ=0.8滯后）時，使W4電阻值從0調到最大，發(fā)電機電壓能從440 V下降到380 V以下。（如果發(fā)電機電壓反而從440 V上升到460 V以上，請對換互感器二次端子的兩跟接線）。必須強調，互感器必須接在V相。電壓調節(jié)器端子（1、2、3）必須與發(fā)電機端子（U、V、W）相對應，否則并聯(lián)調差將引起混亂。

3 故障判斷

當調節(jié)器出現(xiàn)故障后，應首先檢查元件有無損壞的現(xiàn)象和痕跡，確認損壞的應更換。調節(jié)器如需通電檢查，發(fā)電機可用他勵或用一臺確認正常的調節(jié)器進行發(fā)電。被檢查的調節(jié)器只與發(fā)電機的U、V、W三根引線相接，然后用示波器和萬用表進行檢查。

調節(jié)器在試運行和使用中常見故障有三種：

①不建壓；②電壓失控；③電壓不穩(wěn)定。

對于第一次或新更換的調節(jié)器，如出現(xiàn)上述三類故障，可檢查是否由下列原因引起：

①連接到調節(jié)器端子上的引線是否正確，有無松動、脫落、斷開等現(xiàn)象。

②發(fā)電機上的旋轉整流器是否損壞。

③發(fā)電機的剩磁電壓是否太低。

4 結 語

總之，AVR是影響發(fā)電機性能的關鍵部件，發(fā)電機出廠時都已調節(jié)好，用戶一般不需要自己調節(jié)，以免影響整機性能。隨著電力電子元器件特別是IGBT性能的提高和廣泛運用于AVR，自動電壓調節(jié)器的通用性和可靠性在不斷提高，已經達到非常成熟的水平，不同廠家和型號的AVR在很大程度上都能互換。更換AVR時，電位器的位置可參考原來的AVR，如性能欠佳，可稍微調整，直到滿意為止。

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