整理WKKL4型说明书Word文档格式.docx
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随着电力系统的发展，发电机单机容量的增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。
除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。
在提高励磁控制系统的可靠性及实现复杂控制规律的控制方面，微机型励磁调节器具有明显的优势。
近年来微处理机发展迅速，应用技术日趋成熟，为微机型自动励磁调节器的开发提供了坚实的技术基础。
目前，在我国中小型同步发电机组中，采用的励磁方式大致有两种：
一种是采用直流励磁机励磁方式，这是一种较为古老的方式，虽然原理简单，但运转噪音高，反应速度慢，故障率高，整流子和炭刷维护困难，而且维修期长，已远远不能满足现代电网对发电机励磁提出的要求，目前已有逐渐被取代的趋势；
另一种方式是以半导体整流器为励磁功率单元，与调节器共同组成的所谓半导体励磁系统。
采用此种方式，使用灵活，反应速度快，便于维修的特点，它已成为同步发电机励磁的发展方向。
而其中全静态自并励以其旋转设备少，可靠性高，响应速度快等被广泛接受。
目前，我国正在生产和使用的半导体励磁装置大多采用七十年代的模拟控制技术，设计线路复杂，元件较多，装置的整体性能不高，调试步骤繁多，参数难以精确整定，且存在无法解决的零漂温漂等问题，维修困难，必须由具有相当专业素质的人员才能胜任这些工作。
为尽快提高我国发电机组的运行水平，满足越来越大的电网对励磁系统所提出的越来越高的要求，我们研制了WKKL-4系列数字式同步发电机励磁装置。
该励磁装置综合运用了同步发电机的现代励磁控制理论，采用目前国际上较流行的数字控制技术及半导体可控整流技术，完全不同于以前采用模拟控制技术的励磁装置。
其主控单元通过对同步发电机的运行参数、运行曲线及特性曲线进行优化处理，达到了对同步发电机运行的最佳控制。
WKKL系列微机励磁调节器是中国电力科学研究院承担国务院重大技术装备办公室的“七·
五”、“八·
五”科技攻关项目研制出来的产品，在国内享有较高的声誉，目前已有两百余套产品在国内大中型机组上安全稳定运行。
WKKL-4型微机励磁调节器是在充分吸收了该系列调节器的优点针对中小型发电机组而专门推出的一种新产品。
它秉承了该系列微机励磁调节器优良的控制算法，高度的可靠性设计的特点，同时将最新的微机控制技术，液晶显示技术加以运用，因而具备了更丰富的功能，更卓越的性能，更友好的界面，特别是更高的可靠性。
一、主要特点：
1.硬件简单、可靠性高
主CPU采用高档16位单片机80C196，调节器的操作逻辑电路，晶闸管的触发脉冲产生电路，机械或电子的电压整定机构都可以简化或取消。
调节器插件板少，加上大部分采用集成芯片，装置可靠性提高。
调节器采用单板拔插结构，便于更换和维修。
2.软件丰富，调节器的大部分功能均由软件实现，包括：
自励方式的同步发电机的起励控制；
控制规律的实现；
各种控制方式的选择及实现；
通道之间和运行方式之间的跟踪切换；
各种保护功能的实现；
在线运行监测和故障诊断功能；
故障录波及事件记忆功能；
软件看门狗
3.独特的抗干扰设计，抗干扰能力强。
4.具有标准的RS232，RS422（或RS485）接口实现远程通讯。
5.采用液晶显示，汉化菜单，数据显示直观明了，信息量大。
6.对于无刷励磁系统，具有旋转二极管监测功能。
7.根据用户需要，调节器可以采用单通道工作方式或双通道主备用工作方式。
二、主要技术指标：
1．装置应保证同步发电机端电压静差率≤1％。
2．调差范围
15％，级差1％。
3．机端电压调压范围
自动：
30％UGN
~110％UGN
手动：
5％UGN~130％UN
其中：
UGN发电机空载额定电压
4．最大和最小控制角设定为10︒和150︒。
5．单通道运行时，也能满足发电机各种运行工况的要求。
6．调节频率不低于150次/秒。
7．晶闸管控制角α的移相范围：
10～150度；
8．晶闸管控制角α的分辨率：
0.012度/位码；
9．A/D转换：
8路输入，分辨率10位；
10．开关量I/O：
16路开关量输入，16路开关量输出，均采用光电隔离；
11．励磁电流调节范围：
10％～130％额定励磁电流连续可调；
12．调节精度：
＜1％；
13．10％阶跃响应：
超调量＜30％，振荡次数小于三次，调节时间小于10秒；
14．调节器输入电气量：
定子电压：
3相
定子电流：
转子电流信号
同步电压信号：
3相；
15．脉冲输出参数：
六相双窄脉冲触发，脉冲宽度100μS，可触发1800A及以
下晶闸管。
16．工作方式：
自动运行或手动运行。
17．装置采用三相全控桥整流输出。
18．装置电源采用双路供电，一路来自于直流蓄电池电源，另一路来自厂用交流电整流。
两路电源经二极管并联运行，互为冗余，提高了装置的可靠性。
19．本装置有完善的自检功能及保护措施，用于保护励磁调节器本身和同步发电机的安全运行。
20．采用标准的RS-232或RS-485串行接口，能实现远程通信。
21．具有故障数据记忆功能，记忆故障前12个周波，故障后6个周波的检测数据，包括机端电压、励磁电流、功率因数、有功功率、无功功率、定子电流、定子电压、三相交流电源电压、脉冲触发角。
22．具有事件记忆功能，按照先进先出的原则记录50组操作信号、故障信号、
保护动作信号发生的时间。
三、励磁系统限制保护功能：
所有附加功能的定值和时间均能在现场进行键盘设定。
1．低励限制及保护；
2．V/Hz限制及保护；
3．过励限制和保护；
4．PT断线保护；
5．误强励检测及保护；
6．失脉冲保护；
7．以上所有保护动作并切至手动运行方式后，故障仍没有消除，则立
即切除故障通道或跳灭磁开关。
四、型号及适用范围
序号
型号和名称
适用范围
1
WKKL—4A型微机可控硅励磁调节装置
60MW以下直流励磁机励磁系统机组
2
WKKL—4B型微机可控硅励磁调节装置
60MW以下自并励静止励磁系统机组
3
WKKL—4C型微机可控硅励磁调节装置
60MW以下三机无刷励磁系统机组
4
WKKL—4D型微机可控硅励磁调节装置
60MW以下二机无刷励磁系统机组
5
WKKL—4E型微机开关管励磁调节装置
第二章工作原理
一、综述
附录1、2、3为WKKL-4系列微机励磁调节器的系统原理图。
调节器的输入电气信号有发电机量测PT电压，仪表PT电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号（9个交流信号）。
直流信号有发电机转子电流及调节器输出电流和反映装置电源电压的信号。
各路信号经各自的信号处理及变换电路对信号滤波、隔离放大，变换成适合于A／D采样的信号。
这些信号送入A／D变换器，由程序控制依次进行模数转换成数字量，存放在存贮器中，供调节器使用。
利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况，励磁系统参数，调节器输出参数等全部信息，如发电机三相电压平均值，三相电流平均值，有功功率P，无功功率Q，转子电流（调节器输出电流），功率因数角，频率，可控硅控制角等供调节器各功能模块使用。
主控室对调节器工作方式的选择，增、减励磁操作，油开关和灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障告警等开关量输出信号是经过光电隔离与CPU接口的。
调节器共有16路开关量输入，16路开关量输出通道。
调节器柜的功率输出部件为三相全控晶闸管整流桥。
为了保证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角a在10~150度之间变化。
调节器中由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通，用可编程定时电路（8253）直接将数字控制量转换成相应控制角a的触发脉冲信号。
150Hz的中断控制程序,计算发电机电压与参考电压之差,并进行PID运算后综合附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角。
两片定时电路8253输出的六个单脉冲，经组合，功率放大形成双窄脉冲经过脉冲变压器隔离去触发晶闸管。
这就是励磁调节器的主调节环。
PID参数的正确选择，将直接影响调节器的静态和动态特性。
调节器中的保护功能模块如失脉冲检测，低励磁限制，过励限制，V/Hz限制，PT断线保护等都是用软件来实现的。
励磁调节器的安装地点环境比较恶劣，电磁干扰相当严重。
对于微机型励磁调节器来说抗干扰能力是十分重要的。
本调节器有独特的抗干扰措施，如调节器控制板核心部件采用双层屏蔽，每个输入、输出电路均采用光电或电磁隔离电路，电源用开关电源隔离等措施，另外还特设硬件、软件自复归电路。
当程序万一在大干扰的作用下跑飞或进入死循环时，该电路将自动复归使程序重新从头开始执行，恢复正常工作状态。
调节器柜的前面设有操作显示面板供人机对话用。
人机界面采用液晶显示，汉化菜单，所有计算机采集到的模拟量值均以有名值显示在液晶显示器上，便于运行人员的监视。
另外开关量输入的实时状态显示，开关量强制输出，控制和保护参数设定，故障录波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实现。
调节器柜的三相全控桥整流电路。
晶闸管可根据发电机的容量选择50A,200A,500A,1000A的快速风冷元件，反峰电压选用2000伏以上的元件，每桥臂一只，冷却方式为风冷。
晶闸管接有阻容保护，快速熔丝保护及过电压吸收部件，熔丝熔断有光牌告警信号。
调节器的工作电源也是独立的，采用开关电源。
输出电压有四种：
+5v、±
15v电源供主机板，运算放大器用；
24VI供脉冲回路，24VII供继电器及操作回路用。
电源采用两路供电：
一路来自蓄电池，另一路来自机端变交流电压整流。
两路电源通过逆止二极管并联运行，任何一路失电，调节器仍能正常工作。
综上所述，本调节器不需要外加的变送器如电压，有功功率，无功功率变送器和任何机械的或电子的电压给定机构，充分利用软件，硬件电路简单，提高了可靠性，便于维护。
二、硬件结构
WKKL-4系列微机励磁调节器的控制回路有以下几块硬件电路板组成，本章对这些硬件电路板的工作原理和功能逐一进行介绍：
主机板（CPU）
（1）CPU
CPU采用INTEL高性能16位单片机80C196,CPU内部含有丰富的资源，包括：
时钟发生器、I/O口、A/D转换器、PWM、串行口、定时/计数器、监视定时器（WATCHDOG）和高速输入/输出接口，由于CPU的高度集成，使装置的接线简单、可靠且功能强大。
（2）存储器扩展电路
由于单片机内部存储器容量较小，无程序存储器，需外部扩展存储器容量，本系统扩展了一片64K的程序存储器EPROM（27C512），一片8K带时钟的非易失性RAM,以及一片串行E2PROM，用以存储各种参数。
（3）串行口
一片MAX232将CPU芯片输出的串行口信号转换成标准的RS232/485电平，用来与上位机进行通讯。
（4）复位电路
（5）译码电路
所有外围扩展电路的片选信号有两片可编程逻辑芯片GAL16V8译出，此外该芯片还完成对时钟信号的分频功能。
（6）总线分离和驱动
外围扩展电路所需的数据和地址线有74LS373进行分离，并对数据线用总线驱动器74LS245进行驱动。
（7）脉冲产生电路（数字移相电路）
主回路整流桥的触发脉冲有两片可编程定时器8253来产生，8253产生的脉冲经过74LS123展宽后，进入脉冲放大板。
（8）脉冲监视电路
8253产生的脉冲由数据线读入计算机，依此来判断丢脉冲的情况。
开关量输入输出板（IOX）
（1）开关量输入电路
本板含有15路开关量输入信号，含远方或就地来的操作命令、开关的辅助节点、装置的电源电压等开关信号。
24VII电源通过开关节点连接到本板的插头上，如图6所示，当节点闭合时，光耦导通，对应数据线上为高电平，由程序读入这些状态。
（2）开关量输出电路
本板含有16路开关量输出信号。
开关量输出电路采用TIL113实现内外电路的电气隔离。
TIL113采用集电极开路达林顿输出，可直接推动小型中间继电器。
继电器线圈一端接24VII正电源，另一端接各路光耦的输出。
光耦芯片的2端经电阻与六反相门74LS06的输出端相连，六反相门的输入端与8D锁存器74LS273输出相连；
锁存器各输入和数据总线D0~D7相连。
计算机将一些运行状态及控制命令通过开关量输出电路送出，其中包括：
运行方式指示、PT断线、V/Hz限制、低励限制、硬件故障、过励限制、跳开关、脉冲消失、可控硅故障等。
（3）电源电压监视电路
±
15V电源和5V电源转换成数字量以便计算机进行电源监视和A/D检测，24V电源作为开关量输入计算机进行监视，同时还有一个用继电器和光耦组成的电源监视电路，当电压太低导致CPU不能工作时，由此电路直接将本通道退出。
模拟量处理板（ANALOG）
（1）定子电压、电流测量
定子电压经过调节器内部的二次PT隔离后，经过整流电路变成直流量，然后由二阶滤波电路对其进行滤波、放大适配到A/D变换量程内。
电流的测量与电压一样，只是二次CT经过取压电阻变成电压信号，以下同电压回路。
（2）转子电流测量
转子电流信号由转子回路里的LEM传感器取得，再对信号进行滤波和放大后送入计算机的A/D转换通道。
（3）电压、电流信号处理（功率因数角φ的测量）
Ubc电压、Ia电流的交流信号经过二阶低通滤波器进行滤波后，再有LM339电压比较器将其变成方波信号，经过单稳态触发器74LS123将方波信号变为脉冲信号，送入主机板的高速输入通道，计算机计算这两个脉冲到来的先后顺序和它们之间的时间差，就可以计算出功率因数角的大小和方向。
（4）同步信号的产生
经同步变压器进入调节器的同步信号Ua、Ub、Uc经过900滤波后，变成方波信号，作为主机板上脉冲产生回路中8253的门控信号。
脉冲放大板（PGC）
主机板产生的六个双窄脉冲，经过光电隔离，推动功率晶体管VL1-VL6，使脉冲变压器接通，24V电源给脉冲变压器原边励磁，副边感应出的电压使晶闸管导通。
如果元件损坏在双脉冲合成功放部分，可以通过晶体管集电极中的发光二极管来判断哪相电路的元件埙坏。
发光二极管在脉冲正常时是亮的，功率晶体管损坏或脉冲变压器断线时，发光二极管不亮，可以作为失脉冲检测的辅助信号。
继电器板（RELAY）
继电器板用于将开关量输出板（IOX）输出的信号进行节点和容量的扩充。
同时有故障信号自保持及复归电路。
操作显示面板（FACE）
主机板的面板作为显示操作面板，显示采用液晶显示，汉化菜单，便于对运行状态的查询和运行参数的现场修改。
控制器机箱结构图
主机箱采用标准插件结构，插件全便于更换和维修，面板上有相应的发光二极管进行信号指示。
功率单元机箱与调节器外形尺寸相同。
控制器机箱结构尺寸图
WKKL-4系列微机励磁调节器的软件设计采用C语言作为开发工具，它具有高级语言的诸多特征以及面向实时控制的风格，使其特别适用于调节、控制程序的开发，编程效率大为提高，功能扩展简单灵活，程序可读性增强，便于用户掌握。
在WKKL-4中，将调节器几乎所有的功能都软件化，从而大大减少了硬件的品种和数量。
主要软件功能如下：
一、主调度程序
主调度程序主要完成下列功能：
（1）初始化处理
在上电复位或者按下复位键，首先进行硬件和软件的初始化，硬件初始化包括对80C196、8253等智能芯片的初始化，软件初始化是指对一些变量置初值，在初始化完成以后，进入主循环程序，在灭磁开关FMK已经合上的情况下也直接进入主循环程序，灭磁开关FMK分时，液晶显示“准备开机-----”。
（2）键盘分析及液晶显示
在程序每个循环周期内，对小键盘进行采样，不同的键按下，对应不同的处理子程序，同时在液晶显示器上显示不同的菜单指示。
通过键盘和液晶显示的配合，可以完成人机对话，包括：
运行参数的实时显示、开关量状态的在线监视、用于调试的开关量强制输出、以及参数修改，事故追忆及故障数据的提取和显示。
二、主控制程序
作为中断服务程序：
主控制程序具有最高的中断优先级，主控制程序每个周波执行三次，主要完成下列功能。
（l）模拟量采集
模拟输入量有发电机测量PT输出电压和仪表PT输出电压以及发电机定子电流（均为三相），另外还有转子电流以及调节器的输出电流等，在主控制程序中进行模拟量的采样。
（2）数据处理
计算发电机电压，有功功率和无功功率等。
（3）调差计算
按照设定好的调差系数和调差极性进行调差计算。
其中：
K为调差系数，Uref为电压参考值，Uref_tiaocha为附加调差电压参考值。
（4）控制规律的实现
按照给定的控制规律和运行参数进行控制量计算。
（5）自动输出操作
在自动运行方式下主控制程序按照控制量计算值执行自动输出操作。
（6）给定子程序，设定发电机在不同的运行工况下的参考电压或参考转子
电流值。
在自动运行方式下，按下置位按钮，在设定的时间内电压给定值
增加到90％额定，并且置位功能闭锁。
（7）保护程序
PT断线
程序将测量到的仪表PT值和量测PT的值进行比较，如果其差值大于较
大值的1/5，则发PT断线信号，运行方式由自动运行切换到手动运行方式。
失脉冲检测
当检测到失脉冲故障后，失脉冲继电器动作面板显示失脉冲信号，同时通
道退出运行。
欠励限制和保护
油开关合闸并且无功功率小于零开始进入欠励限制和保护子程序。
如果bP—cQ＞D1（第I条线），欠励限制，发欠励信号同时闭锁减磁，自动增磁，增磁速度同手动增磁速度。
如果bP—cQ＞D2（第II条线），切手动。
限制和保护线见图。
其中，A点为零有功时，允许进相的无功功率值。
B点允许进相运行的最大有功功率。
D2=1.25D1。
图1低励限制示意图
过励限制
图2过励限制示意图
励磁电流限制采用反时限特性，模拟转子的发热模型ΣI2rt，其容许的过励时间t是随发电机励磁电流的大小而变化的。
如图所示曲线：
过励限制和保护按照下列原则：
（a）转子电流Ifd＞2.2时，瞬时封锁脉冲退出运行；
（b）Ifd＞1.1Ifd＜1.0时计算反时限等效时间：
datg=∑（Ifd2-1）
注:
datg为转子电流反时限积分值
（c）如datg＞面板设定值，切手动运行，并将励磁电流限定在90%额定值，如果仍处于过励状态则调节器退出运行，并在面板和中控发报警信号。
V／Hz限制和保护
V／Hz限制和保护的原则是：
（a）当V／Hz＞（设定值－0.1）倍时，闭锁增励。
（b）当V／Hz＞设定值时，发过V/Hz信号，面板V／Hz故障指示灯亮，励磁调节器转为手动方式运行。
切手动后，如果V/Hz仍然动作，则本通道退出运行。
（c）当频率低于45Hz时，立即退出运行。
误强励保护
对于双通道运行的调节器，对转子电流（对于无刷励磁系统，为输出电流）进行互检，如果发现励磁电流大于2.2倍额定励磁电流，而另一通道过励限制却没有动作时，由本通道直接将运行通道退出，同时本通道自投，即由跟踪方式转为运行方式。
系统自检功能
系统自检功能含存储器校验，电源检测，可控硅故障等，当有故障发生时，发硬件故障信号，同时本通道退出运行。
对于双通道系统，备用通道自投。
故障录波
记录故障前12个周波，故障后6个周波所有采集到的模拟量数据，故障录波的触发量为通道故障退出信号。
当一次故障发生后，检修人员在面板上提取到录波数据后，必须在“事故追忆”>
“数据追忆”菜单下同时按下“MENU”键和“OK”键，以重新启动数据录波。
事件记忆
按照时间的先后记录50组事件发生的时间，包括：
运行操作信号如通道投入、退出；
开关量输入信号，如：
油开关的合、分闸；
以及其它故障信号，如硬件故障等。
（8）起励控制
对于自励系统，由于发电机残压不足以建压，所以必须加装起励回路，当起励按钮按下且机端电压低于30％时，由程序控制将起励接触器闭合，起励回路工作，同时开始计时，当在设定时间内电压达到30％，立即跳开起励接触器，如果超过设定的起励时间，电压仍没有建起。
则跳开起励接触器，同时发起励失败信号。
（9）跟踪切换
手动运行方式时，自动通道实时跟踪发电机电压；
自动运行时，手动通道延时30秒跟踪转子电流（或输出电流）。
两种运行方式之间能进行无扰动切换。
通道之间通过调整跟踪系数，使得两个通道显示的触发角大致相等，当进行切换时，就不会产生很大的波动。
跟踪系数的调整方法如下：
首先调整if系数使得两个通道的IF显示值基本一致，然后调整跟踪通道的跟踪系数，使得面板显示的触发角a与运行通道面板显示触发角a在2度以内即为跟踪正确。
注意每次调整跟踪系数后，延时30秒再进行触发角比较，以躲过跟踪时间。
一、键盘与显示
WKKL-4系列微机励磁调节器采用液晶显示，汉化菜单。
1．
WKKL-4
微机励磁调节器
中国电科院
开机屏幕显示：
2.正常工作时，屏幕显示：
量测PTUG1：
V
给定值REF：
A（V）
励磁电流If：
A
频率f：
Hz
有功功率P：
MW
无功功率Q：
MVar
功率因数cosΦ触发角α
时、分、日、月、年
3.键盘操作及显示说明：
WKKL-4微机励磁调节器键盘共设有六个按键，其功能如下：
ME
升级会员 