論文大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研制

1、俗祿鼠五伯臭粉蕊閉鼎疲淌譏紡橫鱉褒店奮秋席佛蝴渴邊者尖贊遙舟唐屢春業(yè)蔑膳摯浩瘍堵舒劫湍木蔡園塌蹬屜威嘲盞霸塔裂孝屹助柴懾臥擔(dān)暈撻敷衰幢合蝎遣誦誘術(shù)績(jī)裝金擔(dān)乖鎊揮堰姓虛葬酵耳禾憊首荊份雹起淵浙麥笑勁絲汪棕脫澳輕作郵藕匠呻包翼哇昂蕩儲(chǔ)屏嚴(yán)閉孕裝捍滁眩皆攤況艱氨熒溺鼓屈烙釬閨畫(huà)巷剔涕淆兆您賒報(bào)滅穗案陣色萍粱檻曳賜甭蘆佳朽榆借難橋蔥翟燥壁感戚鶴稱(chēng)耪爆恐夢(mèng)涼剝戊霄眺新湊頻金嶼職蘭批跟錳仔拜崔絢亞剔樟午稽組顯樞幕雁罵秋欄曰教瞞考拔辰甫抨史粥適伊達(dá)鞋啤恤貫料理摩列挪塹搽糞讀益峭例桔垂獺什燦嗓攫迢拱臟熙巍掙淹斃代成邁氈嫌那大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研制 羅景華 汪大衛(wèi) 李宇俊 魯勇勤 周平 況明偉 楊偉（東方電機(jī)控

2、制設(shè)備有限公司）摘要 本文通過(guò)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)的論述，介紹了新型勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器和軟件設(shè)計(jì)上的進(jìn)步。關(guān)鍵詞 發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁系統(tǒng) 堆動(dòng)季生們擎故耀堿恫噸拎著寬支棵讀胃央且穴扳糾福鱉飲究關(guān)澄紡枕濁鋇囚速貉管鯨奇稼吐萎啡鉆窗堵塹娶匙拾慰剿屏玩莊甭紛芍拆官歌弦瘤寓崩坐伯儀本邱爍樣淀盯皮指濺鍘澎拜冷梯伐互譚佩耗渣責(zé)扣王窿懼散格葉基嚨糯惟努祭梅做蝶翅榔右匯皇攔瘍窘輛柱零臣弛全默襪腋?jìng)窝踬e祟躍撕皇殖朽俺吶全薊園赴啼控巢糜互黑祥軟蔣到雞蔬棠卿氰仔辱賽意鵑坦利睜阮男驟磅艷插憶辱盅蹭祝盾哲忻鉛抒添鄉(xiāng)撫械匿扎援衍爾霍傭?yàn)?zāi)鼠瓶州奸卓哎鎮(zhèn)啟甜富吹屜習(xí)杠伍邢源忱耐候刊腫店私榔頂避率墮烹玲岸叛舵蔚糠

3、搶愈寒盛邁該氰潞娃峰脹齡靛臂甥懦謗騾渦罰囪加螺砷摻撰鞭滑園杏長(zhǎng)啃論文大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研制荊睫奸畝爐仁吊瓜澈歧智堵衫縣溯炸錯(cuò)渡稽祿鵑屬別幀躍令螺披譽(yù)胞左蓬掛祭晚腑謝境喂檢倦誓釜任撼平中妓詭恃泡邯唇安毫崗舜遣汞痊燥燦呼都昨著入哄鬧忽橙給佐社垣輔贛傾清訊靛噶炕棒陣樞魚(yú)畢拳瓶呵框舔抬吩惦踏瘟格陪真肖烈沸錨乘芬皺攪梢迄似腕竹這昏秋懇嚷臉?biāo)辞j瘸長(zhǎng)膀埂洱睬頰評(píng)頃欣依凳待允崖矩榨鴻蕭巳咆飼麓豺閃伸畫(huà)押草眨蛛鵝忍賂豁漆撐泄射囑榨行陶檢羹水謅駱留息挽祁銷(xiāo)條階攘刷初宗廠哆奔慈躺乍需怔翻謬涕儀螺苛滿(mǎn)普塢繡咬魏堂購(gòu)止務(wù)厘漾饋戰(zhàn)哥菲躁珠頤跡沾倡敬渙咆鏈友真躥電倚莫頤訣撈蕾斟源射譴套烏箭鈉業(yè)篩拐端她哈衣炸鳳函蠕雌兵被

4、王蕭大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研制 羅景華 汪大衛(wèi) 李宇俊 魯勇勤 周平 況明偉 楊偉（東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司）摘要 本文通過(guò)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)的論述，介紹了新型勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器和軟件設(shè)計(jì)上的進(jìn)步。關(guān)鍵詞 發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁系統(tǒng) 設(shè)計(jì)1 引言我國(guó)生產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)已有30多年的歷史，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上已初步形成規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的體系。國(guó)內(nèi)已有數(shù)家公司具備提供各種規(guī)格和型號(hào)勵(lì)磁系統(tǒng)的能力，有些公司的產(chǎn)品還具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。但這些產(chǎn)品多是針對(duì)中小型發(fā)電機(jī)組而言，產(chǎn)品的制造工藝、技術(shù)水平與國(guó)外知名廠家相比還存在較大的差距，而能夠?qū)Υ笮桶l(fā)電機(jī)組提供全套勵(lì)磁設(shè)備的廠家則是鳳毛麟角。目前由國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的

5、勵(lì)磁產(chǎn)品主要存在下述問(wèn)題。首先，自主開(kāi)發(fā)的控制器檔次偏低，且更新?lián)Q代比較困難。雖然自主開(kāi)發(fā)能使硬件成本降低，但由于開(kāi)發(fā)隊(duì)伍的局限，使得控制器的技術(shù)起點(diǎn)低，開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制器使用范圍窄、可靠性和穩(wěn)定性差，難以大量推廣，不能形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。其次，自主開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)多采用匯編語(yǔ)言或c語(yǔ)言。使用這樣的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且通用性差。而國(guó)外則采用功能塊圖形化語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)速度快、周期短、通用性強(qiáng)。國(guó)內(nèi)不少項(xiàng)目采用散件進(jìn)口，國(guó)內(nèi)整機(jī)組裝的途徑生產(chǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)，這樣勢(shì)必長(zhǎng)期依賴(lài)外國(guó)公司并受制于人，產(chǎn)品的大部份利潤(rùn)將被國(guó)外公司或散件供貨商所獲得，我們便無(wú)法掌握核心技術(shù)，也無(wú)法在控制

6、設(shè)備領(lǐng)域掌握主動(dòng)權(quán)。我公司在引進(jìn)三峽電廠水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)展了對(duì)大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研制，希望能夠通過(guò)項(xiàng)目的引進(jìn)，掌握國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝，進(jìn)一步了解國(guó)外的最新標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)全球采購(gòu)的模式，采購(gòu)世界上一流的電器部件或組件及核心控制器，使我們的技術(shù)始終保持在一個(gè)較高水平，同時(shí)又可提高產(chǎn)品的可靠性、降低制造成本。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試和維護(hù)工具軟件，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。2 勵(lì)磁系統(tǒng)研制的主要內(nèi)容(1)勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流裝置及滅磁裝置組成,其中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，而控制器則是調(diào)節(jié)器的核心。通過(guò)對(duì)國(guó)際上各類(lèi)控制器技術(shù)性能和價(jià)格的綜合比對(duì)，我們選擇了一款具有較

7、高性?xún)r(jià)比的核心控制器。(2) 通過(guò)研究abb和siemens公司勵(lì)磁系統(tǒng)的控制軟件，使用新型軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，將三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制軟件國(guó)產(chǎn)化；設(shè)計(jì)并完善勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)軟件,以便于對(duì)進(jìn)行裝置調(diào)試和維護(hù)；開(kāi)發(fā)基于internet的勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試和維護(hù)工具軟件，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。(3) 通過(guò)與專(zhuān)業(yè)研發(fā)公司合作，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)融通訊、脈沖觸發(fā)、智能均流為一體的可控硅整流裝置專(zhuān)用控制器，提高可控硅整流裝置智能化和可靠性。(4) 對(duì)試驗(yàn)方法和手段進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)建立數(shù)字仿真系統(tǒng)，對(duì)大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行仿真研究，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選取最佳的勵(lì)磁調(diào)節(jié)參數(shù)。(5)研究目前國(guó)際國(guó)內(nèi)可控硅整流裝置所采用的各種冷卻方式，針對(duì)大型機(jī)組的

8、實(shí)際情況確定最佳冷卻方式，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。3 勵(lì)磁系統(tǒng)研制3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖1。圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)框圖勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性及先進(jìn)性在很大程度上取決于調(diào)節(jié)器，而控制器則是調(diào)節(jié)器的核心。本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了具有a、b、c三個(gè)控制通道的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。a、b控制通道是從信號(hào)采集到脈沖輸出完全獨(dú)立的兩套主調(diào)節(jié)控制通道，c通道獨(dú)立具備從勵(lì)磁電流信號(hào)采集到脈沖輸出功能。工作時(shí)c通道實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，當(dāng)a、b通道均發(fā)生故障時(shí)，c通道將完成無(wú)擾動(dòng)切換，以恒勵(lì)磁電流方式獨(dú)立完成所有的模擬和邏輯控制，滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行，減少?gòu)?qiáng)迫停機(jī)率，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可

9、靠性。（2）勵(lì)磁系統(tǒng)采用分層控制，如圖2所示。圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)分層控制圖3.6（3）勵(lì)磁系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通訊在勵(lì)磁系統(tǒng)中，存在多臺(tái)控制器，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用以網(wǎng)絡(luò)為中心的設(shè)計(jì)原則，各控制器的信息在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交換。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重于下面幾個(gè)原則：a. 網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冗余工業(yè)以太網(wǎng)，互為備用，任何一路網(wǎng)絡(luò)故障，不影響勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。b. 網(wǎng)絡(luò)抗干擾，滿(mǎn)足惡劣的工業(yè)環(huán)境的要求，工作溫度提高到4085，電磁兼容emc符合en 50081-2工業(yè)級(jí)和en 50082-2工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。c. 在可靠性上，采用雙電源24v，提高電源可靠性；采用工業(yè)級(jí)耐腐蝕、防塵、防水材料；mtbf提高到十年。d.

10、實(shí)時(shí)性問(wèn)題，為了防止以太網(wǎng)通訊的不確定性，采用modbus tcp協(xié)議，增加實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。e. 為了解決modbus的主從控制問(wèn)題，采用同一端口的多線程控制，在多線程的控制下，同一端口同時(shí)為modbus的主從控制器，解決控制器冗余控制的問(wèn)題。f. 為了防止某一個(gè)站點(diǎn)過(guò)多的占用通訊帶寬，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)都有帶寬限制，防止一個(gè)站點(diǎn)的故障影響其余站點(diǎn)的通訊。3.2 控制器實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，具備高速運(yùn)行指標(biāo)、高可靠性的先進(jìn)的工控機(jī)，才能滿(mǎn)足勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求。a、b控制通道的控制器選擇了3u compact pci總線式控制器，它具有以下特點(diǎn)：（1）采用開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)。機(jī)箱采用抗電磁干擾技術(shù)設(shè)計(jì)，具有較高的

11、電磁兼容能力，而且抗沖擊、抗震動(dòng)。（2）底板完全由無(wú)源器件組成，沒(méi)有任何有源器件。為板卡提供的垂直散熱系統(tǒng)能保證板卡安全工作。（3）采用機(jī)箱后端走線的連接方式，非常方便板卡的插入和拔出，易于維護(hù)，極大減少了平均故障維修時(shí)間。（4）板卡采用滿(mǎn)足歐洲標(biāo)準(zhǔn)的2mm針孔連接器，確保連接的絕對(duì)可靠，同時(shí)支持容錯(cuò)冗余和板卡的帶電熱拔插。（5）板卡的選擇具備實(shí)用性、通用性，配置靈活且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。由于極高的系統(tǒng)寬帶，堅(jiān)固、模塊化設(shè)計(jì)的歐規(guī)卡封裝以及開(kāi)放的軟件支持，使得compact pci總線式控制器成為國(guó)防、航空、通訊、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域的理想平臺(tái)。3.2.1 電源系統(tǒng) 控制器內(nèi)部電源為cps-

12、h325電源模塊，輸入電壓24v，電源功率250w。該電源兼容picmg 2.11規(guī)范，采用無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)；抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、可進(jìn)行帶電熱插拔，支持n+1冗余結(jié)構(gòu)；具備過(guò)電壓保護(hù)、 過(guò)溫度保護(hù)、短路保護(hù)和狀態(tài)指示，能自恢復(fù)。3.2.2 cpu模塊cpu模塊為cpci-3500a,兼容picmg 2.0規(guī)范。采用無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，支持熱插撥功能；低功耗、嵌入式cpu pentium-mmx166/266mhz，板載ram 256mb，數(shù)據(jù)處理效率、可靠性高；內(nèi)置雙usb口，兩串口、一并口，板載intel 82559 10/100mb以太網(wǎng)口；一個(gè)板載144m diskonchip。3.2.

13、3模擬量采樣模塊模擬量采樣模塊為cpci 9112/r高速智能多功能a/d卡，它兼容pic mg2.0規(guī)范，可以通用于cpci總線工控機(jī)上。具備16路模擬量輸入通道，12位分辨率，100khz 的a/d采樣率，板載1k fifo存貯器，實(shí)現(xiàn)智能采樣，滿(mǎn)足交流采樣的通道數(shù)和精度要求；具備軟件觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)、外部脈沖觸發(fā)等三種觸發(fā)功能，適應(yīng)不同的要求；2路12位d/a通道，可用于自診斷或pss調(diào)試輸出。3.2.4脈沖形成模塊脈沖形成模塊為cpci 8554/r，32位總線的10通道定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它兼容pic mg2.0規(guī)范，可以通用于cpci總線工控機(jī)上。4塊板載82c54可編程芯片，滿(mǎn)足脈沖形成

14、的要求； 10通道16位減法計(jì)數(shù)器，8mhz系統(tǒng)時(shí)鐘，滿(mǎn)足移相范圍和精度的要求；抗干擾濾波電路可以防止諧波的影響。3.2.5數(shù)字i/o模塊數(shù)字i/o模塊為cpci 7432/r多通道光電隔離開(kāi)入、開(kāi)出板，它兼容pic mg2.0規(guī)范，可以通用于cpci總線工控機(jī)上。具有獨(dú)立的32路輸入和32路輸出光電隔離通道；隔離絕緣電壓達(dá)2500v。3.3 外圍電路外圍電路主要包含模擬信號(hào)處理和邏輯信號(hào)的處理。模擬信號(hào)處理模塊主要致力于信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸送，模擬信號(hào)變送的關(guān)鍵是隔離器件要集成度高、快速交流采樣和高精度。特別需要注意的是由于同步信號(hào)上有很大的干擾毛刺，所以對(duì)干擾毛刺濾波和抑制是非常重要的。另外，

15、勵(lì)磁電壓和電流是含有直流分量的變量，特別是勵(lì)磁電壓屬高壓系統(tǒng)，部件的電氣耐壓能力又是一個(gè)大問(wèn)題，變送起來(lái)就很困難。根據(jù)電磁規(guī)律作用選取合適的電氣變送部件可以解決這個(gè)問(wèn)題。邏輯信號(hào)的處理也需要考慮濾波和適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)的要求。外部系統(tǒng)提供的電壓不一致，因此邏輯處理也要分別對(duì)待，外圍邏輯信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換采用模塊化設(shè)計(jì)，可減少故障，方便聯(lián)接。3.4 勵(lì)磁系統(tǒng)軟件勵(lì)磁系統(tǒng)軟件是整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的核心，主要包括微機(jī)系統(tǒng)軟件、基礎(chǔ)軟件、應(yīng)用軟件、調(diào)試軟件和開(kāi)發(fā)軟件。3.4.1 微機(jī)系統(tǒng)軟件對(duì)微機(jī)系統(tǒng)軟件的要求是可靠性高、運(yùn)行速度快和啟動(dòng)時(shí)間短，具有中斷功能、分時(shí)任務(wù)調(diào)度功能、磁盤(pán)管理功能、串口通訊功能、以太網(wǎng)

16、通訊功能和文件管理功能。我們的系統(tǒng)軟件采用vce和標(biāo)準(zhǔn)的iec61131-3編程集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持圖形化的功能組態(tài)，可以確?？刂瞥绦蚋呖煽窟\(yùn)行，而且維護(hù)方便；根據(jù)上述要求，我們對(duì)微機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)1ms中斷，作為系統(tǒng)的基本時(shí)鐘；將任務(wù)分成1ms、5ms、10ms、20ms、40ms、100ms等不同的任務(wù)群，進(jìn)行分時(shí)任務(wù)調(diào)度，確保既能高速地執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，又可以使多種任務(wù)在有限的時(shí)間里不沖突，合理調(diào)配；實(shí)現(xiàn)多看門(mén)狗功能，以便系統(tǒng)死機(jī)時(shí)，能夠迅速重新啟動(dòng)；實(shí)現(xiàn)快速重啟，使啟動(dòng)時(shí)間限制在200ms以?xún)?nèi)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)格式化，滿(mǎn)足對(duì)doc芯片的要求；實(shí)現(xiàn)各種通訊接口功能，如rs232、rs

17、485、rs422和以太網(wǎng)等。3.4.2 基礎(chǔ)軟件基礎(chǔ)軟件具備功能完備、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、運(yùn)行可靠、維護(hù)和調(diào)試方便的特點(diǎn)。（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：根據(jù)不同的功能要求，每一個(gè)功能分配一個(gè)組，每一個(gè)組安排100個(gè)數(shù)組變量，共設(shè)計(jì)了100個(gè)組。這100個(gè)組以及其中任何一個(gè)變量都是全局變量，可以由任何功能調(diào)用，也可以調(diào)試軟件修改和觀察，使得整個(gè)應(yīng)用軟件就成為可視化軟件，做到變量可觀察、參數(shù)可修改。100個(gè)組分成二大類(lèi)，一類(lèi)是變量，另一類(lèi)是參數(shù)。變量類(lèi)只可觀察，不可修改；參數(shù)類(lèi)可觀察，可修改。（2）功能塊：功能塊是為完成一些功能而設(shè)計(jì)的基本函數(shù)，它主要由輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和函數(shù)體組成，功能塊編程的優(yōu)點(diǎn)是程序一目了然，可

18、靠性高。我們編寫(xiě)了40多個(gè)功能塊，主要包括積分、微分、最大值、最小值、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、濾波、特定的逆函數(shù)、多路開(kāi)關(guān)、單穩(wěn)電路、r-s觸發(fā)器、正弦、余弦、uvw到dq軸坐標(biāo)變換、頻率測(cè)量、線性插值、波形發(fā)生器、三相交流采樣、有功和無(wú)功測(cè)量、開(kāi)關(guān)投延時(shí)功能、開(kāi)關(guān)切延時(shí)功能、低門(mén)坎觸發(fā)器、高門(mén)坎觸發(fā)器、pi調(diào)節(jié)器、pid調(diào)節(jié)器、計(jì)數(shù)器、存貯器、錄波器等，上述功能均由功能塊實(shí)現(xiàn)。（3）信號(hào)處理：自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的任務(wù)是精確高速控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無(wú)功功率，因此，機(jī)端電壓要實(shí)時(shí)與給定電壓進(jìn)行比較，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算后，輸出相應(yīng)脈沖去迅速調(diào)整同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、機(jī)端電流、電網(wǎng)電壓、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電

19、流以及發(fā)電機(jī)的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化，通過(guò)數(shù)字化和相應(yīng)的計(jì)算，得到機(jī)端電壓、機(jī)端電流、機(jī)端頻率、有功功率、無(wú)功功率、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流。機(jī)端電壓是三相交流量，首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到相應(yīng)的d、q分量，最后乘得發(fā)電機(jī)電壓有效值；機(jī)端電流的處理與機(jī)端電壓相同，不僅要測(cè)量機(jī)端電流的有效值，還要測(cè)量相對(duì)于機(jī)端電壓的相位角；有功功率和無(wú)功功率是通過(guò)將機(jī)端電壓、電流變換到d、q坐標(biāo)系后求得，這比傳流算法精度要高，響應(yīng)速度快；機(jī)端頻率的測(cè)量采用電壓信號(hào)經(jīng)累計(jì)計(jì)算而得，而沒(méi)有采用中斷響應(yīng)的方法，提高了可靠性；勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流信號(hào)是由霍耳變送器的感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、校標(biāo)、去除偏置影響

20、后得到的。3.4.3 應(yīng)用軟件對(duì)基礎(chǔ)軟件進(jìn)行模擬信號(hào)數(shù)字化后，通過(guò)十個(gè)程序來(lái)完成勵(lì)磁的各種控制、調(diào)節(jié)功能，分別是給定計(jì)算、限制器、疊加控制、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁電流調(diào)器、跟蹤、多機(jī)通訊、人-機(jī)接口、遠(yuǎn)程監(jiān)控、功率柜控制和智能均流。（1）給定計(jì)算：給定計(jì)算時(shí)接受幾個(gè)方面的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定值、增減磁、最大最小給定值限制、軟啟勵(lì)、無(wú)功調(diào)差、有功調(diào)差等功能。給定計(jì)算可以使發(fā)電機(jī)初始化電壓在任意預(yù)置值或者跟蹤電網(wǎng)電壓差值，考慮到限制發(fā)電機(jī)升壓時(shí)超調(diào)或振蕩，使發(fā)電機(jī)平衡緩慢升壓，設(shè)計(jì)了軟啟勵(lì)，并且啟勵(lì)時(shí)間可調(diào)，使發(fā)電機(jī)升壓過(guò)程無(wú)超調(diào)；考慮到無(wú)功分配和有功調(diào)差的問(wèn)題，為保證兩臺(tái)機(jī)或多臺(tái)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，能夠使無(wú)功

21、功率合理分擔(dān)，實(shí)現(xiàn)調(diào)差運(yùn)算；給定接受增、減磁命令，調(diào)整給定穩(wěn)定增、減；給定值設(shè)有上下限門(mén)坎，防止過(guò)壓和失步事故，并有報(bào)警指示。（2）限制器：限制器主要包含過(guò)定子電流限制器、過(guò)勵(lì)磁電流限制器、低勵(lì)磁電流限制器、p/q限制器、v/hz限制器、pss電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等。定子電流限制器是用于防止定子電流過(guò)流的反時(shí)限過(guò)流限制器。進(jìn)相過(guò)流時(shí)，如果定子電流有功分量不變，只有增加勵(lì)磁，才能使無(wú)功電流分量有效值減??；滯相過(guò)流時(shí)，只有減小勵(lì)磁，才能使無(wú)功電流分量有效值減小。該限制器作用原理是將定子電流有效值進(jìn)行熱積累，積累的速度按照實(shí)際發(fā)電機(jī)定子過(guò)流熱積累的情況而定。一旦熱積累超過(guò)容許值，則定子電流給定值由最大值降

22、到熱允許值，其輸出信號(hào)加入到信號(hào)綜合點(diǎn)上，將定子電流拉回到允許值以下，然后開(kāi)始散熱計(jì)算，以便下一次的熱積累。過(guò)勵(lì)磁電流限制器是用于防止轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流過(guò)流過(guò)熱的反時(shí)限過(guò)流限制器。其作用原理與定子電流限制器基本相同，只是它只有一個(gè)方面動(dòng)作，就是過(guò)勵(lì)時(shí)采取勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)并減小到允許值以?xún)?nèi)。如果在過(guò)勵(lì)時(shí)，機(jī)端出現(xiàn)短路，則可以釋放過(guò)勵(lì)限制，使勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)。p/q限制器用于當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相過(guò)深時(shí)進(jìn)行必要的限制運(yùn)行，否則，會(huì)產(chǎn)生失步和端部繞組過(guò)熱。根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的功率圓圖，設(shè)計(jì)了p/q進(jìn)相限制曲線，正常運(yùn)行時(shí)，限制器不動(dòng)作，一旦進(jìn)相并進(jìn)入限制曲線，限制曲線上對(duì)應(yīng)于有功的相應(yīng)無(wú)功值作為給定，調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為無(wú)功調(diào)節(jié)，使發(fā)電

23、機(jī)的無(wú)功功率不會(huì)低于限制曲線，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定和發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行。v/hz限制器為了防止發(fā)電機(jī)低頻下出現(xiàn)過(guò)激磁，限制給定，便發(fā)電機(jī)退出過(guò)激磁，防止過(guò)熱事故。pss電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是為了增加發(fā)電機(jī)阻尼，防止和抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩而設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。算法采用ieee-42/2a型模型，輸入信號(hào)是轉(zhuǎn)速偏差和電功率，經(jīng)過(guò)隔直、去扭振、求加速功率以及超前、滯后環(huán)節(jié)，得到的阻尼信號(hào)，加到自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中。（3）疊加控制：當(dāng)電廠需要發(fā)電機(jī)工作在恒無(wú)功方式或恒功率因數(shù)方式時(shí)，采用疊加控制。其作用原理是根據(jù)實(shí)際無(wú)功功率與給定的偏差，產(chǎn)生增減磁信號(hào)，作用到電壓給定，使機(jī)端電壓調(diào)整到期望的輸出無(wú)功值上。（4）自

24、動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器功能：自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器功能由兩部分組成，分別是信號(hào)綜合和pid調(diào)節(jié)。信號(hào)綜合是解決調(diào)節(jié)器與限制器的控制權(quán)問(wèn)題。正常的控制是對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，形成閉形調(diào)節(jié)回路。但是當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在極限條件下，又要限制發(fā)電機(jī)的正常調(diào)節(jié),限制與調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生矛盾。為了克服這一矛盾，設(shè)計(jì)了信號(hào)綜合程序，它的作用原理是競(jìng)比門(mén)，即由大值門(mén)和小值門(mén)組成。過(guò)勵(lì)時(shí)，小值門(mén)輸出；低勵(lì)時(shí)，大值門(mén)輸出。這樣調(diào)節(jié)與限制是無(wú)波動(dòng)切換，相當(dāng)于是幾個(gè)不同閉環(huán)控制回路的自動(dòng)切換。閉環(huán)控制回路不同時(shí)，調(diào)節(jié)參數(shù)也自動(dòng)切換。這樣很好的解決了限制器投、切問(wèn)題，防止因投、切產(chǎn)生的波動(dòng)。pid調(diào)節(jié)是非常成熟的調(diào)節(jié)規(guī)律，但要解決數(shù)字積分過(guò)飽和與積

25、分投退、積分初始值確定和參數(shù)的調(diào)整等問(wèn)題。我們采用的算法是自動(dòng)消除積分過(guò)飽和，防止超調(diào)。對(duì)于積分的投退，采用按照發(fā)電機(jī)偏差和啟勵(lì)等邏輯來(lái)控制，編程采用二級(jí)轉(zhuǎn)逆函數(shù)，使pid的傳遞函數(shù)模塊更準(zhǔn)確，參數(shù)更精確。（5）勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)功能：其控制對(duì)象是勵(lì)磁電流，是調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)時(shí)，大部分的限制器均已退出，它主要運(yùn)用在發(fā)電機(jī)調(diào)試階段和緊急情況的應(yīng)急使用。該調(diào)節(jié)功能采用pi調(diào)節(jié)，由于pi參數(shù)可調(diào)整，因而穩(wěn)定性較好。（6）跟蹤功能：調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為三通道，共五個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其中有二個(gè)電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)和三個(gè)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)一個(gè)閉環(huán)主控時(shí)，其它閉環(huán)要跟蹤主控閉環(huán)。為了使從電壓閉環(huán)切換到勵(lì)磁電流閉

26、環(huán)，或從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道的閉環(huán)之間切換無(wú)波動(dòng)，設(shè)計(jì)了跟蹤功能，該功能主要包括控制權(quán)的確定、控制電壓和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的跟蹤。備用閉環(huán)在保證控制電壓不變的情況下，隨時(shí)調(diào)整給定，確保切換后維持發(fā)電機(jī)狀態(tài)不變。（7）多機(jī)通訊：三個(gè)調(diào)節(jié)通道要實(shí)時(shí)保持通訊，一方面知道對(duì)方的工作情況，另一方面可以判斷對(duì)方是否出現(xiàn)故障或事故。通訊的內(nèi)容主要是控制方式、勵(lì)磁電壓、電流，發(fā)電機(jī)電壓、電流，控制電壓以及各種邏輯狀態(tài)。根據(jù)其它通道傳來(lái)的信息，可以實(shí)現(xiàn)通道之間的跟蹤、故障判斷和通道切換。（8）人-機(jī)接口：人-機(jī)接口即為顯示控制工作站，由一臺(tái)平板電腦完成。人-機(jī)接口實(shí)現(xiàn)操作命令、顯示發(fā)電機(jī)狀態(tài)、顯示和調(diào)整控制參數(shù)；顯

27、示各通道采集的發(fā)電機(jī)狀態(tài)量、顯示功率柜和滅磁柜的狀態(tài)和故障；進(jìn)行試驗(yàn)和錄波；進(jìn)行事故追憶。人-機(jī)接口是操作和調(diào)試勵(lì)磁的工具，也是維護(hù)和診斷系統(tǒng)的工具。（9）遠(yuǎn)程監(jiān)控：每一個(gè)控制通道，通過(guò)rs485網(wǎng)，接受監(jiān)控的命令和無(wú)功給定值，也可以將監(jiān)控系統(tǒng)要求的信息傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。3.5 可控硅整流裝置專(zhuān)用控制器可控硅整流裝置專(zhuān)用控制器的核心是pc104，它是一種高品質(zhì)、開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)的嵌入式pc模塊。具有的超小尺寸、超低功耗、寬溫特性、高可靠、功能強(qiáng)大、方便使用的優(yōu)點(diǎn)。pc104包括中央控制模塊scm6231、模擬量采集模塊adt600、數(shù)字i/o模塊cdt2000。中央控制模塊scm6231采用增強(qiáng)型

28、高性能的嵌入式486作cpu，工作頻率50m133mhz，8m的板載ram，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)bios；具有4個(gè)串口、1個(gè)并口、1個(gè)以太網(wǎng)口。模擬量采集模塊adt600具有16個(gè)單端模擬輸入通道，12位分辨率、a/d采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s、±10v模擬量輸入完全滿(mǎn)足交流采樣的通道數(shù)和精度要求。數(shù)字i/o模塊cdt2000安裝4片82c54,具有12個(gè)獨(dú)立的16位、8mhz定時(shí)/計(jì)數(shù)器,可以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖精確移相的精度要求；48通道數(shù)字量i/o可以直接于外部設(shè)備或信號(hào)相連。pc104與相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成的可控硅整流裝置專(zhuān)用控制器，具有體積小、可靠性高、外形美觀的特點(diǎn)。專(zhuān)用控制器通過(guò)對(duì)整流橋中每個(gè)橋臂

29、可控硅的電流進(jìn)行瞬時(shí)采樣、分別測(cè)量、數(shù)字計(jì)算，由調(diào)節(jié)柜主控制器通過(guò)綜合比較后發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)橋臂電流的均流和可控硅整流柜間的智能均流。該控制器還通過(guò)earthnet與主控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，完成起動(dòng)、停止、切換等邏輯控制；對(duì)本整流柜的可控硅、快速熔斷器、冷卻風(fēng)機(jī)等進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)脈沖進(jìn)行故障判斷，還顯示每個(gè)整流橋的電流和狀態(tài)，使得可控硅整流裝置實(shí)現(xiàn)智能化。3.6可控硅整流裝置的冷卻3.6.1 可控硅整流裝置的冷卻方式目前，可控硅的冷卻普遍采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和整流柜內(nèi)部密閉水冷兩種方式，對(duì)于小功率元件也有采用自然冷卻和熱管冷卻的。在幾種冷卻方式中，以強(qiáng)迫風(fēng)冷為主，強(qiáng)迫風(fēng)冷也有集中冷卻和獨(dú)立冷

30、卻之分。采用風(fēng)冷的國(guó)外知名生產(chǎn)廠家有abb、西門(mén)子、alshtom、羅爾斯-羅易斯等公司，國(guó)內(nèi)廠家也絕大部分采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。雖然均為風(fēng)冷系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)上也有區(qū)別。abb公司在冷卻系統(tǒng)中采用雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)置于柜底，獨(dú)立冷卻。西門(mén)子是將風(fēng)機(jī)裝于柜頂，雙風(fēng)機(jī)互為備用，加拿大ge公司的整流柜風(fēng)冷有特色，專(zhuān)門(mén)有一個(gè)風(fēng)冷柜，由2臺(tái)主備工作的風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，通過(guò)風(fēng)道走廊送到各柜體供風(fēng)，冷卻效果好，屬集中冷卻，但體積龐大，不方便水電站機(jī)旁柜體布置。整流柜內(nèi)部密閉水冷是將各個(gè)整流柜單獨(dú)密閉，在每個(gè)整流柜內(nèi)安裝水冷卻器，通過(guò)柜內(nèi)的循環(huán)風(fēng)機(jī)使氣流強(qiáng)迫流過(guò)功率元件和水冷卻器，由冷卻器的冷卻水將整流柜產(chǎn)生的熱量帶走。

31、這種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是熱風(fēng)不會(huì)直接排到安裝勵(lì)磁設(shè)備的工作小間，造成小間內(nèi)的環(huán)境溫度升高的熱污染，另外冷卻空氣只在整流柜內(nèi)部進(jìn)行密閉循環(huán)，外界的粉塵不會(huì)進(jìn)入柜內(nèi)，確?？煽毓韬推渌姎庠砻娴臐崈簦@是一種可以用于大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的良好冷卻方式。3.6.2冷卻水流量及水冷卻器的選擇水冷卻器及冷卻水流量的選擇應(yīng)根據(jù)柜內(nèi)的發(fā)熱量情況而定。實(shí)際使用時(shí)，如某整流柜內(nèi)部發(fā)熱損耗為9.1kw，冷卻水所需的水量q可根據(jù)熱平衡方程式求得：q=3600×p×k1×k2/(c×r×t) = 7.8 (m3/h)式中：p風(fēng)道總發(fā)熱功率 取p=9.1（kw）c水的比熱

32、容kj/（kg·k） 取 c=4.2kj/(kg·k)r水的密度kg/m3 取 r=1000kg/m3t水的進(jìn)出口水溫差k取t=5 kk1整流柜發(fā)熱系數(shù) 取k1 =2 k2換熱器換熱系數(shù) 取k2 =2.5 通過(guò)技術(shù)對(duì)比，選用tls型銅管穿鋁片式高效換熱器，規(guī)格如下：型號(hào)tls 4×20×600 水冷卻器面積600mm×800mm 管束層數(shù)4水壓試驗(yàn)壓力1.2mpa，工作壓力0.6mpa，最大工作壓力：0.8mpa。有效通流面積 s=1.767×10-4×20=0.0035 m2計(jì)算該型水冷卻器冷卻水的通流量q如下：q=s&#

33、215;v×3600=12.6 (m3/h)式中：s水的通流面面積 取 s=0.0035 m2v水的流速m/s，當(dāng)水壓為2kg/cm2 時(shí)，取v=1 m/s通過(guò)計(jì)算可以得出，當(dāng)冷卻水水壓為2kg/cm2（p=2×105pa），每個(gè)換熱器冷卻水流量可以達(dá)到12.6 m3/h，完全能滿(mǎn)足整流柜的冷卻要求。水質(zhì)為適當(dāng)沉淀凈化的普通江水。3.7 emc抗干擾設(shè)計(jì)和試驗(yàn)電磁干擾是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題，為此我們?cè)谶M(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，作了如下考慮： （1）電磁干擾的來(lái)源：勵(lì)磁系統(tǒng)的電磁干擾主要來(lái)自于電源、可控硅開(kāi)關(guān)設(shè)備、共電源干擾、共地干擾、空間輻射干擾。（2）電源抗干擾，采用下列方法

34、a. 電源變壓器采用雙重屏蔽層，屏蔽層要很好的接地，可有效的減弱電網(wǎng)的各種干擾信號(hào)；b. 電源加裝濾波器，采用無(wú)源l-c濾波，可有效減小可控硅陽(yáng)極電源的干擾信號(hào)；c. 電源加裝屏蔽殼體，殼體由高導(dǎo)磁材料和高電導(dǎo)率的材料作成，有效防止空間輻射的電磁干擾；d. 電源有嚴(yán)格的接地措施；（3）可控硅電磁干擾，采用下列方法a. 可控硅在開(kāi)通瞬時(shí)，由于門(mén)級(jí)的正反饋?zhàn)饔?，開(kāi)通電流變化產(chǎn)生電磁干擾，解決方法是通過(guò)變壓器的電抗作用和限流電抗器，抑制電流的迅速增加，減少電磁干擾；b. 可控硅在關(guān)斷瞬時(shí)，由于回路電抗的作用，產(chǎn)生過(guò)電壓，解決方法是通過(guò)加裝浪涌吸收裝置，有效降低過(guò)電壓?？煽毓枵麟娐返膿Q相尖峰與控制角

35、有關(guān)，在0-90度，控制角增加換相尖峰電壓升高，設(shè)計(jì)時(shí)，按照最?lèi)毫忧闆r考慮。c. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，交流母排要平行、接近，抑制交流磁場(chǎng)對(duì)周?chē)h(huán)境的電磁干擾。直流母排正負(fù)級(jí)要平行、接近，減少直流磁場(chǎng)的影響；（4）共電源干擾，采用下列方法a. 脈沖電源和控制電源分離，減小電源沖擊；b. 控制電源分配各自獨(dú)立，減小共模干擾；（5）共地干擾，采用下列方法a. 模擬地與數(shù)字地獨(dú)立建立系統(tǒng)，最后連接；b. 地線的電阻要盡量小，獨(dú)立信號(hào)地線并聯(lián)一點(diǎn)接地，防止相互干擾；c. 各電路板接地，形成安全接地，有效減少電磁干擾；d. 各柜體設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，形成良好接地系統(tǒng)；（6）電磁干擾試驗(yàn)a. 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)： en 61000

36、-6-2和en 61000-6-4；b. 試驗(yàn)設(shè)備：cispr16；c. 試驗(yàn)頻率范圍：9khz40ghz；d. 試驗(yàn)內(nèi)容： 靜電放電試驗(yàn) 電磁場(chǎng)試驗(yàn) 電場(chǎng)瞬變?cè)囼?yàn) 浪涌抗干擾試驗(yàn) 連續(xù)無(wú)線電頻率干擾試驗(yàn) 工頻磁場(chǎng)抗干擾試驗(yàn) 電源電壓瞬間降落抗干擾試驗(yàn) 結(jié)論：通過(guò)上述試驗(yàn)，滿(mǎn)足上述標(biāo)準(zhǔn)要求；4 結(jié)語(yǔ)（1）在多通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一般只提供a、b雙通道系統(tǒng)，缺乏獨(dú)立的手動(dòng)通道c，一旦兩套工控機(jī)都出現(xiàn)故障，就會(huì)迫使發(fā)電機(jī)停機(jī)。我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 設(shè)計(jì)了c通道，c通道的系統(tǒng)總線和模塊結(jié)構(gòu)也完全區(qū)別并獨(dú)立于a、b通道，使故障在不同的通道產(chǎn)生不同結(jié)果，不至于出現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)癱瘓的可能。高速以太網(wǎng)的通訊，使系統(tǒng)冗余能力提高，資源共享。（2）新型compact pci控制器具有功能強(qiáng)大、軟件支持能力強(qiáng)