左志尧
柳州市云上龙城大数据产业发展有限公司，545001
摘 要
同步发电机的励磁系统是电力系统中的重要组成部分，随着电力系统的规模不断增大，对励磁系统的要求也越来越高。社会科技在不断发展，同步发电机的励磁装置由以前的直流励磁机励磁发展到现在基于各种电力电子器件的励磁装置。这类励磁装置性能优良，能满足大容量系统的要求，有广阔的发展前景,具有很大的研究价值和意义。晶闸管是出现比较早的电力电子器件，目前运用技术相当成熟。本次研究的励磁功率单元部分就是采用SCR搭建起来的三相桥式全控整流电路，通过控制其导通角α的大小来控制整流后输出直流的大小，以达到改变励磁电流的目的。
关键词：晶闸管 同步发机 励磁
引言
1.1概述
随着社会的快速发展，电力系统的规模越来越大，用户对电能质量的要求也越来越高，在日常生产中保证电力系统安全稳定运行，为用户提供优质的电能，提高经济效益成为首要任务。要想完成这项任务就必须保证发电机安全稳定的运行。励磁系统提供直流电给发电机励磁，是发电机运行中不可或缺的部分。其中包括：励磁电源，调节和控制设备，以及其他附属保护和测量设备等。
1.2国内外发展的现状
国内外同步发电机的励磁系统种类很多，随着大功率半导体元件的出现以及应用技术的成熟，半导体整流器代替了直流发电机成为励磁功率单元，即出现了交流励磁机的励磁方式和静态励磁方式。特别是后一种励磁方式，其励磁电源取自发电机自身，用励磁变压器供给整流器装置，整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统。[1]随着电力电子技术的迅猛发展，出现了以可控硅和IGBT开关等为代表的功率整流器件。对于可控硅励磁，在中小型水电站中，可以选择三相半控桥或三相全控桥整流方式。采用三相全控桥方式可以实现逆变，可不跳灭磁开关实现正常停机灭磁。三相半控桥方式控制相对简单一些，在国内仍普遍应用于中小型水电站。而大中型以上机组几乎都采用三相全控桥方式。[2]
2 原理剖析
2.1概述
基于SCR的同步发电机励磁系统以及整个完整的励磁过程中主要涉及的器件有主发电机、励磁机、晶闸管可控桥、励磁机的可控桥、励磁控制器、辅助自动电压调节器等。当发电机的机端电压或者负载发生变化时通过改变三相桥式整流电路中晶闸管的控制角来改变其导通状况来实现对励磁电流的调节，以维持发电机电压恒定。
2.2励磁系统的原理图
基于SCR的同步发电机励磁系统的原理图如图2-1所示
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图2-1励磁系统的原理图
F——主发电机；JZ——交流励磁机；KZ——晶闸管可控桥；T——励磁变压器；KZJ——交流励磁机晶闸管可控桥；ZLT——励磁控制器
2.3励磁控制器
励磁控制器一般由基本控制、辅助控制、励磁限制这几部分组成。基本控制部分是励磁控制器的核心部分，它具有调节发电机电压和无功功率等功能。在此只对基本控制部分相关的单元进行介绍，它包括了测量比较单元、调差单元、综合放大单元和移相触发单元。
2.3.1测量比较单元
测量回路控制着整个励磁调节器的调节特性，测量回路的动、静稳态性决定了调节器的调节规律。电压互感器测量到发电机的机端电压，经变压器降压后再经整流电路整流和滤波电路滤波，之后变成与发电机电压成比例的平稳直流电压输出到整定比较环节。
2.3.2调差单元
调差单元的原理：在发电机励磁控制器的测量回路中给定一个与发电机电流成比例的电压，测量比较单元就能感受到发电机电压随无功电流变化，无功电流变化时，励磁控制器会调整发电机的励磁，这样就增大了发电机的调差系数。
2.3.3综合放大单元`
综合放大单元中除了电压偏差信号外还有多种铺助控制信号，该单元对多种直流信号进行线性的叠加再放大。由于电压测量单元输出反应发电机机端电压变化的直流信号比较微弱，不能直接控制功率放大单元（如晶闸管整流桥的触发电路）所以必须要经过中间放大单元进行放大。
2.3.4移相触发单元
基本原理：利用主回路电源电压信号产生一个与主回路电压同步的幅值随时间单调变化的信号（称同步信号），将它与综合放大单元输出的控制信号相比较，在两者相等时形成触发脉冲。移相触发单元包括同步、移相脉冲形成和脉冲放大等几个基本环节。
2.4励磁功率单元
2.4.1整流电路
三相桥式全控整流电路的工作机理。
实际工作状态中需考虑交流侧电抗对整流后直流电压的影响，并且换相也不能瞬时完成。交流侧电感用等效电感Lc表示，电路如图2-2所示。
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图2-2实际三相桥式全控整流电路
假设初始时在d换流点之前T5和T6导通，随后在d点的α角后T5和T1开始换流，因为交流侧电感Lc的存在而流过T5和T1的电流不能突变。流过T5的电流逐渐减小，流过T1的电流逐渐增大，这样T5和T1同时导通，这时T6也导通，这一情况持续到流过T1的电流增大到Id，流过T5的电流减小到0。这期间经历的电角度称为换相角γ。当0<γ<π/3时称整流电压和整流电流关系的外特性为第Ⅰ换相状态。这种状态也是正常的工作状态，在此着重介绍这种状态。在第Ⅰ换相状态下可以分为两个工作区：换相区和非换相区。在换相区，共阴极或共阳极总有两个相邻的晶闸管导通进行换相，另一个原本导通的晶闸管继续导通，这样在换相区就总有三个器件导通。在非换相区，共阴极和共阳极均有一个晶闸管导通，整流桥输出稳定的直流电流。第一换相状态也称为2~3换相状态。
2.4.2控制方式（PID）
励磁控制器的基本控制规律有比例（P），积分（I），微分（D）三种控制方式以及他们的组合。在励磁控制器中广泛采用的是最经典的三者组合，即比例-积分-微分（PID）的控制方式。
比例环节能成比例的反应发电机端电压的偏差，发电机端电压出现偏差时，控制器可马上产生作用，较小偏差，保证发电机端电压恒定，但它有一个弊端就是不能消除稳态误差。
积分控制器可以消除稳态误差，但纯积分控制器的输出信号与输入信号不能保持同步，且响应速度慢，输出变化滞后于输入变化，难以避免扰动的影响，让系统稳定。
微分控制器的输出只和偏差的变化速率有关，与偏差的存在与否无关。微分控制器不能单独使用，它总是和比例或者比例积分控制器组合使用。微分控制器可以减少超调量，提高系统稳定性，加快系统动作速度，较小调节时间。
结束语：晶闸管出现最早，运用在发电机的励磁系统中，晶闸管就是交流励磁系统的核心，它的出现让发电机励磁系统的发展进入了崭新的时代，并且对推动电力电子技术向前发展起着重要作用。现在有很多晶闸管的派生器件，并且性能优良，同时晶闸管的功率比其他电力电子器件的都大，因此在电力系统中晶闸管的地位是无可替代，相信在未来还会出现更多性能优良的晶闸管派生器件，运用在在更多更广的领域中。
参考文献
[1] 刘兴茂，张广溢，励磁调节器SIMULINK仿真，2004
[2] 易先举，邹来勇，水轮发电机组励磁系统的现状及发展，中国电力，2000.6