abb勵磁系統unitol5000技術培訓教材
（第一版）
編寫：盧賀成李強
河南華潤電力首陽山****
2023年5月
第一部分：基本原理和硬體介紹
一、發電機的電磁機理基本說明：
1、應用電磁理論，導體在磁場中切割磁力線產生電動勢（電壓）：ξ=blv（b：磁場強度，l：
導體長度，v：切割速度）。簡單的講就是：
導體在磁場中做切割磁力線運動，就產生感應電動勢，當形成閉合迴路時，就會感生出電流。
2、對於發電機：轉子產生的磁場旋轉切割定子線圈，在定子線圈上產生電動勢（電壓），如右圖，由ξ=blv可以理解：1、導體長度l相當於匝數乘單圈長度，固定不變；2、假定轉速不變，切割速度v=rω也可以理解為不變；3、電動勢（機端電壓）只與旋轉的轉子磁場強度成正比，其他基本不變。
3、對於載流導線的磁場：任一載流導線在點 p 處的磁感強度電流i
在直導線周圍p產生的磁場，無限長載流導體的磁感強度：，當轉子本身固有特性不變時，轉子電流磁場在定子導線處感生的磁場強度b=ki，其中，i是勵磁電流值，k是綜合係數。
4、綜上所述可以理解為發電機定子產生的電動勢（機端電壓）：u=blv=ki（k：綜合比例係數，i：勵磁電流），電動勢u與勵磁電流i的大小成正比。
5、電動勢與機端電壓有區別，電動勢等於機端電壓加定子線圈內阻抗的壓降，當發電機空載執行時，定子電流為0，內阻抗的壓降也為0，發電機的電動勢也等於機端電壓，調節發電機的勵磁電流，直接作用於調節發電機的機端電壓；當發電機並網後，定子線圈與負載組成閉合迴路，由於定子兩端電動勢的作用在閉合迴路中產生定子電流，內阻抗的壓降等於定子電流乘以內阻抗，機端電壓等於發電機的電動勢減去內阻抗的壓降，向外傳遞電功率。
6、由電磁理論可知，電流流過定子線圈產生磁場，而定子電流的磁場又反作用於轉子上，對轉子產生磁場力作用，可以正交分解為定子有功電流磁場力和定子無功電流磁場力2個作用力，其中定子有功電流磁場力對轉子的機械扭力起平衡作用，定子無功電流磁場力對轉子的轉子電流磁場力平衡作用，最終達到平衡狀態，下面在發電機的基本原理中將詳細講述。
二、發電機的基本原理說明：
1、發電機的基本原理應用到電磁理論，電生磁，磁生電，並且電和磁之間又有磁場力的作用，那就是電樞反應，有功電流產生電磁力，並形成電磁轉矩，無功電流產生電磁力，不形成電磁轉矩，理論比較抽象，講起來比較難懂，這裡用簡單的左右手法則來講述發電機的基本原理，首先介紹一下左右手法則。
2、左手法則：確定載流導線在外磁場中受力方向的定則，即與力有關，又稱電動機定則。左手平展，大拇指與其餘4指垂直，若磁力線垂直穿過手心，4指指向電流方向，則大拇指所指方向即為載流導線在磁場中受力的方向，如右圖。
3、右手定則：主要判斷的是與力無關的方向。右手平展，使大拇指與其餘4指垂直，並且都跟手掌在乙個平面內。
把右手放入磁場中，若磁力線垂直進入手心，大拇指指向導線運動方向，則4指所指方向為導線中感應電流的方向，如右圖。右手定則還可以判斷電流產生磁場的方向，如右圖。
4、判斷原則：關於力的用左手，其他的（與力無關，如電流方向、磁場方向等）用右手定則，簡單而形象地記憶法則：「力」字向左撇，就用左手；而「電」字向右撇，就用右手。
5、轉子電流（勵磁電流）il產生的磁場b1，大小與轉子電流il成正比，b1 =k1i（常數k1綜合比例係數），方向與力無關，利用右手定則，判定方向如圖1的b1，⊕代表進入紙面方向，⊙代表出紙面向外方向，以下同，隨著轉子逆時針旋轉，磁場b1也跟著逆時針旋轉。
6、定子線圈在旋轉的轉子磁場b1內切割磁力線產生電動勢，與力無關，應用右手定則，判定電動勢方向如圖1的uf，當定子線圈與轉子線圈空間垂直（如位置90度或270度）時，如圖1位置，切割的磁力線密度最大，感應的電動勢數值最大；當定子線圈與轉子線圈空間水平（如位置0度或180度）時，如圖2位置，運動方向與磁力線平行，不切割磁力線，感應的電動勢uf數值為0。
7、實際上，定子線圈感應電動勢的大小與轉子旋轉角φ的余弦值有關：即uf= lrωb1cosφ**子線圈旋轉角度φ），其中φ=ωt，t為時間（秒），以圖1為起點旋轉。b1=k1i（常數k1綜合比例係數）。
可以理解為發電機的電動勢（空載為機端電壓，負載為機端電壓加內阻電壓）：uf= lrωk1i cosωt，與勵磁電流i成正比，是時間t的余弦函式。
8、在發電機併網之後，在閉合迴路中，由感應的電動勢uf帶負載r在定子線圈中產生定子電流if，假定電動勢uf固定不變的話，忽略定子線圈的內阻，定子電流if大小與負載（有功功率和無功功率）有關，定子電流的方向與功率因數有關，即電流if滯後電動勢uf的角度即為功率因數角θ，可以理解為定子電動勢uf在轉子旋轉t=θ/ω後才產生對應的定子電流。即如圖1的狀態變為如圖3。
9、定子電流if產生的磁場b2，由於定子線圈的固有特性，磁場b2的大小與定子電流if成正比，即b2=k2if（常數k1綜合比例係數），方向與力無關，利用右手定則，判定方向如圖3的b2，為便於分析，把b2正交分解為相對於轉子0度的磁場b2d=e2cosθ（= k2if cosθ）和90度的磁場b2q=e2sinθ（= kif sinθ）兩個磁場，如圖3。
10、b2d磁場對轉子2線圈電流il的作用力fb2d（與力有關，用左手法則判斷方向如圖3），大小與轉子電流il和磁場b2d成正比，方向與轉子旋轉方向相反，穩定狀態下b2d磁場力與轉子的扭力fn平衡。
11、轉子電流il在兩個線圈的電流流向相反，如圖3，用右手法則判斷轉子1線圈電流產生的磁場順時針方向，並且轉子1磁場作用在轉子2線圈電流上，用左手法則判斷轉子1磁場在轉子2上的作用力fil方向向外，大小與勵磁電流il的平方值有關，同理轉子2電流磁場在轉子1上的作用力方向也向外，大小也與fil相等，因此轉子電流il在兩個線圈之間產生的力fil相斥（如圖3方向）。
12、而b2q磁場對轉子2電流il的作用力fb2q（與力有關，用左手法則判斷方向如圖3），大小與轉子電流il和磁場b2q成正比，方向與轉子2上的轉子1作用力fil方向相反，穩定狀態下b2q磁場力fb2q與轉子1電流磁場在轉子2上的作用力fil平衡。
13、當調節主汽門大小，只改變了轉子扭力fn的大小，勵磁電流不變，轉子線圈間磁場力fil的大小不變，由牛頓力的平衡定律，如果保持轉速ω不變，轉子線圈平面垂直方向受力平衡，磁場力fb2d的大小要改變，但磁場力fb2q的大小不變，即產生磁場力fb2d的大小要改變，由b2d=e2cosθ（= k2if cosθ）可以看出，也就是調節主汽門可以改變定子電流if相對於電動勢的if cosθ分量，即有功電流要改變，無功電流（if sinθ）基本不變。
14、相同理論，調節勵磁電流大小，轉子扭力fn不變，轉子線圈間磁場力fil的大小改變，相應改變磁場力fb2q的大小，由b2q=b2 sinθ（= k2if sinθ）可以看出，也就是調節勵磁電流可以改變定子電流if相對於電動勢的if sinθ分量，即無功電流要改變，有功電流（if cosθ）基本不變。
15、物理教科書上有關描述：當發電機定子電流與電動勢同相位，定子磁勢軸線與勵磁磁勢軸線互相垂直，稱交軸電樞反應，定、轉子磁場互相作用，形成電磁制動轉矩，發電機從原動機取得機械能，轉化為電能輸送出去。當發電機正常執行於功率因數滯後時，定子磁勢中一部分正好與勵磁磁勢方向相反，起直軸去磁作用，當發電機執行於功率因數超前時，定子磁勢中一部分正好與勵磁磁勢方向相同，起直軸助磁作用。
電樞反應的去磁（助磁）作用將會影響發電機端電壓有下降（上公升）的趨勢，為了保持端電壓不變，必須相應地增加（減少）勵磁電流。
16、結論：發電機在旋轉的轉子磁場中發電，把機械能轉化為電能，在發電機並網前（空載），調節發電機的勵磁電流，作用於調節發電機的機端電壓，發電機並網後，調節發電機的勵磁電流，作用於調節發電機的無功負荷（無功電流），有功不變，調節主汽門作用於有功功率（有功電流）的變化，與勵磁電流的大小無關。
三、勵磁系統硬體框圖說明
1、勵磁系統主要作用是為發電機提供勵磁電流，如上圖，勵磁電流取自發電機g，經勵磁變-t02降壓和整流櫃-eg1-5整流後輸出可調的直流電流，經滅磁開關直接送至發電機的轉子迴路，提供可調的勵磁電流。
2、勵磁系統主要包括：功率元件整流橋（上圖eg1-5）、取樣模組（上圖mub）、邏輯程式設計和計算的主機板模組（上圖cob）、輸入輸出控制模組（上圖fio1-2）、脈衝形成模組（上圖eg1-5的cin和gdi）、滅磁（上圖q02）和冷卻（上圖e01）等迴路。
3、勵磁系統主要功率調節元件整流橋（上圖eg1-5）的原理：如下圖（全波整流），整流橋是由6只可控二極體組成的十二橋整流迴路，輸入三相電源（上圖勵磁變-t02低壓側電源）。
上圖為全波整流（控制角=0），在不同的控制角下，輸出的電流（勵磁電流）也不同，當控制角<90時，輸出平均電壓ud為正，三相全控橋工作在整流狀態，將交流轉變為直流，平均電壓ud等於交流線電壓在（-/6+）至（/6+）的平均值：
當》90時，三相全控整流橋工作在逆變狀態，整流橋輸出平均電壓ud為負值，即將直流轉變為交流。三相全控橋在逆變工作狀態時的反向直流平均電壓：
對於單相逆變如圖:
4、對於勵磁系統整流橋（上圖eg1-5），在整流狀態時，其輸出電流i=1.35u/rcosα=kucosα，k=1.35/r是比例係數，當整流橋輸入電壓（勵磁變低壓側電壓）基本不變時，整流橋的直流輸出電流與控制角α的余弦值成正比，當α角增大時，cosα值減小，整流橋輸出電流（勵磁電流）也減小，反之亦然；只有在逆變滅磁時α角取135度，大於90度。
5、結合勵磁系統的硬體結構原理圖（上圖），我司勵磁系統的主功率迴路：發電機輸出的電壓除了到主變外，還經過勵磁變（上圖t02），送至整流橋（上圖eg1-5），在可控矽的控制角（上圖eg1-5的cin和gdi輸出控制角）控制下，整流橋（上圖eg1-5）直接輸出整流後的直流電流到滅磁開關q02，滅磁開關閉合，直流送至發電機的轉子線圈，作為發電機的勵磁電流，在滅磁開關後有轉子過電壓保護f02和r02，在滅磁開關前有起勵迴路q03和a03。
6、結合勵磁系統的硬體結構原理圖（上圖），我司勵磁系統的取樣控制迴路：發電機出口電壓pt和電流ct經端子排直接送至測量模組mub取樣和計算，送入主模組cob；勵磁變低壓側電壓和電流（勵磁電流）經端子排直接送至psi模組，由psi模組採集後分別送至egc和cob，進行取樣和計算；控制和訊號經端子排直接送至快速輸入輸出模組fio1和fio2，直接送入主模組cob進行邏輯控制；u11、u12、u03、u13為變送器，輸出勵磁電流和電壓；lcp調節器屏面板顯示，cdp整流櫃面板顯示，spa手操器，t15整流櫃風扇電源，t05控制電源，q15直流110v主電源，q25直流110v滅磁開關第二路跳閘電源，g15、g05調節器直流24v電源模組等。
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