勵磁調(diào)節(jié)器

最初的同步發(fā)電機(jī)大都用同軸直流勵磁機(jī)勵磁，后者有用自并勵的，用于中小容量發(fā)電機(jī)，大容量發(fā)電機(jī)大多帶直流付勵磁機(jī)，早期的勵磁調(diào)節(jié)器（常稱為自動電壓調(diào)節(jié)器AVR）實際上只有2個功能，即通過自動調(diào)節(jié)勵磁機(jī)磁場電阻來達(dá)到發(fā)電機(jī)電壓恒定，和調(diào)差（使發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行下合理分配無功）。對較大型的發(fā)電機(jī)還備有繼電強(qiáng)勵和繼電強(qiáng)減功能。亦即當(dāng)機(jī)端電壓下降較大時，利用低電壓繼電器短路磁場繞組內(nèi)串接的某個電阻，從而達(dá)到強(qiáng)勵的目的，反之當(dāng)機(jī)端電壓突然上升時，用電壓繼電器把一定電阻串入勵磁機(jī)磁場中達(dá)到強(qiáng)行減磁的作用。

國內(nèi)在1950年代進(jìn)口西方國家的AVR主要有3類：A）炭阻式；B)銀針式；C)磁盤式；(亦稱擺勵接觸式）。這些都屬于機(jī)電式直接動作的調(diào)壓器，它們的電壓敏感元件直接通過機(jī)械機(jī)構(gòu)操作勵磁機(jī)的磁場電阻。

[銀針式調(diào)壓器]

西屋公司銀針式調(diào)壓器的原理線路圖示于圖1-4。它的電磁鐵線圈由發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)PT及整流器供電，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓變化時，銜鐵運動，推動杠桿，使電阻的銀鈕接通或開斷 ，從而改變勵磁機(jī)磁場回路的電阻，并通過由電流互感器CT供電的補(bǔ)償電阻，來自動分配并聯(lián)運行發(fā)電機(jī)間的無功負(fù)荷。勵磁機(jī)輸出經(jīng)穩(wěn)定變壓器，輸出穩(wěn)定信號到調(diào)節(jié)電路。

圖1-4 銀針式調(diào)壓器原理圖及銀針觸點

[炭阻式調(diào)壓器]

炭阻式調(diào)壓器的原理圖示于圖1-5。發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)PT接入磁電式敏感元件的動線圈，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓變化時，動線圈受到電磁力的作用而上下運動，通過動臂的動作調(diào)節(jié)炭刷片的松緊程度，從而改變串聯(lián)于勵磁機(jī)勵磁回路中變阻器的電阻值，藉此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓。此外，亦通過電流互感器CT供電的電阻，來自動分配并聯(lián)發(fā)電機(jī)間的無功負(fù)荷。勵磁機(jī)輸出經(jīng)穩(wěn)定變壓器，輸出穩(wěn)定信號到調(diào)節(jié)電路。

圖1-5 炭阻式調(diào)壓器原理圖及實物圖

[盤式(擺動接觸式)調(diào)壓器]

磁盤式調(diào)壓器亦用于控制串聯(lián)于直流勵磁機(jī)勵磁回路上的電阻，來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓。

圖1-6是它的原理圖。發(fā)電機(jī)電壓通過電壓互感器PT向分相電動機(jī)定子或螺管線圈供電，電動機(jī)轉(zhuǎn)子或螺管線圈的銜鐵，通過轉(zhuǎn)軸或動臂操作變阻器的嵌有弧形炭刷的扇形片，使它在固定的弧形接觸軌道上擺動，把接觸軌道銅塊間所接電阻抽出或接入，這樣便改變了勵磁機(jī)的磁場電阻。調(diào)壓器也裝有CT供電的補(bǔ)償電阻，起調(diào)差作用。

圖1-6 磁盤式調(diào)壓器原理圖及磁盤接觸擺

在國內(nèi)上海華通開關(guān)廠生產(chǎn)過炭阻調(diào)節(jié)器，供用戶選用。此外1950年代學(xué)習(xí)蘇聯(lián)，引進(jìn)了蘇式的以磁性元件為主的勵磁調(diào)節(jié)器，主要2大類型，電流復(fù)勵加電磁式校正器方式和相復(fù)勵磁調(diào)節(jié)器方式。

前者國產(chǎn)型號QF-D、SF-D，Q為汽輪發(fā)電機(jī)，S為水輪發(fā)電機(jī)，F(xiàn)指復(fù)勵，D指電磁式電壓校正器，這類調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)空載時，利用直流勵磁機(jī)自并勵作用，調(diào)節(jié)其磁場電阻使其達(dá)到空載額定電壓，發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷后，利用機(jī)端電流互感器反饋的復(fù)勵電流，整流后補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)，由于電流復(fù)勵沒有相位補(bǔ)償?shù)淖饔茫ＷC發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)精度需要用電壓校正器，這種情況下勵磁機(jī)勵磁繞組往往還設(shè)計有1到2個附加繞組（單支或雙支校正器），電壓校正器輸出加到附加繞組中來調(diào)節(jié)勵磁，以達(dá)到所需調(diào)壓精度。

相復(fù)勵調(diào)節(jié)器采用了相復(fù)勵變壓器，使得勵磁電流，不僅與定子電壓，電流有關(guān)，并且還和兩者之間相位，即負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)。這樣在發(fā)電機(jī)定子電壓，電流一定而負(fù)載功率因數(shù)改變時，調(diào)節(jié)器也能滿足發(fā)電機(jī)所需勵磁。

為保證有較高的調(diào)節(jié)精度，往往也可裝電壓校正器，國內(nèi)型號有稱為KFD（主要廠家：上海華通開關(guān)廠、河北工學(xué)院電工廠、哈爾濱宏偉開關(guān)廠）它相當(dāng)于蘇聯(lián)YBK- 等。這類勵磁系統(tǒng)直流勵磁機(jī)維護(hù)困難，調(diào)節(jié)器時間響應(yīng)長達(dá)1-5秒，動態(tài)性能差，空載起勵發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量大，頻率特性差，但勵磁調(diào)節(jié)器運行基本穩(wěn)定，整流器件由硒片改為硅元件后，維護(hù)工作量較小。

圖 1-7 帶電壓校正的相復(fù)勵

在同一時期，西方國家采用電機(jī)擴(kuò)大機(jī)勵磁調(diào)節(jié)，由于電機(jī)擴(kuò)大機(jī)放大倍數(shù)可達(dá)百倍甚至千倍，對勵磁控制信號功率要求十分小。 圖1-8，圖1-9 為美國通用電氣公司生產(chǎn)的帶直流勵磁機(jī)和交流勵磁機(jī)的勵磁系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器功率元件為電機(jī)擴(kuò)大機(jī)。

圖 1-8 美國GE公司生產(chǎn)的直流機(jī)勵磁系統(tǒng)

圖1-9 美國GE公司生產(chǎn)的交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)

1950年代，蘇聯(lián)為解決斯大林格勒和古比雪夫上千公里的遠(yuǎn)距離輸電，用直流勵磁機(jī)無法解決，提出了用汞弧整流器整流電流，直接向發(fā)電機(jī)磁場供電的離子勵磁系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器方面在KFD基礎(chǔ)增加了端電壓、頻率的一階、二階微分U’,U”,f’,f”等所謂強(qiáng)力調(diào)節(jié)器，國產(chǎn)新安江9號機(jī)離子勵磁也是這種背景下的產(chǎn)品。

隨著晶體管元件出現(xiàn)，60年代可控硅出現(xiàn)，我國可控硅元件是61-62年由一機(jī)部電器科學(xué)研究院率先研制出，后轉(zhuǎn)給北京椿樹整流器廠（當(dāng)時為弄堂工廠）生產(chǎn)。勵磁調(diào)節(jié)器開始向固態(tài)型轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了以晶體管為主，用電阻、電容等分立元件組成的半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器，功率元件開始采用可控硅，比起磁性勵磁調(diào)節(jié)器和電機(jī)擴(kuò)大機(jī)等來，固態(tài)調(diào)節(jié)器動作速度快，如果設(shè)計正常，理論上講也可以是半永久性的。國內(nèi)從1970年代開始轉(zhuǎn)入研制這類調(diào)節(jié)器，但是由于文革期間，研制廠家紛雜，缺乏勵磁系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，加上當(dāng)時國產(chǎn)元器件質(zhì)量不過關(guān)，各廠自行設(shè)計的產(chǎn)品，制造工藝不良，功能不全，不經(jīng)過工業(yè)試驗，正式鑒定，便投入生產(chǎn)，因此可靠性差，故障頻繁。應(yīng)當(dāng)提到當(dāng)時國內(nèi)一機(jī)部廣州電器科學(xué)研究所生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器質(zhì)量較好。采用了半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器后，由于電子線路的靈活性，勵磁調(diào)節(jié)器逐漸增添了許多附加功能，使其逐步完善。隨著線性集成電路和數(shù)字集成電路出現(xiàn)，進(jìn)一步改善了半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器，原來要用6-8個晶體管組成的直流運算放大器常至少要占一個印刷電路板，有了集成運算放大器，一個芯片上集成2-4個運放。

1970年代后期，天津大港發(fā)電廠從意大利進(jìn)口的320MW火電機(jī)組的自并激勵磁系統(tǒng)，其勵磁調(diào)節(jié)器是典型的集成電路組成調(diào)節(jié)器，其勵磁功能已相當(dāng)完善，但所用的印刷電路板多達(dá)68塊，國外的工藝能保證這種調(diào)節(jié)器能正常工作。80年代我國從西屋公司引進(jìn)的模擬式勵磁調(diào)節(jié)器，適合于三機(jī)交流整流勵磁系統(tǒng)或無刷勵磁系統(tǒng)，西屋的WTA調(diào)節(jié)器功能也較完善，但有約40多塊印刷電路板，國內(nèi)仿制后，有時運行就不穩(wěn)定，這與所選用的元件，是否經(jīng)嚴(yán)格老化篩選，以及加工工藝和質(zhì)量有關(guān)。1970年代末期，清華大學(xué)與天津電傳所合作研究開發(fā)了模擬式最優(yōu)勵磁控制調(diào)節(jié)器，1980年代中期在碧口水電站10萬KW帶直流勵磁機(jī)的勵磁系統(tǒng)上運行，效果并不理想，模擬式調(diào)節(jié)器無計算能力，運行中參數(shù)無法調(diào)整，另外經(jīng)過直流勵磁機(jī)，無法發(fā)揮勵磁最優(yōu)控制的優(yōu)點，因此沒有發(fā)展前途。

在利用計算機(jī)進(jìn)行勵磁方面的研究，最早要推加拿大和蘇聯(lián)兩國曾聯(lián)合研究和研制，當(dāng)時用小型機(jī)MINICOMPUTER進(jìn)行研究，并且在試驗室中對小發(fā)電機(jī)進(jìn)行了試驗。那時計算機(jī)在電廠的應(yīng)用，主要承擔(dān)，監(jiān)視，數(shù)據(jù)記錄，報警，打印制表等。那時計算機(jī)體積龐大，價格昂貴，只有出現(xiàn)了微型計算機(jī)，才有可能實際使用，1979年底電力部南京自動化研究所自控室，籌建了勵磁組，經(jīng)過蘊釀討論，決定不搞模擬式勵磁調(diào)節(jié)器，直接自主開發(fā)微機(jī)型勵磁調(diào)節(jié)器，報請部科技司，80年電力部下達(dá)了微機(jī)勵磁的七五攻關(guān)項目。南瑞電氣控制公司經(jīng)多年攻關(guān)，于1984年7月研制出第一臺工業(yè)樣機(jī)，經(jīng)所內(nèi)長達(dá)半年的試驗，編制各種調(diào)節(jié)限制軟件，于1985春節(jié)前運至池潭電站，用在2#機(jī)，5萬千瓦發(fā)電機(jī)，4月上旬開始現(xiàn)場調(diào)試，經(jīng)過一系列試驗，于4月27日通過72小時運行考驗。正式投入運行。

這使我國發(fā)電機(jī)勵磁發(fā)展轉(zhuǎn)入新的一頁，在世界上也是屬于領(lǐng)先地位，并得到了在北京參加IFAC”電廠和電力系統(tǒng)控制”國際會議主席、美國電廠和電力系統(tǒng)控制權(quán)威Tomas.E.Dyliacco教授的贊揚。隨后，華中理工大學(xué)與東方電機(jī)廠合作生產(chǎn)了微機(jī)-模擬雙通道勵磁調(diào)節(jié)器，88年在漁子溪電廠1號機(jī)試驗，采用了最優(yōu)控制算法。與南瑞電氣控制公司微機(jī)勵磁不同的，觸發(fā)部分仍用模擬式的，而用的Z80單板機(jī)不是工業(yè)專用機(jī)。微機(jī)的作用只是起著模擬調(diào)節(jié)器的綜合放大等功用，此外微機(jī)一模擬雙通道，增加用戶維護(hù)困難，既要維護(hù)模擬式又要維護(hù)微機(jī)部分。

由于微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器比起模擬式勵磁調(diào)節(jié)器來有許多優(yōu)點，從上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)也有許多單位競相研制，但經(jīng)過十多年的競爭淘汰，有實力的研制單位已不多，現(xiàn)列述如下：

1）國電南瑞科技股份有限公司電氣控制分公司

其前身為電力部南京自動化研究所，系微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器首創(chuàng)者，1985年4月在池潭水電廠#2號50MW發(fā)電機(jī)可控硅勵磁上投運成功后，經(jīng)電力部鑒定，被評為1986年部科技進(jìn)步一等獎，1987年被國家科委評為國家科技進(jìn)步三等獎。但新生事物，難以得到業(yè)界承認(rèn)，直到1988年池潭電廠要求將其#1號機(jī)50MW也改用微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，才有第二臺的投入，為提高運行可靠性，該調(diào)節(jié)器由原有單自動及單手動通道，改制為雙自動控制通道。后來葛洲壩水電廠對微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器也有興趣，提出要借用一臺試運行，考慮到該廠的重要性，同意借一臺給二江分廠。據(jù)了解在隨后的一次事故中，廠內(nèi)許多機(jī)組因低勵限制失效而跳閘，而微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器所在發(fā)電機(jī)事故后，仍繼續(xù)運行，此后，葛洲壩二江電廠又訂購了兩臺微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器。1991年龍羊峽水電廠320MW發(fā)電機(jī)勵磁裝置，故障頻繁，廠內(nèi)職工獎金罰沒，為此該廠派員外出調(diào)查，了解到微機(jī)勵磁運行較好，到南瑞電氣控制公司訂購了一臺，于1992年投運，結(jié)果良好，過了大半年后，決定將該廠另外三臺320MW發(fā)電機(jī)也改用微機(jī)勵磁。1992年科研體制改制，電氣控制公司成立，隨著龍羊峽電廠微機(jī)勵磁成功運行，得到了業(yè)界的承認(rèn)，電控公司業(yè)務(wù)量大增。1994年新建的鐵岺火電廠因勵磁裝置運行不穩(wěn)定，擬采用微機(jī)勵磁，廠內(nèi)雖有不同意見,最后決定采用微機(jī)勵磁，消息傳出，徐州發(fā)電廠因勵磁運行不好，要求先給該廠的2臺200MW發(fā)電機(jī)供貨。至此電控公司在水電和火電方面應(yīng)用局面被打開。該所微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器型號最初為WLT-1后改為SJ-800，進(jìn)入新世紀(jì)升級換代后，采用DSP和FPGA等后改為SAVR-2000，截止2004年3月底已投運的發(fā)電機(jī)約650臺，水電機(jī)組最大為320MW，火電機(jī)組為600MW及800MW.

2）廣州電器科學(xué)研究所

該所1970年代中生產(chǎn)勵磁裝置，開始主要面對中小用戶，質(zhì)量較好，1992年開始研制數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器，當(dāng)年12月在新豐江水電廠85MW機(jī)組投運。還搞過模擬-微機(jī)混合勵磁系統(tǒng)。現(xiàn)在在水電廠勵磁中，己擠身于大機(jī)組勵磁投標(biāo)者的行列，成為南瑞集團(tuán)競爭對手。其微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器型號為LTW-6200，30年來已為數(shù)百座電站提供了上千臺勵磁裝置，多數(shù)是用于中小型發(fā)電機(jī)。此外該所還與ABB結(jié)為合作伙伴。

3）河北工學(xué)院電工廠

該廠生產(chǎn)勵磁裝置有很長的歷史，原來主要生產(chǎn)磁性元件為主的調(diào)節(jié)器和模擬式勵磁裝置，1987年南京自動化研究所向該廠轉(zhuǎn)讓了微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器技術(shù)，該廠為遼寧清河發(fā)電廠200MW發(fā)電機(jī)研制了第一臺微機(jī)勵磁裝置。近年來獨立開發(fā)了適用于中小型同步電機(jī)的DWLZ型，和中大型同步發(fā)電機(jī)的WLZ型的雙通道微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器。

4）武漢洪山電工研究所

早先專業(yè)生產(chǎn)模擬式勵磁調(diào)節(jié)器，性能基本穩(wěn)定，有不少用戶，近年來開發(fā)了新的一代TDWLT-01的微機(jī)勵磁系統(tǒng)，目前它向市場提供的模擬式勵磁調(diào)節(jié)器型號為HJT-071S，數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器型號為5C800。

5）能達(dá)公司

葛洲壩水電廠在微機(jī)勵磁運行成功的基礎(chǔ)上，成立了能達(dá)公司，也研制了微機(jī)勵磁裝置，首先用于更新本廠的老勵磁設(shè)備，進(jìn)而參加了市場競爭，其勵磁裝置型號為MEC-31B。

6）清華同方

清華大學(xué)勵磁裝置先是和”國電南自”合作生產(chǎn)，后因后者退出市場，改由清華同方生產(chǎn)，其微機(jī)勵磁裝置型號為GEC-1，特點是在控制策略方面采用了非線性最優(yōu)。但實際上仍是用PID作為基本的控制規(guī)律，其它三種，PSS，線性最優(yōu)LOEC，非線性最優(yōu)NOEC,可以選作為附加分量，加入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中。由于依靠了清華大學(xué)品牌效應(yīng)，發(fā)展態(tài)勢比較強(qiáng)勁，已成為有力的市場競爭者。

7）主機(jī)廠勵磁車間

東方電機(jī)廠和哈爾濱電機(jī)廠勵磁車間，原來勵磁產(chǎn)品質(zhì)量不過硬，雖具有成套供應(yīng)的優(yōu)勢，但它們的勵磁產(chǎn)品，仍逃不過被改造的命運，后來東方電機(jī)廠引進(jìn)了ABB公司的微機(jī)勵磁系統(tǒng)及元件組裝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了自主開發(fā)，研制了型號為DWLS-2C的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，推入了市場。哈爾濱電機(jī)廠近日也推出HWLT-4微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，使用不多，正在進(jìn)一步打入市場。

8）一些老牌勵磁研發(fā)單位，如機(jī)電部自動化研究所，天津電氣傳動研究所等，過去曾有過輝煌業(yè)績，但受制于老體制，已基本被逐出市場。

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