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ex2100励磁系统说明资料

GE技术规范

EX2100MB

多桥励磁系统

第一章第四节

参考文献

GEH-6414配置EX2100励磁控制的控制系统工具箱（PDF）

GEA-S1028EX2100励磁控制销售简介（PDF）

GEH-6632EX2100数字式励磁装置用户指南

GEH-6633EX2100维修，零件更换，故障处理指南

1.前言

EX2100励磁系统是GE的最新的控制技术发展成果，可用于汽轮发电机、燃气发电机和水力发电机的新建和改造工程。

GE公司在最近的40年中，在70多个国家已经提供了6000多套静态励磁系统。

EX2100是GE的第三代数字励磁系统。

这种励磁系统提供的主要优点是：

●在更快的响应，更好的调节，和没有热漂移等方面的性能都得到了改进。

●在通电时自检测，故障显示，和广泛的整流桥监测等方面有更好诊断技术。

●更高的可靠性。

●保护性能得到了改进。

●以生动图表（屏幕显示）改进了用户界面，更便于查看运行中的系统信息。

EX2100可以有几种配置，为全静态励磁系统提供实用的灵活性。

这些系统可用于电势源（只有电压），或复合源（有电压和电流）。

EX2100的硬件包括一个控制块，电源块，用户界面子系统，操作员界面屏，控制电源输入模块和功率整流模块。

功率整流模块是由整流桥界面子系统，功率整流桥，交流和直流过滤网络，和交流和/或直流隔离设备等所组成。

EX2100支持EthernetTM以太局域网（LAN）与以下设备进行通讯：

●控制系统工具箱（TOOLBOX）

●MarkVI汽轮机控制系统和采用以太网全球数据（EGD）规约的HMI（人机接口）。

●静态启动器

●GEOnSiteTM远程诊断中心

在没有HMI的人机接口的情况下，EX2100也可以支持一个RS-232，或以太网ModBus接口，接到用户的DCS（分布式控制系统）。

EX2100含有一个强大的诊断系统和一个控制模拟器，以支持快速安装，控制参数的调整和进行人员培训。

在下一页中的图1是一张简化的单线图，它说明一个典型的EX2100MB系统。

本建议是秘密的提供给买方作为评估用，其内容是GE公司的专利。

当接收本文件时，买方同意，除买方组织内必须对它评估的人员之外不泄漏它的内容。

在没有GE的事先的书面同意，本文件不能被复制。

本文件中所列设备是以初步设计为基础，在最终完成设计时，将会有所改变。

根据GE的书面要求，本文件将收回。

5极隔离开关为选项.

图1.EX2100MB多桥励磁系统典型单线图

1.1多桥励磁系统概况

EX2100MB是一种数字式，电势源的静态励磁系统，它采用了最新的硬件和软件科技成果，为满足用户和运行的需求，该产品具有完整的控制和保护功能。

EX2100可以配置多达4个三相全波的可逆变的可控硅整流桥，为主交流发电机的励磁绕组提供励磁功率。

所有的控制和保护功能都是由系统软件来完成。

它没有移动部件。

例如在老式励磁系统中的由电动机操作的整定器。

数字技术结合GE的超过45年的静态励磁设计经验，使得EX2100具有99.98%的可用率。

EX2100MB的基本配置是由冗余的控制器和与之相连的多个整流桥（或称为功率变换模块PCM）所组成。

冗余的控制器设计为M1,M2和C。

在基本的系统中，控制器M1被称为Master1（主站1），控制器M2被称为Master2（主站2），而控制器C被称为主站监视器（MasterControlMonitor），并由它决定是否应当进行主站的切换。

由于M1或M2都可以是工作的主站（Master），而C是主站监视器（Monitor），发电机电压和电流的测量信号都被连接到这三个控制器中的每一个。

工作中的主站（Master）承担整个励磁系统的控制工作。

备用的主站在功能上与工作中的主站是相同的，只是在备用状态下，它不对可控硅整流桥发送任何触发命令，它的自动电压调节器（AVR）回路不停的跟踪发电机的端电压，而手动电压调节器（FVR）则跟踪发电机的励磁电压。

这样做是为了保证从某一主站到另一主站的平稳切换。

在工作主站和备用主站中，AVR之间和FVR之间分别进行自动跟踪。

由于这种冗余的配置，当一个主站（Master），或一个监视器（Monitor）故障而退出运行时，该励磁系统可以继续工作。

当有在线（On-line）维修选项时，故障的控制设备可以拆下来，进行修理后，再转为在线（On-line），而不必使整个励磁系统停运。

采用在线（On-line）维修选项，每一个整流桥（PCM）/控制器（Controller）都有一套手动的隔离装置，可以隔离该装置的交直流电源。

2.EX2100的额定值和硬件说明

该励磁系统的连续输出电流是_____ADC,连续输出电压是____VDC，其强励能力为发电机额定励磁电压的_____倍。

2.1遵守的规范

EX2100是按表1所列的标准的约束和条件来设计和执行的。

表1EX2100遵守的规范

ANSI/IEEE标准

421.1同步电机励磁系统的标准定义

421.2励磁控制系统的动态性能的标识，测试和评估导则

421.3同步电机励磁系统高电压试验的要求

421.4励磁系统规范的准备导则

421.5励磁系统关于系统稳定研究推荐的方法

C57.12.01干式配电和电力变压器的一般要求，包括固态浇注和/或树脂灌封的绕组

C57.110提供非正弦负荷电流时确定变压器容量推荐的方法

C57.116直接与发电机连接的变压器的IEEE导则

C37.90.1保护继电器和继电保护装置的冲击耐受能力（SWC）试验

C57.18.10半导体电力整流变压器的要求和操作规程

其它标准

UL508A工业控制设备的安全标准

UL50BC功率变换设备的标准

CSA22.2NO.14工业控制设备

UL796印刷电路板

IECEN55011工业设备的辐射

IECEN61000-4工业设备的抗干扰性

通用建筑法规（UBC）地震法规2312节第4部分

NFPANEC（国家电气法规）

CEL加拿大电气法规`

2.2环境规范

GE的EX2100数字式励磁系统是按室内工业环境中运行的条件来设计和制造的。

表2列出了EX2100的环境限制。

表2EX2100的环境限制

温度/湿度

最低温度------------------------------------------------0℃

最高温度--------------------------------40℃

最大温度变化率--------------------------0.1℃/min

最大相对湿度----------------------------95%（不结露）

最大相对湿度变化率----------------------1%/min

气体：

腐蚀性气体在40℃和相对湿度为50%时的最大浓度（按照EN50178:

1994A.6.1.4节A.2（m）表）

二氧化硫（SO2）----------------------------30PPB

硫化氢（H2S）---------------------------10PPB

氮雾（NOX）-----------------------------30PPB

氯（Cl2）-------------------------------10PPB

氟化氢（HF）----------------------------10PPB

氨（NH3）-------------------------------500PPB

臭氧（O3）------------------------------5PPB

微粒

微粒的大小对下列物质为10-100µm

氧化铝墨水

沙粒/沙土尘埃水泥

棉绒金属氧化物

煤/碳尘埃纸

煤烟

地震

通用建筑法规（UBC）---地震法规2312第4部分

震动

0.075mm振幅，10Hz-57Hz；1G57Hz-150Hz,正弦运动

最大1.0G水平，0.5G垂直@15-120Hz

海拔

正常运行：

<3000ft.（101.3-89.8kpa）

扩展运行：

3000-9999ft.（89.8-69.7kpa）

运输：

15000ft.最大（57.2kpa）

2.3外壳

图2提供了一张典型的3桥EX2100MB励磁装置的平面布置图。

该励磁装置是按NEMA1/IP20单独直立。

室内型楼板上安装的金属柜。

该励磁装置是由多个金属柜用螺栓连在一起。

交流和直流回路的进出线连接可以是从顶部和/或底部。

连接到整流变（PPT）的交流回路，和连接到励磁绕组的直流回路，可以用母线或电缆。

推荐采用母线。

该设备是按运行于环境温度范围为0-40℃而设计的。

每一个柜子是由刚性，自立，封闭的盘所组成，带有全高的门，以便于接近内部的设备。

某些柜子要求后面可以打开，其它的屏的背面不可以打开。

每一个门配有适当的把手，三点门栓，并备有锁。

整流桥的门和电源辅助柜没有设把手，而是用螺栓固定，以满足法规的要求。

门的外表面的标准颜色是ANSI-70（浅灰）。

外壳前面的最小间距是915mm，以便于门的打开和风扇的维修。

EX2100MB柜的高度是2650mm，柜顶的最小间距是153mm。

以便于空气的排出（推荐采用306mm间距）。

图2三桥EX2100MB的平面布置

2.4控制模块

控制模块（图3）是一个机箱和总线板，总线板用于与I/O板的连接。

该机箱根据M1,M2,C三个控制站的需要，被分为三个独立的供电区。

每一个控制站由控制板和I/O处理器板组成。

一个单一的控制器，如下所示，仅包含一个M1控制站。

一个冗余的控制器包含所有三个控制站。

控制器的设备最多为5块电路板：

●主处理器板（ACLA）

●数字信号处理器站（DSPX）

●IS总线通讯板（EISB）

●二个I/O板（EMIO和ESEL）

这些板都是通过VMK总线板相互连接起来，并用电缆连接到与它们相对应的的I/O端子板上。

图4是典型的EX2100的通讯情况

图3EX2100的控制模块

图4典型的EX2100通讯

2.5冗余的控制系统

EX2100MB在应用中的可靠性是由冗余的控制系统所保证的。

这种冗余的控制系统有三个控制站和三个冗余的电源，每一个电源用于一个控制站。

这三个电源架也有三个接地监测模块。

图5所示三个EDCF（励磁直流反馈）板，如果需要，它也可以有三个EPCT（PT和CT接口）板。

为了与汽轮机控制和人机接口（HMI）的通讯有冗余，用两根以太网电缆连接到ACLA控制器（一根接到M1，另一根接到M2）。

两个键盘如图示接到M1和M2。

冗余的控制功能所提供的冗余的主站，与冗余的可控硅整流桥相结合，显著的提高了系统的可靠性。

如果工作中的（ACTIVE）主站故障，主控监视器（C-Controller）将自动地把控制器切换到备用的（BACKUP）主站上运行。

运行人员可以选择M1或M2的任何一个作为工作的主站。

由于整流桥的（n+1）冗余，和建立在励磁系统中的控制的冗余，本励磁系统在任何一个整流桥或任何一个控制主站退出运行时，能够提供满负荷电流和过负荷运行。

（满负荷运行为110%额定励磁电流,过负荷运行为_____%额定励磁电流运行____秒）

2.6在线检修特性（选项）

每一个整流桥（PCM）/控制器（Controller）模块都有一套手动的隔离装置，可以隔离该装置的交直流电源。

这个特性可以保证对故障进行检修并恢复运行而不必停机。

图5典型的冗余控制

2.7功率整流桥

EX2100MB数字励磁系统中的多个三相全波、可逆变晶闸管整流桥（SCR）被用作标准的功率转换模块。

图6表示一个典型的EX2100MB系统（只表示一个整流桥）。

为得到最佳的性能，该可逆整流桥提供正向和反向强励电压。

正向和反向顶值电压在25毫秒以内达到。

在甩负荷和灭磁过程中，反向强励电压能提供快速灭磁。

每一个晶闸管桥都有晶闸管保护回路，例如阻容保护、过滤器和快速熔断器（如图6所示）。

电感线圈设置在整流桥的交流桥臂中，以保证多桥之间的均流。

阻容保护是从每一个可控硅元件的阳极接到阴极的RC回路。

可控硅元件的阻容保护、交流侧的阻容保护，以及线路中的电感线圈，结合起来完成以下功能，以保证整流桥的正常运行。

●限制通过可控硅元件的电流变化率，和提供一个电流“储存处”，以利于起始导通。

●限制跨于可控硅元件上的电压变化率，并在可控硅元件的换相过程中，限制可控硅元件上出现的反向电压。

对于本工程的应用，按照规范要求，强励顶值电流是_____%的额定励磁电流，持续____秒，强励顶值电压是______%的额定励磁电压。

图6典型的SCR回路

2.8直流磁场断路器

直流磁场断路器是装在晶闸管桥输出正极，它布置在EX2100MB装置的DC进线柜中（DCEntry）。

2.9励磁装置的电源模块

励磁系统的电源模块（EPSM）将由励磁系统配电模块（EPDM）来的125VDC变换为励磁系统的控制系统机板所要求的电压。

图7表示的是在典型的冗余控制系统中的EPDM和EPSM的配置。

EPSM板有二个主要部分：

其一是分段调节器（BUCKREGULATOR），它接受125VDC的输入，并供给一个多分接头切换的隔离变压器的原边。

其二是变换部分，它产生+5，+15，-15，24，和70VDC电源输出。

EPBP电源总线板被用于安装和分配EPSM板的输入和输出，并安装电源接地检测模块。

每一个控制站M1,M2,C都有一个独立的电源模块。

这些模块布置在一个电源板中，安装在控制屏中控制机箱的下面。

控制机箱的总线板（EBKP）卡住这些控制板，并由EPSM提供+5，+15和+24VDC电源。

电源也提供给EBKP以外的如下模块。

+24V用于灭磁模块，Crowbar（短接器）模块（可选项），接地监测器和励磁电压/电流反馈模块（EDCF）。

单独的+70VDC接到EXTB和ECTB板上的接点的一端。

EPSM是一种6U（6个单位）VME型式的机板。

其总线板上的连接器P1和P2将电源从电源板接到箱内，然后由其上的电缆将电源送到励磁控制系统机板的总线板（EBKP）上。

图7典型的冗余控制电源配电模块接线图

2.10励磁装置的电源

控制电源可以从一个125V直流电源和一个或二个交流电源获得。

交流电源通过一个外部的ac/dc变换模块后，所得到的125Vdc通过二极管隔离与其它直流电源结合起来，在EPDM板上构成总的直流电源。

该电源向控制模块和门脉冲放大器板供电。

EPDM板的输出都设有熔丝，通过开关，并有LED状态指示灯。

整流桥冷却系统用的交流电源，是经过布置在励磁系统中的断路器引来。

2.11灭磁模块

灭磁装置的功能，是在停机时消耗发电机磁场中的能量。

从控制器、磁场断路器和励磁过电压来的信号，都可触发一个可控硅，该可控硅与一个放电电感线圈（或者电阻）相串联，为灭磁和抑制过电压提供一个放电通路。

2.12屏体加热器

屏体加热器保持外屏内的温度至少比环境温度高5℃，以防止结露。

该加热器由厂用交流电源供电，加热器的额定电压为240VAC，以获得最大的可用率。

2.13轴电压抑制器

轴电压抑制器限制将转轴对地电压（由晶闸管换流所引起的）限制到小于7V（峰值对零）。

轴电压若不能有效地控制，可能损伤油膜和轴承。

轴电压抑制器是励磁装置的一部分。

2.14起磁装置

在顺序启动时，起磁装置为发电机的转子绕组提供大约15%到20%的空载励磁电流，起磁电源为380VAC。

2.15PT和CT隔离开关

这些刀型开关可用于隔离由电压调节器来的PT和CT的反馈信号。

CT的隔离开关都是短路型的，以防止当开关断开时，意外造成CT地开路。

2.16励磁装置接点端子排

ECTB板安装励磁系统输入输出接点端子排，该板有2个跳闸输出接点，供跳机用；4个由EMIO板控制的通用C型继电器输出接点；6个辅助输入接点，接在ECTB板上的70V的电压上。

同时，52G和86G辅助输入接点也有ECTB供电并监测。

在冗余的方式下，70Vdc电源来自M1和M2的电源。

2.17励磁装置端子排

EXTB板安装辅助继电器的输入输出接点和信号处理回路。

EXTB通过EBKP的总线板上的电缆连接到EMIO。

磁场断路器41，起励接触器53A和53B的辅助继电器都安装在这块板上，再加上跳闸继电器的41T和灭磁继电器KDEP的辅助继电器。

从EDEX板来的灭磁的状态信号都在EXTB板上进行处理，并送到EMIO。

3个由41，53A和53B来的输入接点，都接在EXTB板上的70Vdc电压上。

接点的电源来自M1和M2的冗余电源，而结果的状态信号都被送到在控制机箱中的EMIO板。

为了控制励磁回路中的磁场断路器，EXTB可以有不同的组合。

2.18控制人员接口（COI）（选项）

作为选项,可提供一个

（1）控制人员接口（COI）。

COI为发电机励磁装置提供方便的彩色的触摸屏接口。

COI的某些特性，包括以下各项

●一个触摸屏PC

●内含WindowsNT4.0

●EGD数据通讯

●硬件，生产软件的配置在交货运输以前

●正式要求的屏幕的生成和下载通过工具盒经以太网进行

屏幕中的一个页面如下所示

2.19Versamax远程I/O控制部件

Versamax提供进入EX2100系统I/O的多种形式。

每一个现场控制功能块是由一个母线接口单元（BIU），多达4个现场端子排，8个现场I/O模块所组成。

应用Versamax控制模块和EX2100，系统可以设计得准确地满足你的应用中的需要，并且当你的应用需要改变时，该系统可以很方便地升级。

2.20电力系统稳定器

PSS对自动电压调节器提供一种附加的输入，以改善电力系统的动态性能。

许多不同的量可以用于PSS，就如轴的转速，频率，同步发电机的电功率，加速功率，或者是这些信号的某种组合。

在EX2100中提供的PSS，是一种多输入系统，它采用同步发电机电功率和内部频率（它近似于转子速度），以得到一个与转子转速成正比的信号。

这是从加速功率的积分而得出来的，但是其轴系扭振信号已大大的削弱。

要实现PSS要求三相PT和二相CT都接到EX2100。

3.EX2100的软件功能

3.1概述

EX2100软件是为了获得高性能而设计的，而其结构安排则是为了便于用户和现场工程师理解、安装、试运行、调试和维护本励磁系统。

下面软件功能框图所示的各部分表示了主要的软件功能。

3.2软件变送器

精巧复杂的软件变送系统集成于高性能的EX2100系统中。

发电机的电压互感器（PT）和电流互感器（CT）是自动调节器、大多数限制器以及保护功能所需的控制信号源。

该系统同时对交流波形进行高速采样，并且软件中采用先进的数学计算方法，产生所需的各种数字式变量。

软件变送器系统的输出包括以下各项：

•发电机电压

•发电机有功电流（相有功功率的平均值）

•发电机无功电流（相无功功率的平均值）

•发电机频率（电流）

•滑差（表示转子转速变化的信号）

变送器系统使用上述输出，再计算出以下各项：

•发电机的有功率和无功功率

•发电机磁通量的数值（V/HZ）

•相角和功率因数

•自动调节器给定值（AUTOREF）

3.3自动电压调节器（AUTOREF）

本功能提供发电机端电压的自动控制在0.10%范围内（从空载到满额定负载）。

控制范围的限制一般是70%-110%的额定电压。

其上限和下限可以调节。

本功能块为自动电压调节器（AVR）产生给定值。

操作员的命令（增磁和减磁）可直接输入，或通过数据通讯从某一HMI操作员站、电厂的DCS、远方调度系统输入。

本功能块可以设置上限和下限值、预置和增磁/减磁的速率。

3.4手动调节器参考值（MANUALREF）

本功能块为手动电压调接器（MVR）产生给定值。

操作员的命令（增磁和减磁）可直接输入，或通过数据通讯从某一HMI操作员站、电厂的DCS、远方调度系统输入。

本功能块可以设置上限和下限值、预置和增磁/减磁的速率。

3.5自动和手动给定值跟踪（TRACKING跟踪）

这些软件的功能是，调整非工作的调节器的输出，以自动地跟踪工作中的调节器。

也就是说，当自动调节器正在控制发电机时，手动调节器跟踪。

而当手动调节器正在控制发电机时，自动调节器跟踪。

这就实现了，当从某一调节器切换到另一调节器时的平稳过渡。

3.6励磁装置AVR的给定值（EXASP）

励磁装置AVR的给定值功能块在综合一系列功能后形成一个给定值，输入到AVR，其变化则支持调节器的跟踪。

从该功能输出的给定值是以下各项的总和：

•从PSS功能块来的稳定信号

•AVRREF（AVR参考值）功能块的输出

•从UEL（低励磁限制）功能块来的限制信号

•从RCC（无功电流补偿）功能块来的输出

•发电机频率和电压相结合而构成的V/HZ限制器信号

•外部测试信号，如白噪音和阶跃信号的输入

3.7低励磁限制器（UEL）

UEL是一种辅助的控制，以限制自动电压调节器低励时的无功电流。

UEL防止励磁电流降低到低于小信号（静态）稳定极限，或者定子铁芯端部发热极限。

UEL的工作区域确定在发电机容量曲线上。

3.8无功电流补偿（RCC/ARCC）

无功电流补偿（RCC）（或并联运行）模式，使得并联运行的发电机之间可以按比例分配无功电流。

当运行于有功无功电流补偿（ARCC）模式时，可以按远离发电机端的某一点的电压来调节，以补偿线路压降。

3.9电压互感器熔丝故障检测（PTFD）

本功能将测量的三相反馈电压与PPT（励磁变压器）副边来三相电压进行比较。

如果测量的电压消失，或者它是单相的，这时就会切换到手动调节模式，并提供一个报警输出。

如果整流桥的电源是从某一厂用母线段输入的，则必须提供某种与运行的发电机端电压相关其它的三相电压信号的作为参考。

3.10发电机转子绕组的温度计算

这项功能以转子绕组上的电压除以转子绕组中的电流来测量转子绕组的电阻。

按照已知的25˚C时的转子绕组电阻，和铜导体的电阻随温度线性变化的规律，用运算方法计算其运行温度。

它有一个可调整的高温报警输出接点。

3.11运行人员控制模拟器

励磁系统软件中含有一个精确的发电机模型。

它可以配置成很近似地描述发电机的实际运行状态。

在机组停运时，可以用它进行人员的培训和对调节器、限制器和保护功能进行校验。

3.12电压/频率限制器（V/HzLim）

本功能的作用是按照在EX2100中可编程的整定，限制发电机电压与频率的比值。

该功能使用从软件变送器来的二个输入，即发电机电压和频率的平均值，而且它的V/Hz比值是可整定的。

一般认为，在额定频率时，发电机端电压在额定值的±5%范围内运行是可以接受的。

3.13自动电压调节器（AVR）

AVR的功能是，在负荷和运行条件改变时，维持发电机端子电压恒定。

其偏差值（发电机电压平均值减去由EXASP功能模块来的综合给定值）输入到无差式比例--积分（PI）调节器。

在大多数应用中，在AVR为可用时，AVR控制器的输出是直接控制可控硅整流桥门极触发用的脉冲发生器。

在某些要求有内部闭环调节器的应用中，例如在复合源（电压和电流源）励磁