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13600443583從當(dāng)前的發(fā)展的形勢(shì)看，調(diào)壓裝置已經(jīng)成為交流同步發(fā)電機(jī)中最重要，最核心的結(jié)構(gòu)部分之一，對(duì)于交流同步發(fā)電機(jī)的性能有著至關(guān)重要的用途。本文主要解讀同步發(fā)電機(jī)裝置調(diào)壓系統(tǒng)作用和工作原理及采用相復(fù)勵(lì)變壓器，PID操作系統(tǒng)為調(diào)節(jié)裝置的勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)。同時(shí)剖析了幾個(gè)典型調(diào)壓裝置。發(fā)電機(jī)組市電是一個(gè)有限量市電，一般只有一個(gè)或者兩個(gè)電站組成，故電站的容量就是大電的功率?？傮w而言，發(fā)電機(jī)組電站一般由3～4臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，所以每臺(tái)發(fā)電機(jī)就是能量的源泉。當(dāng)發(fā)電機(jī)組電力系統(tǒng)負(fù)載出現(xiàn)變化而引起市電電壓波動(dòng)時(shí)，就需要迅速改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以維持電壓在一定的精度內(nèi)。完成這一過(guò)程的就是發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓裝置。當(dāng)然，發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)也是靠自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)迅速達(dá)到額定電壓。因此，調(diào)壓裝置對(duì)于發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)有著重大功用及意義。
斯坦福交流發(fā)電機(jī)因何需要電壓調(diào)節(jié)器呢？①?gòu)耐獠科鹨騺?lái)說(shuō)：斯坦福交流發(fā)電機(jī)需要自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的理由有兩點(diǎn)。
首先，當(dāng)大功率的發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)大的起動(dòng)電流，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組電網(wǎng)是一個(gè)有限量市電，從而會(huì)對(duì)市電造成巨大沖擊，并且發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)電流基本上都是無(wú)功電流，當(dāng)這個(gè)無(wú)功電流流過(guò)發(fā)電機(jī)時(shí)，加強(qiáng)了發(fā)電機(jī)交軸去磁電樞反應(yīng)，使得端電壓較大幅度的下降。其次，當(dāng)外部電路出現(xiàn)短路時(shí)，為了使得短路點(diǎn)迅速脫離大電，保護(hù)裝置需立即動(dòng)作，而要使保護(hù)裝置在短路時(shí)迅速作業(yè)，發(fā)電機(jī)必須進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)磁以維持一定幅值的端電壓使保護(hù)裝置投入工作。顯而易見(jiàn)靠手動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁，響應(yīng)轉(zhuǎn)速肯定不行。因此必須要有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓控制。
②從發(fā)電機(jī)內(nèi)部而言：當(dāng)發(fā)電機(jī)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子繞組流過(guò)電流，出現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，見(jiàn)圖1-1。而當(dāng)負(fù)載接通以后，就有電流流過(guò)定子電樞繞組，該電流產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)。此時(shí)主磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)和定子發(fā)生的電樞磁場(chǎng)的合成。而電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)必定出現(xiàn)影響，這種影響即電樞反應(yīng)。同時(shí)電樞反應(yīng)的結(jié)果是隨著負(fù)荷的性質(zhì)不同而不同。當(dāng)電樞電流與電壓同相（COSΦ=1）即純電阻負(fù)載，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在交軸上，即交軸電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的結(jié)果使得主磁場(chǎng)一側(cè)被增加，另外一側(cè)被削弱。如果磁路飽和的話，會(huì)減小主磁場(chǎng)，使得電壓有所下降，見(jiàn)圖1-2。當(dāng)電樞電流滯后電壓90°（COSΦ=0）純電感負(fù)荷，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場(chǎng)相反，即直軸去磁電樞反應(yīng)。其結(jié)果使得主磁場(chǎng)大大削弱，致使電壓下降，見(jiàn)圖1-3。
當(dāng)電樞電流超前電壓90°時(shí)（COSΦ=0）即純電容負(fù)載，此時(shí)電樞磁場(chǎng)的磁極方向在直軸上，方向和氣隙磁場(chǎng)相同，即直軸助磁電樞反應(yīng)。其結(jié)果使得主磁場(chǎng)大大增加，導(dǎo)致電壓上升，見(jiàn)圖1-4。
發(fā)電機(jī)組的負(fù)載是電阻性和電感性的綜合，功率因數(shù)永遠(yuǎn)小于1，因此當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷以后，總是使得發(fā)電機(jī)的端電壓下降。為了保證不管在什么性質(zhì)的負(fù)載下發(fā)電機(jī)組大電電壓的恒定，必須需要自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，確保電壓在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。
2 自動(dòng)調(diào)壓器的作業(yè)原理自動(dòng)電壓調(diào)壓器簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓板（英語(yǔ)名稱的第一個(gè)字母縮寫(xiě) ），是按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)整的裝備。其工作原理就是當(dāng)同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生偏差時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或者勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，處理偏差或者降低到允許范圍內(nèi)。圖2-1是自動(dòng)電壓調(diào)壓器穩(wěn)壓板與發(fā)電機(jī)的關(guān)系圖。如圖自動(dòng)電壓調(diào)壓器電壓調(diào)節(jié)器本身是一個(gè)可控的電源裝置，機(jī)端電壓的偏差△U經(jīng)放大，輸出控制電壓Uc，控制直流電源輸出，進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，最后通過(guò)勵(lì)磁機(jī)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電流。對(duì)于無(wú)勵(lì)磁機(jī)的調(diào)壓裝置，則直接控制勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
1、電壓調(diào)節(jié)器 的電源電壓調(diào)節(jié)器的輸入電源通常有：采用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓（或抽頭）、附加定子繞組和永磁發(fā)電機(jī)等等。圖2.1-1是無(wú)刷發(fā)電機(jī)典型的三種供電壓調(diào)節(jié)器電源的方式，其中圖（a）電壓板由設(shè)在定子上的輔助繞組供電；圖（b）調(diào)壓板由機(jī)端電壓經(jīng)變壓器供電；而圖（c）電壓調(diào)節(jié)器由永磁發(fā)電機(jī)供電。
圖（a）和圖（c）的電壓板輸出的勵(lì)磁功率由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)，發(fā)生短路不影響輔助繞組或永磁發(fā)電機(jī)的輸出，并可提供強(qiáng)勵(lì)。圖（b）用機(jī)端電壓直接供電存在一定隱患，萬(wàn)一發(fā)電機(jī)端出現(xiàn)短路，機(jī)端電壓驟降，甚至消失，則勵(lì)磁電流也將消失，無(wú)法提供強(qiáng)勵(lì)，需附加強(qiáng)行勵(lì)磁措施。
2、電壓的檢驗(yàn)電壓板的檢查量是機(jī)端電壓。機(jī)端電壓是直接接入還是經(jīng)變壓器間接接入，具體看該穩(wěn)壓板的檢測(cè)端是否與發(fā)電機(jī)端電壓匹配。例如發(fā)電機(jī)電壓440V，穩(wěn)壓板的檢測(cè)端為110V，則需要用變壓器降壓。3、調(diào)差
斯坦福交流發(fā)電機(jī)并列運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要排查無(wú)功分配和防范環(huán)流。參與并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)，要求它的無(wú)功負(fù)荷特性應(yīng)是下降的，即負(fù)荷電流越大、拖車(chē)發(fā)電機(jī)組容量因數(shù)越低，電壓下降越多。而穩(wěn)壓板的功用是力圖阻止電壓變化，并不具有反映無(wú)功負(fù)載變化的特征，于是需要采取反映無(wú)功負(fù)荷的步驟來(lái)改變調(diào)壓板的調(diào)整特點(diǎn)。這種步驟稱為“無(wú)功電流反饋”或“調(diào)差裝備”。圖2-1中的電流互感器CT就是用來(lái)反映無(wú)功電流的。要從視在電流中取出無(wú)功分量與電壓進(jìn)行比較，CT設(shè)置的相位與電壓檢測(cè)的相位有關(guān)。輸入三相電壓檢測(cè)的穩(wěn)壓板，若取一相電流反饋一般取中間相（V相），若取兩相電流通常取左右相（U和W相）；輸入單相電壓檢查的電壓調(diào)節(jié)器，取與線°的相電流，例如電壓取UVW，則電流取IU。
同時(shí)AVR供應(yīng)遙控電壓整定電位器的接口，用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。另外，只按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓板，是具有一定功率輸出的可空電源。當(dāng)發(fā)電機(jī)速度低的時(shí)候，發(fā)電機(jī)端電壓低，此時(shí)AVR的任務(wù)是力圖調(diào)節(jié)使機(jī)端電壓到達(dá)額定電壓。因?yàn)榇藭r(shí)電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓急劇增加，有可能產(chǎn)生輸出過(guò)載，所以這種勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)壓板必須具備低頻（轉(zhuǎn)速）保護(hù)，即低頻時(shí)使AVR退出工作。
相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器的作業(yè)機(jī)理：找到導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)的具體緣由（負(fù)荷電流及相位變化）的規(guī)律，并且按照這個(gè)規(guī)律預(yù)先或提前調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，來(lái)使發(fā)電機(jī)電壓維持額定電壓或控制在允許范圍內(nèi)。在圖3.1-1（a）中可以看到，相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器模仿了直流發(fā)電機(jī)的調(diào)壓方式：電壓繞組充當(dāng)并激磁場(chǎng)，建立空載電壓，串聯(lián)在發(fā)電機(jī)三相繞組中的電流繞組來(lái)補(bǔ)償電壓的下降；接入電抗器使得電流落后于電壓90°，實(shí)現(xiàn)相位的補(bǔ)償。圖3.1-1（b）描述了AVR的工作步驟：輸入的測(cè)量單元是發(fā)電機(jī)電壓和負(fù)載電流，由電壓和電流測(cè)量出相位，然后輸出If，再經(jīng)信號(hào)變換后去調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)維持電壓。但是這種調(diào)整系統(tǒng)沒(méi)有反饋，不能構(gòu)成“閉環(huán)”裝置。于是這不是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？偠灾鄰?fù)勵(lì)調(diào)壓器調(diào)整對(duì)象是電壓，被測(cè)量是負(fù)載電流和相位，每一個(gè)負(fù)荷電流和相位都對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出控制信號(hào)。這個(gè)信號(hào)由調(diào)整設(shè)備本身設(shè)計(jì)和第一次試驗(yàn)調(diào)整所確定的。于是這種調(diào)節(jié)方式只能在某些條件不變的情形下，才能保證電壓的基本恒定。對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或調(diào)壓器的溫度等要素引起的電壓偏移，調(diào)節(jié)裝置就無(wú)法響應(yīng)。因此，這種系統(tǒng)的靜態(tài)特點(diǎn)較差，但由于其動(dòng)態(tài)流程是非周期性的，沒(méi)有振蕩步驟，故其動(dòng)態(tài)性能較好。于是相復(fù)勵(lì)調(diào)壓系統(tǒng)不加其他調(diào)整辦法的康明斯就可以稱之為“不可控相復(fù)勵(lì)”裝置，其示意圖如圖3.1-2所示。（a）
為領(lǐng)悟決相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器靜態(tài)特點(diǎn)較差，提升其調(diào)壓精度，就引入了電壓板自動(dòng)調(diào)壓器，其組成圖見(jiàn)圖3.2-1。圖3.2-2是可控直流電源穩(wěn)壓板的原理示意圖電路，發(fā)電機(jī)輸入電壓通過(guò)可控硅整流橋輸出至勵(lì)磁繞組，可控硅整流橋的輸出由比較放大器控制。輸入電壓通過(guò)信號(hào)變換單元，向電位器R1供應(yīng)固定的電壓。電位器R1的設(shè)定電壓U1與輸出取樣電壓U2在比較放大器中比較，誤差放大后輸出控制可控硅的導(dǎo)通角度，改變通過(guò)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓。在此調(diào)壓板實(shí)際上是一個(gè)自動(dòng)的可控分流裝置，見(jiàn)圖3.2-2。調(diào)壓板根據(jù)靈敏度調(diào)整要求，分掉一部分由電流互感器和電壓互感器經(jīng)電抗發(fā)生的電流，將其消耗掉，達(dá)到控制通過(guò)勵(lì)磁繞組的電流，提升調(diào)壓板調(diào)壓精度。因?yàn)榇冒l(fā)電機(jī)最大的功率不過(guò)幾千到上萬(wàn)千瓦，而且又都使用了無(wú)刷發(fā)電機(jī)，通常勵(lì)磁電壓上僅為一百伏左右，勵(lì)磁電流幾個(gè)到幾十安培，勵(lì)磁功率很小，可控電源的獨(dú)立板子可以做得很小，并且線路電壓電流較小，故板子通常就裝配在主配電板里。防音發(fā)電機(jī)組
圖3.2-3帶穩(wěn)壓板的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器AVR等效圖3.3 只有穩(wěn)壓板的調(diào)壓電路發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓既作為電壓調(diào)節(jié)器的工作電壓又作為檢修電壓，調(diào)整好內(nèi)部和外部的電壓設(shè)定電位器，穩(wěn)壓板根據(jù)檢查的電壓和電流的變化按設(shè)定步驟輸出勵(lì)磁電壓，控制機(jī)端電壓。組成圖見(jiàn)圖3.3-1。
圖4-1和圖4-2分別是DAHATSU發(fā)電機(jī)調(diào)壓器方框圖和原理圖。從圖4-1可以看出這就是上面所論的可控分流型（電阻型）的一個(gè)主要應(yīng)用。圖中前半部分是相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝備，后半部分的電壓板根據(jù)機(jī)端電壓與給定值的偏差分流部分相復(fù)勵(lì)的輸出，目的使機(jī)端電壓維持一定精度。
圖4-2 是DAHATSU發(fā)電機(jī)調(diào)壓器機(jī)理圖。圖中發(fā)電機(jī)電壓出現(xiàn)變化后，機(jī)端電壓通過(guò)變壓器，再經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波后產(chǎn)生一個(gè)偏低的直流電壓功用在Q1上，Q1通過(guò)與給定電壓（內(nèi)部電位器由R1和外部電位器VR設(shè)定）比較，積分與微分輸出信號(hào)導(dǎo)通Q3和Q5輸出脈沖信號(hào)（如可控硅G1、G2導(dǎo)通電源與觸發(fā)信號(hào)不同步，則由Q2導(dǎo)通Q4，不讓Q5發(fā)出脈沖）。當(dāng)E、F輸出電源，可控硅G1、G2導(dǎo)通即將用于調(diào)整的控制電壓輸出到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。則輸出的勵(lì)磁電流即馬上調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓，使其穩(wěn)定于一定范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)自于脈沖產(chǎn)生器控硅的觸發(fā)脈沖可以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，維持端電壓在某個(gè)數(shù)值上。
眾所周知，電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。所以為了得到質(zhì)量高的電能及為了恒定電網(wǎng)電壓，調(diào)壓器發(fā)展必定要在以下幾個(gè)方面深入研討：
?、厶岣唠妷悍€(wěn)定功能，就是當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)載變化、擾動(dòng)或系統(tǒng)要素改變而致使電壓變化時(shí)，調(diào)壓設(shè)備能迅速改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁以維持電壓在一定精度內(nèi)。