AVR 選用與調整

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，也是發電機的電壓調器調整器。就功能而言它包含發電機輸出電壓控制、無功分配、暫態電壓調整、穩態電壓調整等。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並網後系統的穩定性。也因此在AVR 的選用、安裝、 調整更顯是重要。

發電機的勵磁系統的種類可分為自勵式及他勵式二大類。其中自勵又可分複勵及分流型兩種，故選用AVR 時必須先了解發電機勵磁系統的類別，此外勵磁電壓、勵磁電流、額定電壓與勵磁電源更是選擇AVR 的重要資訊。

圖1、自動電壓調整器(AVR)

• 1-1、測量電源：

  AVR 依此測量電源輸入值與AVR 電壓設定值做比較，如測量電壓值大於設定值時，則AVR 減少勵磁電壓使測量電壓下降，反之，若測量電壓較小時，AVR 增大勵磁電壓使測量電壓上昇，由此可知測量電源輸入值與AVR 規格的測量電壓必須相同範圍。另外使用頻率也需確認範圍，一般常用頻率為50/60HZ，中頻發電機為180~400HZ。

  註：若發電機額定輸出電壓為440V，而測量電源輸入選擇的是U’、V’、W’(220V)時，則應選用220V 電壓範圍的AVR。如果選用440V 電壓範圍的AVR 則發電機電壓可能昇至飽和電壓值(最大值)，且AVR 或勵磁機也可能損壞。

• 1-2、電源輸入：

  做為AVR 的勵磁電源及提供AVR 電路的系統電源，自勵式系統中可能為發電機輸出電源的一部份或輔助繞組，其輸入值一般約在100~300V 之間且為基波頻率(50/60Hz)。在他勵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。

• 1-3、勵磁電壓/電流輸出：

  就電路原理上，電源輸入(AC)經整流後再以半導體控制其輸出直流電壓大小既為勵磁電壓。整流電路可以是半波或全波，一般勵磁最大輸出值約90(半)/180(全)Vdc(220V 電源輸入時)。整流器及半導體等功率元件的連續電流值既為該AVR 輸出的勵磁電流值。

• 1-4、下垂電流補償：

  當發電機作為並聯使用時，在電網上為取得無功平衡分配，在AVR 電路上必須計算其電壓、電流量及兩者相位差，並作出適當的勵磁電壓調整。為使正確計算，在安裝CT(比流器)時必須裝設在不同於測量電源的相位上，同時必須確定CT 安裝方向能使發電機在功因愈低時機端電壓下降愈大。Droop 為調整無功分配的比例，通常CT 二次側為1A 或5A。

• 1-5、類比電壓輸入：

  AVR 可由一類比電壓輸入值來控制發電機電壓輸出值。類比電壓值為±3〜5Vdc，可改變發電機電壓範圍約±10％Un，此輸入端通常受控於並聯裝置的無功調整器。

• 2-1、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(32/4)，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。

• 2-2、強勵磁容量

  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，但在發電機突加全載時瞬間轉速可能略降，發電機交流電壓值在瞬間會降得很低，為求暫態的電壓補償，AVR 必須有一比發電機最大勵磁電壓更大的勵磁電壓供應給勵磁機，以期交流電壓快速恢復，所以在選擇AVR 勵磁電壓輸出值時除了必須大於發電機額定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 1.5〜2.5倍以上，當然所選擇AVR 最大勵磁電流也須預留相同倍數。

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(反時針方向)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。

• 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。

  

  圖3-1

• 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=ΔEv/t，在AVR 電路中響應比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，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3-3 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3-3 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、恢愎時間也較長如圖3-3 中D (因為AVR反應較慢)。

  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。

  

  圖3-3

• 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、將發電機轉速下降至額定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。
  • (1)、若發電機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，縮短發電機轉速恢愎時間。但，若因調昇低頻設定點而使端電壓下降到規定值以下時亦失其意義，故一切狀況及設定的須求點須視現況酌量。
  • (2)、請勿在60Hz 發電機上頻率選擇為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，而此己損壞的狀況可能會在下一次使用時才會被發現，到那時也許你會覺得為什麼發電機莫名其妙故障了。
  

  圖3-4

• 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，幸好這個工作可交由AVR 來分擔。在電流輸入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3-2)。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。

  ※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、l 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3-3)，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。

• 3-5、Trim 類比電壓輸入調整：

  當發電機做並聯時由負載分配器輸出一類比電壓信號至 AVR，藉以調整發電機電壓來控制無效功率。調整Trim 比例可影響類比電壓信號輸入值對發電機電壓的改變程度。

  ※單機使用時可當遠程電壓調整輸入。

• 4-1、AVR 測量電源輸入應選擇相電壓RST 或UVW，因為線電壓諧波量較大，易造成AVR 計算錯誤使電壓調整率上升。
• 4-2、中高電壓以上的發電機，裝設AVR 時測量電源輸入變壓器必須獨立不可與其他負載共用(圖4-2)。
• 4-3、電源輸入可選擇相電壓或線電壓其範圍一般在100~300VAC 間，其電流量與勵磁電流相同，故應選擇可承受電流量的線徑配線(圖4-1)。
• 4-4、外接電壓調整器若裝設在發電機頂控制盤以外時應使用屏蔽線，接地線應靠近AVR 端的機體上。
• 4-5、比流器至AVR 輸入端應在3 公尺內。
• 4-6、若發電機負載為非線性負載時，相電壓可能含大量諧波而影響AVR 計算準確度，可用1：1 變壓器隔離(高頻衰減)，或加裝電源濾波器(圖4-3)。
• 4-7、在自勵式發電機中電源輸入端加裝隔離變壓器或電源濾波器可降低AVR 產生的諧波。
• 4-8、AVR 應裝設在具電磁波防護的空間，例如配電盤內。
• 4-9、運作中的AVR 散熱器上可能產生高溫，配線時應注意配線路徑。

圖4-1

圖4-2

圖4-3

圖4-4 AVR產生的諧波

• 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。
• E=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 位必須增加勵磁電流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輸出的勵磁電流應受到限制，稱為低頻保護。通常在60HZ 系統發電機時設定為55HZ，50HZ系統發電機設定為45HZ。

※不可在60HZ 系統發電機選擇50HZ作為低頻保護。

在自勵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：

• 6-1、靜態誘磁：
  • (1)、停止發電機運轉並將勵磁引線從AVR 中拆下。
  • (2)、以一只電瓶（12V）在“＋”端串連一電阻約3~5Ω/50W 後加至勵磁線圈F＋，電瓶“－”端直接加到勵磁線圈F－。時間約為1~3 秒，重覆 3~5 次。
  • (3)、移除電瓶接線且恢愎AVR 所有連接線，並令發電機運轉即可。
• 6-2、 動態誘磁：
  • (1)、準備一只二極體（>6A）及電阻與電瓶“＋”串接如圖6-1 誘磁電路。
  • (2)、使發電機運轉於額定轉速，將開關切換至ON 位置，待發電機端電壓開始上昇時即將開關切換至OFF 位置。
  • (3)、在動態勵磁時如果直接將電瓶連接AVR 勵磁輸出，則當電壓被誘起時AVR 開始對發電機輸出勵磁電壓，而這個電壓同時也會對電瓶充電，因電瓶內阻很低，流入電瓶電流非常大，可能超過AVR 最大電流，因此損壞AVR。故，在執行手動勵磁時必須加裝二極體防止AVR 勵磁電流流入電瓶。
  

  圖6-2
• 6-3、自動激磁：
• • (1)、引起剩磁消失的原因：
  • ● 擱置太久沒發電，一般鐵磁性材質其磁通密度跟隨時間衰減。
  • ● 發電機負載短路(或帶載停機)時因阻尼繞組電流過大將剩磁抵消。
  • ● 在勵磁機中嵌入永久磁鐵為有效防止剩磁消失方法。

• 7-1、接線(如圖7-1)，燈泡電壓為220V，且勿超過100W。
• 7-2、AVR 上的「電壓調整」與外部電壓調整(如有)，穩定調整均順時針調至最大。
• 7-3、將開關置於OFF 位置，接入220VAC 50/60Hz 電源。
• 7-4、將開關置於ON 位置，此時燈泡應亮起。
• 7-5、反時針緩慢旋轉「電壓調整」到某區段時燈泡開始熄滅。
• 7-6、在這區段上來回轉動，燈泡會亮--滅--亮…(瞬間亮與瞬間滅)。
• 7-7、反時針調整「穩定調整」至最大，再緩慢如7-6 所述調整時，燈泡將緩慢熄滅或緩慢點亮。
如AVR 在測試時如上敘動作，則此AVR 已達基本穩壓功能。若無法如上動作時請勿接入發電機。

圖7-1