应用集成化器件改造发电机励磁调节系统

2022-10-06

大伙房水库水电厂是沈阳供水水电厂, 发电的同时承担向沈阳市供水任务。装机为400kw×3台, 1993年投产发电。其励磁系统采用FKLI-200/60型可控硅静止励磁装置, 2007年应用集成化器件代替半导体元件的励磁调节系统, 其调节器部分采用集成器件LM324运算放大器构成测量比较整定放大单元;采用集成化器件LM339构成同步数字脉冲控制单元;采用集成化器件NE555构成移相数字触发脉冲单元;采用集成化器件LM317构成三端可调稳压工作电源。

1 调节系统总体结构

调节系统框图 (见图1) 。本文对发电机励磁调节系统中应用集成化器件对测量比较整定, 移相触发、同步控制、工作电源部分进行论述。

2 测量比较整定单元

比较整定电路是测量单元的核心环节, 它的任务是将综合采样信号处理转换成动态电压, 与基准电压信号进行运算后进行比较整定。

采用LM324集成运算放大器, 构成了比例加法器的比较整定电路, 其目的有二, 其一、提高系统的稳定性及抗干扰能力 (温漂、系统扰动、外电路高频干扰、当外电路事故时担负着对系统的保护作用) 、其二、静态耗散功率小, 易构成综合弱信号处理, 输入电压是二极管降, 只有0.7伏左右, 在无备用电源, 可采用蓄电池供电, 利于残压起励。具体电路如图2所示。

其工作原理叙述如下。

从测量整流电路来的电压Uf, 正比于发电机电压UF, 作为加法器的一个输入量, 其基准电压UJ由稳压电源经电压跟随器G2供给, 并连续可调。测量电压Uf反极性后, 与基准电压UJ一同加到比例加法器输入端。其等效输入电压为UJ-Uf经过二极管Z13、U14双向限幅, 作为输入保护, 采用弱信号输入, 在接近零点放大, G1放大后, 输出电压Ub= (UJ-Uf) , 增大了斜率并反向, 这就是集成化器件的比较整定电路的输出特性。改变W2可以得到一系列平行的输出特性及相应的整定电压UZ, 调整电位器W3可以改变放大系数A, 即改变比较电路的灵敏度。

这种比较电路由于其输入电压的特性好, 基准电压UJ稳定, 在不同整定电压UZ下测量比较特性, 均只是左右平移, 具有相同的斜率, 并且电压整定范围相当大, 只要调整基准电压UJ, 就可以获得由零到Umax一系列连续的整定电压, 其目的是使发电机零起升压到最高工作电压。

3 综合放大单元

综合放大单元, 采用集成化器件LM324构成倒相电路, 由于其控制信号来自测量单元, 因而电压偏差信号幅值小、变化缓慢、灵敏度低, 因此, 不能直接控制移相触发单元。本电路完善后, 具有较高的运算精度、快速灵敏、工作稳定、调整方便、易于运算处理综合信号等优点。输出端接有跟随器, 其目的是, 提高运算放大器的带负载能力, 并对前后级的信号干扰起到了隔离作用;输入端接有二极管双向限幅电路, 起到了双向输入保护。

输出电压为:UK=-[ (W5+R9) ÷R8]×UZ-[ (W5+R9) ÷R7]×Ub调节W4和W5, 可得到输出电压Uk符合触发单元的要求。参阅图3具体电路。

4 触发与同步配置

4.1 同步电压

应用集成化器件配置LM339构成过零比较器电路 (见图4) , 其输入电压为Ua-UC及 (以a相同步电路为例) 均由同步变压器引来, 其合成波形 (如图5) , 图 (a) 中Uac。当时Uac=0时, 图中有点A和B, A对应于控制角a=00, 而点B对应a=1800。电压Uac经过二极管Z17、Z18双向限幅, 使综合信号输入到电压比较器的电压为u1, 如图5 (a) 的虚线所示u1是梯形波, 由于是电压过零比较哭电路, 显然, 在理想情况下其阀值UTH=0, 所以, 当u1变化过零时, 输出电压从一个电平跳变另一个电平, 即产生了数字脉冲。同步信号接到比较器的同相输入端, 输出端可得到理想的方波电压u2, 见图5 (b) , 其相位及宽度都满足后一级触发电路的要求。经过多台机组使用并验证, 当发电机电压UF=Ue (1～150) %范围内变化时, 同步方波不改变初始波形, 因此, 该项技术成果, 为发电机励磁系统稳定可靠的工作, 起到了重要技术措施的保证作用。

4.2 振荡电路

应用集成化器件NE555时基发生器构成多谐振荡电路, 电路图如图6所示。

本系统采用预充电配置, 其目的是保证本电路的良好线性关系、为使本系统不受外电路的综合干扰侵入而设计。

预充电工作原理如下。

当接通电源以后, 因电容上电压初始值为零, 所以电源电压充电起始由第一支路W7、R13、Z21和第二支路W8、R14、同时通过Z22向C1充电, 当充电电压等于控制电压Uk时, 第一支路停止充电, 第二支路继续补充充电到UT+=2/3 V c c时, 输出电位跳变为低电平。即产生数字脉冲。由于双支路的充电时间常数甚小, 故充电到所需要的时间, 与总的时间相比极小, 于是, 不同的控制电压, 与对应的时间成比例, 即控制电压与时间成线性关系, 因控制电压与移相角成比例关系 (见图7) 。

放电原理如下:当充电到UT+=2/3Vcc时, 输出电位跳变为低电平, 电容C1经R15开始放电, 当放电到UT-=1/3Vc c时, 输出电位又跳变成高电平, 电容C1重新开始充电, 如此周而复始, 即产生了数字脉冲, 电路不停地振荡, UC与UO的波形如图8 (a) 和 (b) 所示。

为改变输出脉冲的占空比, 利用二极管Z22的单相导电特性, 使充、放电回路各有通道, 即在充电时Z22导通, 放电时Z22截止。这样改变R15, 便可以改变放电时间常数, 即改变脉冲时间, 使之控制可控硅导通时间, 改变导通角大小。

由于第一支路阻值小, 与第二支路共同充电时, 充电时间基本由第一支路决定可见调整第一支路W7, 便可调整amin的位置。由第二支路单独进行充电时, 由于第二支路阻值大, 当Uk=0时, 调整W8便可改变βmin的值。应用集成化器件构成本电路的关键技术, 使其实现静态调试满足动态要求成为现实。