勵磁控制器(AVR)原理

隨著自動裝置元器件的不斷更新，勵磁調節器經歷了機電型、電磁型及電子型等發展階段，至20世紀末，由於計算機控制技術的成熟，數字式自動電壓調節器(DAVR)逐漸替代模擬式調節器，現在已普遍推廣採用。

勵磁調節器的任務，隨著系統的發展也從單一的調節電壓功能發展為目前的具有多種綜合控制功能。

最初出現的勵磁調節器為如圖所示的機電型電壓調節器。它的任務只是調節電壓，其調節線圈中的電流與發電機電壓成正比，調節線圈中的電流產生磁場力作用於變阻器，從而可改變勵磁機磁場電阻， 調節發電機的電壓。由於它需要克服摩擦，因此具有不靈敏區。20世紀50年代磁放大器出現後，電力系統中廣泛採用由磁放大器組成的電磁型調節器，各單元皆由電磁元件構成，具有較大的時間常數。其優點是可靠性高，能滿足當時電力系統運行的要求。

「後來，隨著電子技術的發展，勵磁調節器又改由電子器件組成。 電子元件幾乎沒有時滯，功率放大倍數也較高。自20世紀60年代初期電子勵磁調節器開始在中小型發電機上採用後，發展非常迅速，到70年代初就已得到廣泛採用，並一直延用至今。電子型勵磁調節器的型式很多，但構成勵磁自動控制的核心部分卻很相似。它由基本控制和輔助控制兩部分組成，其結構如圖。基本控制由調差 (DROOP)。測量比較，綜合放大和移相激發單元組成，實現電壓調節和無功功率分配等基本的調節功能。而輔助控制是為了满足發電機的不同運行工況，改善電力系統穩定性。改善勵磁控制系統動態性能而設置的單元，如勵磁系統穩定器、電力系統穩定器和勵磁限制器等等。

20世紀90年代數位式勵磁調節器開始在電力系統應用，並受到電力工業界的高度重視，短短的十幾年內就得到了飛速的發展。

與模擬式勵磁調節器相比較，數字式勵磁調節器的優點十分明顯。首先，由於計算機具有強大的計算和邏輯功能，可以相對方便地實現複雜的控制策略，除能夠實現模擬式勵磁調節器可以實現的各種功能外，還可以實現模擬式磁調節器較難實現的一些控制策略，增強了勵磁控制功能，改善了發電機的工作狀況。其次，數字式勵磁調節器的控制和演算法都由程式完成，因此它比模擬式勵磁調節器便於修改，靈活性強。第三，數字式勵磁調節器還可以實現更加完備的限制和保護功能，並具有操作簡單，維護方便以及便於試驗和調整的優點。由於數位式勵磁調節器具有較強的通信功能，方便進行機組間的綜合協調。

如果按調節原理來劃分勵磁調節器，可分為回授型和補償型兩類。回授型勵磁調節器是按設定值與所測量值的偏差進行調節，使被測量電源接近於設定值，因此能有較好地電壓位準。

補償型勵磁調節器是補償某些因素所引起被測量電壓的變動，使被測量電壓維持在所要求的定值附近。電流複勵磁及相位複式勵磁就是補償型勵磁調節器的例子。由於勵磁電流及負載電流並非等比故不可能完全補償機端電壓的變動，所以維持電壓的性能較差，工作中還必須採用電壓校正器，才能满足要求。

• 1、向量合成：
  測量電源經「電壓選擇」選擇所須之額定電壓 VG，負載電流 IG 經比流器 CT 成比例衰減，向量合成電路為將上敘兩訊號于以合成。所合成的電壓總向量VT隨兩訊號的大小、方向及相位偏移量而改變如圖示，一般而言電流訊號滯後越大或電壓訊號增大所合成的電壓向量將增大，反之減少。負載電流 IG 值可DROOP(調差)調整其對電壓 VT 總合的比值。
  對於並列於電網中的發電機而言， DROOP 適當調整可控制發電機無功分配量及電網電壓位準。
  
• 2、電壓調整：
  將向量合成後的電壓訊號經内、外部電壓電位器調整為電路可運算範圍，此訊號又受控於類比電壓輸入的類比電壓大小與極性，其影響程度可由類比比例電位器調節。
  類比電壓輸入：為一遠端以一直流電壓大小輸入至 AVR 來控制發電機機端電壓，通常這個電壓訊號大多來自並聯控制器中的無功分配裝置。
• 3、綜合放大：
  將訊號整形經有效值(rms)或平均值(avg)的運算後由緩衝器將電流放大。
• 4、電源處理：
  此電源可由發電機機端電源、輔助繞組、永磁發電機、諧波繞組等電源輸入(一般習慣額定輸入值約95~300VAC 40~500HZ)，經 EMI 抑止、且轉換成電路所須之直流工作電源及勵磁電源供應。
• 5、零點檢出：
  將AC 電源中的零交越點訊號檢出作為同步移相激發及頻率檢測訊號源。
  
• 6、頻率檢測：
  檢測發電機電流頻率，由頻率設定電位器可設定當發電機頻率下降至設定點以下時，發出一與頻率成反比的脈波寬度訊號使發電機電壓成比例下降以達低頻保護功能。
• 7、基準電壓：
  產生一電路中的參考基準電壓及電壓緩建立功能。由於此電壓訊號作為判別發電機所產生電壓的高低，故須考慮此電路中的溫昇漂移及雜訊免役力。
• 8、過勵磁保護：
  為確保發電機過載使用或勵磁系統故障時能及時切離負載而設計的保護電路，過勵磁保護可依據發電機最大勵磁電壓或電流設定 AVR 勵磁供應量。因感性負載起動瞬態的勵磁電流可能大於常態幾倍，故設計時通常將保護範圍分成二段。一為達保護勵磁電壓或電流設定點時須經一延遲時間後才切斷勵磁電源，以避開感性負載起動瞬態電流。二為勵磁電壓或電流達 AVR 最大預設勵磁電壓或電流時立即切斷勵磁電源。
• 9、誤差比較：
  將綜合放大訊號與基準電壓做比較以判斷發電機電壓高低，藉以增減對發電機的勵磁供應量。無論增量或減量均須依循一預設的時間常數增減，此一預設時間即為穩定調整電位器。由於各發電機結構、材質、容量、頻率等等的差異使電機的電磁反應時間不同所需的勵磁響應比也不同。
• 10、移相激發：
  常用勵磁輸出分為二大類。一為依正弦函數波形作不同電工角的輸出，角度越大輸出電壓越高。二為運用脈波寬度調變技術將一直流電源切割為不同寬度的直流脈波，脈波寬度越寬動勵磁輸出越大。移相激發即從電路中取得同步訊號 來在控制此電工角或脈波寬度的大小。
  
• 11、驅動級：
  將磁電源依移相激發訊號作勵磁功率輸出。因勵磁輸入為感性負載為避反電勢破壞驅動元件常添設了火花消除及飛輸電路，並依驅動元件耐電流能力規劃了可使用的勵磁電阻範圍。