AVR的應用

AVR的選用

自動電壓調整器(AVR)的應用

AVR（自動電壓調整器）又稱為勵磁控制器，顧名思義它是用來控制發電機的勵磁系統，也是發電機輸出電壓值的調整器。就功能而言它包含發電機輸出電壓控制、無功分配、暫態調整率、穩態調整等。故 AVR 不僅是調壓功能它同是也關係到整部發電機的供電品質與併網後系統的穩定性。也因此在 AVR的選用、安裝、調整上更是十分重要。

一、 AVR的選用

1、了解發電機最大勵磁電壓、電流：
通常發電機上會釘一個標示銘牌，由銘牌上可得知該發電機的常用資訊，如額定容量、電壓、電流、勵磁電壓及電流.......等。如圖1-1，其中勵磁電壓、電流與額定電壓是選擇 AVR 的重要資訊。如果沒有銘牌可參考那最好要做一下開短路測試求取精確的最大勵磁電壓、電流(參閱特性測量範例)。

圖1-1 發電機銘牌

簡易勵磁電壓電流計算
- 一個比較簡單可計算出勵磁電壓電流近似值的方法：
- 1-1、首先拆下所有勵磁控制器並以電阻計測量勵磁電阻 Re
- 1-2、將發電機運轉至額定轉速。
- 1-3、以一較小直流電源 Vd(1.5~3V) 加到發電機勵磁線圈上並記錄所產生的交流電壓 Va 。註： Va 必須小於發電機額定電壓。
- 1-4、移除直流電源，停止運轉。
- 最大勵磁電壓為\( Ve = (\dfrac{Vr*Vd}{Va})*3.3 \) 最大勵磁電流為\( Ie = \dfrac{Ve}{Re} \)
- 式中的3.3 為一般發電機的飽和系數與短路比(k)導數\( ( \dfrac{1}{SCR} ) \)的乘積。
- Vr：已知發電機額定 AC 電壓；Vd：所加入勵磁機的 DC 電壓；Va：Vd所產生的 AC 電壓； Re：勵磁電阻。

2、了解 AVR 的最大勵磁電壓、電流：
同樣的每個 AVR 也有其額定的使用範圍，如表1-1。其中所載的勵磁電壓、電流輸出值及測量電壓是作為所搭配發電機的重要數值。

偵測輸入	電壓 190~500VAC 1φ，以跨接線設定	消耗功率	最大10 Watt
	頻率 50/60Hz 以跨接線設定	低頻保護	60Hz系統轉折點為 55Hz*
電源輸入	電壓 100~300 VAC 400HZ單項二線		50Hz系統轉折點為 45Hz*
勵磁場輸出	電壓240 VAC輸入時最大90 VDC		(*轉捩點為出廠測定值)
	電流連續15A 非連續為10秒內20A	溫差穩定度	每°C變化，電壓漂移0.03%
	電阻最小9 Ohm	電壓緩慢建立時間	2秒
電壓調整率	< \( \plusmn \)0.5% (引擎轉速變動在4%內)	測量斷線保護	測量電源無輸入或斷線時自動下
電壓建立	剩磁電壓5 VAC 以上		降端電壓。
電流互感器	N：5A (二次電流5A)	尺寸	150mm L * 100mm W *64mm H
外部電壓調整	用5K Ohms 1Watt電位器時為 \( \plusmn \)15%	重量	600公克 \( \plusmn \)2%

表1-1 AVR規格表

2-1、強勵磁電壓：
無論是從計算、實驗或銘牌所得知的勵磁電壓、電流其值均為額定轉速及滿載下的數值，但在發電機突加滿負載時的瞬間轉速可能略降，發電機交流電壓值在瞬間會降得很低，爲求暫態的電壓調整， AVR 必須有一比發電機最大勵磁電壓更大的勵磁電壓供應勵磁機，以求交流電壓快速恢復，所以在選擇 AVR 勵磁電壓輸出值時除了必須大於發電機最大勵磁電壓外尚須預留一調整空間。一般稱此預留電壓為強勵磁電壓。這強勵磁電壓通常為發電機最大勵磁電壓的1.5 倍以上，當然所選擇 AVR 最大勵磁電流也須預留相同倍數。
3、勵磁電阻對AVR的影響：
假設一部發電機標示最大勵磁電壓 32VDC 最大勵磁電流4A 這也表示該發電機勵磁電阻約為8Ω，若選用 63V/5A的AVR 則很可能在發電機突加重載的瞬間 AVR 會隨之損壞，因加載的瞬間 AVR 可能全輸出(63V)，而此時勵磁輸出電流可昇至63V/8Ω≒8A，故在選擇 AVR 時除勵磁電壓、電流外勵磁電阻也是另一重要參數。反之若一AVR 標示輸出為 63V/5A 時它是告訴我們，使用的發電機勵磁電阻最好在12.5Ω，以上，如此即使AVR 全輸出(63V)也不會因電流過大而損壞。
4、其他：
- 4-1、當然你可以選擇含三相偵測的 AVR，如此當發電機在負載不平衡時發電機三相電壓的差距會比單相偵測來得小。
- 4-2、一般 AVR不適用於配有 PMG 的發電機，因為 PMG 所產生的頻率往往高於工作頻率幾倍以上，自勵式 AVR 的同步電路無法正常工作。故有 PMG 的就選擇帶 PMG 功能的 AVR。
  若要在配有 PMG 發電機上改裝自勵式 AVR (也就是不用 PMG)，須將 PMG 拆除或並上電容器如圖1-2 以避高壓破壞 PMG 線圈(會起火冒煙)。
  
  圖1-2 PMG不用時須並電容器
- 4-3、當發電機使用在非線性、容抗、電抗比例大的負載上時，易造成輸出波形畸變，而一般以平均值做為偵測的AVR 會產生穩態調整率過高現像，這時你對 AVR 的選擇只有一種......就是以真均方根值[RMS]做為偵測的AVR。

AVR的安裝 / 基本概念

二、 AVR的安裝

1.外觀[代表]，如圖2-1

圖2-1 AVR外觀

端子名稱

1-2、VS、VS：偵測電源輸入端，AVR 以此輸入端電壓做為基準電壓。
1-3、VF、VF：電源輸入端，供應勵磁電源及 AVR 電路工作電源。
1-4、VR：外接電位器，提供一遠端電壓控制的外接電位器端子。
1-5、F+、F-：勵磁電壓輸出,提供勵磁電壓的輸出端。
1-6、50-COM：頻率選擇,選擇發電機額定頻率。
1-7、k、1：負載比流器二次電流輸入端。Droop壓降調整藉以調整無功分配比例。
2.安裝說明
2-1、偵測電壓輸入值選擇 220、380、480V,此電壓值須與VS 的電壓輸入值一致。
2-2、偵測電源輸入 VS、VS 為一交流電源，AVR依此偵測輸入值與AVR 電壓設定值做比較，如偵測電壓值大於設定值時，則AVR減少勵磁電壓使偵測電壓下降，反之，若偵測電壓較小時，AVR 增大勵磁電壓使偵測電壓上昇，由此可知電壓選擇與偵測電源輸入關係的重要性。
舉例而言如圖2-2：若發電機額定輸出電壓為440V，而VS所輸入的電壓位置為 U’V’W’(220V)時，電壓選擇CC跨接位置就必在220V 位置，如果電壓跨線選擇在440V 則發電機電壓會昇至最大且 AVR 或勵磁機也可能損壞。

圖2-2 偵測電源與電壓選擇

2-3、電源輸入端：做為勵磁輸出及 AVR 電路的電源(參圖2-3) ，自激式系統中可能為發電機輸出電源的一部份或輔助繞組，其輸入值一般在100~300V 之間且為基波頻率(50/60Hz)。在他激式中勵磁電源由發電機以外的電源提供(如 PMG )，須考慮的是供應電源的頻率與電壓值，因為 AVR 內部的同步電路僅能工作在某一頻率範圍，不同頻率範圍將產生勵磁電壓輸出不穩定。
因做為勵磁電源之故輸入電源須有足夠的電流容量，使用的導線也須有足夠的電流容量。註：一般他激電源來自與發電機同軸為多，因此能得到穩定的相位。

圖2-3 電源輸入接線

2-4、外接電位器：如須由外部(如配電箱面)做電壓調整時，將原在「 VR 」兩端的跨接線拔離，改由一電位器(可變電阻)跨接於兩端，一般只做電壓微調範圍約為5~10%，無須此功能時須將這兩端跨接短路。如圖2-4

圖2-4 電源輸入接線

2-5、勵磁電壓輸出：連結至發電機勵磁機提供勵磁電流的輸出端子 F+、F-，將 F+、F-分別接到原力磁機標示為+、-端子上，如極性錯誤可能導至電壓無法建立，使用的導線須有足夠的電流容量。
2-6、50-COM :頻率選擇，選擇發電機額定頻率。
2-7、k、1：負載比流器二次電流(5A)輸入端。Droop 壓降調整藉以調整無功分配的比例，安裝時注意比流器極性k、1使 AVR 在功因愈低時發電機端電壓下降愈大。
在完成 AVR 安裝後我們先了解以下基本概念：

1、起始電壓建立：指發電機從靜止至額定轉速時端電壓從零上昇至額定電壓的過程。發電機電壓要建立必須先從 AVR 得到勵磁電流，而 AVR 的須有勵磁電源才能輸出勵磁電流，一般 AVR 勵磁來源可分爲他激電源及自激電源。
1-1、在他激式系統中如圖2-5 ，發電機運轉時外部便有一組電源供應 AVR 做為勵磁電源，AVR 可依電路設計功能提供勵磁電流完成電壓建立程序。

圖2-5 他激電源輸入接線

1-2、在自勵式系統中如圖2-3，在發電機運轉時(此時無園勵磁電流)具有剩磁的轉子鐵芯，與定子線圈切割建立了微弱的交流電壓，稱為剩磁電壓。 AVR 將此電壓經整流轉為直流做為建立電壓的最初勵磁電壓使交流電壓上昇，上昇後的交流電壓經 AVR 又使勵磁電流上昇，在幾個週期後定子電壓便可達額定值。
發電機在建壓過程中為為避免過高的瞬間電壓如圖2-6通常加入所謂的緩慢建壓功能。

圖2-6 緩慢建壓曲線

2、發電機的電磁反應時間：如圖2-7在空載發電機額定轉速時，勵磁場加一直流電壓時，定子從剩磁電壓經一段爬昇時間最後穩定在一固定值。同樣的，將勵磁的直流電源移除時定子電壓從固定值經一衰減時間最後下降至剩磁電壓。這兩段時間長短與發電機額定容量有關，容量愈大時間愈長， AVR 做穩定調整時所依據的就是此時間常數。

圖2-7 發電機電-磁反應時間

3、低頻保護：為什麼 AVR 須要低頻保護呢?在額定轉速下轉子磁力線以一正常速度切割定子線圈產生了額定電壓。
F = BLV E：交流電壓 B：磁通密度 L：導線效長度V：切割速度如式中當發電機轉速V下降時， AVR 必須增加勵磁電流B來保持額定電壓E不變，若轉速持續下降則勵磁電流便不斷上昇，最後 AVR 或勵磁機可能因此損壞。所以在發電機低速時AVR的輸出勵磁電流應受到限制稱爲低頻保護。如圖2-8 當發電機轉速下降至 AVR 設定值(90~95%)時 AVR 內部的電壓基準值也會跟著往下降(調降E值)使勵磁電流隨轉速下降。

圖2-8 低頻保護曲線

AVR的調整

三、 AVR的調整

在檢查發電機及 AVR 配線均正常後，將AVR 的電壓調整旋鈕調至最低(逆時針方向)如有外接電壓調整請將其置於中央位置，穩定調整鈕調至中央位置，起動發電機並運轉於額定轉速。

圖3-1 AVR電壓調整旋鈕

3-1、電壓調整：在發電機運轉後 AVR 經起始電壓建立過程在定子端產生一電壓，(如果這電壓是擺動的則調整穩定鈕使電壓穩定)此電壓應小於額定電壓，(若不是，請立即停止發電機運轉並重新確認 AVR 接線、電壓選擇是否正常。)將AVR上的電壓調整鈕順時針緩慢調至額定電壓。若無法建立電壓時請參閱手動激磁。
3-2、穩定調整：單位時間內勵磁電壓變化量稱為勵磁電壓響應比 Es=∆Ev/t，在 AVR 中這比值可由穩定調整來做調整。因每部發電機的電-磁反應時間 Ems 不同且不可調，做穩定調整的意義就是將 AVR 的 Es 調整到與 Ems 時間相同。如果勵磁電壓響應速率較發電機電-磁反應時間快時，發電機端電壓將產生擺動，且差距愈大擺幅愈大(圖3-2中a、b)。當 Es 等於 Ems 時發電機端電壓便能穩定，且無論在暫態或穩態都能得到最佳的電壓跟隨(圖3-2中c)，反之，若 Es 較 Ems 慢時雖然發電機端電壓也能得到穩定但暫態調整率可能變大、恢復時間也較長如圖3-2中d(因為 AVR 反應較慢)。

圖3-2 發電機暫態曲線

穩定調整
建議！在 AVR 進行穩定調整時若沒有可觀測勵磁電壓儀器時，可在發電機勵磁 F+、F-兩端並接一指針式直流電壓表，然後緩慢轉動穩定調整使電壓表上的指針由擺動轉為靜止(剛好靜止的那一點)，因為電表指針具阻尼作用我們看到指針不動其實仍有微幅的擺動，所以當調到靜止點時再住穩定方向調一點才能得到真正的穩定點。無論在新裝 AVR 或發電機線圈重繞後都必須重新對其穩定做調整，以期 AVR 與發電機得到最佳的反應時間。
3-3、低頻保護調整：

A、從AVR 上選擇所須額定頻率。
B、起動發電機至額定轉速且建立額定電壓。
C、將發電轉速下降至額定95-97%(視須求)。
D、緩慢調整低頻調整使發電機端電壓下降至額定電壓的99%即可。
3-1、若發電的狀況不好或與負載容量接近時在突加負載易造成轉速嚴重下滑，此時可稍調昇AVR的低頻設定(電壓提早下降)使加載瞬間輸出功率減少，縮短發電機轉速恢復時間。但若因調昇低頻設定點而使些需電壓下降到規定值下時亦失其意義，故一切狀況及設定的須求點須視現況酌量。
3-2、請勿在 60Hz 發電機上頻率選擇爲 50Hz，如此在發電機停止的過程中可能產生勵磁電流過大損壞AVR 或勵磁機，而此已損壞的狀況可能會在下一次使用時才會被發現，到時也許你會覺得為什麼發電機莫名其妙故障了。

3-4、Droop 壓降調整：當發電機做並聯使用時，電壓較高的發電機其輸出電流較大且功因較低(無功較大)。為求並聯中發電機的負載平衡(功因相等)則必須在運轉過程中不斷改變勵磁電流(機端電壓)，如在多部發電機並聯時若要以人工同時調整使負載平衡幾乎很難達到理想，幸好這個工作可曲 AVR 來分擔。在k、 1端子上接一來自負載比流器 CT 二次側的電流信號， AVR 自動根據電流大小、相移角度及 Droop 比例來調整勵磁電流(圖3-3)。 Droop 比例調愈大比流器電流信號對發電機電壓的影響愈大(即負載電流愈大使端電壓降幅愈大)。如果希望在並聯中的各發電機提供不同的負載比，則可在各 AVR 的 Droop 上做期望值的分配比例調整。

圖3-2 並聯發電機電壓 Droop 曲線

Droop 壓降調整單機運轉的應用：
在單機運轉中如發電機裝設點與負載距離很遠時，當負載變化時輸電線上的壓降也會隨著變化，這個壓降造成遠端電壓也大幅變化甚至造成電機起動困難、燈管閃爍等問題。若將比流器k、1極性反接於 AVR 上(即負載電流愈大端電壓上昇幅度愈高，如圖3-4)，則可經 Droop 比例適當調整使電壓上昇幅度抵補輸電線的壓降如此遠端電壓便能得到穩定。

圖3-3 單機遠端負載調壓

手動激磁

四、電壓誘起(激磁)：在自倂激系統中如發電機剩磁電壓過低則會造成建壓失敗，此時必須以手動方式將發電機電壓誘起。其方式可分靜態及動態誘磁如下：

a、靜態誘磁：

a-1 停止發電機運轉並勵磁引線從 AVR 中拆下。
a-2 以一只電瓶(12V)；在"+"端串連一電阻約3~5 Ω/ 50W 後加至勵磁線圈 F+，電瓶"-"端直接加到勵磁線圈F-如圖4-1。時間約為1~3秒，重複3~5次。
a-3 移除電瓶接線且恢復 AVR 所有連接線，並令發電機運轉即可。

圖4-1 手動動態誘磁

b、動態誘磁：

b-1 準備一只二極體(註1)及電阻(註2)與電瓶"+"串接如圖4-1 誘磁電路。
b-2 使發電機運轉於額定轉速，將誘磁電路加入待發電機端電壓開始上昇時，即拆離誘磁電路。
b-3 如果該發電機每次起時都須激磁誘起，則可加裝自動激磁装置或在勵磁機嵌入一永久磁鐵。

註1、二極體的作用：電瓶爲一極低內阻(<0.5Ω) 的電源設備，當發電機電壓被誘起時 AVR 即產生勵磁電壓輸出，如勵磁電壓高於電瓶電壓時即對電瓶產生充電作用，此時充電電流可能高至數十安培， AVR 可能在瞬間因過電流損壞，二極體在此可防止上敘充電作用。
註2、電阻的作用：防止過的誘起電流損壞勵磁機。
註3、引起剩磁消失的原因：