EMCP4.3/4.4 Caterpillar

集成电压调节器 (IVR) 一般信息

EMCP 集成电压调节器 (IVR) 特性是传统电压调节器配置的替代。 传统电压调节器配置由一个专用控制器，如 Cat 数字电压调节器 (CDVR) 或 VR6 组成。

EMCP 4 内部控制器调节发电机输出电压。 通过向励磁模块 (EM10/EM15) 发送指令，调节电压。 励磁模块控制发电机励磁，从而控制发电机输出电压。

IVR 特性可用于软件版本为 4.3PROD 及以上的修订版 EMCP 4.3 和 EMCP 4.4 控制器。 原 EMCP 4.3 和 EMCP 4.4 控制器上不存在该能力，这与软件版本无关。

图 1	g03486261
EMCP 集成电压调节器 (IVR) 系统

EMCP 4.3 和 EMCP 4.4 的 IVR 特性

当 EMCP 4.3 或 EMCP 4.4 具有 IVR 逻辑，并配合励磁模块 (EM) 使用时，以下功能可用：

• 自动电压调节 (AVR)

• 可编程稳定性设置

• AVR 控制模式下具有可调时间设置的软起动控制

• 可配置的双斜率，低频率 (V/Hz) 调节

• AVR 模式下的三相或单相发电机电压 (RMS) 感应/调节

• 从 EMCP 显示器或 Cat^® 电子技师 (Cat ET) 维修工具调整设定点配置

• 通过显示器、模拟输入、数字输入或 SCADA (Modbus) 调整电压输出

• IVR 运行状态和电压偏置概述屏幕，提供增强水平的用户界面

• 集成电压调节器事件监测

• 功率因数调节 (PF)（仅限 EMCP 4.4）

• 无功电压降补偿（仅限 EMCP 4.4）

• 线路电压降补偿（仅限 EMCP 4.4）

固件安装

EMCP IVR 连接

为调节发电机端子电压，EMCP 通过脉冲宽度调制 PWM 信号将所需的励磁指令传输到励磁模块。 通信链路必须采用双绞线屏蔽电缆。 表 1 详细说明了 EMCP 和励磁模块之间需要建立的连接。

IVR 励磁模块

IVR 包括与励磁模块交互的 EMCP 4。

图 2	g03487518
EM10 和 EM15 励磁模块

表 2 提供 EM10 和 EM15 模块的技术规格信息。 必须按照以下条件选择适当的模块：

• 满负荷下的标称和最大发电机励磁电流（备用，0.8 PF）。

• 最大 AC 电压输入

发电机数据表上提供标称励磁电流的详情。 对于自励磁（并联）发电机，用户必须了解发电机绕组和励磁模块之间的连接，才能了解最大 AC 电压输入。 Caterpillar 建议为自励磁发电机使用中间、半相位至中性连接。

IVR 励磁模块物理布局

推荐的励磁模块位置是发电机组控制面板或发电机接线盒。 EM 应安装在"横向"方向，以通过模块散热器实现最佳冷却。 模块必须使用四个 M6 x 30mm 安装螺栓进行安装。 将安装螺栓拧紧至 5 ± 1 N·m (3.7 ± 0.7 lb ft)。 必须配合安装螺栓使用外径为 12 mm (0.5 inch) 的 M6 垫圈来保护模块。 请参阅图 3，了解 EM10 模块的尺寸。

注: EM15 具有相同的尺寸。

图 3	g03487546
EM10 励磁模块（尺寸单位为毫米） (10) 接头 P3 (11) 接头 P2 (12) 接头 P4

IVR 励磁模块连接

EM10 和 EM15 励磁模块有三个插头型多针接头。 接头标记为 P2、P3 和 P4，如图 3 所示。 表 3 描述每个接头触针的信号和功能。

注: X2 和 Z1 连接在励磁模块中进行内部连接。 连接向辅助绕组提供一个供应 AREP 或 IE 励磁电源的公共连接点。 此外，X2 和 Z1 连接还可以从外部连接到励磁模块。 EM 只需要三个连接（X1、X2 和 Z2）。 有关励磁模块接线连接，请参阅本手册中的测试和调整, "集成电压调节器连接"章节。 接线图适用于自励磁（分流器）、辅助绕组 (AREP/IE) 和永久磁体 (PM) 配置。

IVR 励磁模块过励磁保护

图 4	g03487620

励磁模块具有内置过励磁保护策略。 该策略旨在保护发电机免受热损坏。 保护策略如图 4 所示。

在正常情况下，励磁电流将保持远低于上限值，且励磁模块上的绿色 LED 将持续点亮。

在出现故障状况时，如发电机端子短路，励磁电流将快速增加。 该过程称为"磁场强励"。 励磁模块将在 10 秒的固定时间段内，将强励电流限制在定义的上限内。

当励磁模块主动限制励磁电流时，红色 LED 将闪烁，指示故障状况。 固定的延迟时间到期后，励磁模块将励磁电流"限制"在一个更为安全的水平。 更为安全的水平是上限的 10%。

当励磁模块关闭励磁电流时，红色 LED 持续点亮，且绿色 LED 不亮。 红色 LED 仅在向励磁模块提供电压时点亮。 必须从励磁模块移除电源，才能重置励磁电流限制。 通过关闭发电机组移除电源。

励磁模块上的励磁限制电位计具有 270 度的旋转。 电位计用于配置励磁电流上限，如图 5 所示。 电位计必须设置为最大强励电流，而不是标称励磁电流。

图 5	g03487816
励磁限制电位计

IVR 励磁模块保险丝

EM10 具有内部保险丝，因此不必为励磁电源输入安装外部保险丝。 EM15 要求在 X1 和 Z2 输入上安装外部保险丝。 对于 Underwriters Laboratory (UL) 列出的发电机组，推荐使用 Bussman KTK-10 保险丝。 对于非 UL 列出的发电机组，可以使用替代保险丝。 替代保险丝是 Bussman AGC-10RX。 有关接线图，请参阅本手册中的测试和调整, "集成电压调节器连接"章节。 接线图显示 EM15 外部保险丝的位置。

IVR 软件配置

可以使用 Cat ET 维修工具，或直接通过 EMCP 显示器访问 IVR 参数。 部分设定点仅使用 Cat ET 维修工具或在安全级别 3 下锁定。 无法从 EMCP 显示器更改锁定的设定点。 锁定的设定点将需要 3 级密码。 需要通过 Cat ET 维修工具 2012C 或以上的版本来访问和调整 IVR 参数。 要使用 Cat ET 维修工具访问 IVR 设定点，连接到 EMCP 发电机组控制。 点击"配置工具"按钮，或作为替代，按 "F5" 键进入配置菜单。 从左侧的菜单选择"集成电压调节器"。 将电压调节器控制源配置设置为等同于"发电机组控制"，以显示以下默认设置。

图 6	g03487941

通过 EMCP，使用以下步骤访问 IVR 设定点。

1. 从"主菜单"开始。

2. 使用箭头按钮选择"配置"。 按下"确定"键。

3. 使用箭头按钮选择"所有设定点"。 按下"确定"键。

4. 使用箭头按钮选择"电压调节器"。 按下"确定"键。

如果更换带 IVR 的 Cat 数字电压调节器 (CDVR)，则可以将参数编程设定为与 CDVR 相同。 使用 Cat ET 定标，以达到类似的性能。

该参数可以编程设定为带低环路增益的默认值。 对于以下装置，可以在 1.0%-5.0% 的区域内开始环路增益值：

• 新 IVR 装置

• 更换 R450 电压调节器

• 更换 VR6 电压调节器

注: 对于大多数发电机组，默认参数应提供稳定的电压控制。 但是，可能需要一些优化和调整，以达到所需的性能。 以下章节提供每个单独设定点，包括范围、分辨率和默认值的进一步详情。

电压调节器控制源配置

电压调节器控制源配置参数用于启用或禁用 IVR 特性。

如果配置设置为"外部"，EMCP 的 IVR 特性将禁用。 发电机组可与外部电压调节器，如 CDVR、 R450 或 VR6 配合使用。

如果配置设置为"发电机组控制"，EMCP 的 IVR 特性将启用。 发电机组将使用励磁模块运行。

注: 只有当发电机组停止时，电压调节器控制源配置参数才会改变状态。 必须按下停止按钮，且发动机转速必须为零。 只能使用 Cat ET 更改电压调节器控制源配置。 EMCP 显示器不能用于调节"电压调节器控制源配置"参数。

起动发电机组之前，必须正确编程设定电压调节器控制源配置。

如果同时存在以下两种情况，IVR 相关警告和停机事件可能会存在干扰触发风险：

• 使用外部电压调节器

• 电压调节器控制源配置设置为"发电机组控制"

如果同时存在以下两种情况，脉冲宽度调制 (PWM) 输出 (DO#2) 可能存在高浮动风险：

• "已安装励磁模块"

• 电压调节器控制源配置设置为"外部"

输出变化将导致励磁模块强制励磁电流达到上限。 电流增加会损坏发电机组和/或负载。

起动曲线图

当起动发电机组时，上文定义的起始曲线图设定点用于确定电压缓升的斜率。 如果电压调节器起始电压百分比为零，则电压调节器起始时间限定达到额定电压设定点的时间。 达到额定电压设定点的时间始于频率超过电压调节器最小频率阈值的点。 有关以下两个参数的起始曲线图的示例，请参阅图 7：

• 电压调节器起始电压百分比设置为 0%

• 电压调节器起始时间设置为 5 秒

图 7	g03487977
电压调节器起始电压设置为 0%，且电压调节器起始时间设置为 5 秒的起始曲线图

电压调节器起始时间定义从电压调节器起始电压百分比达到额定电压设定点的时间。 如果 V/Hz 斜率导致设定点低于起始曲线图，则将遵循最小电压设定点。

有关起始曲线图的示例，请参阅图 8。 该示例显示电压调节器起始电压百分比设置为 10%，且电压调节器起始时间设置为 3 秒。

图 8	g03487981
起始曲线图 - 起始电压设置为 10%，且起始时间设置为 3 秒

有关起始曲线图的另一示例，请参阅图 9。 但是，图 9 显示起始电压百分比设置为 90%，且起始时间设置为 3 秒。

图 9	g03487982
起始曲线图 - 起始电压设置为 90%，且起始时间设置为 3 秒

如果存在以下任意条件，IVR 将遵循编程设定的 V/Hz 斜率：

• 电压调节器起始时间设置为零

• 发动机起动缓升速率慢

起动期间的电压设定点是起始曲线图设定点和低频滚降（负载）曲线图设定点的最小值。

起动期间，来自 EMCP 的励磁指令输出限制为最大 20%。 该限制用于避免起动期间出现大的电压过冲。 在带有分流器或 AREP 励磁系统的发电机上，尤其需要该限制。

来自 EMCP 的励磁指令输出限制防止"比例积分微分" (PID) 控制器内的积分饱和。 起动期间，当发电机输出上的残余电压不足以建立励磁时，将需要该限制。 一旦频率超过电压调节器转角（拐点）频率阈值，且达到标称电压设定点，则 IVR 将遵循低频滚降（负载）曲线图。 在频率降至电压调节器最小频率阈值以下前，将不会再次启动起动曲线图。

IVR PID 增益设定点

可以调整 PID 增益设定点，以实现所需的电压响应。 调整 PID 增益设定点取决于应用和发电机组配置。 已选择默认参数，以便在大多数发电机上提供稳定的电压控制，但可能需要一些优化。 如果电压调节出现不稳定，可能有必要降低电压调节器环路增益百分比，以实现稳定。 作为指导原则，按照 0.5 至 1.0% 的步长降低就足以观察到明显的改善。 如果电压响应出现迟滞，提高电压调节器环路增益百分比，以实现预期的响应。 按照 0.5 至 1.0% 的步长提高就足以观察到明显的改善。

低频滚降（负载）曲线图

必须按照您的特定机组要求配置电压调节器转折频率。 50 Hz 运行的转折频率通常在 48.0 和 49.8 Hz 之间。 对于 60 Hz 运行，必须将参数设定在 58.0 和 59.8 Hz 之间。

请参阅图 10 中的低频滚降（负载）剖面示例。

图 10	g03487998
低频（负载）剖面斜率 1 = 1.0 V/Hz，斜率 2 = 2.0 V/Hz

电压调节器负载补偿类型配置

以下章节说明线路损耗 (IR) 补偿和电压降的负载补偿特性。

注: IR 补偿和电压降是面向不同应用的相互排斥的特性。 IR 补偿和电压降特性是不同的补偿类型，不能在同一时间启用。

线路损耗 (IR) 补偿

在一些具有长负载馈线的单个发电机安装中，提供线路损耗补偿可能非常有利。 线路损耗补偿通常称为 "IR 补偿"。 由于导线电阻，流过长导体的电流将引起电压降。 因此，导体负载端的电压将低于发电机端的电压。 这种状况通常称为线路损耗。 为改善电源质量，IVR 可以补偿线路损耗。 由于发电机负载增加，IVR 将增加发电机端子上的输出电压，以补偿线路损耗。

电压调节器电压 (IR) 补偿百分比设定点控制额定 kVA 负载上的电压补偿量。 必须调整设定点，以在负载位置产生恒定电压。 下图便是一个示例。 当发电机提供额定 kVA 负载时，如果馈线负载侧的电压比额定电压降低 5%，则必须将电压调节器 (IR) 补偿百分比设置为 5.0%。 在该示例中，随着发电机负载从额定 kVA 的 0% 提高到 100%，在发电机端子处测量的输出电压将从额定电压的 100% 提高到 105%。 参考图 11。

图 11	g03488116
线路损耗电压设定点基于总 (kVA) 负载变化

如果从外部源向电压设定点施加偏置，则 IR 补偿百分比加上偏置百分比施加到标称设定点。 作为示例，如果向标称电压施加 +10% 或 -10% 的偏置，则电压设定点将线性增加。 请参阅图 11 中所示的上下偏置限制虚线。

操作期间，确保不会超过发电机组的功率。

无功电压降补偿

当发电机并联操作时，有两个主要目标。

1. 分配系统电气负载的有功功率需求。

2. 分配系统电气负载的无功功率需求。

发动机调速器将控制有功功率需求 (kW) 的分配。 电压调节器将控制总系统负载的无功功率需求 (kVAr) 的分配。 当一个或多个发电机并联连接时，在各发电机输出端子上测得的电压将相同。 但是，如果一个发电机的电压设定点比其他发电机略高，则该发电机将增加励磁，以试图提高系统电压。 提高系统电压的尝试还将向组中连接的其他发电机提供滞后的无功电流。 滞后的无功电流将在发电机之间循环，引起发电机绕组过热，并增加热损伤的风险。

最小化此效应的一种方法是使单个发电机电压设定点减少或下降。 减少或下降正比于无功功率输出。 对于正确的无功负载分配，调节器必须了解额定发电机无功功率 (kVAr)。 当发电机提供额定无功功率时，根据发电机组额定 kVA、kW 和所需的输出电压降百分比计算 kVAr。

随着无功功率输出增加，IVR 将导致输出电压成比例下降（降低电压）。 如果测得的无功功率输出为前导输出，则输出电压将以相同的线性方式升高。 在任一情况下，该操作将支持与其他发电机更好地分配 kVAr。

注: 操作期间，确保不会超过发电机组的功率。

电压调节器最大电压降百分比设定点控制发电机输出电压在给定无功功率输出量下的变化方式。 如果最大电压降百分比设置为 5.0%，则随着无功功率输出从额定 kVAr（滞后）的 0% 增加到 100%，电压设定点将从额定电压的 100% 降到 95%。 参考图 12。

图 12	g03672377
无功电压降电压设定点基于无功 (kVAr) 负载变化

如果从外部源向电压设定点施加偏置，则无功电压降百分比加上偏置百分比施加到标称设定点。 例如，如果向标称电压施加 +10% 或 -10% 的偏置，则电压设定点将下降。 请参阅图 12 中所示的上下偏置限制虚线。

操作期间，确保不会超过发电机组的功率。

电压调节器锁定配置

当电压调节器锁定配置设置为"未锁定"时，IVR 将正常工作。 IVR 也将控制发电机电压输出到参考设定点。

当电压调节器锁定配置设置为"锁定"时，将阻止 IVR 控制发电机电压输出。 励磁指令输出将保持为零。 因此，将在此情形中禁用励磁。 发电机将只产生残余电压。 只有当发电机组停止时，才可以更改电压调节器锁定配置设定点。 也就是只有在按下 EMCP 停止按钮，且发动机转速为零后，才可以更改设定点。

感应损失停机事件

感应停机事件通知延迟时间的电压调节器损失确定以下项目：

1. 识别出感应电压损失之前所需的时间延迟。

2. 当生成感应停机事件损失时。 (SPN-FMI: 611-0)

基于单相配置的平均线到线电压监测，将在以下条件下触发感应损失：

• 平均线到线电压低于额定电压的 8%

基于三相配置的平均线到线电压监测，将由于以下任一条件触发感应损失：

• 平衡后的三相平均电压低于额定电压的 8%

• 线量和三相平均之间的不平衡电压高于额定电压的 20%

• 相损失（线到中性线电压低于额定电压的 8%）

在以下情况下，将会抑制感应停机事件损失：

• 检测到发电机短路状况（任何相电流超过额定值的 300%）

• 电压起始曲线图期间（IVR 运行模式等同于软起动）

• 频率高于电压调节器最小频率阈值设定点 5 秒后

• 励磁禁用（电压调节器锁定配置设置为"锁定"）

过励磁停机事件

过励磁停机事件阈值配置确定将导致过励磁停机事件的励磁指令百分比。 如果励磁指令百分比超过过励磁停机事件阈值的时间长于过励磁停机事件通知延迟时间，则将产生过励磁停机事件 (SPN-FMI: 3381-0)。

注: 过励磁停机事件基于励磁指令百分比监视和触发事件，但不基于测得的励磁电流触发事件。 有关基于测得的励磁电流的励磁模块过励磁保护特性的描述，请参阅有关励磁模块过励磁保护的章节。

IVR 电压调整

电压调整分为两种类型，手动偏置和模拟偏置。 手动电压调整包括通过数字输入、EMCP 显示器或 SCADA ( Modbus) 微调发电机输出电压。 通过至 EMCP 的可编程模拟输入进行模拟电压调整。 模拟电压调整提供外部电位计或外部控制系统，如开关装置的电压控制接口。

发电机最大电压偏置百分比设定点必须正确配置为大于预期偏置范围。 如果该设定点配置不正确，则可能无法实现所需的电压偏置。 使用 Cat ET 维修工具访问发电机最大电压偏置百分比参​​数。 可以通过"发电机交流监视器"下的配置对话框或 EMCP 显示器访问该参数。 使用以下步骤导航到 EMCP 子菜单。

1. 按 EMCP 上的"主菜单"按钮。

2. 使用箭头键选择"配置"。 按下"确定"键。

3. 使用箭头键选择"所有设定点"。 按下"确定"键。

4. 使用箭头键选择"发电机交流监视器"。 按下"确定"键。

注: 当发动机停止时，将消除所有手动电压偏置，并复位为零。 在发动机停机后，手动电压偏置电平将不会延续到下一次起动。

数字输入

远程电压调整拨动开关可用于微调发电机输出电压。 通过编程用于提高电压和降低电压的 EMCP 数字输入，完成此过程。 每次激活数字输入，将提高或降低 0.2% 的额定电压。 当连续激活数字输入时，电压偏置大约每 400 毫秒提高或降低 0.2% 的额定电压。

有关在 EMCP 4 控制器上编程数字输入的进一步详情，请参阅本手册的系统操作, "数字输入编程"章节。

电压/频率控制（EMCP 显示器）

EMCP 显示器可用于微调发电机输出电压。 每次按下电压升高或电压降低键可提高或降低 0.2% 的额定电压。 当按下电压升高或电压降低键并连续按住时，电压偏置大约每 400 毫秒提高或降低 0.2% 的额定电压。

可以在 EMCP 显示器上找到"电压/频率"屏幕。 使用以下步骤导航到 "V/Hz" 屏幕。

1. 按 EMCP 上的"主菜单"按钮。

2. 使用箭头键选择"控制"。 按下"确定"键。

3. 使用箭头键选择"V/Hz 控制"。 按下"确定"键。

图 13	g03488436
EMCP 4.3 和 EMCP 4.4 V/Hz 控制屏幕

SCADA MODBUS（仅限 EMCP 4.4）

EMCP 4.4 SCADA 数据链路还提供一种远程调节电压的方式。 EMCP 4.4 Modbus 寄存器定义为读取和控制发电机的目标输出电压。 请参阅应用和安装指南, LCBE0010, "EMCP 4 SCADA 数据链路"，了解有关 EMCP 4.4 专用 SCADA 数据链路的详细信息。

模拟输入

通过向配置为发电机电压控制的 EMCP 提供可编程模拟输入，完成模拟电压调节。 模拟输入提供外部电位计或外部控制系统，如开关装置的电压控制接口。 下面的模拟输入类型可以在 EMCP 4.3 或 EMCP 4.4 上配置，以调整发电机电压设定点。

• 电阻（根据电位计规格，提供一定范围的输入图）

• 电压 0 至 5 V、1 至 5 V、0.5 至 4.5 V

EMCP 解释发电机电压控制模拟输入信号，并将其转化为（标称）额定电压的电压偏置百分比。 例如，考虑将模拟输入配置为 -10 V 至 +10 V 的信号范围，以及 -10% 至 10% 的数据范围。 当模拟输入信号值等于 +2 V 时，将向发电机输出电压施加额定电压 +2.0 % 的电压偏置百分比。

有关在 EMCP 4 控制器上编程模拟输入的进一步详情，请参阅本手册的系统操作, "模拟输入编程"章节。

IVR 显示屏

可以通过 EMCP 直接访问集成电压调节器概述和电压偏置概述。 通过 EMCP，使用以下步骤导航到 IVR 概述和电压偏置概述。

1. 按 EMCP 上的"主菜单"按钮。

2. 使用箭头键选择"查看"。 按下"确定"键。

3. 使用箭头键选择 "IVR 概述"。 按下"确定"键。

4. 使用箭头键访问"电压偏置概述"屏幕。

IVR 概述屏幕提供 IVR 操作模式、目标电压、励磁指令以及电压补偿信息。 电压偏置概述屏幕提供有关发电机系统上的所有活动电压偏置的信息。

注: 励磁指令百分比不是励磁电流的测量值，而是一个指令的励磁工作点。 非零励磁指令百分比可以在故障情形期间显示在屏幕上，即使存在零励磁电流输出。

图 14	g03488443
IVR 概述

EMCP 4.3 和 EMCP 4.4 的 IVR 操作模式说明如下。

V/Hz - 根据低频率滚降 (V/Hz) 曲线图调节电压。

V/Hz + 电压降 - 除任何无功电压降补偿偏置外，根据低频率滚降 (V/Hz) 曲线图调节电压。

V/Hz + 线路损耗 - 除任何线路损耗 (IR) 补偿偏置外，根据低频率滚降 (V/Hz) 曲线图调节电压。

软起动 - 起动期间，根据起动曲线图，电压从 0 缓升到额定电压。

IVR 锁定 - 电压调节锁定，且励磁指令禁用（强制 0%）。 形成的发电机输出电压将不会超过残余电压。

PF 控制 - 执行电压调节，以便将功率因数控制在期望水平（仅限 EMCP 4.4）。

停机 - 停机期间，电压正比于发动机转速缓降。

电压偏置概述屏幕显示施加到发电机输出上的手动、模拟、负载补偿和总电压偏置百分比。

图 15	g03488457
电压偏置概述

电压偏置信息说明如下。

手动 - 通过可编程数字输入，EMCP 显示器上的电压/频率控制屏幕或 SCADA (Modbus) 电压偏置施加的任何电压偏置的总和。

模拟 - 通过可编程模拟输入施加的任何电压偏置。

电压降或线路损耗 - 由于无功电压降或线路损耗负载补偿施加的任何电压偏置，仅限于 EMCP 4.4。

总计 - 施加到发电机系统的总电压偏置。 总偏置百分比是系统中任何手动、模拟或补偿（电压降或线路损耗）偏置的总和。

注: 可以施加到发电机系统的总偏置百分比由最大发电机电压输出偏置百分比设定点限定。 使用 EMCP 配置设定点。