故障檢查與技術維護

交流發電機的調壓方式和原理

 

摘要：AVR是英文automatic voltage regulator的縮寫，是三相同步發電機的重要部件。AVR是一種半波相近控制閘流管型的自動電壓調節器，是康明斯公司生產的斯坦福交流發電機勵磁系統的一部分。除調節康明斯柴油發電機組的電壓外，AVR還具有低速和無檢測信號保護的功能，以保證對發電機安全可靠的控制，勵磁電源直接由發電機輸出端導出。AVR電源電路使用的高效半導體保證了由剩磁獲得的起勵電壓。

 

一、調壓方式

 

      AVR自動電壓調節器是一種密封電子裝置，通過控制低功率的勵磁機磁場，調節勵磁機電樞的整流輸出功率，從而達到控制主機磁場電流，穩定無刷發電機之輸出電壓要求，具有低頻與無輸入信號保護裝置。并附有并聯補償功能，符合客戶擴增容量需求。其具有電壓整定、穩定度調節、F/V頻率/電壓特性設定、F/V低頻保護、F/V電壓下降設定、勵磁電流限制、并聯正交調差（下垂調節）等功能，同時可外接電壓微調電位器、功率因數調節器進行控制。并附有并聯補償功能，符合客戶擴增容量需求。對電力系統電壓和無功功率進行調整的方式。通常有：逆調壓、順調壓和常調壓三種。

1、逆調壓

      考慮到高峰負荷時供電線路上電壓損耗大，將中樞點電壓適當升高以抵消部分甚至全部損耗的電壓損耗的增大；低谷負荷時供電線路上電壓損耗小，將中樞點電壓適當降低以補償部分甚至全部電壓損耗的減少，有可能滿足負荷對電壓質量的要求。高峰負荷時升高中樞點電壓、低谷負荷時降低中樞點電壓的電壓調節方式。通常用于供電線路較長、負荷變動較大的情況。

2、常調壓

      在任何負荷下都保持中樞點電壓為基本不變數值的調壓方式。通常適用于負荷變動小、線路上電壓損耗小的情況。

3、順調壓

      高峰負荷時允許中樞點電壓略低，而低負荷時卻略高的調壓方式。它適用于允許電壓偏移較大的配電網。

 

二、發電機工作原理與調壓

 

1、發電機工原理

由于發電機與發動機的傳動比是固定的，所以發電機的轉速將隨發動機轉速的變化而變化。柴油發電機組在運行過程中，發動機轉速變化范圍很大，發電機的端電壓也將隨發動機的轉速變化而在很大范圍內變化。發電機對用電設備供電和向蓄電池充電，都要求其電壓穩定，所以為使電壓始終保持在某一數值基本不變，就必須對發電機的輸出電壓進行調節。

    AVR與主定子繞組和勵磁繞組連接，對輸出電壓提供精度為±1％的閉環控制。在從主定子獲得電源外，AVR還從輸出繞組取樣電壓以實現對輸出的控制。AVR根據獲得的采樣數據控制輸出到勵磁系統的電流，通過可控硅導通角的調節，把無功功率、功率因數和輸出電壓控制在一定的范圍內。柴油發電機組的AVR接線方式國產和進口機基本一樣，只需要連接E＋、E－和U、V相繞組取樣電壓和零線，根據取樣電壓與設定電壓的誤差放大，經脈寬調制，通過可控硅導通角的調節控制輸出勵磁電流從而調節發電機的輸出電壓。

 2、調壓原理

      由交流發電機的工作原理我們知道，交流發電機的三相繞組產生的相電動勢的有效值：Eφ==CeФn（V）。以斯坦福AVR調壓板為例，實物圖1為型號AS440；圖2為型號MX450；圖3為型號MX341。

      這里Ce為發電機的結構常數，n為轉子轉速，Ф為轉子的磁極磁通，也就是說交流發電機所產生的感應電動勢與轉子轉速和磁極磁通成正比。當轉速升高時，Eφ增大，輸出端電壓UB升高，當轉速升高到一定值時（空載轉速以上），輸出端電壓達到極限，要想使發電機的輸出電壓UB不再隨轉速的升高而上升，只能通過減小磁通Ф來實現。又磁極磁通Ф與勵磁電流If成正比，減小磁通Ф也就是減小勵磁電流If。

      所以，交流發電機調節器的工作原理是：當交流發電機的轉速升高時，調節器通過減小發電機的勵磁電流If來減小磁通Ф，使發電機的輸出電壓UB保持不變。觸點式電壓調節器通過觸點開閉，接通和斷開磁場電路，來改變磁場電流If大小晶體管調節器、集成電路調節器等利用大功率三極管的導通和截止，接通和斷開磁場電路，來改變磁場電流If大小。

 

圖1  調壓板AS440

圖2  MX450穩壓板

圖3  MX341（AVR）穩壓板

 

三、AVR的主要功能

 

      以康明斯柴油發電機組為例，其調壓板接線圖和功能微調旋鈕指示分別如圖4、圖5所示。

（1）分壓器和整流器占發電機輸出電壓的一部分，并使其衰減。電位分器可由AVR伏特電位器和外部手動微調器(安裝時)調節。從下垂CT的輸出也被添加到這個信號。整流器將交流輸入信號轉換為直流，以便進一步處理。直流機添加模擬輸入信號傳感信號。

（2）放大器(Amp)將感應電壓與參考電壓進行比較，并放大差分(誤差)，為電力設備提供控制信號。坡道發電機、液位檢測器和驅動程序無限控制功率控制裝置的傳導周期，因此提供了在指定范圍內維持發電機電壓的激勵系統。

（3）穩定電路提供可調負反饋，以保證控制系統的穩定狀態和瞬態性能。

（4）同步電路用于保持低斜坡發生器和赫茲發生器波形周期的探測器鎖定。

（5）低通濾波器可防止失真波形影響AVR控制電路的運行。短路檢測器檢測發電機輸出端存在短路，并迫使功率控制裝置完全導通。這僅發生在AVR從輔助繞組供電時。功率控制裝置根據放大器產生的誤差信號來改變勵磁電流的大小。

（6）抑制元件包括防止亞周期電壓尖峰損壞AVR元件，并減少發電機端子上傳導噪聲的數量。

（7）過勵磁檢測器持續監測勵磁機的勵磁電壓，并提供信號，如果在指定的時間周期內持續存在勵磁狀態，則會使輸出電壓崩潰。

（8）電源提供用于AVR電路所需的電壓。

 

圖4  康明斯發電機組AVR調壓板接線圖

圖5  康明斯發電機組調壓板調整旋鈕功能指示圖

 

四、AVR控制的調整

 

1、電壓調整

      發電機的輸出電壓設置在工廠出廠前完成，但可以通過仔細調整AVR板上的電壓控制，如需安裝或可由外部手動微調。如果需要進行重大調整或失去穩定性，請遵循“電壓設置”。如果手動微調端口1和端口2將短路。La和Lb的終端連接只用于特殊的低電壓應用。

注意：不要增加額定發電機電壓以上的電壓。如有疑問，請參閱安裝在發電機外殼上的等級板。切勿將手動微調端子接地，因為這些終端可能超出了地電位。否則可能會導致設備損壞。如果替換的AVR已經安裝或重新設置了電壓調整，在運行發電機前，將電壓控制完全反順。

2、電壓設置程序

      主要用于調整和更換AVR。閱讀并理解這個程序，然后再動手嘗試。

（1）工作在運行發電機之前，將電壓控制完全逆時針旋轉。

（2）將遠程電壓調整器(如果安裝)安裝到中途位置。

（3）將“STABILITY ”控制轉向中間位置。

（4）連接一個合適的電壓表(0-300v ac)。

（5）啟動發電機組，并在額定頻率上無負載運行，例如50-53hz或60-63hz。

（6）如果發光二極管(LED)亮起，請參閱下面的頻率滾下(UFRO)調整。

（7）請小心地順時針方向旋轉電壓控制，直到達到額定電壓。

（8）如果額定電壓存在不穩定，請參考穩定性調整，必要時再調整電壓。

（9）電壓調整現已完成。

3、穩定性調整

      AVR包括一個穩定或阻尼電路，以提供良好的穩態和瞬態性能的發電機。提供了一個開關，以改變穩定電路的響應，以適應不同的框架大小的發電機和應用。該表顯示了可用的選項。穩定調節的正確設置可以通過在沒有負載的情況下運行發電機來找到，并且在發電機電壓開始不穩定之前，緩慢地逆時針旋轉穩定控制。從這一點(即機器電壓穩定但靠近不穩定區域)，最優或臨界阻尼位置是順時針的。在頻率下滾下(UFRO)

（1）調整

      AVR集成了一個低速保護電路，當發電機速度低于一個被稱為“knee”點的可預設置閾值時，該電路提供電壓/赫茲特性。紅色發光二極管(LED)給出指示，UFRO電路操作。UFRO調整預置和密封，只需要選擇50或60Hz使用跳線連接。對于最佳的設置，LED應該照射到低于標稱的頻率，即在50Hz系統上的47Hz或60Hz系統上的57Hz。

（2）DROOP的調整

      為并聯運行的發電機配備了一個正交的下垂的ct，它為AVR提供了一個依賴于功率因素的信號。在AVR上，cot與S1S2相連。正常情況下，在全負荷零功率因數下，DROOP的調整通常是預先設定的，使5%的電壓下降。順時針增加的數量比較溫度信號注入了AVR和增加下垂滯后功率因數(因為0)。完全逆時針控制，沒有DROOP。

（3）修剪調整

      模擬輸入(A1A2)連接到功率因數控制器或其他設備。它被設計成接受直流信號高達±5V。

注意：任何與此輸入相連接的設備必須完全浮動，并從地面上以電流隔離，具有500vac的絕緣性能。未能遵守這可能導致設備損壞。

      應用于此輸入的直流信號增加了AVR傳感電路。A1連接到AVROV。正的A2增加。A2的負電荷減少。微調控制允許用戶調整輸入的靈敏度。在完全逆時針的情況下，外部應用的信號沒有效果。順時針有最大的效果。當使用功率因數控制器時，正常設置是完全順時針的。

（4）過勵(EXC TRIP)調整

      設置調整是固定的，并且不可修改。一般在LED上顯示過勵磁條件，也表明在運行。發電機必須停止，以重新設定一個勵磁狀態。

 

總結：

     康明斯公司生產的斯坦福發電機系列自動電壓調節器是半波晶閘管相控型AVR和形式的一部分，用于無刷發電機的勵磁系統。該設計采用了表面貼裝技術(SMT)的高集成度的特點，占地面積小的AVR。通過在AVR的電源電路中使用有效的半導體來確保從剩余電平積累的正電壓。電源和電壓檢測電路具有獨立的端子，如果需要持續的短路性能，可以直接從定子繞組獲得勵磁功率，或者從輔助繞組獲得勵磁功率。

      斯坦福AVR電壓傳感終端連續采樣輸出繞組用于電壓控制目的。為了響應這個采樣電壓，AVR控制供給勵磁機磁場的功率，因此主磁場保持發電機輸出電壓在規定的范圍內，補償發電機的負載、速度、溫度和功率因數。

 

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