基于TCA785的同步发电机晶闸管励磁控制器原理分析

基于TCA785的同步发电机晶闸管励磁控制器原理分析

作为一个发电厂的生产技术人员，在多年的工作中发现，同步水轮发电机晶闸管励磁系统的检修，是电修人员工作的难点之一。

励磁系统的检修，需耍熟练掌握多方面知识，理论联系实际，才能在保证人身、系统、设备安全的基础上解决实际问题。

想耍检修晶闸管励磁系统，需耍耍熟练掌握电路与磁路理论和电子技术，熟悉半导体变流技术，熟悉电力系统运行方式，才能把励磁控制器原理和晶闸管可控整流桥原理融会贯通，才能轻松应对突发的各种励磁系统故障。
本文以机端电压为6.3KV的小型同步水轮发电机组的品闸管励磁控制
器（基于TCA785）作为分析实例。其他类型的励磁控制器原理基本相同。

本例中的主电路为三相半控整流桥，采用半控桥的优点是降低了设备成本并但提高了检修效率。缺点是不能使用逆变方式灭磁，灭磁时机组的磁场能量只能通过灭磁电阻转化为热量消耗掉。

一、测量比较放大单元
1?测量比较单元
测量比较单元就象一个调度中心，可以及时感知发电机出口电压的变化然后发出提高或降低晶闸管的开度的指令给移相触发单元，从而达到调节发电机电压的目的。

电力系统发生短路时，通常要求调节器提供强励。但是，当不对称短路发生在远方时，短路后的电压可能与正常电压差别不大，因而不易区别。在用分立元件组成的测量比较单元里，因为分辨率不高，在测量比较单元的输入端需装设正序电压滤过器。当电力系统发生不对称短路引起三相电压不对称时，滤过器将把负序分量滤掉，只输出对称的、数值降低较多的正序电压。这既提高了分立元件调节器反应不对称短路的灵敏度，又可使测量整流电路仍工作在对称状态。采用正序电压滤过器的缺点是增大了调节器的时间常数（约5ms）,并在一定程度上使调节器的频率特性变坏。因此，在使用集成电路的高灵敏度调节器中，并不装设正序电压滤过器。

对测量比较单元的基本要求是：测量不对称短路有足够的测量灵敏度；时间常数小，响应速度快；直流测量电压平稳，波纹系数小；直流基
准电压稳定，具有温度补偿能力；输入电压与输出电压之间存在线性关系
以及受系统频率变化的影响小等。

2.综合放大单元

测量比较单元输出的电压偏差信号幅值较小，且变化缓慢，灵敏度低,因此不能直接用于控制移相触发单元。为了提高调节器的灵敏度，必须加以放大。此外，为了实现电力系统对调节器的多功能要求，通常需要线性地综合测量比较、反馈及等直流信号并加以放大。以上这些任务都是由综合放大单元来完成的，也就是说，综合放人单元起着综合和放大信号两方面的作用。

对综合放大单元的基本要求是：具有线性地综合和放大多个输入控制

信号的能力，时间常数小，运算精度高且工作稳定等。

3?实际电路分析
如图2所示，本单元输入的信号是发电机的电压UF及电流IF（IF流过调差电阻RT后转换成电压信号UR）,还有标准给定电压信号UG。输出

的信号是一个与发电机电压成比例的自动控制电压UK。

发电机的电压信号由电压互感器TV提供，经电路板上安装的三相电源变压器降压为UF?,UF?与UR迭加后的电压为UF?,并输入到由V1-V6组成的整流电路整流，经电容C1滤波后得到平滑的直流电压，经电阻R2和电位器RP1分压，并从电位器的滑动点取出电压信号，此点电压值依然

正比于发电机机端电压，我们就当它为机端电压UF。它经过输入电阻R3进入运算放大器的反相端，另外标准给定电压UG（UG为稳定的直流电压）经过输入电阻R4也输入到A1的反相端，这样A1的反相端同时输入了两个电压UF和CG,A1接成反相加法放大器，UF与UG迭加比较后得到的差值AU经过A1放大后，从输出端得到一个负值的电压，经电阻R7再送到下一级运算放大器A2的反相端，经放大及反相后输出端得到一个正值的电压，此电压即是自动控制电压UK。CK也与发电机端的电压CF成正比，UF上升，UK增大，UF下降，UK也减小。此电压要送到下述的移相触发电路中与该电路产生的锯齿波电压UJ进行迭加，控制脉冲的产生和移相。

测量比较放大单元的输出特征UK二f（UF）如图3所示，从图屮可以看到，UK有一个最高值UKmax,约6.6V （H点），此值由A2的反馈电路中的

稳压管VII的稳压值决定，UKmax可以晶闸管的最小导通角0min。一般为2。至30。左右，即任何情况下都不使晶闸管关断。UK又有一个最低值UKmin,此值可以通过电位器卩R2随意整定，图中约2.5V （L点），此值可以晶闸管的最大导通角0max,也就是说可以励磁装置的强励能丿JoUKmin越低强励能力越大。当发电机的电压额定值为110V以上时,UK达最大值，电压降到100V以下时，UK有最小值UKmirio这就是本坏节的输出特性。

二、移相触发单元
移相触发单元的任务，是将综合放大单元输出的控制信号Uk的变化,转变为脉冲相位的变化，并以此脉冲触发晶闸管整流桥（即励磁系统的功率输出部分）的晶闸管，使其控制角Q随Uk的变化而改变，从而达到自
动调节励磁的目的。
移相触发单元一般由同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节组成。

对移相触发单元的基本要求
1.各相触发脉冲必须与整流桥主电路的电源同步，即具有相同的频率并保持一定的相位关系。

2.为确保晶闸管可靠和准确的触发，耍求触发电路应有足够人的功率输出，且触发脉冲的前沿上升要陡（一般在10MS左右），并具有足够的幅值和宽度。

3.触发脉冲的移相范围及数目，应能满足晶闸管整流桥和调节器调压范围的要求。

4?在整个移相范伟|内，各相触发脉冲的控制角a应保持一致，以减小整流桥输岀电压的谐波分量。一般要求各相触发脉冲的相位偏差不大于10o

5?为了避免反向击穿，晶闸管的控制

本单元输入的信号一是与晶闸管主电路交流电压同步的同步电压UT,二是测量放大单元输出的自动控制电压UK,输出的是相位可由UK控制的脉冲电压信号UP。UK值升高UP相位往后移，即控制角a增大，UK值下降，UP相位往前移，控制角a减小。

本单元的作用首先是将交流同步电压UT信号转换成同步的锯齿波电压UJ。每相采用了一片集成移相触发器TCA785,它的工作原理与用运算放大器或分立元件构成的电路是一样的，但是与之相比大大简化了电路，并且工作稳定，可靠性也提高了。

以A相为例，交流同步电压信号从5脚和1脚输入，自动控制信号电压CK从11脚加入，10脚外接电容器C8,内部电路向C8恒流充电产生线性锯齿波电压UJ。9脚外接电阻R24和电位器RP6,调节RP6可改变该相

脉冲的相位以便调整三相晶闸管的导通角0,使之相等，使可控桥三相负
荷得到平衡。15脚为输出端，输出矩形电压，经电阻R23加到三极管VT1,当输出为正值时，VT1导通产生脉冲，发光二极管发亮时，说明脉冲止常。

木单元的移相触发原理是幅值控制，见图5所示。图中UJ为锯齿波电压，它每正半周产生一次，UK1,UK2是自动控制电压，UK1MJK2它们同锯齿波的交点分别为P1和P2,P1点在后，P2点在前。UK1产生的脉冲其相位为al,相应的导通角为Bl,CK2产生的脉冲其相位为a2,相应的导通角为82,显然a

l>a2,而

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的导通角也随之变化，UK升高0减小，UK降低，0增大。
三、调差单元

调差单元乂称为无功补偿单元。儿台发电机并联运行时，母线的电压水平和机组间无功功率的分配，主要取决于发电机的电压调节特性(即Ug二f(Ir)), Ir为发电机的无功电流)。

实际运行的发电机，一般采取正调差系数，以使无功功率在各机组间稳定和合理地分配。几台具有无差特性的发电机不能并联运行，因为无功功率在它们之间无法稳定分配。一台具有无差特性的机组可与儿台具有有差特性的机组的机组并联运行，但由于无功功率的变化仅由无差特性机组承担，故这种运行方式是不合理的。

负调差系数通常在大型发电机一一变压器单元接线上采用。这时发电机经升压变压器在高压母线上并联运行，发电机对高压母线电压而言，仍具有正的调差系数，以保证个单元间无功功率的稳定分配。考虑发电机无功电流在变压器漏抗上产生的压降后，发电机对其端电压的电压调节特性
是向上倾斜的，即O换言之，此处的负调差系数主要用于补偿升压变压器上的压降，以使发电机对高压母线电压的调节特性不至下降得太厉
害。对整台发电机系统而言，它仍然是正调差系数，负调差系数只是局部,是为实现正调差系数而服务的。

调差单元电路分析：

木单元专为发电机并列运行而设置，可以使并列机组无功功率稳定，

还能够使并列运行机组间的无功功率得到合理的分配。

本调节器采用单相调差，用w相电流互感器TAW副边的电流流过调差电阻RT时在它上面产生的压降迭加到送入测量放人环节的电压互感器TV的U相电压上，使该相电压随着发电机无功电流变化而变化。如果无功功率增人，使TAW的电流增人，RT上的电压降增人，U相电圧升高，相当丁测量桥测量到发电机端电压UF升高了，根据上述的调节原理，UF升高必

然导致UK也升高，使励磁电流IF减小，机端电压降低，发电机向电网送出的无功功率减小，回到整定值。如果无功功率减小，通过调差电阻的无功电流也减小，RT上的压降减小，U相电压降低，使UK降低，导通角增大，励磁电流TF增人，无功功率回升到整定值。可见调差单元相当于一个负反馈环节能起到稳定无功的作用。

一般调差电路应接成止调差才能起到稳定无功的作用，如电流互感器

接到调差电阻的极性反了则变成了负调差，则结果也相反，起到了正反馈作用，会使无功摆动严重，甚至产生振荡。判断正调差的方法是增大调差电阻的阻值，如励磁电流或无功功率减小时，便是正调差。如励磁电流随调差电阻阻值的增大而增大时，则为负调差。

开环小电流实验的目的是检查调节器输出的脉冲能否满足移相的要求，能否可靠的触发晶闸管使之导通，并检查触发单元的脉冲相位，相序
是否与主电路晶闸管阳极电压同步。

当励磁变压器TE和电压互感器TV均为Y/Y接法时，可用一台三相调压器TB代替TV和TE向励磁调节器和可控整流桥供电。TB原边接厂用电源3相交流380V/220V,副边分别接到励磁屏内端子排上励磁调节器电源输入端和可控桥交流输入端。但应注意，应先拆除原来接至TV和TE的连线。

当励磁变压器TE和电压互感器TV为A接法时，可用直流电焊机（或其他可调的直流电源）供电给转子绕组，使发电机建立电压，此时TE和TV均有电压，实验可以进行。如无直流电焊机和其他直流电源，可以通过倒送电来进行，但应先拆除发电机出口的接线，避免倒送电时发电机定子带电。合上发电机出口油开关QFG,将网上的电压加到TE和TV上，这时

的电压基木上是额定电压。实验可以进行。

做开环小电流实验时，灭磁开关QFM不可合上，以免发电机转子带电。 无论采用哪一种方法，加到励磁调节器的电压应均在105V左右，相当于6.3KV机组的额定电压。调节器带电后检查下列各单元是否正常。

A.控制电源变压器副边电压是否止常。

R.输入到电路板的稳压电源电压是否正常。

C.输出UG的给定电路是否止常工作。

D.检查脉冲移相单元中的二只发光二极管均发亮，则脉冲正常。

E.检查主电路和控制电路的相位相序是否正确。

用示波器观察可控桥输出负载波形来判断比较方便，如有马鞍波出
现，则说明相序反了，如三相负载波形相差很大，导通角不能同时关小或
增大，调节时屏上的励磁电压表摆动厉害不能稳定，都说明他们的相位配合不正确。必须调换电压互感器的相位或励磁变压器的相位。使之正确。正确时，当输入电压为105V时，整定三相的导通角为50。至60o,输入电压增至110V时，三相导通角约为20。至30o,把输入电压调低至100V以下时，导通角应开至最大。如三相导通角不相等可调节各相的有关电位器使之相等。

F.整定测量放人环节的工作点。

整定给定电压UG,调整电位器RP1,使可控桥输出的电压等于发电机

建立空载额定电压时的需要的励磁电压。如用他励给发电机建压，可以直

接测出该电压。

如果能掌握了上述原理和实验方法，再加强相应的理论学习，联系实际，相信在实际工作中就能够处理好同步发电机晶闸管励磁控制器在运行

屮发牛的问题。