第三章_同步发电机励磁自动调节

1、第三章第三章 同步发电机同步发电机 励磁自动控制系统励磁自动控制系统 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 总总 述述 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统励磁系统的任务 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统励磁系统的类型 励磁系统中的整流电路励磁系统中的整流电路 励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 励磁调节装置原理励磁调节装置原理 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第一节第一节 概述概述 同步发电机同步发电机 的励磁控制的励磁控制 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同步发电机的同步发电机的空载电动势空载电动势Eq值值的

2、大小的大小 发电机的发电机的励磁电流励磁电流IEF 电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电 网的电压水平和并联运行机组间的无功功率的分配。 故障情况，发电机端电压降低将导致电力系统稳定性降低， 要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳 定性。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第一节第一节 概述概述 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统 励磁功率单元励磁功率单元 励磁调节器励磁调节器 G 发电机发电机 电力系统电力系统 励磁自动控制系统构成励磁自动控制系统构成 1）励磁功率单元励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁，它向同步发电机的励磁绕组提

3、供直流励磁 电流。电流。 2）励磁调节器励磁调节器，它按照发电机及电力系统运行的要求，根据，它按照发电机及电力系统运行的要求，根据 输入信号和给定的调节准则自动调节控制功率单元输出的励磁输入信号和给定的调节准则自动调节控制功率单元输出的励磁 电流。电流。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 一、同步发电机励磁控制系统的任务一、同步发电机励磁控制系统的任务 优良的励磁控制系统不仅可以保证优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运发电机可靠运 行行，提供可靠的电能，而且可以有效地，提供可靠的电能，而且可以有效地提高系统提高系统 的技术指标的技术指标。 励磁系统应该承担以下任务：励磁系统应该

4、承担以下任务： （一）电压控制（一）电压控制 （二）控制无功功率的分配（二）控制无功功率的分配 （三）提高同步发电机并联运行的稳定性（三）提高同步发电机并联运行的稳定性 （四）改善电力系统的运行条件（四）改善电力系统的运行条件 （五）水轮发电机组要求实行强行励磁（五）水轮发电机组要求实行强行励磁 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 一一 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 v（一）电压控制（一）电压控制 qGGd EUjI X 等值电路 相量图 G GEW UEF . IEF . UG IG . . xd Eq . UG . IG . IP . UG . IQ . IG . j

5、IG xd . Eq . G G j IQ xd . 电力系统运行时，负荷波动引起电压波动，需要对电力系统运行时，负荷波动引起电压波动，需要对励励 磁电流磁电流进行调节以进行调节以维持机端电压在给定水平维持机端电压在给定水平。励磁自动控。励磁自动控 制系统担负了制系统担负了维持电压水平维持电压水平的任务。的任务。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 Eq IG UG dQGq dQGq dGGq XIUE XIUE XI jUE cos IEF1 UG UG2 UGN IQ IEF2 IQ2IQ1 Eq UG jIGXd IG IQ IP 负荷中的负荷中的无功电流无功电流是造成是造成E

6、q 和和UG幅值差的主要原因。幅值差的主要原因。 同步发电机的励磁自动控制同步发电机的励磁自动控制 系统就是通过系统就是通过不断地调节励不断地调节励 磁电流磁电流来维持端电压在给定来维持端电压在给定 水平的。水平的。 发电机的发电机的外特性外特性必然是下降的。当必然是下降的。当 励磁电流一定时，发电机端电压随励磁电流一定时，发电机端电压随 无功负荷增大而下降。无功负荷增大而下降。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 v（二）控制无功功率的分配（二）控制无功功率的分配 设单机无穷大系统： G IG . UG = 常数常数 . IP . UG .

7、IQ . IG . j IG xd . Eq . G G j IQ xd . dPq XIEsin 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 v控制无功功率的分配 由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 v发电机励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和 功率角的大小。 v与无限大母线并联的机组，调节它的励磁电流的大小 可以改变无功功率的数值。 v在实际运行中，并联目前并非无穷大母线，母线电压 随着负荷的改变而变化。 v改变一台发电机的励磁

8、电流，不但影响自身的电压和 无功功率，也影响与之相邻的节点的电压和无功功率 。因此发电机励磁自动控制系统还担负着并联运行机 组间无功功率合理分配的任务。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 静态稳定 暂态稳定 电力系统的稳定 电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小 扰动后恢复到原来运行状态的能力。 电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭 受大扰动后，能否过渡 到一个新的稳定运行状态、或者恢复到 原来运行状态的能力。 （三）提高同步发电机并联运行的稳定性（三）提高同步发电机并联运行的稳定性 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发

9、电机励磁系统的任务 v（三）提高同步发电机并联运行的稳定性（三）提高同步发电机并联运行的稳定性 1 励磁对静态稳定的影响励磁对静态稳定的影响 sin X UE P q G 发电机的输出功率为发电机的输出功率为 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 ab c 同步发电机的功角特性 最大可能传输的功率极限为最大可能传输的功率极限为 X UE P q m sin X UE P q G 发电机的输出功率为 静态稳定极限功率Pm和Eq相关，而Eq与励磁有关。 无自动调节励磁时，励磁电流恒定，Eq常数，此时的功 角特性称为内功率特性。 电力系统电力系统 自动

10、装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 率特性若调节励磁，则有外功 值与励磁有关，而 qqm EEP sin X UU P G Gm 若有灵敏和快速励调节器， 可视保持发电机端电压保持 不变。外功角特性曲线的最 大值出现在大于90度，能使 发电机在大于90范围的人工 稳定区运行，可提高发电机 输送功率极限或提高系统的 稳定性。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 2 励磁对暂态稳定的影响励磁对暂态稳定的影响 发电机的暂态稳定等面积法则 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 PGmax* 0.75 0.70 0.65

11、 0.50 0.35 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Te(s) K=4 K=1 K=2 PGmax* 0.75 0.70 0.65 0.50 0.35 0 1 2 3 4 K Te=0.1S Te=0.8S 要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求 励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系 统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍数。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 v（四）强行励磁以改善电力系统运行条件（四）强行励磁以改善电力系统运行条件 改善异步电动机的自启动改善异步电动机的自启动 为发电机异步运行创造条件

12、为发电机异步运行创造条件 提高继电保护工作的准确性提高继电保护工作的准确性 电力系统出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发 挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 1改善异步电动机的自起动条件改善异步电动机的自起动条件 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 t(s) U(%) 电网发生短路等故障时，电网电压降低，是大多数用 户的电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自启 动时需要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢复 过程。发电机强行励磁可以加速电网电压的恢复，有效改 善电动机的运行条件。 电力系统电力

13、系统 自动装置原理自动装置原理 3 提高继电保护装置的正确性提高继电保护装置的正确性 当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不 大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时 间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动 控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流，使 继电保护正确工作。 2为发电机异步运行创造条件为发电机异步运行创造条件 同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无 功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时甚至危及系 统的安全运行。如果系统中其他发电机组能提供足够的 无功功率，维持电压水平，则失磁的发电机可以在一定 时间内以异步运行方式维持运行。 电力系统电

14、力系统 自动装置原理自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 （五）水轮发电机要求实行强行减磁（五）水轮发电机要求实行强行减磁 当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，当水轮发电机组发生故障突然跳闸时， 由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅 速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。 如果不采取措施迅速降低发电机的励磁如果不采取措施迅速降低发电机的励磁 电流，则发电机电压有可能升高到危及定电流，则发电机电压有可能升高到危及定 子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求 励磁自动控制系

15、统能实现强行减磁。励磁自动控制系统能实现强行减磁。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 二、二、 对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求 励磁调节器: 检测和综合系统运行状态的信息, 以产生相应 的控制信号, 经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的 发电机励磁电流。 其基本要求 励磁功率单元: 受励磁调节器控制，并向同步发电机转子 提供励磁电流。 其基本要求 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高 低以维持发电机电压在给定水平；同步发电机端电压 静差率：半导体型的1%，电磁型的3%。 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；励磁调节

16、器应保证同步发电机端电压调差率在下列范围内：半 导体型的10%，电磁型的 5%。 对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运 行，要求励磁调节器没有失灵区； 励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等 控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件； 具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 1 对励磁调节器的要求对励磁调节器的要求 返回返回 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 对励磁功率单元的要求 要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容 量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进 行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单 元应具备足够的调节容量以适

17、应电力系统中各种运行工 况的要求。 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电力 系统运行 条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励 磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因 此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项 重要的技术指标。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 动态特性动态特性 N 0 5s EFq EF U U 强励倍数 励磁电压速度： 通常将励磁电压 在最初 。 内上升 的平均速率定义 为励磁电压响应比。 励磁电压上升速度曲线励磁电压上升速度曲线 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第二节第二节 同步发电机励磁系统类型同步发电机励磁系统类型 同

18、步发电机的励磁电源为可控的直流电源。 发电机励磁电源必须具备足够的调节容量。并且具有快速 的励磁电压响应速度和具有一定的强励倍数。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第二节 同步发电机励磁系统 励磁系统的历史 直流励磁机励磁系统（直流发电机） 机械整流子在换流方面遇到了困难， 且大功率半导体整流元件制造工艺的 日益成熟。 交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成 ) 静止励磁系统 (发电机自并励系统) 为了缩短主轴长度，降低造价， 减少环节。 电力系统发展初期，同步发电机容量不大电力系统发展初期，同步发电机容量不大 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 一 直流励磁机

19、励磁系统（100MW以下） 直流励磁系统是过去常用的励磁方式。 由于靠机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换 向就很困难。 直流励磁只能在10万kw以下小容量机组中采用。 直流励磁机大多与发电机同轴，是靠剩磁来建立电压的。 按励磁机的励磁绕组供电方式的不同 ，又可以分为自励 式和他励式两种。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 图 2 - 1 直流发电机原理图 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 = G 励磁调节器 IAVR IEE IR IE 1 自励直流励磁机励磁系统 DE R 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 他励直流励磁机励磁系统 G 励磁调节器 IE

20、E IR = IE = IAVR PE DE 他励方式取消了励磁机的自并励，励磁单元时间常数减小， 提高了励磁系统的电压增长速率。一般用于水轮发电机组。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 直流励磁系统具有直流励磁系统具有方便、可靠、波形好，对电源干方便、可靠、波形好，对电源干 扰小扰小等优点。等优点。 直流励磁机有直流励磁机有电刷、整流子电刷、整流子等转动接触部件，运行等转动接触部件，运行 维护成本高，从可靠性来讲，是励磁系统中的维护成本高，从可靠性来讲，是励磁系统中的薄弱薄弱 环节环节。 在直流励磁系统中，以往采用在直流励磁系统中，以往采用电磁型调节器电磁型调节器。这种。这种 调节

21、器以磁放大器作为功率放大和综合信号的元件，调节器以磁放大器作为功率放大和综合信号的元件， 反应速度较慢，但工作较为可靠。反应速度较慢，但工作较为可靠。 直流励磁机直流励磁机工作容量小工作容量小，适合小机组的使用。，适合小机组的使用。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 二、交流励磁机励磁系统（二、交流励磁机励磁系统（100MW以上以上） 容量在100MW以上的同步发电机普遍采用交流励磁系统。 同步发电机的励磁机也是一台同步交流发电机，其输出电 压经过大规模整流器整流后供给发电机转子。 交流励磁机励磁系统的核心是励磁机，输出频率和电压是 根据需要特殊设计的，频率一般为100Hz或更高。

22、按励磁供电方式的不同，也可以分为自励式和他励式两种。 他励交流励磁机励磁系统 自励交流励磁机励磁系统 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 1 1 他励他励交流励磁机交流励磁机静止整流器静止整流器励磁系统励磁系统 G 自励恒压调节器 放大器触发器电压检测调差 励磁调节器 交流发电机交流励磁机交流副励磁机 可控整流器 滑环 起励 电源 VSR 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源， 不受电网干扰，可靠性高。 交流励磁机时间常数大，为了提高励磁系统快速响应， 频率采用100Hz150Hz，励磁机时间常数可以减少一 半。交流副励磁机的频率

23、为400500Hz。 同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度， 造价较高。 仍有转动部件，需要一定的维护量。 一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发 电机失磁，因此可以考虑采用永磁发电机作为副励磁机。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁) G 励磁调节器 交流发电机 旋转元件永磁副励磁机 晶闸管整流器 N S 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 无炭刷和滑环，维护工作量减少，特别适用于大型机组。 发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高，并且由于 无刷，整个励磁系统可靠性更高。 响应速度较慢。 发电机转子极其励

24、磁电路都随轴旋转，不能接入灭磁设备， 也无法实现常规的检测。 要求旋转整流器和快速熔断器有良好的机械功能，能承受 高速的旋转离心力。 没有接触部件的磨损，也没有炭粉对电机绕组的污染，电 机绝缘寿命变长。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 1 自励交流励磁机静止可控可控整流器励磁系统 G AVR 滑环 自动恒 压元件 电压起 励元件 VS AE 起励电源 交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式。 励磁调节器AVR直接控制晶闸管整流装置，时间常 数小，励磁调节快速性好。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 自励交流励磁机静止整流器励磁系统 G 励磁调节器 滑环 电压起 励

25、元件 V AE 起励电源 励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，调节发电机 励磁。增加了交流励磁机自励回路环节，动态响应 速度受到影响。 VS 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 静止励磁系统不用励磁机，而由机端励磁变压器提供给整 流装置。 这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有旋转部分。励 磁电源由发电机自身供给。 用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。 国外把这种方式列为大型机组的定型励磁方式 我国已经在一些机组上以及引进的大型机组上，采用该励 磁方式 三三 静止励磁系统静止励磁系统 (发电机自并励系统发电机自并励系统) ) 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 三 静止励磁系统

26、 (发电机自并励系统) G 励磁调节器 滑环 电压起 励元件 VS 起励电源 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 1)结构简单、没有旋转装置，可靠性高、造价低、维护量 小。 2)没有励磁机（励磁变压器放置自由），缩短了机组长度， 可减少电厂土建造价。 3)直接用可控硅控制转子电压，可获得很快的励磁电压响 应速度。 4) 由发电机端取得励磁能量。机端电压与机组的转速一次 方成正比，故静止系统输出的励磁电压与机组转速一次方 成正比，而同轴励磁机系统输出的励磁电压与机组转速二 次方成正比。所以当机组甩负荷时静止系统的过电压就低。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 两点忧虑： 1)静

27、止励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影 响。 2)由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护能否正确 动作。 对于大容量机组，转子时间常数较大，转子电流要在短 路0.5S后才显著衰减。在短路开始的0.5S内，静止励磁方式 和他励方式的励磁电流是很接近的。 至于高压电网中的重要设备保护动作都在0.1S内，没有 必要担心。至于接在地区电网的发电机，短路电流衰减很快， 继电保护的配合较复杂，要采取一定的技术措施以保护正确 动作。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 同步发电机的励磁系统中整流电路的主要任务是将交 流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机的励 磁绕组。 大型发电机的

28、转子励磁回路通常采用三相桥式不可控整 流电路，在发电机自并励系统中采用三相桥式全控整流电 路；励磁机励磁回路通常采用三相桥式半控整流或三相桥 式全控整流电路。 整流电路是励磁系统中必备部件，它对运行有极其重 要的影响。 第三节第三节 励磁系统的整流电路励磁系统的整流电路 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第三节 励磁系统中的整流电路 三相桥式不可控整流电路 三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路 一 三个基本整流电路 二 整流电路的换流压降及外特性 三 最小逆变角 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 一、三相桥式不可控整流电路一、三相桥式不可控整流电路 eaeceb t

29、e ab ac bc ba ca cbab acbc 1 6 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 1 6 1 2 3 2 u t 1 工作原理 任何时刻同时有两 只二极管导通，一只 为共阴极连接的二极 管，一只为共阳极连 接的二极管。 阳极电位最高、阴 极电位最低的二极管 导通，其他二极管承 受反向电压截止。 每个二极管导通 120度，三相相电压 的交点为换流点（自 然换向点）。 + - Rf ea eb ec V1 V3 V5 V4 V6 V2 135 24 6 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 输出电压的平均值 ab a a aa ba E E ttE tdtEtE td

30、eeU 35. 1 34. 2 3 2 coscos 2 26 3 2 sinsin2 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 二、三相桥式半控整流电路二、三相桥式半控整流电路 1 工作原理（纯电阻性负载） Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V 任何时刻同时有两只二极管导通，一只为共阴极连接的 二极管，一只为共阳极连接的二极管。 受触发的晶闸管和最低电压相的二极管导通。 晶闸管的导通顺序与三相电源的相序相同，触发脉冲相 位依次相差120度。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 eaeceb t e ug 16 12

31、 32 34 54 56 1612 32 t u t 脉冲控制角=0 1 35 ab acbc baca cb ab ac bc ug1 ug3ug5 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V 脉冲控制角=30 e ug uL t t t 6 5 2 2 6 3 2 1 tdeetdeeU cabad 2 cos1 35. 1 2 cos1 34. 2 l EE ea eceb ab ac bc ba ca cb 1 6 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 ug1 ug3ug5 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理

32、Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V 脉冲控制角=60 ug uL t t e t ea eceb acbacb 1 2 3 4 5 6 导通角120，为连续的临界状态。 ug1 ug3ug5 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V 脉冲控制角=120 ug uL t t e t 6 7 6 3 2 1 tdeeU cad 2 cos1 35. 1 2 cos1 34. 2 l EE eaeceb 1 2 3 4 5 6 acbacb ug1 ug3 ug5 ug5 电力系统电力系统 自动装置原理

33、自动装置原理 Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V 脉冲控制角=180 ug uL t t e t ea eceb 的移相范围0-180 ug1 ug3 ug5 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2 输出电压与控制角关系 2 cos1 35. 1 2 cos1 34. 2 ld EEU 脉冲控制角小于60，负载电压波形连续。 脉冲控制角大于60，负载电压波形断续。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 3 失控现象和续流二极管的作用 ug uL t t e t t3 t4 t5 Rf ea eb ec VS1VS3VS5 V4 V6 V2 V ea

34、ec VS1 V2 V + (-) - (+) ea eceb acbacb 1 2 3 4 5 6 ug1 ug3ug5 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 三、三相桥式全控整流电路三、三相桥式全控整流电路 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 六只晶闸管的导通顺序为1、2、3、4、5、6。 它们的触发脉冲相位依次相差60。 同一时刻有两个二极管导通，需用宽度大于60的触发脉冲， 或者用双窄脉冲 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 每个元件除了在各自的换流点 处有一个脉冲之外，还在60度电 角度之后的下一个导通元件的导 通时刻补了一个脉冲。所补的脉

35、 冲在电流连续的稳态工作时并不 起任何作用，但它却是电路启动 及在电流断续时使电路正常工作 所不可缺少的，这种触发方式称 之为“双窄脉冲触发”。 若把上面的双窄脉冲连成一 个宽脉冲，电路当然也可正常工 作，这种触发方式称之为“宽脉 冲触发” 三相桥式全控整流电路触发 脉冲的形式 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4 VS6VS2 L 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 e uL ug t t t ug t R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 脉冲控制角=0 工作原理 eaeceb 1 6 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 ab ac bc

36、 baca cb ug1 ug3ug5 ug2 ug4ug6 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 脉冲控制角=60 e uL ug t t t ug t 2 eaeceb 1 6 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 ab ac bc ba ca cb ug1 ug3ug5 ug2 ug4ug6 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 脉冲控制角=90 uL t ug t ug t e t t1 t2 eaeceb 1 6 1 2 3 2 3 4 5

37、 4 5 6 ab ac bc ba ca cb ug1 ug3ug5 ug2 ug4 ug6 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 脉冲控制角=60 150 e ug t t t ug t uL t1 t2 VS6 VS1 VS3 VS2VS4 ea eceb 1 6 1 2 3 2 3 4 5 6 ab ac bc ba ca 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 3 输出电压与控制角关系 cos35.1 cos 6 sin22 3 cos2 6 2 1 6 6 l l ld E E ttdEU 电感性负载 逆变

38、角 =180 - uL t ug t ug t e t t1 t2 在90时，输出平均电压 Ud为负，三相全控桥工作 在逆变状态。 eaeceb 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 3 cos135.1 3 cos122 3 sin2 6 2 1 3 l l ld E E ttdEU 电阻性负载 电阻性负载 3 3 uL t ug t ug t e t t1 t2 eaeceb ab ac bc ba cacb 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L e id ug t t t ug t t1 四 整流电路的换流压降

39、及外特性 ea eceb abc各相交流回路中存在电感，相 间换流不是瞬间突变完成的，前一 相的电流从Id逐渐降至0，后一相的 电流从0逐渐上升到Id.换流瞬间又 三个桥臂同时导通。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形 u d i d t O t O i c i a i b i c i a I d u a u b u c 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 换相压降换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值 降低的多少。 dBd 2 IX m U 单相全波单相全波m=2 单相全桥单相全桥m=4 三相半波三相半波m=3 三相全桥三相

40、全桥m=6 m为脉波数，为脉波数， m也可视为也可视为器件数器件数 换相重叠角的计算换相重叠角的计算 0 d 2 )cos(cos d U U 单相全波、全桥单相全波、全桥 20 9 . 0 UU d 三相半波三相半波 三相全桥三相全桥 20 17. 1UUd 20 34. 2UUd 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 2-67 v 由上述推导过程，已经求得： 随其它参数变化的规律： （1） Id越大则 越大； （2） XB越大 越大； （3） 当 90 时， 越小 越大。 2 dB 6 2 )cos(cos U IX 三相全控： dKd IXEU 3 cos34. 2 2 电力系统电

41、力系统 自动装置原理自动装置原理 R ea eb ec VS1VS3VS5 VS4VS6VS2 L 五 最小逆变角 off 晶闸管关断角 逆变失败逆变失败（逆变颠覆） 逆变时，一旦换相失败，外接 直流电源就会通过晶闸管电路短路短路， 或使变流器的输出平均电压和直流 电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短短 路电流路电流。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 换相重叠角的影响： 图3-49 交流侧电抗对逆变换相过程的影响 当 时，换相结束时，晶 闸管能承受反压而关断。 如果 时（从图3-49右下角的波形中可清楚地看到），该通的晶闸 管（VT2）会关断，而应关断的晶闸管（VT1)不能关断，

42、最终导致逆 变失败。 ud O O id t t uaubucuaub p iVT 1 iVTiVT 3 iVTiVT 3 22 min一般取2530。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 第四节第四节 励磁控制系统调节特性和并联机组间励磁控制系统调节特性和并联机组间 无功分配无功分配 v励磁控制系统框图 G U 同步发电机 励磁功率单元励磁调节器 EF I G I REF U手动 自动 励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然 后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实 现控制功能。 励磁系统 其他信号 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器最励磁调节器

43、最基本的功能基本的功能是调节发电机的端电压。是调节发电机的端电压。 常用的励磁调节器是常用的励磁调节器是比例式比例式调节器。调节器。 输入量输入量是发电机机端电压；是发电机机端电压； 输出量输出量用来控制励磁功率单元。用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电 压降低时输出增大。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 如果发电机没有励磁调节器，依靠人工改变直流励磁机的磁 场电阻Rc来调整机端电压。 人工调节电压，可以分解为： 测量 判断 执行 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 一一 励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图 v比例式励磁调节器 发电机电压升高时，调

44、节器经测量 后，减小输出电流。当电压降低时 ， 增大输出电流。它与励磁机配合， 控制发电机的转子电流，组成闭合 回路，实现对发电机端电压的自动 调节。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图 v励磁调节器基本框图 励磁功率 测量比较测量比较 综合放大综合放大 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 二、励磁调节器的静态工作特性二、励磁调节器的静态工作特性 v励磁调节器的简化框图 )( )( 4321 43 2 1 GREFAVR SMAVR deSM GREFde UUKKKKU UKKU UKU UUKU 测量K1综合放大K2移相

45、触发K3可控整流K4 UG UREF UdeUSM UAVR （一）静态工作特性的合成（一）静态工作特性的合成 励磁调节器总的放大倍数等于 各组成单元放大倍数的乘积 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的基本特性与框图 v励磁调节器的静态工作特性 在励磁调节器工作范围内： UG升高，UAVR急剧减小， UG降低，UAVR急剧增加。 线段ab为励磁调节器的工作 区。在ab内发电机电压变化 很小，可维持发电机电压水 平。 调节器的静态工作特性曲线 随给定值的变化而移动。 0 00 0 Ude UAVR UAVR Ude UG UG USM USM URE

46、F b a 测量单元 综合放大单元 输入输出单元 综合特性 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 （二）发电机励磁自动控制系统静态特性（二）发电机励磁自动控制系统静态特性 发电机励磁自动控制系统由励磁系统和被控对象发 电机组成。 发电机的调节特性是发电机转子电流IEF与无功负荷 电流IQ的关系。 由于励磁调节器的作用，发电机端电压仅在额定值 附近变化。励磁机的工作特性在一般情况下是接近 线性的。发电机转子电流可直接用励磁机励磁电流 直接表示。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性 v发电机励磁控制系统静态特性 QEF IfI 发电机调节特性

47、 发电机励磁控制系统静态特性 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性 UG=f(IQ)曲线说明，发电机在自 动励磁调节器后，无功电流IQ变 化时，电压UG基本维持不变。 调节特性略有下顷，下顷的程度 表征了发电机励磁控制系统中一 个重要的运行特性参数调差系 数。 GGG GN GG UUU U UU 21 21 无功调节特性 UG UG1 UG2 0IQ IQN UG 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性 调差系数表示无功电流从零 到额定值时，发电机电压的 相对变化。 调差系数越小，无功电流变 化时发

48、电机变化越小。 调差系数表征了励磁控制系 统维持发电机电压的能力。 %100% 21 GN GG U UU 无功调节特性 UG UG1 UG2 0IQ IQN UG 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 对于按电压偏差进行比例调节的励磁控制系统，当调差单 元退出工作时，其固有的无功调节特性也是下降的，称为 自然调差系数。 对励磁调节器特性进行调整主要为了满足运行要求： 1 平稳地改变无功负荷； 2 保证并联运行地发电机组无功功率地合理分配。 励磁调节器设置了电压整定及调差单元。 公共母线的无功调节分配主要决定于各台发电机的无功调 节特性。而无功调节特性是用调差系数来表征的。 电力系统电力

49、系统 自动装置原理自动装置原理 励磁调节器的基本特性励磁调节器的基本特性 发电机无功调节特性 UG IQ = 0 0 UG0 0为正调差系数，调节特性下倾， 发电机端电压随无功电流增大而降低 0为负调差系数，调节特性上翘， 发电机端电压随无功电流增大而上升 = 0为无差特性， 发电机端电压恒为定值 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 v（三）发电机调节特性的平移（三）发电机调节特性的平移 调节特性1-2-3 退出运行,IQ减小到零,无冲击 调节特性3-2-1 IQ投入运行到要求值, 无冲击 UG IQ UM 1 2 3 IQ2IQ1 发电机投入或退出电网时，要求能平稳地转移负荷，不对发

50、电机投入或退出电网时，要求能平稳地转移负荷，不对 电网产生冲击。电网产生冲击。 运行人员调节机组的励磁调节器整定单元的整定值就可运行人员调节机组的励磁调节器整定单元的整定值就可 以控制无功调节特性上下移动，实现无功功率的转移。以控制无功调节特性上下移动，实现无功功率的转移。 一台发电机带有励磁调节器，与无穷大一台发电机带有励磁调节器，与无穷大 母线并联运行。母线并联运行。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 三、并联运行机组间的无功功率分配三、并联运行机组间的无功功率分配 发电机并联运行，改变任何一台发电机的励磁电流， 不仅影响自身的无功电流，而且还影响同一母线上其他并 联运行机组的无

51、功电流。引起母线电压变化 这些变化与机组的无功调节特性有关。 1 一台无差调节特性的机组与有差调节特性机组的并联运行一台无差调节特性的机组与有差调节特性机组的并联运行 UG IQ = 0 0 U U U IQ2 母线电压保持U不变。如果电 网无功负荷改变，第一台发电机无 功电流改变，第二台维持 IQ 。移动 第二台发电机特性曲线可改变发 电机间无功负荷的分配。若要改变 母线电压，移动第一台机组调节特 性曲线。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 三、并联运行机组间的无功功率分配三、并联运行机组间的无功功率分配 v无差调节特性 1 无差+有差 有困难 无法稳定 UG IQ = 0 0 U

52、 U U IQ2 一台无差调节特性发电机和 多台正调差特性的发电机并 联运行。但实际运行中，有 差调节特性的发电机将承担 无功功率的全部增量，一方 面一台机组的容量有限，另 一方面机组间无功功率的分 配也不合理，所以这种方式 很难采用。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 三、并联运行机组间的无功功率分配三、并联运行机组间的无功功率分配 不能并联运行 2 无差+无差 UG IQ U U U为第一台发电机的电压 整定值，U为第二台发电 机的电压整定值，实际调试 很难做到U 、U正好重合， 所以他们不能并联运行。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 并联运行机组间的无功功率分配并联

53、运行机组间的无功功率分配 v有差调节特性 UG UG UG 0IQ IQ UG0 UGN IQIQIQIQN N 机组间的无功负荷的分配 取决于各自的调差系数。 两台正调差特性的发电机 在公共母线上并联运行。 UG IQIQ 假定无功负荷增加，母线 电压下降，调节器动作， 增加励磁电流，新的稳态 电压UG。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 QN GNG GG Q I UU UU I 0 0 GG GN GNG GG Q UU U UU UU I 0 0 0 1 QN GNG Q GG I UU I UU 00 * * G Q U I A B QB QA I I * * 电力系统电力

54、系统 自动装置原理自动装置原理 母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正 比，与调差系数成反比，而与电压整定值无关。 负号表示在正调差情况下，当母线电压降低时，发电机无 功电流将增加。 正调差情况下，无功负荷波动时，并联发电机电压偏差相 同，调差系数小的发电机承担较多的无功电流增量调差系数小的发电机承担较多的无功电流增量。 通常要求各台发电机无功负荷波动量与额定容量成正比， 也就是无功电流波动量的标幺值相等，也就是要求并联运行发 电机具有相同的调差系数。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 例3-1 某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行，一号机 的额 定功率为25MW，二号

55、机的额定功率为50MW。两台机 组的额定功 率因数都是0.85，调差系数为0.05。如果系统无 功负荷使电厂无功 功率的增量为它们总无功容量的20%，问 各机组承担的无功负荷增 量是多少？母线上的电压波动是 多少？ 1号机额定无功功率 2号机额定无功功率 因为两台机的调查系数均为0.05，所以公共母线上等值机的调 查系数也为0.05。 var49.15 85. 0arccos25 111 M tgtgPQ NGNG var99.30 85. 0arccos50 222 M tgPQ NGNG 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 母线电压波动 一号机组的无功负荷增加3.10M var，

56、二号机组的无功负荷增加6.20M var。 调差系数相等，无功的波动量与它们的容量成比例。 各机组无功负荷波动量 01. 02 . 005. 0 QU 2 . 005. 0/01. 0/ 11 UQ 2 . 005. 0/01. 0/ 22 UQ 10. 349.152 . 0 111 NG QQQ (Mvar) 20. 699.302 . 0 222 NG QQQ (Mvar) 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 例3-2 在例3-1中，若一号机的调差系数为0.04，二号机调差 系数仍 为0.05。当系统无功负荷波动时仍使电厂总无功增加 20%，问各机组的无功负荷增量是多少？母线上的

57、电压波动 是多少？ 解：首先应求出公共母线上等值机的调差系数，为此推导如下： )/()( 21 2 2 1 1 21 2211 NGNG NGNG NGNG NGNG QQ QQ U QQ QQQQ Q / 2 2 1 1 21 U QQ QQ U NGNG NGNG 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 046. 0 05. 0 99.30 04. 0 49.15 99.3049.15 )( 2 2 1 1 21 NGNG NGNG QQ QQ 母线电压波动为 0092. 02 . 0046. 0 QU 各机组的无功增量 23. 004. 0/0092. 0/ 11 UQ 185. 0

58、05. 0/0092. 0/ 22 UQ 56. 349.1523. 0 111 NG QQQ (Mvar) 73. 599.30185. 0 222 NG QQQ (Mvar) 一号机组的无功负荷增加3.56M var， 二号机组的无功负荷增加5.73M var。 调差系数小的机承担的无功负荷增量较大。 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 v一、励磁调节器的原理及发展一、励磁调节器的原理及发展 （一）电压调节的原理（一）电压调节的原理 按调节原理可分为反馈型和补偿型。 反馈型电压调节器按被调量（发电机电压）与给定量（设 定值）之间的差值进行调节，闭环反馈，能较好地维持电 压水平，得到

59、了广泛应用。 补偿型电压调节器补某些因素引起的发电机电压的变动， 由于补偿的局限性，很难获得理想补偿，不能维持电压水 平。 第五节第五节 励磁调节装置原理励磁调节装置原理 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 （二）励磁调节器的发展及分类（二）励磁调节器的发展及分类 机械式机械式 机电型机电型 磁放大器磁放大器 电磁型电磁型 电子模拟放大器电子模拟放大器 电子型电子型 CPU存储逻辑存储逻辑 数字型数字型 20世纪初1950s1960s 1990s 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 1 1、机电型电压调节器、机电型电压调节器 电磁型调节器，各单元由电磁元件构成，具有较大的时 间

60、常数，其优点是可靠性高，能满足电力系统运行的要 求。 早期的机电型电压调节 器，需要克服摩擦， 具有不灵敏区。 2 2、电磁型电压调节器、电磁型电压调节器 电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 3 3、电子型电压调节器、电子型电压调节器 电子元件几乎没有时滞，功率放大倍数较高，得到广泛应用。 电子型励磁调节器，由基本控制和辅助控制两部分组成。 基本控制基本控制由调差、测量比较、综合放大、移相触发组成， 实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。 辅助控制辅助控制为了满足发电机不同运行工况、改善电力系统稳 定性、改善励磁系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统 稳定器、电力系统稳定器、励磁限