2024年9月30日发(作者：沐铭)

GES6000励磁系统

技术介绍

东方电机有限公司

东方电机控制设备有限公司

目 录

1．概述

2．规格型号定义

3. 技术标准

4．励磁系统概述

5．励磁调节器

6．励磁整流柜

7．灭磁及过压保护

8．起励控制

9．柜体结构特点

第1页 共 24页

1 概述

东方电机是研制、生产大型发电设备以及配套的电机控制设备的特大型国家骨干企

业。从2000年起，我公司采用以IPC总线工控机为励磁控制核心的GES3000型双微机励

磁系统投入运行，随后GES3000型双微机励磁系统通过国家经贸委组织的国家技术鉴定，

新型高可靠大型功率柜获得国家专利，在此基础上，该型励磁系统先后生产、投入运行

了三百多台套，同步配套使用在多达几十台300MW机组上，取得了良好的运行业绩。

随着国家重大装备技术的发展，发电机组单机容量越来越大，我公司依托国家重点工程

项目先后与德国Siemens、瑞士ABB等国际知名企业进行了广泛深入的合作，在关键设计

原理、控制规律、选型计算等方面完成了技术转让，在充分吸取其成功设计理念和成功

运行经验的基础上，我们对GES3000励磁系统的进行了全面的完善与优化，包括采用更

高可靠性的PAC工业控制器作为励磁系统的核心控制器、双自动调节通道加独立后备手

动调节通道的三模容余结构、双容余工业以太网数据交换技术、可控硅整流桥并列运行

全数字化智能均流技术、多模容余灭磁及过电压保护回路等，形成了具有自主知识产权

的GES6000型励磁系统，使其安全可靠性、技术先进性和使用功能上完全满足于巨型水、

火电机组的使用需求。

2 规格型号定义

励磁设备型号代码结构如下：

代码位 1 2

6

3

6

4

3

5

0

-

6

T

7

4

8

4

9

S

10

40

11

N 型号示例 GES

代码位说明：

■ 固定标示(1)为GES，表示是发电机励磁系统。

■ 固定标示(2)

3----表示GES3000系列产品

6----表示GES6000系列产品

■ 调节器类型(3)

0----单纯的功率柜，调节器不在供货范围内

1----调节器是分立器件构成的模拟线路

2----调节器采用DSP核心技术

3----调节器采用IPC总线工控机

4----调节器采用STD总线工控机

5----调节器采用PCC模块

第2页 共 24页

6----调节器采用PAC工业控制器

■ 通道配置(4)

0----单纯的功率柜，调节器不在供货范围内

1----调节器单通道结构

2----调节器双通道冗余结构

3----调节器三通道冗余结构

■ 励磁方式(5)

0----机端变自并励静止励磁系统

1----交流励磁机-静止整流器励磁系统

2----同步电动机励磁

■ 功率柜配置(6)

T----功率整流器件为可控硅

D----功率整流器件为二极管

■ 功率柜型号(7)

1----单柜额定输出直流500A

2----单柜额定输出直流1000A

3----单柜额定输出直流1500A

4----单柜额定输出直流2000A

5----单柜额定输出直流2500A以上

■ 功率柜并联数(8)

1----1柜

2----2柜并联

…………

6----6柜并联

■ 灭磁开关配置(9)

A----交流灭磁

S----单断口

D----双断口

T----三断口

F----四断口

H----带辅助常闭触头

■ 灭磁开关额定电流(10)

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06----600A

08----800A

10----1000A

16----1600A

以此类推

■ 灭磁电阻类型(11)

L----线性电阻灭磁

N----非线性电阻灭磁

型号示例： GES 6630-T44S40 N

表示GES6000励磁系统。调节器采用PAC型控制器，调节控制通道采用冗余三通道

结构，励磁方式为机端变自并励静止励磁系统；整流柜采用可控硅整流桥，单柜直流输

出2000A，采用4柜并联结构；磁场开关采用单断口开关，开关额定电流4000A，灭磁方

式为非线性灭磁电阻灭磁。

3 技术标准

GES6000系列产品执行并满足有关的国际标准和国家标准以及行业标准要求，主要包

括：

GB/T 7409.1 同步电机励磁系统 定义

GB/T 7409.2 同步电机励磁系统 电力系统研究用模型

GB/T 7409.3 同步电机励磁系统 大、中型同步发电机励磁系统技术要求

DL/T 583 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件

DL/T 650 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件

DL/T489 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程

DL/T490 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置安装、验收规程

DL/T491 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行、检修规程

IEEE / 421系列 同步电机励磁系统

IEC / 60034-16 旋转电机

GB1094

GB3797

电力变压器

电控设备第二部分

半导体变流器 GB/T3859

GB4064 电气设备安全设计导则

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GB4208

GB6450

GB13926

外壳防护等级（IP代码）

干式电力变压器

工业过程测量和控制装置的电磁兼容性

电磁兼容 试验和测量技术 GB/T17626

4 励磁系统概述

4.1 组成

GES6000自并励静态励磁系统主要由励磁调节器柜、大功率可控硅整流柜、高速直流

磁场开关柜、灭磁电阻及过电压保护柜、起励装置和励磁变压器构成，主要电气接线原

理图如下：

励磁系统可控硅桥由励磁电源供电（通常是发电机机端励磁变压器），受控的可控硅

桥经磁场断路器为发电机提供直流励磁电流。

GES6000励磁系统采用了高可靠的全数字化智能控制技术。

自动励磁调节器(AVR)以高可靠可编程自动化控制器(PAC)为主要硬件核心，各种模拟

量信号，如发电机电压和电流是通过模拟接口采样，然后经总线传送至CPU单元；CPU

控制器对这些输入信号进行计算处理后，送出控制信号到脉冲形成单元，产生的脉冲通

过脉冲电缆去触发可控硅桥，从而控制发电机磁场电流，达到励磁控制系统的各种控制

目标。

可控硅整流柜和灭磁回路的二进制信号分别由各自的I/O智能模块采集，并经过工

业以太网总线传送到PAC控制器上；由PAC控制器中的CPU控制器完成逻辑控制、保护、

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监测等功能。在调节柜前门上，装有现地人机界面工作站(HMI)。工作站能显示各种模拟

量值、发电机运行工况及励磁装置故障报警信号；通过工作站及现地操作面板的操作，

可完成励磁系统的动态试验，非常人性化，便于运行使用、维护。

为提高励磁调节器的可靠性，自动电压调节采用双通道冗余系统。双通道的模拟量、

开关量输入信号及调节通道的硬件配置是完全独立的，结构一致。双通道采取主、从方

式运行，如果一个通道故障，自动切至备用通道；无论哪一通道均可作为主通道，并没

有硬性规定某一通道优先于另一通道，备用通道自动跟踪主用通道。当主通道故障时，

备用（从）通道可无扰动地切换为主机。对于特殊要求的大型机组励磁系统，还设置了

一套完全独立的全数字后备手动调节通道，该通道从信号采集到脉冲输出是完全独立的，

采用恒转子磁场电流运行方式，当双自动调节通道同时出现故障的极限状态下，后备手

动调节通道自动接管控制权，确保系统的稳定运行，大大提高了励磁系统的安全可靠性。

4.2 系统特点

z 独立双通道及控制：配备了从信号采集到脉冲输出的两套独立自动电压和手动励

磁电流调节器，实现控制回路100%冗余。采用开放式高可靠可编程自动化控制器

(PAC)作为励磁控制核心，可以确保系统在任何严酷的工作环境下可靠运行。标准

的IEC61131-3编程集成开发环境，通过支持图形化的功能组态，可以确保控制程

序高可靠运行，而且维护方便，自动控制功能提供了完备的控制与限制保护,防止

设备运行超出其容许工作范围。

z 独立后备手动调节通道：可选择的全数字独立后备手动调节通道，专为巨型机组

的特殊要求而设置，可以在双自动调节通道同时出现故障时接管控制权，保证系

统的正常运行，提高了运行可靠性。

z 冗余工业以太网(EtherNet)技术：系统了采用目前国内独有的冗余工业以太网

(EtherNet)技术，由双工业以太网交换机实现冗余工业以太网络，大大提高网络

通讯的可靠性。

z 功率柜的智能均流和智能控制：采用冗余工业以太网(EtherNet)技术和功率柜

PAC控制器，可以实现功率柜的智能全数字式均流和功率柜的智能控制，同时可

以实现灭磁柜的智能监测和控制。双工业以太网总线的应用，大大减少系统内部

的连线，使系统更加简洁、可靠。

z 功率柜内可控硅的控制：为提高可控硅的高可靠控制，采用宽脉冲加脉冲列的触

发方式，选取高绝缘等级、大容量的脉冲变压器，实现可控硅的强触发。3相全

控可控硅整流桥提供在各种工况下所需的励磁电流，并且采用N-1冗余。

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z 灭磁回路配备高速直流灭磁开关、多模冗余Crowbar跨接器和非线性灭磁电阻，

可在发电机停机或紧急跳闸时快速释放磁场能量，防止对磁场绕组和励磁系统的

损害。

z 由PAC实现发电机剩磁残压配合厂用交流电源或直流电源供电的起励回路，对厂

用电源系统的冲击小。

z 在柜体结构上，采用具有自主专利技术的的MNS柜体结构，淘汰了传统的焊接式

结构，而采用联接板和特制的自攻螺钉把合。使用此种结构的柜体标准化程度高，

既美观大方，又方便灵活，且柜内非常合适元器件的安装布置其功能单元完全模

块化。

4.3 主要技术技术特点

z 控制规律：PID＋PSS

z 调节功能：自动电压调节（AVR）、励磁电流调节（FCR）、恒无功功率运

行、 恒功率因数运行

z 控制功能：机组开停机时励磁系统的顺序操作、机组的起励控制、磁场断

路器的合、分闸控制

z 辅助功能：最大励磁电流限制、最小励磁电流限制、电压/频率限制、定子

电流限制、电力系统稳定器PSS、励磁绕组温度计算并输出（4～20mA）、磁场回路短

路保护、输出模拟量、状态量及报警信号、驱动显示器、线路电压补偿器

z 调压精度：优于0.5%

z AVR调节范围：10%--130%额定值

z FCR调节范围：10%空载励磁电流到110%额定容量励磁电流

z 甩负荷调节性能：当发电机突然甩掉额定容量下的负荷（额定功率因数下）

后，发电机电压升高不超过额定值的15%。将发电机定子电压恢复到甩负荷前电压的

98～102%范围内，其调节时间小于5s，振荡次数不超过3次

z 零起升压调节性能：发电机转速在95～105%额定转速时，投入励磁，励磁

调节器将发电机端电压从0上升至100%额定电压时，电压无明显振荡，调节时间小于

5s。

z 调差率整定范围：±15%，调差为线性调差

z 温漂精度：环境温度在－10℃～+40℃内缓慢变化时，机端电压的变化小于

0.5%

z 频率精度：优于±0.25%

z 给定调整速度：额定电压的1%～0.3%/s

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z 电源频率变化范围：在45～77.5Hz范围内变化时，励磁调节器能正确工作

z AVR控制方式：连续控制机端三相平均电压

z 软硬件自检功能：自动完成对电源电压的监测，对CPU主控模块的监测，

对模拟采样模块的监测，对脉冲形成模块的监测，对误强励的监测

z 柜体结构：MNS柜体，控制器无风扇，柜体带冷却风扇

z AVR/FCR跟踪功能：实现AVR和FCR间的无扰动切换

z 自动电压跟踪功能：在机组同期并网前使机组电压迅速跟踪系统电压

z 事故故障自动记录、录波和记忆功能

z 给定限制功能：给定具有上下限和空载回空功能

z PSS功能：PSS能够在振荡频率范围内（0.1HZ-2.0HZ）提供正阻尼，改善

电力系统稳定性。

z PSS规律：IEEE421-2A

z PSS接口：配备试验接口

z 与电站接口：MODBUS串行口

z 常规接口：IO接口

z 噪音：小于55dB

5 调节器

5.1 电源系统

励磁调节器所需外部工作电源有几种等级，取自不同的电源系统。

· 厂用直流蓄电池工作电源： DC.220V（或110V）

·，厂用UPS交流工作电源： AC.220V

· 厂用交流电源，用于冷却风机和照明、电加热： AC.380V，3p+N

5.2 调节器内部电源系统

调节器采用由两路进口高可靠开关电源模块并联供电的冗余电源系统，其中开关电源

模块I采用220VAC/24VDC工作方式，开关电源模块II采用220VDC/24VDC工作方式；两

路开关电源模块的24VDC输出端并联，形成互为备用的结构，以增加供电可靠性。当任

一路开关电源因故退出时，不会影响24V回路的工作。24VDC电源分别提供给AVR、开关

量输入/输出继电器回路、同步信号检测回路、脉冲放大回路等。

调节器开关电源模块III采用220VDC/24VDC工作方式，用于提供开入命令操作继电

器的工作电源。

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5．3 励磁调节通道

为提高励磁调节器的可靠性，采用采用全数字化PAC控制的三通道冗余系统，由两个

自动电压调节通道（A、B）和一个独立手动调节通道（C）组成，三个通道从模拟量、开

关量输入信号及调节通道的硬件配置是完全独立的。双自动电压通道的硬件配置和结构

完全一致，采取主、从方式运行，其中一个自动电压调节通道作为主通道，另一个自动

电压调节通道作为备用通道，无论哪一通道均可作为主通道，并没有硬性规定某一通道

优先于另一通道，备用通道自动跟踪主用通道。如果一个通道故障，可无扰动地自动切

至备用通道运行。

仅当两个自动通道完全故障时，再切换到独立的手动调节控制通道，维持机组在恒励磁

电流方式下运行，三通道配置图如下所示：

5.4 调节器硬件配置

5.4.1主要硬件配置

励磁调节器的核心控制器采用全数字化PAC控制器。

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该控制器具备以下特点：

z 32位CPU，主频高达206MHz。

z 低功耗无风扇运行，宽工作温度范围-20～65℃，提高了可靠性，免除由于通风带

来的灰尘和污染。

z 支持冗余工业以太网通讯，速率10/100M，兼容NE2000。

z 无大体积散热器，高集成度的芯片，使控制器的体积紧凑，重量轻巧。

z 大容量Flash盘的使用，取代传统的硬盘，可靠性提高。

z Windows操作系统的安装，便于运行软逻辑程序，使高速的PC机与方便可靠的PLC

有机的结合。

z 采用满足国际标准的图形化编程平台，从而使控制程序更加可靠，可维护，可移

植，方便调试和用户掌握。

z 专用高速模数转换模块，为定时多通道高速同步采样，最高采样速度0.04mS，16

位精度，2500VDC隔离电压，12路同步采样，自动扫描，图形化语言控制，为高

速可靠的模拟量控制打下基础。

z 专用高精度的脉冲形成模块， 2500VDC隔离电压，采用大规模逻辑门阵列FPGA

形成6路、脉冲宽度可程控的高精度脉冲，确保脉冲的可靠性和脉冲控制精度。

5.4.2 每个自动电压调节通道（A、B）的主要硬件包括：

● PAC可编程自动化控制器 一套

◊ 可编程自动化控制器CPU板 一块

◊ 光隔定时高速A/D 转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入I/O板 二块

◊ 16路隔离数字量输出I/O板 二块

◊ 光离定时高速D/A转换卡 一块

● 机端信号调理模块 一块

● 同步信号调理模块 一块

5.4.3 独立手动调节通道（C）的主要硬件包括：

● PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

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◊ 光隔定时高速同步A/D 转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

● 同步信号调理模块 一块

5.4.4 其它主要硬件包括：

◊工业以太网(EtherNet)集线器 二只

◊ 现地显示工作站(HMI) 一只

◊ 开入/开出隔离继电器 一套

5.5 自动电压调节通道

两个自动电压调节通道（A、B）配置完全一致，在结构上完全独立。每个通道都

包含一套机端信号调理模块和同步信号调理模块。机端信号调理模块负责对发电机信号

进行调理，经过调理后的信号接入到PAC控制器的光隔定时高速A/D模块进行采样和调

节计算。同步信号调理模块负责对励磁电流和同步信号进行调理，经过调理后的励磁电

流信号接入到PAC控制器的光隔定时高速同步A/D模块进行采样和调节计算，同步信号

接入到专用数字脉冲板用于触发控制脉冲的形成和移相控制。

z 引入机端信号调理模块的信号包括：

发电机端PT副边线电压－额定3×100V或3×105V

发电机端系统侧PT副边线电压－额定1×100V或1×105V

发电机端的CT副边电流－额定3×5A或3×1A

z 引入同步信号调理模块的信号包括：

功率整流桥交流侧CT副边电流－额定3×5A或3×1A。此交流电流信号与发电机磁

场直流电流成正比，故此称为励磁电流。

同步电压－额定3×100V。此电压又称作作阳极电压，整流桥交流侧的电压信号经同

步变压器的隔离、降压处理后接入同步信号调理模块，此电压信号与整流功率电源相位

相同，幅值成正比，故此称作同步电压。

两个自动电压调节通道（A、B）在控制触发脉冲输出端直接并联，控制触发脉冲信号

通过脉冲电缆传输到可控硅整流柜内的脉冲，经过整形、隔离、放大后对可控硅进行触

发控制。运行为主机的调节通道释放脉冲，运行为备机的调节通道脉冲被闭锁，当进行

通道切换时，原为主机的调节通道脉冲被闭锁，运行为备机的调节通道释放脉冲，完成

无扰的脉冲切换。每个自动电压调节通道（A、B）都包含电压调节方式和电流调节方式

以及其它的设定的调节方式。

5.6 手动电压调节通道

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手动电压调节通道作为完全独立的后备调节通道，包含同步信号调理模块。同步信号

调理模块负责对励磁电流和同步信号进行调理，经过调理后的励磁电流信号接入到PAC

控制器的光隔定时高速同步A/D模块进行采样和调节计算，同步信号接入到专用数字脉

冲板用于触发控制脉冲的形成和移相控制。

z 引入同步信号调理模块的信号包括：

功率整流桥交流侧CT副边电流－额定3×5A或3×1A。

同步电压－额定3×100V。

手动电压调节通道的控制触发脉冲信号通过独立的脉冲电缆传输到可控硅整流柜内

的脉冲放大板，经过整形、隔离、放大后对可控硅进行触发控制。仅仅当两套自动电压

调节通道全部故障且机端电流大于预先设定值的条件下，自动电压调节通道全部闭锁脉

冲后手动电压调节通道才释放脉冲，实现励磁电流的闭环调节，维持机组稳定运行。

5.7 人机界面

在调节器柜的前门，安装15’彩色液晶触摸屏的人机界面HMI（Human-Machine

Interface），它作用是提供用户与励磁系统间的一个操作接口。 HMI友好的人机界面，

采用一体化的控制器，全中文界面，软面板技术，具有在线帮助系统、修改发电机控制

参数、发电机状态、励磁系统状态和故障记录故障记录、试验录波、智能测试等功能。

HMI采用24V工作电源，通过双冗余的工业以太网与PAC控制器相连，具有以下独特的功

能：

z 机组运行参数显示、运行状况显示

z 现地操作、控制

z 励磁系统参数设定和修改

z 在线调试和动态试验、录波

z 故障显示和故障录波

5.8 通讯网络

以太网（Ethernet）是目前应用最广泛的一类局域网，属于基带总线局域网。以太网

络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，以10-100Mbps的速率传送信

息包。专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过高可靠双绞屏蔽线作

为总线来传送数据帧并将局域网中的各台主机连接到核心节点上，形成了星型拓扑结构。

由于其具有高速实时、稳定可靠、 安全性高的特点，因此在现地局域网中得到了广泛的

应用。

调节器采用了双工业冗余以太网通信技术，以双网络交换机为中心，调节柜的控制器、

第12页 共 24页

整流柜的控制器以及灭磁保护柜的控制器均接入网络交换机，呈星形结构。网络交换机

为双机冗余配置，分别为1号、2号，可实现交叉冗余，系统可靠性远高于其它冗余系统，

配置连接如下图：

工业以太网交换机1

人机界面

HMI

自动

通道A

自动

通道B

功率

整流柜1

功率

整流柜2

功率

整流柜3

功率

整流柜4

灭磁

保护柜

工业以太网交换机2

5.9 励磁调节器的软件

励磁调节器除常规调节限制功能外，还具有定子电流限制器、叠加调节、转子温度

测量等其它特殊限制保护功能，确保励磁装置、发电机组和电力系统的安全、稳定运行。

即使在手动运行，依然配备有完备的保护功能。

调节器

-

-

-

-

-

-

-

-

限制器

-

-

-

-

励磁电流限制，带瞬时和反时限延时动作特性

基于P/Q图的低励限制，瞬时动作

定子电流限制，过励时为反时限延时动作，欠励时为瞬时动作

磁通饱和限制（V/Hz限制）

自动电压调节器（自动控制），具有有功和无功补偿功能

励磁电流调节器（手动控制）

具有时间可调的软启动功能

两个冗余通道之间的自动跟踪

自动和手动通道的双向自动跟踪

无功（VAR）或功率因素（cos ϕ）的控制

带有功和频率输入信号的PSS电力系统稳定器

交流采样

系统自诊断

-

-

过励电流保护，瞬时和反时限动作

PT故障保护

第13页 共 24页

-

-

-

-

-

可控硅快熔监视

单个可控硅桥导通监视

起励时间监测

电子装置自测（看门狗）

转子温度监测

电力系统稳定器（PSS）

电力系统稳定器（PSS）控制算法是以IEEE Std.421-2A为基础的，采用转子摆动频

率和电功率双输入信号，避免了传统PSS 存在的有功反调现象；其输入信号内的扭振分

量很小，可克服传统PSS 在轴系扭振方面的副作用；输出回路配备二阶超前滞后校正，

显著提高了PSS 的鲁棒性，在不同的振荡模式下可得到同样满意的阻尼效果。所有PSS 均

通过软件实现，无需特殊硬件。

6 励磁整流柜

6.1 基本特点

整流柜采用新型MNS标准型材把合式结构，外型美观，全智能化的控制、检测、

保护系统，全面满足于大型机组的励磁系统的需求。

z 采用进口大电流高反压的高参数性能的进口硅整流元件，一个桥臂上一只元件,

可控硅元件的du/dt 高达2000V/µs， di/dt 指标高达250A/µs，可有效防止误开通事故和

导通瞬间局部过热现象的发生。

z 可控硅使用80°宽脉冲列触发信号，典型高速脉冲列前沿陡度高，首脉冲触发电

流峰值大于1A，达到强触发的要求，导通时可迅速使可控硅载流子扩散到整个硅片，可

有限控制导通瞬间的局部过热。脉冲变压器的隔离等级高达20kV。

z 可控硅元件串连的快速熔断器采用高可靠产品，折断能力高，可有效切断短路电

流，其特性与可控硅配合良好，能最大限度地保护可控硅器件。

z 整流柜采用多柜并联运行方式，柜体数量采用N-1配置，即退一个柜后满足各种

工况(含强励)，退二个柜后满足额定工况运行。

z 每个整流柜的主要部件包括：

◆

6个可控硅组件

◆

6个带接点指示的快速熔断器

◆

1套集中阻断式阻容过电压保护装置

第14页 共 24页

◆

两套互为备用的的风机

◆

一套PAC控制单元

◆

一套电子电路板

◆

一块带触摸功能的HMI显示器

◆

一套霍耳电流变送器

◆

一套测温电阻，用于风温检测

6.2 整流柜的智能控制

在每个整流柜内安装有一套智能控制系统，该系统包括PAC控制单元、霍耳电流变送

器、带触摸功能的HMI显示器以及相应的输入输出接口电路等。由于引入了智能控制系统，

取消了常规表计和指示灯，整流柜柜的操作控制、状态监视、信息传递、信息显示等均

实现了智能化。

◆ 运行

工况智能检测包括：

• 可控硅桥臂电流

• 快熔状态（包括阻容保护用快熔）

• 可控硅强迫冷却出风口温度检测

• 风机开停状态

• 风机电源

◆

运行状态显示实时化显示

在每个功率柜柜门上，安装了一个带触摸功能的HMI显示器，用于显示该整流柜

的各种状态及实现相关操作，

◆

信息传输实现智能化

PAC控制器和冗余工业以太网技术用于智能化整流柜，将整流的状态开关量信号

和模拟量信号均通过冗余工业以太网传递到调节柜，这不仅提高了信息传输量和实时性，

大大减少了柜间接线，提高了系统运行可靠性，提高了装置的整体工艺水平。

◆

风机控制实现智能化

第15页 共 24页

当PAC控制器系统接收到投入时，自动选择启动的风机组并启动风机，主用/备用

的选择是通过软件控制实现的。

当主风机出现故障或主风机电源丢失时备用风机自动投入，同时切除主风机并发

出报警信号。智能控制系统可以控制两台风机以循环主/备用方式工作,以提高风机的利

用率，延长风机的使用寿命。

◆

智能化退柜

当PAC智能控制系统检测到柜出现某种严重故障状态时，比如风温长时间过高、脉冲

丢失故障、熔断器熔断、桥臂断流等，立即发出退柜信号并封锁该柜脉冲，实现智能化

退柜，同时相关故障信息通过冗余工业以太网传递到调节柜发出报警信号。

◆

全动态智能数字化均流

控制器通过霍耳电流变送器对可控硅元件的导通电流进行动态采集计算，通过冗余工

业以太网传递到调节柜，按照均流决策，实现各柜各臂均流，均流系数达到95%以上。彻

底摆脱了高成本高耗能的均流电缆和高噪音大体积的均流电抗器，均流系数的提高可显

著提高整流柜的使用寿命。

6.3 整流柜的智能控制器

整流柜智能控制器主要硬件包括：

◆

PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

◊ 光隔定时高速A/D同步转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

◆

带触摸功能的HMI显示器 一块

◆

霍耳电流变送器 三只

◆

温度检测电阻及其变送器 三套

6.4 脉冲传递和控制

励磁调节器自动电压调节通道（A、B）发出的80°宽脉冲信号通过脉冲电缆接入整

流柜的脉冲调理模块，由脉冲调理模块调理整形后的脉冲信号接入整流柜PAC智能控制器

进行移相均流控制，输出的脉冲信号依然是80°宽脉冲信号，该信号接入脉冲放大模块

后，被调制成宽度为80°、频率为20kHz高频脉冲列信号，其中＋U/+V/+W组脉冲接入一

组脉冲变压器板经高绝缘等级的脉冲变压器触发相应的正组可控硅元件，其中-U/-V/-W

组脉冲接入另一组脉冲变压器板经高绝缘等级的脉冲变压器触发相应的负组可控硅元

第16页 共 24页

件。

励磁调节器手动电压调节通道（C）发出的80°宽脉冲信号通过脉冲电缆直接接入整

流柜的脉冲放大模块，这种接线方式大大提高了该脉冲通道的独立性。

脉冲传输示意图

触发脉冲波形图

6.5 整流桥结构形式

在可控硅的结构选择上，目前国际上主要有两种结构，一种为抽屉式结构，即每个可

控硅、脉冲放大、检测、阻容保护等元件均通过独立框架组合成一个独立的可控硅模块

组件，选取六只模块组件可以组成一个全控整流桥，冷却风道由模块的外框自然结合而

成，这种方式造成了各厂家的可控硅模块组件内部结构完全不同，不具有互换性，我公

司采用的是平板式结构可控硅。可控硅桥安装在一块整体绝缘板上，分为上、下两层布

置，+A、+B、+C相可控硅在上部，-A、-B、-C相可控硅在下部，在可控硅A、B、C相元

件间安装耐高压绝缘隔板，用以防止可控硅相间短路，冷却风道采用高绝缘的阻燃透明

PC板经热压后成形，由面板和侧板紧贴可控硅拼装组成，外观质量好，加工方便，结构

简捷，该结构的风道由于较好的密闭，不存在漏风，最有效地达到散热效果，对发热元

件如熔断器，风道开有导风泄漏孔，以便冷却熔断器。风道中除去可控硅散热器及管芯

占据的位置后，有效的风道通风面积为0.2m

2

，风阻限制在一定范围内，确保上、下两层

可控硅的可靠散热。风道设计时，考虑了进风口和出风口温差，因此虽然串联风道中各

层之间的进风温度有差别，但在允许误差内。平板式结构可控硅是标准结构的可控硅，

第17页 共 24页

通用性、互换性很强。

6.5 风机控制和风机电源

可控硅整流桥采用强迫风冷方式，内置式专用风机箱，安装在柜体底部。风机箱内安

装四台进口振动小、噪音低、高可靠性的高速幅流式风机，可以将柜外的风通过前门的

进风过滤网抽进后直接在风道内吹向可控硅整流桥，对可控硅整流桥进行强迫冷却，热

风由柜顶的通风道排出柜外。风机为双风机运行方式，另外两台风机处于热备用状态，

每个风机都单独装有行程检测开关，当主用风机故障时，行程开关动作，发出报警信号，

自动启动备用风机。

冷却风机采用单相220V双回路电源供电，一路电源取自至厂用电源，另一路电源通

过系统内的风机电源变压器取自励磁变压器低压侧。当机组开机前，风机电源由厂用电

源提供，机端电压升至额定值后，由励磁调节器发出指令切换至励磁变压器低压侧供电，

最大限度地减少了对厂用电的消耗。如果整流柜内励磁变压器低压侧供电故障，通过PAC

控制器的在线监测后，可以迅速地切换回厂用电源提供。两路电源能相互闭锁和切换，

完全达到100%的冗余效果。在整流柜退柜后，冷却风机将继续运行确保其它发热器件的

有效散热。

6.6 尖峰电压抑制

励磁系统在运行过程中，由于外部和内部的原因会在励磁变压器低压侧和可控硅整流

桥直流侧形成瞬间过电压，产生过电压的原因可分为外部原因和内部原因，外部原因主

要来自电力系统中的大气过电压或开关操作过电压，后者主要来自电路内部晶闸管整流

换相过电压和电路内部故障等。作为发电机励磁功率单元的可控硅整流桥，由于励磁变

压器漏感及线路电感的影响，可控硅元件在运行换相时，即由一个可控硅导通转向另一

个可控硅导通的转换过程中，将在阳极电源侧产生很高的尖峰电压——换相过电压。换

相过电压的产生，对阳极侧的有关设备如励磁变压器、可控硅元件及其保护回路等都会

带来不利影响，尤其是对可控硅本身影响最大，各种原因产生的过电压如超过可控硅允

许的电压变化率dv/dt时将造成可控硅元件的击穿损坏，因此必须设置过电压抑制和保

护回路。

本系统采用了整流集中式阻容尖峰吸收回路，该电路分别连接可控硅整流柜的交流侧

和直流侧，具有体积小、安装方便、保护可靠等优点，换相过电压被有效限制到阳极电

压峰值的1.5倍以下。

第18页 共 24页

6.7 全动态智能数字化均流

大型机组的励磁装置一般由多个励磁整流柜(晶闸管整流桥)同时并列运行。并列运

行的晶闸管整流桥由于各晶闸管的参数离散性、接线长短不同、接触电阻大小不同等原

因，会造成晶闸管整流桥输出电流存在较大差异，使得并列运行的晶闸管整流桥负载很

不均衡。这样，长期负荷重的晶闸管的品质变坏，可靠性降低，寿命缩短，造成损坏。

损坏的晶闸管退出运行，又增加了其它晶闸管的负荷量，造成连锁反映。

解决并列运行晶闸管整流桥输出电流均衡的方法称为均流技术。通常采用的均流技

术有通过晶闸管参数匹配实现均流、选择适当的交流电缆进行长线均流、在每个可控硅

整流桥直流侧铜排加装可调电抗器、对晶闸管元件的触发脉冲进行微调等方法。交流电

缆进行长线均流的方式，电缆利用率低，故障晶闸管整流桥退出运行时，相应的电缆退

出运行，因此，需要较多的电缆冗余，增加成本。晶闸管参数匹配实现均流，由于晶闸

管运行后，参数发生变化或者更换新元件后参数的离散性影响，将会对并联支路的均流

造成较大的影响。

全动态智能数字化均流方法立足于高速实时测量控制技术、高速网络通讯技术及冗余

通讯等关键技术，通过自动调节实现柜间及相间均流。用这种方法均流，主回路不需要

其它措施（如长电缆、硅元件参数选配、串连任何均流器件等），因此它不仅克服了传统

均流方法的缺点，而且有效地实现高水平均流，能使整流桥的并联支路均流系数达到0.95

以上。

第19页 共 24页

在整流柜PAC控制器通过对霍耳传感器变送后的信号进行高速采样后计算出晶闸管

整流桥的每一个支臂电流的瞬时值，通过冗余的高速以太网，传输到调节器的控制器。

调节器控制器根据实际的运行整流柜的个数，计算出每一晶闸管整流桥支臂应通过的电

流，该电流作为每个支臂的电流给定值。在计算支臂电流给定值时，采用实际的并联的

晶闸管数量，因此晶闸管整流桥每一支臂+U、+V、+W、-U、-V、-W不一定相同，由于可

能有些支臂因故障退出运行，因而支臂电流给定值不一定相同。比较支臂电流给定值与

每一个整流柜晶闸管整流桥支臂电流实际值，如果支臂电流给定值大于相应的整流桥支

臂电流实际值，该支臂的均流移相角等于零；如果支臂电流给定值小于相应的整流桥支

臂电流实际值，该误差值经过PI调节和延时，计算出支臂的均流移相角，均流移相角一

般限定在±1°范围内。调节器将每一柜需要进行脉冲调整的相关信息要求通过以太网传

输到整流柜，相应整流柜收到信号后通过本柜PAC智能控制器对本柜的触发脉冲进行微

调，从而达到对电流进行调整的目的。

7 灭磁及过电压保护

7.1 主电路结构

当发电机内部或电力系统发生诸如短路及接地等事故情况时，励磁装置应能够迅速切

断励磁电流并将蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中，这样可以避免事

故的扩大，对发电机和电力系统起到保护作用，这是励磁装置的一项重要功能。

本系统采用UR40M-64S型高速磁场断路器+碳化硅灭磁电阻+多模冗余可控硅跨接器

组成灭磁回路，转子过电压保护采用氧化锌过电压保护器。

第20页 共 24页

z 灭磁开关采用 UR40M-64S，额定电压4000V，额定电流4000A，最大弧压大于

6000V，动作速度快，该单断口快速磁场断路器比起多断口断路器在弧压均衡方面明显优

势。

z 碳化硅（SiC） 灭磁电阻是一种非线性电阻，具有可靠性高、单片能量大，总体

积小的优点，具有易于并联的特性，自然均能性优越。且由于SiC 电阻在遭受过能量冲

击后的失效类型是软化，无金属性短路和爆裂的危险，故在各并联支路中不必使用保护

熔断器，结构简洁，少维护，可保证发电机在机端短路、空载误强励等极端情况下快速

可靠灭磁。

z 新型多模冗余可控硅电子跨接器（Crowbar）及其触发回路，代替灭磁开关的灭

磁接点，可实现无触点磁场能量释放，消除灭磁接点机械机构松动、卡塞等事故隐患，

显著减少维护工作量，采用多模冗余配置后灭磁可靠性大大提高。

7.2 灭磁保护柜的智能器

在灭磁保护柜内安装有智能控制器，主要硬件包括：

◆

PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

◊ 光隔定时高速A/D同步转换板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

◆

带触摸功能的HMI显示器 一块

◆

Crowbar触发控制板 二块

实现以下功能

z 励磁电流、电压现地隔离显示，提高了安全性

z 与励磁调节柜实现冗余以太网通讯，进行状态量、模拟量的实时交换

第21页 共 24页

z 完成专子温度的测算和传递

z 实现磁场开关的一体化连锁控制

z 灭磁和过电压保护动作的实时监视

7.3 灭磁方式

◆

励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁

◆

事故停机，当收到励磁保护跳闸命令时，首先闭锁脉冲，同时起动冗余可控

硅电子跨接器的触发回路，可控硅电子跨接器导通后将SiC 灭磁电阻接入转子回路，磁

场能量转移到耗能电阻进行灭磁，跳开灭磁开关。

◆

事故停机时如果出现冗余可控硅电子跨接器无法导通的严重情况，反向转子

电压会持续升高，当达到反向过电压动作值时，第三路跨接器被触发起动，将SiC 灭磁

电阻接入转子回路进行灭磁。

◆

灭磁工况下，磁场开关通常只起到断口作用，不承担灭磁功能，有效地保护

了开关，大大延长了开关的使用寿命。

7.4 过电压保护

当发电机处于滑极等非正常运行或电力系统遭受雷电干扰时，将在转子回路中产生很

高的感应电压或瞬间过电压，出现正向过电压时，正向阻断可控硅元件被触发导通，将

氧化性非线性电阻接入转子回路，吸收并抑制尖峰电压，正向过电压消失后回路自动关

断。当出现反向过电压时，反向阻断可控硅元件被触发导通，将碳化硅非线性电阻接入

转子回路，吸收并抑制尖峰电压，反向过电压消失后由于正向励磁电压的抑制作用，该

回路同样会自动关断。该结构的特点是避免了传统结构上采用碳化硅（SiC）灭磁电阻作

为灭磁过电压保护功能时，如果出现过电压动作，必然会致使机组停机的不利情况。

当过电压保护动作的同时，通过监测电流互感器CT的电流信号继电器，采集动作信

号，向励磁调节器和监控系统发出相应的指示信号。

8 起励装置

8.1 起励控制

本系统设置了残压起励、外部直流电源起励、外部交流电源起励三种起励模式，整

个起励过程和顺序控制是通过调节器实现的。

◆

对于自并励励磁系统，当励磁系统发出起励命令后，励磁调节器发出触发脉冲，

向可控硅整流桥发出强触发的快速脉冲列，连续地触发可控硅，根据机组的特性，如果

发电机的残压足够的话，可控硅导通后将使发电机自动完成建压，使发电机电压升至设

第22页 共 24页

定值。

◆

如励磁系统发出起励命令10s后，剩磁不足以使可控硅整流桥导通，发电机无法

建立电压时，则自动转入外部电源起励过程，即自动投入磁场起励回路接触器，由外部

直流电源或交流电源提供起励电流，发电机开始启励建压。当机端电压约10%时，起励接

触器断开，由励磁变压器提供电源，使发电机电压升至设定值。

◆

如励磁系统发出起励命令超过设定的时间后，检测到发电机无法建立电压，则断

开起励回路的接触器，同时发出起励失败信号并退出起励流程。

8.2 起励部件

DC220V直流起励电源通过直流断路器、限流电阻、反向阻断二极管整流桥接到起励

接触器原边，AC380V交流起励电源通过交流断路器、隔离降压变压器、反向阻断二极管

整流桥也并接到起励接触器原边，励接触器副边则通过磁场开关与发电机转子相连接。

如果选择直流电源起励，则只需要投入直流断路器，若选择交流电源起励，则只需要投

入直交流断路器，当两个电源断路器同时投入时，由于电源的相互闭锁作用，起作用的

主要是直流电源。

8.3 软起励

当起励回路自动退出后，将由发电机闭环自行建压，由于励磁调节器根据调节特性控

制励磁电流大小，发电机电压将按照起励曲线稳定、缓慢地建压到预定的电压水平，该

过程称为软起励过程，由于软起励的过程是可控的，在整个建压过中发电机不会出现任

何超调现象。

一般地，外部起励过程中提供的励磁电流小于空载额定励磁电流的5%。

9 柜体结构特点

9.1 柜体结构

柜体包括钢制底盘、柜体框架和门板外壳。

柜体底盘采用100mm高度的标准槽钢焊接而成，多个并联的柜体把合固定在柜体底盘

上形成一个整体，柜体底盘两端设置有供起吊用的吊耳。该结构的特点是所有安装、配

线在工厂统一完成，交流、直流母排采用标准贯通式母排连接，从而简化了工艺，实现

了设计标准化，方便了采购和制造，缩短了生产周期。集成运输和现场安装，大大减少

了系统在现场接线的工作量，同时提高了设备的可靠性。

柜体的框架是由2毫米厚的电镀C型钢梁材构成的MEN柜体，能够独立为安装的励磁

系统部件提供刚性支持。C型材由数控专用型材生产线专业制造，具有足够的强度和较高

第23页 共 24页

的精度，柜体结构组装采用特种自攻螺钉和螺纹密封胶防松新技术，独具特色的MEN柜

体结构坚固、组装灵活，获得国家实用新型专利。

门板外壳采用2毫米厚冷扎钢板制成，前门为整门结构，后门为整门或双开门结构，

门板的表面要经过全面的喷涂处理：

• 前处理包括除油、酸洗、磷化、冲洗；

• 之后采用静电粉末喷涂；

• 颜色可由用户指定。

9.2 防护等级

防护等级符合IEC529及GB4208-93标准。通常采用的防护等级有IP21和IP31，特

殊要求还可以再提高。对于潮湿或热带气候条件，设计时还特别考虑了柜体加热、柜体

通风、密封板等特殊结构。

9.3 母线铜排制作

为满足作为电联接的硬性成型母线线铜对通流容量、机械强度、可成型性、表面粗糙

度、平整度的要求，自主开发了一套应用特种电接触润滑剂保护母线的先进技术，使我

公司制造的母排能长期保持紫铜本色，并具有良好的电接触效果，达到了先进水平，同

时为满足不同用户要求，又进一步开发了一套使用热缩护套保护母线的先进技术，热缩

护套的绝缘能力达到1万伏以上特别适合环境比较恶劣的电厂。

为了获得母线加工的高质量，采用国内最先进的多功能三点式母线成型设备，使母

线加工得到了可靠保证。主电路母线连接采用大圆弹性垫圈、不锈钢高强度螺栓、螺母、

加定力矩搬手等先进连接手段、保证了高的电联接质量。

第24页 共 24页

2024年9月30日发(作者：沐铭)

GES6000励磁系统

技术介绍

东方电机有限公司

东方电机控制设备有限公司

目 录

1．概述

2．规格型号定义

3. 技术标准

4．励磁系统概述

5．励磁调节器

6．励磁整流柜

7．灭磁及过压保护

8．起励控制

9．柜体结构特点

第1页 共 24页

1 概述

东方电机是研制、生产大型发电设备以及配套的电机控制设备的特大型国家骨干企

业。从2000年起，我公司采用以IPC总线工控机为励磁控制核心的GES3000型双微机励

磁系统投入运行，随后GES3000型双微机励磁系统通过国家经贸委组织的国家技术鉴定，

新型高可靠大型功率柜获得国家专利，在此基础上，该型励磁系统先后生产、投入运行

了三百多台套，同步配套使用在多达几十台300MW机组上，取得了良好的运行业绩。

随着国家重大装备技术的发展，发电机组单机容量越来越大，我公司依托国家重点工程

项目先后与德国Siemens、瑞士ABB等国际知名企业进行了广泛深入的合作，在关键设计

原理、控制规律、选型计算等方面完成了技术转让，在充分吸取其成功设计理念和成功

运行经验的基础上，我们对GES3000励磁系统的进行了全面的完善与优化，包括采用更

高可靠性的PAC工业控制器作为励磁系统的核心控制器、双自动调节通道加独立后备手

动调节通道的三模容余结构、双容余工业以太网数据交换技术、可控硅整流桥并列运行

全数字化智能均流技术、多模容余灭磁及过电压保护回路等，形成了具有自主知识产权

的GES6000型励磁系统，使其安全可靠性、技术先进性和使用功能上完全满足于巨型水、

火电机组的使用需求。

2 规格型号定义

励磁设备型号代码结构如下：

代码位 1 2

6

3

6

4

3

5

0

-

6

T

7

4

8

4

9

S

10

40

11

N 型号示例 GES

代码位说明：

■ 固定标示(1)为GES，表示是发电机励磁系统。

■ 固定标示(2)

3----表示GES3000系列产品

6----表示GES6000系列产品

■ 调节器类型(3)

0----单纯的功率柜，调节器不在供货范围内

1----调节器是分立器件构成的模拟线路

2----调节器采用DSP核心技术

3----调节器采用IPC总线工控机

4----调节器采用STD总线工控机

5----调节器采用PCC模块

第2页 共 24页

6----调节器采用PAC工业控制器

■ 通道配置(4)

0----单纯的功率柜，调节器不在供货范围内

1----调节器单通道结构

2----调节器双通道冗余结构

3----调节器三通道冗余结构

■ 励磁方式(5)

0----机端变自并励静止励磁系统

1----交流励磁机-静止整流器励磁系统

2----同步电动机励磁

■ 功率柜配置(6)

T----功率整流器件为可控硅

D----功率整流器件为二极管

■ 功率柜型号(7)

1----单柜额定输出直流500A

2----单柜额定输出直流1000A

3----单柜额定输出直流1500A

4----单柜额定输出直流2000A

5----单柜额定输出直流2500A以上

■ 功率柜并联数(8)

1----1柜

2----2柜并联

…………

6----6柜并联

■ 灭磁开关配置(9)

A----交流灭磁

S----单断口

D----双断口

T----三断口

F----四断口

H----带辅助常闭触头

■ 灭磁开关额定电流(10)

第3页 共 24页

06----600A

08----800A

10----1000A

16----1600A

以此类推

■ 灭磁电阻类型(11)

L----线性电阻灭磁

N----非线性电阻灭磁

型号示例： GES 6630-T44S40 N

表示GES6000励磁系统。调节器采用PAC型控制器，调节控制通道采用冗余三通道

结构，励磁方式为机端变自并励静止励磁系统；整流柜采用可控硅整流桥，单柜直流输

出2000A，采用4柜并联结构；磁场开关采用单断口开关，开关额定电流4000A，灭磁方

式为非线性灭磁电阻灭磁。

3 技术标准

GES6000系列产品执行并满足有关的国际标准和国家标准以及行业标准要求，主要包

括：

GB/T 7409.1 同步电机励磁系统 定义

GB/T 7409.2 同步电机励磁系统 电力系统研究用模型

GB/T 7409.3 同步电机励磁系统 大、中型同步发电机励磁系统技术要求

DL/T 583 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件

DL/T 650 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件

DL/T489 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程

DL/T490 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置安装、验收规程

DL/T491 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行、检修规程

IEEE / 421系列 同步电机励磁系统

IEC / 60034-16 旋转电机

GB1094

GB3797

电力变压器

电控设备第二部分

半导体变流器 GB/T3859

GB4064 电气设备安全设计导则

第4页 共 24页

GB4208

GB6450

GB13926

外壳防护等级（IP代码）

干式电力变压器

工业过程测量和控制装置的电磁兼容性

电磁兼容 试验和测量技术 GB/T17626

4 励磁系统概述

4.1 组成

GES6000自并励静态励磁系统主要由励磁调节器柜、大功率可控硅整流柜、高速直流

磁场开关柜、灭磁电阻及过电压保护柜、起励装置和励磁变压器构成，主要电气接线原

理图如下：

励磁系统可控硅桥由励磁电源供电（通常是发电机机端励磁变压器），受控的可控硅

桥经磁场断路器为发电机提供直流励磁电流。

GES6000励磁系统采用了高可靠的全数字化智能控制技术。

自动励磁调节器(AVR)以高可靠可编程自动化控制器(PAC)为主要硬件核心，各种模拟

量信号，如发电机电压和电流是通过模拟接口采样，然后经总线传送至CPU单元；CPU

控制器对这些输入信号进行计算处理后，送出控制信号到脉冲形成单元，产生的脉冲通

过脉冲电缆去触发可控硅桥，从而控制发电机磁场电流，达到励磁控制系统的各种控制

目标。

可控硅整流柜和灭磁回路的二进制信号分别由各自的I/O智能模块采集，并经过工

业以太网总线传送到PAC控制器上；由PAC控制器中的CPU控制器完成逻辑控制、保护、

第5页 共 24页

监测等功能。在调节柜前门上，装有现地人机界面工作站(HMI)。工作站能显示各种模拟

量值、发电机运行工况及励磁装置故障报警信号；通过工作站及现地操作面板的操作，

可完成励磁系统的动态试验，非常人性化，便于运行使用、维护。

为提高励磁调节器的可靠性，自动电压调节采用双通道冗余系统。双通道的模拟量、

开关量输入信号及调节通道的硬件配置是完全独立的，结构一致。双通道采取主、从方

式运行，如果一个通道故障，自动切至备用通道；无论哪一通道均可作为主通道，并没

有硬性规定某一通道优先于另一通道，备用通道自动跟踪主用通道。当主通道故障时，

备用（从）通道可无扰动地切换为主机。对于特殊要求的大型机组励磁系统，还设置了

一套完全独立的全数字后备手动调节通道，该通道从信号采集到脉冲输出是完全独立的，

采用恒转子磁场电流运行方式，当双自动调节通道同时出现故障的极限状态下，后备手

动调节通道自动接管控制权，确保系统的稳定运行，大大提高了励磁系统的安全可靠性。

4.2 系统特点

z 独立双通道及控制：配备了从信号采集到脉冲输出的两套独立自动电压和手动励

磁电流调节器，实现控制回路100%冗余。采用开放式高可靠可编程自动化控制器

(PAC)作为励磁控制核心，可以确保系统在任何严酷的工作环境下可靠运行。标准

的IEC61131-3编程集成开发环境，通过支持图形化的功能组态，可以确保控制程

序高可靠运行，而且维护方便，自动控制功能提供了完备的控制与限制保护,防止

设备运行超出其容许工作范围。

z 独立后备手动调节通道：可选择的全数字独立后备手动调节通道，专为巨型机组

的特殊要求而设置，可以在双自动调节通道同时出现故障时接管控制权，保证系

统的正常运行，提高了运行可靠性。

z 冗余工业以太网(EtherNet)技术：系统了采用目前国内独有的冗余工业以太网

(EtherNet)技术，由双工业以太网交换机实现冗余工业以太网络，大大提高网络

通讯的可靠性。

z 功率柜的智能均流和智能控制：采用冗余工业以太网(EtherNet)技术和功率柜

PAC控制器，可以实现功率柜的智能全数字式均流和功率柜的智能控制，同时可

以实现灭磁柜的智能监测和控制。双工业以太网总线的应用，大大减少系统内部

的连线，使系统更加简洁、可靠。

z 功率柜内可控硅的控制：为提高可控硅的高可靠控制，采用宽脉冲加脉冲列的触

发方式，选取高绝缘等级、大容量的脉冲变压器，实现可控硅的强触发。3相全

控可控硅整流桥提供在各种工况下所需的励磁电流，并且采用N-1冗余。

第6页 共 24页

z 灭磁回路配备高速直流灭磁开关、多模冗余Crowbar跨接器和非线性灭磁电阻，

可在发电机停机或紧急跳闸时快速释放磁场能量，防止对磁场绕组和励磁系统的

损害。

z 由PAC实现发电机剩磁残压配合厂用交流电源或直流电源供电的起励回路，对厂

用电源系统的冲击小。

z 在柜体结构上，采用具有自主专利技术的的MNS柜体结构，淘汰了传统的焊接式

结构，而采用联接板和特制的自攻螺钉把合。使用此种结构的柜体标准化程度高，

既美观大方，又方便灵活，且柜内非常合适元器件的安装布置其功能单元完全模

块化。

4.3 主要技术技术特点

z 控制规律：PID＋PSS

z 调节功能：自动电压调节（AVR）、励磁电流调节（FCR）、恒无功功率运

行、 恒功率因数运行

z 控制功能：机组开停机时励磁系统的顺序操作、机组的起励控制、磁场断

路器的合、分闸控制

z 辅助功能：最大励磁电流限制、最小励磁电流限制、电压/频率限制、定子

电流限制、电力系统稳定器PSS、励磁绕组温度计算并输出（4～20mA）、磁场回路短

路保护、输出模拟量、状态量及报警信号、驱动显示器、线路电压补偿器

z 调压精度：优于0.5%

z AVR调节范围：10%--130%额定值

z FCR调节范围：10%空载励磁电流到110%额定容量励磁电流

z 甩负荷调节性能：当发电机突然甩掉额定容量下的负荷（额定功率因数下）

后，发电机电压升高不超过额定值的15%。将发电机定子电压恢复到甩负荷前电压的

98～102%范围内，其调节时间小于5s，振荡次数不超过3次

z 零起升压调节性能：发电机转速在95～105%额定转速时，投入励磁，励磁

调节器将发电机端电压从0上升至100%额定电压时，电压无明显振荡，调节时间小于

5s。

z 调差率整定范围：±15%，调差为线性调差

z 温漂精度：环境温度在－10℃～+40℃内缓慢变化时，机端电压的变化小于

0.5%

z 频率精度：优于±0.25%

z 给定调整速度：额定电压的1%～0.3%/s

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z 电源频率变化范围：在45～77.5Hz范围内变化时，励磁调节器能正确工作

z AVR控制方式：连续控制机端三相平均电压

z 软硬件自检功能：自动完成对电源电压的监测，对CPU主控模块的监测，

对模拟采样模块的监测，对脉冲形成模块的监测，对误强励的监测

z 柜体结构：MNS柜体，控制器无风扇，柜体带冷却风扇

z AVR/FCR跟踪功能：实现AVR和FCR间的无扰动切换

z 自动电压跟踪功能：在机组同期并网前使机组电压迅速跟踪系统电压

z 事故故障自动记录、录波和记忆功能

z 给定限制功能：给定具有上下限和空载回空功能

z PSS功能：PSS能够在振荡频率范围内（0.1HZ-2.0HZ）提供正阻尼，改善

电力系统稳定性。

z PSS规律：IEEE421-2A

z PSS接口：配备试验接口

z 与电站接口：MODBUS串行口

z 常规接口：IO接口

z 噪音：小于55dB

5 调节器

5.1 电源系统

励磁调节器所需外部工作电源有几种等级，取自不同的电源系统。

· 厂用直流蓄电池工作电源： DC.220V（或110V）

·，厂用UPS交流工作电源： AC.220V

· 厂用交流电源，用于冷却风机和照明、电加热： AC.380V，3p+N

5.2 调节器内部电源系统

调节器采用由两路进口高可靠开关电源模块并联供电的冗余电源系统，其中开关电源

模块I采用220VAC/24VDC工作方式，开关电源模块II采用220VDC/24VDC工作方式；两

路开关电源模块的24VDC输出端并联，形成互为备用的结构，以增加供电可靠性。当任

一路开关电源因故退出时，不会影响24V回路的工作。24VDC电源分别提供给AVR、开关

量输入/输出继电器回路、同步信号检测回路、脉冲放大回路等。

调节器开关电源模块III采用220VDC/24VDC工作方式，用于提供开入命令操作继电

器的工作电源。

第8页 共 24页

5．3 励磁调节通道

为提高励磁调节器的可靠性，采用采用全数字化PAC控制的三通道冗余系统，由两个

自动电压调节通道（A、B）和一个独立手动调节通道（C）组成，三个通道从模拟量、开

关量输入信号及调节通道的硬件配置是完全独立的。双自动电压通道的硬件配置和结构

完全一致，采取主、从方式运行，其中一个自动电压调节通道作为主通道，另一个自动

电压调节通道作为备用通道，无论哪一通道均可作为主通道，并没有硬性规定某一通道

优先于另一通道，备用通道自动跟踪主用通道。如果一个通道故障，可无扰动地自动切

至备用通道运行。

仅当两个自动通道完全故障时，再切换到独立的手动调节控制通道，维持机组在恒励磁

电流方式下运行，三通道配置图如下所示：

5.4 调节器硬件配置

5.4.1主要硬件配置

励磁调节器的核心控制器采用全数字化PAC控制器。

第9页 共 24页

该控制器具备以下特点：

z 32位CPU，主频高达206MHz。

z 低功耗无风扇运行，宽工作温度范围-20～65℃，提高了可靠性，免除由于通风带

来的灰尘和污染。

z 支持冗余工业以太网通讯，速率10/100M，兼容NE2000。

z 无大体积散热器，高集成度的芯片，使控制器的体积紧凑，重量轻巧。

z 大容量Flash盘的使用，取代传统的硬盘，可靠性提高。

z Windows操作系统的安装，便于运行软逻辑程序，使高速的PC机与方便可靠的PLC

有机的结合。

z 采用满足国际标准的图形化编程平台，从而使控制程序更加可靠，可维护，可移

植，方便调试和用户掌握。

z 专用高速模数转换模块，为定时多通道高速同步采样，最高采样速度0.04mS，16

位精度，2500VDC隔离电压，12路同步采样，自动扫描，图形化语言控制，为高

速可靠的模拟量控制打下基础。

z 专用高精度的脉冲形成模块， 2500VDC隔离电压，采用大规模逻辑门阵列FPGA

形成6路、脉冲宽度可程控的高精度脉冲，确保脉冲的可靠性和脉冲控制精度。

5.4.2 每个自动电压调节通道（A、B）的主要硬件包括：

● PAC可编程自动化控制器 一套

◊ 可编程自动化控制器CPU板 一块

◊ 光隔定时高速A/D 转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入I/O板 二块

◊ 16路隔离数字量输出I/O板 二块

◊ 光离定时高速D/A转换卡 一块

● 机端信号调理模块 一块

● 同步信号调理模块 一块

5.4.3 独立手动调节通道（C）的主要硬件包括：

● PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

第10页 共 24页

◊ 光隔定时高速同步A/D 转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

● 同步信号调理模块 一块

5.4.4 其它主要硬件包括：

◊工业以太网(EtherNet)集线器 二只

◊ 现地显示工作站(HMI) 一只

◊ 开入/开出隔离继电器 一套

5.5 自动电压调节通道

两个自动电压调节通道（A、B）配置完全一致，在结构上完全独立。每个通道都

包含一套机端信号调理模块和同步信号调理模块。机端信号调理模块负责对发电机信号

进行调理，经过调理后的信号接入到PAC控制器的光隔定时高速A/D模块进行采样和调

节计算。同步信号调理模块负责对励磁电流和同步信号进行调理，经过调理后的励磁电

流信号接入到PAC控制器的光隔定时高速同步A/D模块进行采样和调节计算，同步信号

接入到专用数字脉冲板用于触发控制脉冲的形成和移相控制。

z 引入机端信号调理模块的信号包括：

发电机端PT副边线电压－额定3×100V或3×105V

发电机端系统侧PT副边线电压－额定1×100V或1×105V

发电机端的CT副边电流－额定3×5A或3×1A

z 引入同步信号调理模块的信号包括：

功率整流桥交流侧CT副边电流－额定3×5A或3×1A。此交流电流信号与发电机磁

场直流电流成正比，故此称为励磁电流。

同步电压－额定3×100V。此电压又称作作阳极电压，整流桥交流侧的电压信号经同

步变压器的隔离、降压处理后接入同步信号调理模块，此电压信号与整流功率电源相位

相同，幅值成正比，故此称作同步电压。

两个自动电压调节通道（A、B）在控制触发脉冲输出端直接并联，控制触发脉冲信号

通过脉冲电缆传输到可控硅整流柜内的脉冲，经过整形、隔离、放大后对可控硅进行触

发控制。运行为主机的调节通道释放脉冲，运行为备机的调节通道脉冲被闭锁，当进行

通道切换时，原为主机的调节通道脉冲被闭锁，运行为备机的调节通道释放脉冲，完成

无扰的脉冲切换。每个自动电压调节通道（A、B）都包含电压调节方式和电流调节方式

以及其它的设定的调节方式。

5.6 手动电压调节通道

第11页 共 24页

手动电压调节通道作为完全独立的后备调节通道，包含同步信号调理模块。同步信号

调理模块负责对励磁电流和同步信号进行调理，经过调理后的励磁电流信号接入到PAC

控制器的光隔定时高速同步A/D模块进行采样和调节计算，同步信号接入到专用数字脉

冲板用于触发控制脉冲的形成和移相控制。

z 引入同步信号调理模块的信号包括：

功率整流桥交流侧CT副边电流－额定3×5A或3×1A。

同步电压－额定3×100V。

手动电压调节通道的控制触发脉冲信号通过独立的脉冲电缆传输到可控硅整流柜内

的脉冲放大板，经过整形、隔离、放大后对可控硅进行触发控制。仅仅当两套自动电压

调节通道全部故障且机端电流大于预先设定值的条件下，自动电压调节通道全部闭锁脉

冲后手动电压调节通道才释放脉冲，实现励磁电流的闭环调节，维持机组稳定运行。

5.7 人机界面

在调节器柜的前门，安装15’彩色液晶触摸屏的人机界面HMI（Human-Machine

Interface），它作用是提供用户与励磁系统间的一个操作接口。 HMI友好的人机界面，

采用一体化的控制器，全中文界面，软面板技术，具有在线帮助系统、修改发电机控制

参数、发电机状态、励磁系统状态和故障记录故障记录、试验录波、智能测试等功能。

HMI采用24V工作电源，通过双冗余的工业以太网与PAC控制器相连，具有以下独特的功

能：

z 机组运行参数显示、运行状况显示

z 现地操作、控制

z 励磁系统参数设定和修改

z 在线调试和动态试验、录波

z 故障显示和故障录波

5.8 通讯网络

以太网（Ethernet）是目前应用最广泛的一类局域网，属于基带总线局域网。以太网

络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，以10-100Mbps的速率传送信

息包。专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过高可靠双绞屏蔽线作

为总线来传送数据帧并将局域网中的各台主机连接到核心节点上，形成了星型拓扑结构。

由于其具有高速实时、稳定可靠、 安全性高的特点，因此在现地局域网中得到了广泛的

应用。

调节器采用了双工业冗余以太网通信技术，以双网络交换机为中心，调节柜的控制器、

第12页 共 24页

整流柜的控制器以及灭磁保护柜的控制器均接入网络交换机，呈星形结构。网络交换机

为双机冗余配置，分别为1号、2号，可实现交叉冗余，系统可靠性远高于其它冗余系统，

配置连接如下图：

工业以太网交换机1

人机界面

HMI

自动

通道A

自动

通道B

功率

整流柜1

功率

整流柜2

功率

整流柜3

功率

整流柜4

灭磁

保护柜

工业以太网交换机2

5.9 励磁调节器的软件

励磁调节器除常规调节限制功能外，还具有定子电流限制器、叠加调节、转子温度

测量等其它特殊限制保护功能，确保励磁装置、发电机组和电力系统的安全、稳定运行。

即使在手动运行，依然配备有完备的保护功能。

调节器

-

-

-

-

-

-

-

-

限制器

-

-

-

-

励磁电流限制，带瞬时和反时限延时动作特性

基于P/Q图的低励限制，瞬时动作

定子电流限制，过励时为反时限延时动作，欠励时为瞬时动作

磁通饱和限制（V/Hz限制）

自动电压调节器（自动控制），具有有功和无功补偿功能

励磁电流调节器（手动控制）

具有时间可调的软启动功能

两个冗余通道之间的自动跟踪

自动和手动通道的双向自动跟踪

无功（VAR）或功率因素（cos ϕ）的控制

带有功和频率输入信号的PSS电力系统稳定器

交流采样

系统自诊断

-

-

过励电流保护，瞬时和反时限动作

PT故障保护

第13页 共 24页

-

-

-

-

-

可控硅快熔监视

单个可控硅桥导通监视

起励时间监测

电子装置自测（看门狗）

转子温度监测

电力系统稳定器（PSS）

电力系统稳定器（PSS）控制算法是以IEEE Std.421-2A为基础的，采用转子摆动频

率和电功率双输入信号，避免了传统PSS 存在的有功反调现象；其输入信号内的扭振分

量很小，可克服传统PSS 在轴系扭振方面的副作用；输出回路配备二阶超前滞后校正，

显著提高了PSS 的鲁棒性，在不同的振荡模式下可得到同样满意的阻尼效果。所有PSS 均

通过软件实现，无需特殊硬件。

6 励磁整流柜

6.1 基本特点

整流柜采用新型MNS标准型材把合式结构，外型美观，全智能化的控制、检测、

保护系统，全面满足于大型机组的励磁系统的需求。

z 采用进口大电流高反压的高参数性能的进口硅整流元件，一个桥臂上一只元件,

可控硅元件的du/dt 高达2000V/µs， di/dt 指标高达250A/µs，可有效防止误开通事故和

导通瞬间局部过热现象的发生。

z 可控硅使用80°宽脉冲列触发信号，典型高速脉冲列前沿陡度高，首脉冲触发电

流峰值大于1A，达到强触发的要求，导通时可迅速使可控硅载流子扩散到整个硅片，可

有限控制导通瞬间的局部过热。脉冲变压器的隔离等级高达20kV。

z 可控硅元件串连的快速熔断器采用高可靠产品，折断能力高，可有效切断短路电

流，其特性与可控硅配合良好，能最大限度地保护可控硅器件。

z 整流柜采用多柜并联运行方式，柜体数量采用N-1配置，即退一个柜后满足各种

工况(含强励)，退二个柜后满足额定工况运行。

z 每个整流柜的主要部件包括：

◆

6个可控硅组件

◆

6个带接点指示的快速熔断器

◆

1套集中阻断式阻容过电压保护装置

第14页 共 24页

◆

两套互为备用的的风机

◆

一套PAC控制单元

◆

一套电子电路板

◆

一块带触摸功能的HMI显示器

◆

一套霍耳电流变送器

◆

一套测温电阻，用于风温检测

6.2 整流柜的智能控制

在每个整流柜内安装有一套智能控制系统，该系统包括PAC控制单元、霍耳电流变送

器、带触摸功能的HMI显示器以及相应的输入输出接口电路等。由于引入了智能控制系统，

取消了常规表计和指示灯，整流柜柜的操作控制、状态监视、信息传递、信息显示等均

实现了智能化。

◆ 运行

工况智能检测包括：

• 可控硅桥臂电流

• 快熔状态（包括阻容保护用快熔）

• 可控硅强迫冷却出风口温度检测

• 风机开停状态

• 风机电源

◆

运行状态显示实时化显示

在每个功率柜柜门上，安装了一个带触摸功能的HMI显示器，用于显示该整流柜

的各种状态及实现相关操作，

◆

信息传输实现智能化

PAC控制器和冗余工业以太网技术用于智能化整流柜，将整流的状态开关量信号

和模拟量信号均通过冗余工业以太网传递到调节柜，这不仅提高了信息传输量和实时性，

大大减少了柜间接线，提高了系统运行可靠性，提高了装置的整体工艺水平。

◆

风机控制实现智能化

第15页 共 24页

当PAC控制器系统接收到投入时，自动选择启动的风机组并启动风机，主用/备用

的选择是通过软件控制实现的。

当主风机出现故障或主风机电源丢失时备用风机自动投入，同时切除主风机并发

出报警信号。智能控制系统可以控制两台风机以循环主/备用方式工作,以提高风机的利

用率，延长风机的使用寿命。

◆

智能化退柜

当PAC智能控制系统检测到柜出现某种严重故障状态时，比如风温长时间过高、脉冲

丢失故障、熔断器熔断、桥臂断流等，立即发出退柜信号并封锁该柜脉冲，实现智能化

退柜，同时相关故障信息通过冗余工业以太网传递到调节柜发出报警信号。

◆

全动态智能数字化均流

控制器通过霍耳电流变送器对可控硅元件的导通电流进行动态采集计算，通过冗余工

业以太网传递到调节柜，按照均流决策，实现各柜各臂均流，均流系数达到95%以上。彻

底摆脱了高成本高耗能的均流电缆和高噪音大体积的均流电抗器，均流系数的提高可显

著提高整流柜的使用寿命。

6.3 整流柜的智能控制器

整流柜智能控制器主要硬件包括：

◆

PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

◊ 光隔定时高速A/D同步转换板 一块

◊ 专用数字脉冲板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

◆

带触摸功能的HMI显示器 一块

◆

霍耳电流变送器 三只

◆

温度检测电阻及其变送器 三套

6.4 脉冲传递和控制

励磁调节器自动电压调节通道（A、B）发出的80°宽脉冲信号通过脉冲电缆接入整

流柜的脉冲调理模块，由脉冲调理模块调理整形后的脉冲信号接入整流柜PAC智能控制器

进行移相均流控制，输出的脉冲信号依然是80°宽脉冲信号，该信号接入脉冲放大模块

后，被调制成宽度为80°、频率为20kHz高频脉冲列信号，其中＋U/+V/+W组脉冲接入一

组脉冲变压器板经高绝缘等级的脉冲变压器触发相应的正组可控硅元件，其中-U/-V/-W

组脉冲接入另一组脉冲变压器板经高绝缘等级的脉冲变压器触发相应的负组可控硅元

第16页 共 24页

件。

励磁调节器手动电压调节通道（C）发出的80°宽脉冲信号通过脉冲电缆直接接入整

流柜的脉冲放大模块，这种接线方式大大提高了该脉冲通道的独立性。

脉冲传输示意图

触发脉冲波形图

6.5 整流桥结构形式

在可控硅的结构选择上，目前国际上主要有两种结构，一种为抽屉式结构，即每个可

控硅、脉冲放大、检测、阻容保护等元件均通过独立框架组合成一个独立的可控硅模块

组件，选取六只模块组件可以组成一个全控整流桥，冷却风道由模块的外框自然结合而

成，这种方式造成了各厂家的可控硅模块组件内部结构完全不同，不具有互换性，我公

司采用的是平板式结构可控硅。可控硅桥安装在一块整体绝缘板上，分为上、下两层布

置，+A、+B、+C相可控硅在上部，-A、-B、-C相可控硅在下部，在可控硅A、B、C相元

件间安装耐高压绝缘隔板，用以防止可控硅相间短路，冷却风道采用高绝缘的阻燃透明

PC板经热压后成形，由面板和侧板紧贴可控硅拼装组成，外观质量好，加工方便，结构

简捷，该结构的风道由于较好的密闭，不存在漏风，最有效地达到散热效果，对发热元

件如熔断器，风道开有导风泄漏孔，以便冷却熔断器。风道中除去可控硅散热器及管芯

占据的位置后，有效的风道通风面积为0.2m

2

，风阻限制在一定范围内，确保上、下两层

可控硅的可靠散热。风道设计时，考虑了进风口和出风口温差，因此虽然串联风道中各

层之间的进风温度有差别，但在允许误差内。平板式结构可控硅是标准结构的可控硅，

第17页 共 24页

通用性、互换性很强。

6.5 风机控制和风机电源

可控硅整流桥采用强迫风冷方式，内置式专用风机箱，安装在柜体底部。风机箱内安

装四台进口振动小、噪音低、高可靠性的高速幅流式风机，可以将柜外的风通过前门的

进风过滤网抽进后直接在风道内吹向可控硅整流桥，对可控硅整流桥进行强迫冷却，热

风由柜顶的通风道排出柜外。风机为双风机运行方式，另外两台风机处于热备用状态，

每个风机都单独装有行程检测开关，当主用风机故障时，行程开关动作，发出报警信号，

自动启动备用风机。

冷却风机采用单相220V双回路电源供电，一路电源取自至厂用电源，另一路电源通

过系统内的风机电源变压器取自励磁变压器低压侧。当机组开机前，风机电源由厂用电

源提供，机端电压升至额定值后，由励磁调节器发出指令切换至励磁变压器低压侧供电，

最大限度地减少了对厂用电的消耗。如果整流柜内励磁变压器低压侧供电故障，通过PAC

控制器的在线监测后，可以迅速地切换回厂用电源提供。两路电源能相互闭锁和切换，

完全达到100%的冗余效果。在整流柜退柜后，冷却风机将继续运行确保其它发热器件的

有效散热。

6.6 尖峰电压抑制

励磁系统在运行过程中，由于外部和内部的原因会在励磁变压器低压侧和可控硅整流

桥直流侧形成瞬间过电压，产生过电压的原因可分为外部原因和内部原因，外部原因主

要来自电力系统中的大气过电压或开关操作过电压，后者主要来自电路内部晶闸管整流

换相过电压和电路内部故障等。作为发电机励磁功率单元的可控硅整流桥，由于励磁变

压器漏感及线路电感的影响，可控硅元件在运行换相时，即由一个可控硅导通转向另一

个可控硅导通的转换过程中，将在阳极电源侧产生很高的尖峰电压——换相过电压。换

相过电压的产生，对阳极侧的有关设备如励磁变压器、可控硅元件及其保护回路等都会

带来不利影响，尤其是对可控硅本身影响最大，各种原因产生的过电压如超过可控硅允

许的电压变化率dv/dt时将造成可控硅元件的击穿损坏，因此必须设置过电压抑制和保

护回路。

本系统采用了整流集中式阻容尖峰吸收回路，该电路分别连接可控硅整流柜的交流侧

和直流侧，具有体积小、安装方便、保护可靠等优点，换相过电压被有效限制到阳极电

压峰值的1.5倍以下。

第18页 共 24页

6.7 全动态智能数字化均流

大型机组的励磁装置一般由多个励磁整流柜(晶闸管整流桥)同时并列运行。并列运

行的晶闸管整流桥由于各晶闸管的参数离散性、接线长短不同、接触电阻大小不同等原

因，会造成晶闸管整流桥输出电流存在较大差异，使得并列运行的晶闸管整流桥负载很

不均衡。这样，长期负荷重的晶闸管的品质变坏，可靠性降低，寿命缩短，造成损坏。

损坏的晶闸管退出运行，又增加了其它晶闸管的负荷量，造成连锁反映。

解决并列运行晶闸管整流桥输出电流均衡的方法称为均流技术。通常采用的均流技

术有通过晶闸管参数匹配实现均流、选择适当的交流电缆进行长线均流、在每个可控硅

整流桥直流侧铜排加装可调电抗器、对晶闸管元件的触发脉冲进行微调等方法。交流电

缆进行长线均流的方式，电缆利用率低，故障晶闸管整流桥退出运行时，相应的电缆退

出运行，因此，需要较多的电缆冗余，增加成本。晶闸管参数匹配实现均流，由于晶闸

管运行后，参数发生变化或者更换新元件后参数的离散性影响，将会对并联支路的均流

造成较大的影响。

全动态智能数字化均流方法立足于高速实时测量控制技术、高速网络通讯技术及冗余

通讯等关键技术，通过自动调节实现柜间及相间均流。用这种方法均流，主回路不需要

其它措施（如长电缆、硅元件参数选配、串连任何均流器件等），因此它不仅克服了传统

均流方法的缺点，而且有效地实现高水平均流，能使整流桥的并联支路均流系数达到0.95

以上。

第19页 共 24页

在整流柜PAC控制器通过对霍耳传感器变送后的信号进行高速采样后计算出晶闸管

整流桥的每一个支臂电流的瞬时值，通过冗余的高速以太网，传输到调节器的控制器。

调节器控制器根据实际的运行整流柜的个数，计算出每一晶闸管整流桥支臂应通过的电

流，该电流作为每个支臂的电流给定值。在计算支臂电流给定值时，采用实际的并联的

晶闸管数量，因此晶闸管整流桥每一支臂+U、+V、+W、-U、-V、-W不一定相同，由于可

能有些支臂因故障退出运行，因而支臂电流给定值不一定相同。比较支臂电流给定值与

每一个整流柜晶闸管整流桥支臂电流实际值，如果支臂电流给定值大于相应的整流桥支

臂电流实际值，该支臂的均流移相角等于零；如果支臂电流给定值小于相应的整流桥支

臂电流实际值，该误差值经过PI调节和延时，计算出支臂的均流移相角，均流移相角一

般限定在±1°范围内。调节器将每一柜需要进行脉冲调整的相关信息要求通过以太网传

输到整流柜，相应整流柜收到信号后通过本柜PAC智能控制器对本柜的触发脉冲进行微

调，从而达到对电流进行调整的目的。

7 灭磁及过电压保护

7.1 主电路结构

当发电机内部或电力系统发生诸如短路及接地等事故情况时，励磁装置应能够迅速切

断励磁电流并将蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中，这样可以避免事

故的扩大，对发电机和电力系统起到保护作用，这是励磁装置的一项重要功能。

本系统采用UR40M-64S型高速磁场断路器+碳化硅灭磁电阻+多模冗余可控硅跨接器

组成灭磁回路，转子过电压保护采用氧化锌过电压保护器。

第20页 共 24页

z 灭磁开关采用 UR40M-64S，额定电压4000V，额定电流4000A，最大弧压大于

6000V，动作速度快，该单断口快速磁场断路器比起多断口断路器在弧压均衡方面明显优

势。

z 碳化硅（SiC） 灭磁电阻是一种非线性电阻，具有可靠性高、单片能量大，总体

积小的优点，具有易于并联的特性，自然均能性优越。且由于SiC 电阻在遭受过能量冲

击后的失效类型是软化，无金属性短路和爆裂的危险，故在各并联支路中不必使用保护

熔断器，结构简洁，少维护，可保证发电机在机端短路、空载误强励等极端情况下快速

可靠灭磁。

z 新型多模冗余可控硅电子跨接器（Crowbar）及其触发回路，代替灭磁开关的灭

磁接点，可实现无触点磁场能量释放，消除灭磁接点机械机构松动、卡塞等事故隐患，

显著减少维护工作量，采用多模冗余配置后灭磁可靠性大大提高。

7.2 灭磁保护柜的智能器

在灭磁保护柜内安装有智能控制器，主要硬件包括：

◆

PAC可编程自动化控制器 一套

◊ PAC可编程自动化控制器CPU 板 一块

◊ 光隔定时高速A/D同步转换板 一块

◊ 16路隔离数字量输入/输出I/O板 一块

◆

带触摸功能的HMI显示器 一块

◆

Crowbar触发控制板 二块

实现以下功能

z 励磁电流、电压现地隔离显示，提高了安全性

z 与励磁调节柜实现冗余以太网通讯，进行状态量、模拟量的实时交换

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z 完成专子温度的测算和传递

z 实现磁场开关的一体化连锁控制

z 灭磁和过电压保护动作的实时监视

7.3 灭磁方式

◆

励磁系统正常停机，调节器自动逆变灭磁

◆

事故停机，当收到励磁保护跳闸命令时，首先闭锁脉冲，同时起动冗余可控

硅电子跨接器的触发回路，可控硅电子跨接器导通后将SiC 灭磁电阻接入转子回路，磁

场能量转移到耗能电阻进行灭磁，跳开灭磁开关。

◆

事故停机时如果出现冗余可控硅电子跨接器无法导通的严重情况，反向转子

电压会持续升高，当达到反向过电压动作值时，第三路跨接器被触发起动，将SiC 灭磁

电阻接入转子回路进行灭磁。

◆

灭磁工况下，磁场开关通常只起到断口作用，不承担灭磁功能，有效地保护

了开关，大大延长了开关的使用寿命。

7.4 过电压保护

当发电机处于滑极等非正常运行或电力系统遭受雷电干扰时，将在转子回路中产生很

高的感应电压或瞬间过电压，出现正向过电压时，正向阻断可控硅元件被触发导通，将

氧化性非线性电阻接入转子回路，吸收并抑制尖峰电压，正向过电压消失后回路自动关

断。当出现反向过电压时，反向阻断可控硅元件被触发导通，将碳化硅非线性电阻接入

转子回路，吸收并抑制尖峰电压，反向过电压消失后由于正向励磁电压的抑制作用，该

回路同样会自动关断。该结构的特点是避免了传统结构上采用碳化硅（SiC）灭磁电阻作

为灭磁过电压保护功能时，如果出现过电压动作，必然会致使机组停机的不利情况。

当过电压保护动作的同时，通过监测电流互感器CT的电流信号继电器，采集动作信

号，向励磁调节器和监控系统发出相应的指示信号。

8 起励装置

8.1 起励控制

本系统设置了残压起励、外部直流电源起励、外部交流电源起励三种起励模式，整

个起励过程和顺序控制是通过调节器实现的。

◆

对于自并励励磁系统，当励磁系统发出起励命令后，励磁调节器发出触发脉冲，

向可控硅整流桥发出强触发的快速脉冲列，连续地触发可控硅，根据机组的特性，如果

发电机的残压足够的话，可控硅导通后将使发电机自动完成建压，使发电机电压升至设

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定值。

◆

如励磁系统发出起励命令10s后，剩磁不足以使可控硅整流桥导通，发电机无法

建立电压时，则自动转入外部电源起励过程，即自动投入磁场起励回路接触器，由外部

直流电源或交流电源提供起励电流，发电机开始启励建压。当机端电压约10%时，起励接

触器断开，由励磁变压器提供电源，使发电机电压升至设定值。

◆

如励磁系统发出起励命令超过设定的时间后，检测到发电机无法建立电压，则断

开起励回路的接触器，同时发出起励失败信号并退出起励流程。

8.2 起励部件

DC220V直流起励电源通过直流断路器、限流电阻、反向阻断二极管整流桥接到起励

接触器原边，AC380V交流起励电源通过交流断路器、隔离降压变压器、反向阻断二极管

整流桥也并接到起励接触器原边，励接触器副边则通过磁场开关与发电机转子相连接。

如果选择直流电源起励，则只需要投入直流断路器，若选择交流电源起励，则只需要投

入直交流断路器，当两个电源断路器同时投入时，由于电源的相互闭锁作用，起作用的

主要是直流电源。

8.3 软起励

当起励回路自动退出后，将由发电机闭环自行建压，由于励磁调节器根据调节特性控

制励磁电流大小，发电机电压将按照起励曲线稳定、缓慢地建压到预定的电压水平，该

过程称为软起励过程，由于软起励的过程是可控的，在整个建压过中发电机不会出现任

何超调现象。

一般地，外部起励过程中提供的励磁电流小于空载额定励磁电流的5%。

9 柜体结构特点

9.1 柜体结构

柜体包括钢制底盘、柜体框架和门板外壳。

柜体底盘采用100mm高度的标准槽钢焊接而成，多个并联的柜体把合固定在柜体底盘

上形成一个整体，柜体底盘两端设置有供起吊用的吊耳。该结构的特点是所有安装、配

线在工厂统一完成，交流、直流母排采用标准贯通式母排连接，从而简化了工艺，实现

了设计标准化，方便了采购和制造，缩短了生产周期。集成运输和现场安装，大大减少

了系统在现场接线的工作量，同时提高了设备的可靠性。

柜体的框架是由2毫米厚的电镀C型钢梁材构成的MEN柜体，能够独立为安装的励磁

系统部件提供刚性支持。C型材由数控专用型材生产线专业制造，具有足够的强度和较高

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的精度，柜体结构组装采用特种自攻螺钉和螺纹密封胶防松新技术，独具特色的MEN柜

体结构坚固、组装灵活，获得国家实用新型专利。

门板外壳采用2毫米厚冷扎钢板制成，前门为整门结构，后门为整门或双开门结构，

门板的表面要经过全面的喷涂处理：

• 前处理包括除油、酸洗、磷化、冲洗；

• 之后采用静电粉末喷涂；

• 颜色可由用户指定。

9.2 防护等级

防护等级符合IEC529及GB4208-93标准。通常采用的防护等级有IP21和IP31，特

殊要求还可以再提高。对于潮湿或热带气候条件，设计时还特别考虑了柜体加热、柜体

通风、密封板等特殊结构。

9.3 母线铜排制作

为满足作为电联接的硬性成型母线线铜对通流容量、机械强度、可成型性、表面粗糙

度、平整度的要求，自主开发了一套应用特种电接触润滑剂保护母线的先进技术，使我

公司制造的母排能长期保持紫铜本色，并具有良好的电接触效果，达到了先进水平，同

时为满足不同用户要求，又进一步开发了一套使用热缩护套保护母线的先进技术，热缩

护套的绝缘能力达到1万伏以上特别适合环境比较恶劣的电厂。

为了获得母线加工的高质量，采用国内最先进的多功能三点式母线成型设备，使母

线加工得到了可靠保证。主电路母线连接采用大圆弹性垫圈、不锈钢高强度螺栓、螺母、

加定力矩搬手等先进连接手段、保证了高的电联接质量。

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