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交流发电机的调压方式和原理

 

摘要：AVR是英文automatic voltage regulator的缩写，是三相同步发电机的重要部件。AVR是一种半波相近控制闸流管型的自动电压调节器，是康明斯公司生产的斯坦福交流发电机励磁系统的一部分。除调节康明斯柴油发电机组的电压外，AVR还具有低速和无检测信号保护的功能，以保证对发电机安全可靠的控制，励磁电源直接由发电机输出端导出。AVR电源电路使用的高效半导体保证了由剩磁获得的起励电压。

 

一、调压方式

 

      AVR自动电压调节器是一种密封电子装置，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制主机磁场电流，稳定无刷发电机之输出电压要求，具有低频与无输入信号保护装置。并附有并联补偿功能，符合客户扩增容量需求。其具有电压整定、稳定度调节、F/V频率/电压特性设定、F/V低频保护、F/V电压下降设定、励磁电流限制、并联正交调差（下垂调节）等功能，同时可外接电压微调电位器、功率因数调节器进行控制。并附有并联补偿功能，符合客户扩增容量需求。对电力系统电压和无功功率进行调整的方式。通常有：逆调压、顺调压和常调压三种。

1、逆调压

      考虑到高峰负荷时供电线路上电压损耗大，将中枢点电压适当升高以抵消部分甚至全部损耗的电压损耗的增大；低谷负荷时供电线路上电压损耗小，将中枢点电压适当降低以补偿部分甚至全部电压损耗的减少，有可能满足负荷对电压质量的要求。高峰负荷时升高中枢点电压、低谷负荷时降低中枢点电压的电压调节方式。通常用于供电线路较长、负荷变动较大的情况。

2、常调压

      在任何负荷下都保持中枢点电压为基本不变数值的调压方式。通常适用于负荷变动小、线路上电压损耗小的情况。

3、顺调压

      高峰负荷时允许中枢点电压略低，而低负荷时却略高的调压方式。它适用于允许电压偏移较大的配电网。

 

二、发电机工作原理与调压

 

1、发电机工原理

由于发电机与发动机的传动比是固定的，所以发电机的转速将随发动机转速的变化而变化。柴油发电机组在运行过程中，发动机转速变化范围很大，发电机的端电压也将随发动机的转速变化而在很大范围内变化。发电机对用电设备供电和向蓄电池充电，都要求其电压稳定，所以为使电压始终保持在某一数值基本不变，就必须对发电机的输出电压进行调节。

    AVR与主定子绕组和励磁绕组连接，对输出电压提供精度为±1％的闭环控制。在从主定子获得电源外，AVR还从输出绕组取样电压以实现对输出的控制。AVR根据获得的采样数据控制输出到励磁系统的电流，通过可控硅导通角的调节，把无功功率、功率因数和输出电压控制在一定的范围内。柴油发电机组的AVR接线方式国产和进口机基本一样，只需要连接E＋、E－和U、V相绕组取样电压和零线，根据取样电压与设定电压的误差放大，经脉宽调制，通过可控硅导通角的调节控制输出励磁电流从而调节发电机的输出电压。

 2、调压原理

      由交流发电机的工作原理我们知道，交流发电机的三相绕组产生的相电动势的有效值：Eφ==CeФn（V）。以斯坦福AVR调压板为例，实物图1为型号AS440；图2为型号MX450；图3为型号MX341。

      这里Ce为发电机的结构常数，n为转子转速，Ф为转子的磁极磁通，也就是说交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。当转速升高时，Eφ增大，输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时（空载转速以上），输出端电压达到极限，要想使发电机的输出电压UB不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通Ф来实现。又磁极磁通Ф与励磁电流If成正比，减小磁通Ф也就是减小励磁电流If。

      所以，交流发电机调节器的工作原理是：当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变。触点式电压调节器通过触点开闭，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小晶体管调节器、集成电路调节器等利用大功率三极管的导通和截止，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小。

 

图1  调压板AS440

图2  MX450稳压板

图3  MX341（AVR）稳压板

 

三、AVR的主要功能

 

      以康明斯柴油发电机组为例，其调压板接线图和功能微调旋钮指示分别如图4、图5所示。

（1）分压器和整流器占发电机输出电压的一部分，并使其衰减。电位分器可由AVR伏特电位器和外部手动微调器(安装时)调节。从下垂CT的输出也被添加到这个信号。整流器将交流输入信号转换为直流，以便进一步处理。直流机添加模拟输入信号传感信号。

（2）放大器(Amp)将感应电压与参考电压进行比较，并放大差分(误差)，为电力设备提供控制信号。坡道发电机、液位检测器和驱动程序无限控制功率控制装置的传导周期，因此提供了在指定范围内维持发电机电压的激励系统。

（3）稳定电路提供可调负反馈，以保证控制系统的稳定状态和瞬态性能。

（4）同步电路用于保持低斜坡发生器和赫兹发生器波形周期的探测器锁定。

（5）低通滤波器可防止失真波形影响AVR控制电路的运行。短路检测器检测发电机输出端存在短路，并迫使功率控制装置完全导通。这仅发生在AVR从辅助绕组供电时。功率控制装置根据放大器产生的误差信号来改变励磁电流的大小。

（6）抑制元件包括防止亚周期电压尖峰损坏AVR元件，并减少发电机端子上传导噪声的数量。

（7）过励磁检测器持续监测励磁机的励磁电压，并提供信号，如果在指定的时间周期内持续存在励磁状态，则会使输出电压崩溃。

（8）电源提供用于AVR电路所需的电压。

 

图4  康明斯发电机组AVR调压板接线图

图5  康明斯发电机组调压板调整旋钮功能指示图

 

四、AVR控制的调整

 

1、电压调整

      发电机的输出电压设置在工厂出厂前完成，但可以通过仔细调整AVR板上的电压控制，如需安装或可由外部手动微调。如果需要进行重大调整或失去稳定性，请遵循“电压设置”。如果手动微调端口1和端口2将短路。La和Lb的终端连接只用于特殊的低电压应用。

注意：不要增加额定发电机电压以上的电压。如有疑问，请参阅安装在发电机外壳上的等级板。切勿将手动微调端子接地，因为这些终端可能超出了地电位。否则可能会导致设备损坏。如果替换的AVR已经安装或重新设置了电压调整，在运行发电机前，将电压控制完全反顺。

2、电压设置程序

      主要用于调整和更换AVR。阅读并理解这个程序，然后再动手尝试。

（1）工作在运行发电机之前，将电压控制完全逆时针旋转。

（2）将远程电压调整器(如果安装)安装到中途位置。

（3）将“STABILITY ”控制转向中间位置。

（4）连接一个合适的电压表(0-300v ac)。

（5）启动发电机组，并在额定频率上无负载运行，例如50-53hz或60-63hz。

（6）如果发光二极管(LED)亮起，请参阅下面的频率滚下(UFRO)调整。

（7）请小心地顺时针方向旋转电压控制，直到达到额定电压。

（8）如果额定电压存在不稳定，请参考稳定性调整，必要时再调整电压。

（9）电压调整现已完成。

3、稳定性调整

      AVR包括一个稳定或阻尼电路，以提供良好的稳态和瞬态性能的发电机。提供了一个开关，以改变稳定电路的响应，以适应不同的框架大小的发电机和应用。该表显示了可用的选项。稳定调节的正确设置可以通过在没有负载的情况下运行发电机来找到，并且在发电机电压开始不稳定之前，缓慢地逆时针旋转稳定控制。从这一点(即机器电压稳定但靠近不稳定区域)，最优或临界阻尼位置是顺时针的。在频率下滚下(UFRO)

（1）调整

      AVR集成了一个低速保护电路，当发电机速度低于一个被称为“knee”点的可预设置阈值时，该电路提供电压/赫兹特性。红色发光二极管(LED)给出指示，UFRO电路操作。UFRO调整预置和密封，只需要选择50或60Hz使用跳线连接。对于最佳的设置，LED应该照射到低于标称的频率，即在50Hz系统上的47Hz或60Hz系统上的57Hz。

（2）DROOP的调整

      为并联运行的发电机配备了一个正交的下垂的ct，它为AVR提供了一个依赖于功率因素的信号。在AVR上，cot与S1S2相连。正常情况下，在全负荷零功率因数下，DROOP的调整通常是预先设定的，使5%的电压下降。顺时针增加的数量比较温度信号注入了AVR和增加下垂滞后功率因数(因为0)。完全逆时针控制，没有DROOP。

（3）修剪调整

      模拟输入(A1A2)连接到功率因数控制器或其他设备。它被设计成接受直流信号高达±5V。

注意：任何与此输入相连接的设备必须完全浮动，并从地面上以电流隔离，具有500vac的绝缘性能。未能遵守这可能导致设备损坏。

      应用于此输入的直流信号增加了AVR传感电路。A1连接到AVROV。正的A2增加。A2的负电荷减少。微调控制允许用户调整输入的灵敏度。在完全逆时针的情况下，外部应用的信号没有效果。顺时针有最大的效果。当使用功率因数控制器时，正常设置是完全顺时针的。

（4）过励(EXC TRIP)调整

      设置调整是固定的，并且不可修改。一般在LED上显示过励磁条件，也表明在运行。发电机必须停止，以重新设定一个励磁状态。

 

总结：

     康明斯公司生产的斯坦福发电机系列自动电压调节器是半波晶闸管相控型AVR和形式的一部分，用于无刷发电机的励磁系统。该设计采用了表面贴装技术(SMT)的高集成度的特点，占地面积小的AVR。通过在AVR的电源电路中使用有效的半导体来确保从剩余电平积累的正电压。电源和电压检测电路具有独立的端子，如果需要持续的短路性能，可以直接从定子绕组获得励磁功率，或者从辅助绕组获得励磁功率。

      斯坦福AVR电压传感终端连续采样输出绕组用于电压控制目的。为了响应这个采样电压，AVR控制供给励磁机磁场的功率，因此主磁场保持发电机输出电压在规定的范围内，补偿发电机的负载、速度、温度和功率因数。

 

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