基于可控硅的自动电压调节器原理解析

卢常胜

摘 要：自动电压调节器在同步发电机中起着十分重要的作用，电压调节器能调整同步发电机的励磁，保证同步发电机输出电压恒定。同时，有无功调差功能，保证发电机并联运行时无功分配均衡。文章介绍电压调节器的技术参数、原理、应用及故障分析，着重从电压测量及调压、PID调节、单晶管移相触发、可控硅主回路及附加回路这几方面详细介绍自动电压调节器原理。

关键词：AVR；发电机；PID；可控硅

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0101-02

自动电压调节器简称AVR，它几乎是现代交流发电机不可缺少的一部分。发电机的电压调整精度、电压可调范围、动态特性以及并联调差特性的获得都与AVR密切相关。自动电压调节器由印刷电路板、变压器和半导体元件封装成一个整体。在正面有一只电位器轴头，用以整定发电机电压，顶部有可控硅散热器和一只整定最佳阻尼的可锁定电位器。具有线路简单、重量轻、体积小、静态电压调整率高、动态性能好等优点。

1 工作原理

电压调节器主要任务是使发电机输出电压恒定，在发电机并联运行时能均衡无功分配，同时电压调节器还兼有自励能力。电压调节器系统框图如图1所示。经负载扰动的发电机电压经测量反馈通道的传递，成为反馈信号Ufk，Ufk与给定信号Ug比较，得到一个差值信号U0，U0=Ug-Ufk，U0经过前向通道放大，并移相触发晶闸管的脉冲，使晶闸管工作并调节励磁电流，从而使发电机电压UG恒定。

发电机系统的电压调节过程如图2所示。

接入并联运行的调差环节，调节过程如图3所示。

电气原理图如图4所示，虚线框内为电压调节器部分，虚线框外由控制屏配置。

电压调节器由以下几部分组成。

1.1 电压测量及调压电路，元件组成

如图5所示，电压调节器是由直流弱电元件组成，对发电机交流较高端电压测量，须经过变压器隔离降压，并整流滤波成直流平滑信号。电压调节器测量电压输入端经变压器B降压后，送入桥式整流组件QL1整流。为使整流后的直流信号更平滑，电路中增加了R2、C1滤波。R3、RP1、R4、R5、DW1组成测量比较桥，通过调节RP1电位器的阻值改变a点、b点之间的电压值，此电压值加至PID放大环节。

1.2 可控硅主回路

如图6所示，可控硅主回路由励磁整流板ZL、管形电阻Rf、可控硅VC组成，采用串联调节方式。调节器的励磁电源由发电机绕阻S1、S2经单相半波整流，通过励磁线圈E1、E2，再经可控硅VC构成回路。可控硅VC的控制端受调节器控制回路的控制。

1.3 单晶管移相触发

如图7所示，移相触发单元的作用是产生相位可调节的触发晶闸管的脉冲，即导通角α随放大单元输出信号的大小而改变，达到自动调压的目的。由于改变RC（R13、C5）的充电时间，使单晶管BT输出的脉冲产生移相，并触发可控硅VC，发电机励磁电流得到调节，使发电机电压保持恒定。

1.4 PID调节

PID调节如图8所示，所得点a、b差值电压加至PID放大调节器（由BG1、BG2、单元及R12、R7、C4、C2、RP2组成）的BG1输入端，信号经放大后，使BG2集电极电位发生变化。从而改变充放电RC电路的R13、C5两端的电压，使发生变化。

1.5 附加线路

附加线路包括同步线路、调节器电源线路及并联运行调差线路。同步即单晶管输出脉冲与可控硅正向电压在时间上同步。电压调节器单晶管的同步信号通过D15从可控硅的阳极直接取得。调节器工作电源由变压器B、整流桥QL2、电阻R18、稳压管DW2、DW3组成，给单晶管、放大单元提供电源。DW2、DW3串联，形成两级稳压，是为了增大移相角度。并联运行调差线路由外部的电流互感器TA、变阻器RP构成。

2 调节整定

RP1为发电机整定电位器。RP1能使发电机空载电压在±5%额定电压的范围内调节并整定。RP1位置在调节器正面。RP2为最佳阻尼（即稳定度）整定电位器，调节并整定RP2能抑制发电机电压振荡，并能得到最佳瞬态指标。如调节RP2时，应从振荡调到正好不振荡（看电压表），再稍微调过头一点，以保持一定的稳定余量，如调得太多，虽稳定，但反应时间会加长，RP2位置在顶部。RP2一旦整定好，以后不必再进行调整。

对于只需单机运行的用户，须用导线短接7、8端子。对有并联运行要求的发电机，其端子出线（7、8）与开关屏的电流互感器H和调差电位器RP相连，电流互感器按下列原则选取，其电流比与开关屏电流互感器电流比一致，当发电机为额定电流时，互感器二次电流约为2.5～3.5 A，可采用5 VA的互感器。互感器的二次电流和方向应满足下述调节要求：当发电机单机在额定负载（COSφ=0.8滞后）时，使W4电阻值从0调到最大，发电机电压能从440 V下降到380 V以下。（如果发电机电压反而从440 V上升到460 V以上，请对换互感器二次端子的两跟接线）。必须强调，互感器必须接在V相。电压调节器端子（1、2、3）必须与发电机端子（U、V、W）相对应，否则并联调差将引起混乱。

3 故障判断

当调节器出现故障后，应首先检查元件有无损坏的现象和痕迹，确认损坏的应更换。调节器如需通电检查，发电机可用他励或用一台确认正常的调节器进行发电。被检查的调节器只与发电机的U、V、W三根引线相接，然后用示波器和万用表进行检查。

调节器在试运行和使用中常见故障有三种：

①不建压；②电压失控；③电压不稳定。

对于第一次或新更换的调节器，如出现上述三类故障，可检查是否由下列原因引起：

①连接到调节器端子上的引线是否正确，有无松动、脱落、断开等现象。

②发电机上的旋转整流器是否损坏。

③发电机的剩磁电压是否太低。

4 结 语

总之，AVR是影响发电机性能的关键部件，发电机出厂时都已调节好，用户一般不需要自己调节，以免影响整机性能。随着电力电子元器件特别是IGBT性能的提高和广泛运用于AVR，自动电压调节器的通用性和可靠性在不断提高，已经达到非常成熟的水平，不同厂家和型号的AVR在很大程度上都能互换。更换AVR时，电位器的位置可参考原来的AVR，如性能欠佳，可稍微调整，直到满意为止。

参考文献：

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[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 王建辉.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2007.