ABB励磁系统unitol5000技术培训教材
（第一版）
编写：卢贺成李强
河南华润电力首阳山有限公司
2009年5月
第一部分：基本原理和硬件介绍
一、发电机的电磁机理基本说明：
1、应用电磁理论，导体在磁场中切割磁力线产生电动势（电压）：ξ=BLV （B：磁场强度，L：导体长度，V：切割速度）。简单的讲就是：导体在磁场中做切割磁力线运动，就产生感应电动势，当形成闭合回路时，就会感生出电流。
2、对于发电机：转子产生的磁场旋转切割定子线圈，在
定子线圈上产生电动势（电压），如右图，由ξ=BLV可
以理解：1、导体长度L相当于匝数乘单圈长度，固定不
变；2、假定转速不变，切割速度V=Rω也可以理解为不
变；3、电动势（机端电压）只与旋转的转子磁场强度成正
I是励磁电流值，K是综合系数。
4、综上所述可以理解为发电机定子产生的电动势（机端电压）：U=BLV=KI
（K：综合比例系数，I：励磁电流），电动势U与励磁电流I的大小成正比。
5、电动势与机端电压有区别，电动势等于机端电压加定子线圈内阻抗的压降，当发电机空载运行时，定子电流为0，内阻抗的压降也为0，发电机的电动势也等于机端电压，调节发电机的励磁电流，直接作用于调节发电机的机端电压；当发电机并网后，定子线圈与负载组成闭合回路，由于定子两端电动势的作用在闭合回路中产生定子电流，内阻抗的压降等于定子电流乘以内阻抗，机端电压等于发电机的电动势减去内阻抗的压降，向外传递电功率。
6、由电磁理论可知，电流流过定子线圈产生磁场，而定子电流的磁场又反作用于转子上，对转子产生磁场力作用，可以正交分解为定子有功电流磁场力和定子无功电流磁场力2个作用力，其中定子有功电流磁场力对转子的机械扭力起平衡作用，定子无功电流磁场力对转子的转子电流磁场力平衡作用，最终达到平衡状态，下面在发电机的基本原理中将详细讲述。
二、发电机的基本原理说明：
1、发电机的基本原理应用到电磁理论，电生磁，磁生
电，并且电和磁之间又有磁场力的作用，那就是电枢
反应，有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩，无功
电流产生电磁力，不形成电磁转矩，理论比较抽象，
讲起来比较难懂，这里用简单的左右手法则来讲述发
电机的基本原理，首先介绍一下左右手法则。
2、左手法则：确定载流导线在外磁场中受力方向的定则，即
与力有关，又称电动机定则。左手平展，大拇指与其余4指垂直，若磁力线垂直穿过手心，4指指向电流方向，则大拇指所指方向即为载流导线在磁场中受力的方向，如右图。
3、右手定则：主要判断的是与力无关的方向。右手平展，使大拇指与其余4指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把右手放入磁场中，若磁力线垂直进入手心，大拇指指向导线运动方向，则4指所指方向为导线中感应电流的方向，如右图。右手定则还可以判断电流产生磁场的方
向，如右图。
4、判断原则：关于力的用左手，其他的（与力无关，如电流
方向、磁场方向等）用右手定则，简单而形象地记忆法则：“力”
字向左撇，就用左手；而“电”字向右撇，就用右手。
5、转子电流（励磁电流）IL 产生的磁场B1，大小与转子电流IL 成正比，B1 =K1I （常数K1综合比例系数），方向与力无关，利用右手定则，判定方向如图1的B1，⊕代表进入纸面方向，⊙代表出纸面向外方向，以下同，随着转子逆时针旋转，磁场B1也跟着逆时针旋转。
图2图1
定子定子
转子ω
B
I
6、定子线圈在旋转的转子磁场B1内切割磁力线产生电动势，与力无关，应用右手定则，判定电动势方向如图1的Uf，当定子线圈与转子线圈空间垂直（如位置90度或270度）时，如图1位置，切割的磁力线密度最大，感应的电动势数值最大；当定子线圈与转子线圈空间水平（如位置0度或180度）时，如图2位置，运动方向与磁力线平行，不切割磁力线，感应的电动势Uf数值为0。
7、实际上，定子线圈感应电动势的大小与转子旋转角Φ的余弦值有关：即Uf= LRωB1COSΦ（转子线圈旋转角度Φ），其中Φ=ωt，t为时间（秒），以图1为起点旋转。B1=K1I（常数K1综合比例系数）。可以理解为发电机的电动势（空载为机端电压，负载为机端电压加内阻电压）：Uf= LRωK1I COSωt，与励磁电流I成正比，是时间t的余弦函数。
8、在发电机并网之后，在闭合回路中，由感应的电动势Uf带负载R在定子线圈中产生定子电流If，假定电动势Uf固定不变的话，忽略定子线圈的内阻，定子电流If大小与负载（有功功率和无功功率）有关，定子电流的方向与功率因数有关，即电流If滞后电动势Uf的角度即为功率因数角θ，可以理解为定子电动势Uf在转子旋转t=θ/ω后才产生对应的定子电流。即如图1的状态变为如图3。
图3
转子2
转子1
θ
ω定
子定
子
9、定子电流If 产生的磁场B2，由于定子线圈的固有特性，磁场B2的大小与定子电流If 成正比，即B2=K2If （常数K1综合比例系数），方向与力无关，利用右手定则，判定方向如图3的B2，为便于分析，把B2正交分解为相对于转子0度的磁场B2d=E2COS θ（= K2If COS θ）和90度的磁场B2q=E2SIN θ（= KIf sin θ）两个磁场，如图3。
10、B2d 磁场对转子2线圈电流IL 的作用力fB2d （与力有关，用左手法则判断方向如图3），大小与转子电流IL 和磁场B2d 成正比，方向与转子旋转方向相反，稳定状态下B2d 磁场力与转子的扭力fn 平衡。
11、转子电流IL 在两个线圈的电流流向相反，如图3，用右手法则判断转子1线圈电流产生的磁场顺时针方向，并且转子1磁场作用在转子2线圈电流上，用左手法则判断转子1磁场在转子2上的作用力fIL 方向向外，大小与励磁电流IL 的平方值有关，同理转子2电流磁场在转子1上的作用力方向也向外，大小也与fIL 相等，因此转子电流IL 在两个线圈之间产生的力fIL 相斥（如图3方向）。
12、而B2q 磁场对转子2电流IL 的作用力fB2q （与力有关，用左手法则
判断方向如图3），大小与转子电流IL和磁场B2q成正比，方向与转子2
上的转子1作用力fIL方向相反，稳定状态下B2q磁场力fB2q与转子1电流磁场在转子2上的作用力fIL平衡。
13、当调节主汽门大小，只改变了转子扭力fn的大小，励磁电流不变，转子线圈间磁场力fIL的大小不变，由牛顿力的平衡定律，如果保持转速ω不变，转子线圈平面垂直方向受力平衡，磁场力fB2d的大小要改变，但磁场力fB2q的大小不变，即产生磁场力fB2d的大小要改变，由B2d=E2COSθ（= K2If COSθ）可以看出，也就是调节主汽门可以改变定子电流If相对于电动势的If COSθ分量，即有功电流要改变，无功电流（If SINθ）基本不变。
14、相同理论，调节励磁电流大小，转子扭力fn不变，转子线圈间磁场力fIL的大小改变，相应改变磁场力fB2q的大小，由B2q=B2 SINθ（= K2If SINθ）可以看出，也就是调节励磁电流可以改变定子电流If相对于电动势的If SINθ分量，即无功电流要改变，有功电流（If COSθ）基本不变。
15、物理教科书上有关描述：当发电机定子电流与电动势同相位，定子磁
势轴线与励磁磁势轴线互相垂直，称交Array轴电枢反应，定、转子磁场互相作用，
形成电磁制动转矩，发电机从原动机取
得机械能，转化为电能输送出去。当发
电机正常运行于功率因数滞后时，定子
磁势中一部分正好与励磁磁势方向相
反，起直轴去磁作用，当发电机运行于功率因数超前时，定子磁势中一部
分正好与励磁磁势方向相同，起直轴助磁作用。电枢反应的去磁（助磁）
作用将会影响发电机端电压有下降（上升）的趋势，为了保持端电压不变，必须相应地增加（减少）励磁电流。
16、结论：发电机在旋转的转子磁场中发电，把机械能转化为电能，在发电机并网前（空载），调节发电机的励磁电流，作用于调节发电机的机端电压，发电机并网后，调节发电机的励磁电流，作用于调节发电机的无功负荷（无功电流），有功不变，调节主汽门作用于有功功率（有功电流）的变化，与励磁电流的大小无关。
三、励磁系统硬件框图说明
1、励磁系统主要作用是为发电机提供励磁电流，如上图，励磁电流取自发电机G，经励磁变-T02降压和整流柜-EG1-5整流后输出可调的直流电流，经灭磁开关直接送至发电机的转子回路，提供可调的励磁电流。
2、励磁系统主要包括：功率元件整流桥（上图EG1-5）、采样模块（上图MUB）、逻辑编程和计算的主板模块（上图COB）、输入输出控制模块（上图FIO1-2）、脉冲形成模块（上图EG1-5的CIN和GDI）、灭磁（上图Q02）和冷却（上图E01）等回路。
3、励磁系统主要功率调节元件整流桥（上图EG1-5）的原理：如下图（全波整流），整流桥是由6只可控二极管组成的十二桥整流回路，输入三相电源（上图励磁变-T02低压侧电源）。
上图为全波整流（控制角α=0?），在不同的控制角下，输出的电流（励磁电流）也不同，当控制角α<90?时，输出平均电压Ud为正，三相全控桥工作在整流状态，将交流转变为直流，平均电压Ud等于交流线电压在
（-π/6+α）至（π/6+α）的平均值：
ααππωωπ
απαπcos 35.1cos 6
sin 223cos 262166l l l d U U t td U U =?==?++- 当α>90?时，三相全控整流桥工作在逆变状态，整流桥输出平均电压Ud 为负值，即将直流转变为交流。三相全控桥在逆变工作状态时的反向直流平均电压：βββ
cos 35.1)180cos(35.1l l U U U =-?=
对于单相逆变如图: 4、对于励磁系统整流桥（上图EG1-5），在整流状态时，其输出电流I=1.35U/Rcos α=KUcos α，K=1.35/R 是比例系数，当整流桥输入电压（励磁变低压侧电压）基本不变时，整流桥的直流输出电流与控制角α的余弦值成正比，当α角增大时，cos α值减小，整流桥输出电流（励磁电流）也减小，反之亦然；只有在逆变灭磁时α角取135度，大于90度。
5、结合励磁系统的硬件结构原理图（上图），我司励磁系统的主功率回路：发电机输出的电压除了到主变外，还经过励磁变（上图T02），送至整流桥（上图EG1-5），在可控硅的控制角（上图EG1-5的CIN 和GDI 输出控制角）控制下，整流桥（上图EG1-5）直接输出整流后的直流电流到灭磁开关Q02，灭磁开关闭合，直流送至发电机的转子线圈，作为发电机的励磁电流，在灭磁开关后有转子过电压保护F02和R02，在灭磁开关前有起励回路Q03和A03。
6、结合励磁系统的硬件结构原理图（上图），我司励磁系统的采样控制回路：发电机出口电压PT 和电流CT 经端子排直接送至测量模块MUB 采样和计算，送入主模块COB ；励磁变低压侧电压和电流（励磁电流）经端子
排直接送至PSI模块，由PSI模块采集后分别送至EGC和COB，进行采样和计算；控制和信号经端子排直接送至快速输入输出模块FIO1和FIO2，直接送入主模块COB进行逻辑控制；U11、U12、U03、U13为变送器，输出励磁电流和电压；LCP调节器屏面板显示，CDP整流柜面板显示，SPA 手操器，T15整流柜风扇电源，T05控制电源，Q15直流110V主电源，Q25直流110V灭磁开关第二路跳闸电源，G15、G05调节器直流24V电源模块等。
7、励磁系统自动调节其实是一种恒电压模拟量的闭环调节控制系统，调节器测量模块MUB采集发电机的实际机端电压（上图Ug1或Ug2），与设定值比较，根据电压偏差量，计算整流桥的控制角α，送至COB板的脉冲形成模块，产生相应控制角α的触发脉冲，送至整流桥的CIN和GDI 板，进行监测和放大，放大后的脉冲直接控制可控硅，调整励磁功率元件整流桥（上图EG1-5）的控制角α，改变整流桥的电流输出，改变励磁电流，保持机端电压相对稳定。
8、如机端电压低于设定值，调节器计算获得一个负的电压偏差ΔU，使整流桥的控制电压Uc减小，从而使整流桥的控制角α也减小，整流柜的直流输出I=Kcosα，因此整流柜的直流输出电流I增加，使发电机的机端电压升高，直至机端电压相对稳定。
9、反之，机端电压高于设定值，产生正的电压偏差，增加控制电压，增大控制角，减小整流桥直流输出，降低发电机机端电压。
10、励磁系统手动调节实际也是一种恒励磁电流模拟量的闭环调节控制系统，原理与自动调节一样，发电机的励磁电流（上图励磁变低压侧电流-T11和-T13）经PSI模块，送至调节器的EGC板和COB板，采集的励磁实际
电流，与设定值比较，根据励磁电流偏差量，计算整流桥的控制角α，送至COB板的产生相应控制角α的触发脉冲，调整励磁功率元件整流桥（上图EG1-5）的电流输出，保持励磁电流相对稳定。
11、在自动调节中有许多限制器和保护器，主要有定子过流（定子电流）、过励磁（转子电流）、过V/Hz（定子电压）、低励磁（有功功率和无功功率）等限制器和保护器，采集相应的模拟量与设定值比较，产生偏差，具备条件时参与调节控制，如果调节限制未能限制住，超过保护定值，保护器动作，向DCS和发变组保护发报警和跳闸。
12、过励磁电压（转子电压）和转子接地（转子对大轴电压）仅有保护和报警，转子接地一般不投，采集相应的模拟量与设定值比较，产生偏差，超过保护定值，保护器动作，向DCS和发变组保护发报警和跳闸。其他还有冷却系统、整流柜设备、调节器板件故障等自检设备故障报警，设备故障达到跳闸条件向DCS和发变组保护发报警和跳闸。
13、励磁系统设计有灭磁开关和灭磁回路，由远方和就地2种控制方式，远方主要由DCS、同期、A VC、发变组保护等装置。
14、有1套完善的控制回路，控制起励、增减磁、投退励磁和灭磁开关等操作，并有人机接口与设备进行通讯和操作。
四、励磁系统的主要设备（现场都能看到，不再详述）
1、励磁变：油变、测温元件、呼吸器等。
2、整流柜：有可控硅（控制电流）、保险（短路）、阻容保护（保可控硅过压）、霍尔传感器（直流电流测量）、整流冷却风机（散热）、脉冲隔离放大板（脉冲能量）、接口板（测量、脉冲、控制、显示等智能控制）和电流表（故障显示）等。
3、电源转接柜：交流母线接线、起励回路、自用电隔离变压器、同步电源隔离变压器、励磁电流测量CT等。
4、灭磁开关柜：灭磁开关、灭磁电阻、转子过压检测控制板、转子过压可控硅、励磁电流和直流电压测量等。
5、调解器：输入输出接口板、测量板（MUB）、主控板（COB）、后备紧急手动板（EGC）、变送器、电源模块、控制回路等。
第二部分：软件框图和操作说明
一、励磁系统软件框图说明
1、励磁系统调节器主要作用是精确地控制和调节发电机的端电压或励磁电流，它必须是一个快速控制器，不断地计算给定值与反馈值的偏差，在尽可能短的时间内完成调节运算，控制可控硅整流桥的触发角度。
2、调节运算完全由软件实现。模拟量信号和控制量信号由测量单元或开关量输入输出板转换成数字信号后送入控制计算单元。
3、在如下软件框图中，主功率回路：发电机SM出口电能经励磁变送至整流桥可控硅，由可控硅控制后输出直流励磁电流经闭合的灭磁开关送入转子线圈，即励磁电流，产生旋转励磁电流磁场，切割发电机定子。
4、自动（端电压）调节控制回路：发电机SM出口PT经测量模块MUB 测量形成数字量送入自动比例积分微分单元A VR-PID的加法器上，此加法器的另一路输入为机端电压的给定值，与给定值计算后输出偏差值经限制参数选择（10）、PID计算（11）和手自动切换选择（20）后直接输出到门极控制单元（12），按控制角形成触发脉冲控制整流桥输出。
5、自动通道的给定值：由给定操作FIO经运行方式选择送至A VR给定值
单元（1），经给定值积分器（1）累计后送入调差单元的加法器上，此加法器的另两路输入为有功补偿（2）和无功补偿（3）的补偿系数（调差系数），经调差补偿后输出给定值经V/Hz限制器限幅（4）和软起励（5）控制（仅起励时用）后直接送至比例积分微分单元A VR-PID的加法器输入端，与机端实际采样电压进行偏差计算，输出控制电压、控制角和触发脉冲。（上段已讲述）
6、手动（恒励磁电流）调节控制回路：励磁变低压侧电流（励磁电流）经测量模块PSI和MUB测量形成数字量送入手动比例积分单元PI（18）的加法器上，此加法器的另一路输入为励磁电流的给定值，与给定值比较后输出偏差值经手动PI计算（18）、手自动切换选择（20）直接输出到门极控制单元（12），按控制角形成触发脉冲控制整流桥输出。
7、手动通道的给定值：由给定操作FIO经运行方式选择送至手动给定值单元（17），经手动积分器（17）累计后直接送至手动比例积分单元A VR-PID （18）的加法器输入端，与励磁电流实际采样值进行偏差计算，输出励磁电流偏差经手动PI（18）计算，再输出控制电压、控制角和触发脉冲。8、其他两种运行方式：恒无功功率（15）和恒功率因数（16）调节原理与自动调节类似，根据实际采样值与设定值（来自给定操作FIO）偏差，送至A VR给定单元（1）的积分累计，输出控制与自动调节的其他回路公用，输出控制电压、控制角和触发脉冲，控制整流桥输出。
9、自动运行手动跟踪：自动PID的控制电压输出与手动PI的控制电压输出都输入到跟踪单元（6）的加法器上，如果有偏差，如自动5V，手动4V，经加法器（6）计算后偏差1V，此偏差值直接送入手动给定单元（17）的积分回路，在原控制基础上增加1V的控制电压，手动PI输出控制电压增
加到5V为止，此时自动5V，手动也5V，加法器（6）计算后偏差0V，跟踪平衡；相反，如果自动5V，手动6V，经加法器（6）计算后偏差-1V，此偏差值直接送入手动给定单元（17）的积分回路，在原控制基础上减少1V的控制电压，手动PI输出控制电压减少到5V为止，此时自动5V，手动也5V，加法器（6）计算后偏差0V，跟踪平衡。
10、手动运行自动跟踪：与上述跟踪原理一样，手自动控制电压经加法器（6）计算后偏差，直接送入A VR自动给定单元（1）的积分回路，在原控制电压基础上再增加偏差的控制电压，使自动PID和手动PI输出控制电压相等，加法器（6）计算后偏差0V，跟踪平衡。
11、通道1运行通道2跟踪：通道1的控制电压输出（20）送至通道2的跟踪单元（7），与通道2的控制电压输出（20）都输入到通道2的跟踪单元（7）的加法器上，如果有偏差，如通道1为5V，通道2为4V，经通道2跟踪单元的加法器（7）计算后偏差1V，此偏差值直接送入通道2的手动给定单元（17）和自动给定单元（1）的积分回路，通道2的给定值增加，在原控制基础上增加1V的控制电压，经控制方式选择（20）后输出控制电压，再与通道1送过来的控制电压比较，直到加法器（6）计算后偏差0V，通道2跟踪平衡；相反，如通道1为5V，通道2为6V，通道2跟踪单元的加法器（7）计算后偏差-1V，通道2给定减少，输出的控制电压减小，通道2加法器（7）计算后偏差0V，通道2跟踪平衡。12、通道2运行通道1跟踪：与上述跟踪原理一样，两通道控制电压经通道1加法器（6）计算后偏差，直接送入通道1的给定单元积分回路，改变给定值，使两个通道的输出控制电压相等，跟踪平衡。
四、操作说明和应急操作
1、励磁调节器显示屏的操作说明。
调节器显示屏测量显示：在按按钮，显示屏将显示8个模拟量主要在就地外显示屏上查看：在光标处，用上（下）翻键（↑、↓）一条一条地查看所有实时显示量，用快上（下）翻键（↑↑、↓↓）可以快速隔十条查看所在条的实时显示量。
故障及报警信息查看和复归（复归前记录完整报警或故障信息、整流柜信号等）：
在故障或报警时，报警按钮上发光二极管会闪烁，系统会自动显示故障报警信息，第一个故障报警总是显示在第一行，继发故障报警按编号显示在后续行，可以按按钮显示最近的8个故障报警信息，在复归信号之前记录故障信息和5个整流柜电流表上显示的信息。
点按按钮复归信号，如果故障消失了，发光二极管灭；如果故障还存在，发光二极管会常亮；如果再次发生故障，发光二极管会再次闪烁；按解锁键（RELEASE）+就地LOCAL按钮，切换到就地，再按按钮2.5秒以上复归内存的故障报警。
2、励磁系统报警或故障时运行人员现场采取的应急处理：
在DCS或显示控制面板LCP上有励磁报警或故障时，运行人员通知技术部专责同时，首先要尽量准确和详实记录报警故障信息，包括整流柜信息，并进行初步判断是否通道切换、整流柜是否有退出、是否由于柜门未关好报警等。
如果励磁故障进行了通道切换，然后按上述方法进行信号复归，点按
按钮一次，如果复归不掉，再按解锁键（RELEASE）+就地LOCAL
按钮，切换到就地，按按钮2.5秒以上，如果信号复归掉，进行增减磁操作等，检查正常后等30秒以上，再进行一次通道切换，切回原通道运行，再进行增减磁操作等检查，无异常观察运行；如果信号复归不掉，不再进行其他操作，观察运行。按解锁键（RELEASE）+远方RAMOTE 按钮，切回远方，等技术支持部处理。
如果励磁故障有1面或2面整流柜退出运行，首先打开退出的整流柜的柜门或滤网，检查风机是否正常运行，如果风机停运，采取增加风机强制冷却措施后，关好柜门，再按上述方法按解锁键+就地按钮，切到就地，按按钮2.5秒以上复归信号，启动风机，系统恢复正常；如果为其他故障，信号复归不掉或不能恢复运行，不再进行其他操作，只能观察运行，等技术支持部处理。
如果未进行通道切换或整流柜未退出运行，仅报故障或报警，首先判断是否柜门未关好，如仅Start-up blkd extern，146信号，经常由于柜门未关好而报警，检查所有柜门后信号会自动消失，如果其他故障和报警，记录详细报警信息和设备运行状态后，按上述复位方法信号复归一次（直接点按一次，复归不掉切到就地，按按钮2.5秒以上），信号复归掉观察运行，如果信号复归不掉，不再进行其他操作，观察运行，等技术支持部处理。
注：一般不太重要的报警信号，直接点按按钮一次，可以复归；如果重要故障报警信号，必须先按解锁键+就地按钮，切到就地，再按
按钮2.5秒以上，才能复归内存的故障报警信息；如果还不能复归，不能多次或不停地复位操作，切回远方，等技术支持部处理，及时通知热控专业对DCS系统信息进行备份。
第三部分：自动励磁原理详解
首先回顾一下上次讲课中有关主要内容：
发电机由旋转的励磁电流产生磁场切割定子线圈产生电动势，并网后产生定子电流，把机械能转化为电能，向外输出电功率，在发电机并网前（空载），调节发电机的励磁电流，作用于调节发电机的机端电压，发电机并网后，调节发电机的励磁电流，作用于调节发电机的无功负荷（无功电流），调节主汽门作用于调节有功功率（有功电流）。
自并励发电机的励磁电流是其输出的电能经励磁变和整流桥控制整流输出的直流电流，合灭磁开关后送至转子上，如下图。
如上图，自动调节软件框图的控制逻辑，DCS增减磁命令经FIO快速输入，再经自动选择，输入到自动调节给定单元（1），经设定增减磁和积分器累加计算后输出给定值，此给定值经调差系数补偿（有功（2）和无功（3）补偿加法器Σ1计算调整）后经V/Hz限制（4）、软起励（5）再