第四章 同步发电机的自动励磁调节装置

1、内容提要：内容提要： 励磁系统的任务励磁系统的任务 励磁系统的类型励磁系统的类型 励磁调节装置的原理励磁调节装置的原理 并联机组间无功分配并联机组间无功分配 第四章第四章 同步发电机的自动同步发电机的自动 调节励磁装置调节励磁装置 教学目的：教学目的：熟悉同步发电机励磁控制系统的熟悉同步发电机励磁控制系统的任任 务务、理解对励磁系统的基本要求，熟悉同步发、理解对励磁系统的基本要求，熟悉同步发 电机的电机的励磁方式及其特点励磁方式及其特点，掌握半导体励磁调，掌握半导体励磁调 节器的构成、工作原理，掌握节器的构成、工作原理，掌握并联运行机组间并联运行机组间 无功功率的分配无功功率的分配，熟悉，熟悉

2、强励强励及灭磁的概念、灭及灭磁的概念、灭 磁的方法，理解励磁调节器静态特性调整的目磁的方法，理解励磁调节器静态特性调整的目 的，了解微机励磁调节器的构成原理。的，了解微机励磁调节器的构成原理。 重点：重点：励磁控制系统的任务、基本要求，并联励磁控制系统的任务、基本要求，并联 运行机组间无功功率的分配。运行机组间无功功率的分配。 同步发电机同步发电机励磁系统励磁系统是指为发电机提供可调节是指为发电机提供可调节 励磁电流励磁电流的的装置装置的的全部组合全部组合。包括：。包括： 产生可调节励磁电流的产生可调节励磁电流的励磁功率单元励磁功率单元(如励磁机如励磁机) 控制功率单元的控制功率单元的励磁调节

3、器励磁调节器两个主要组成部分两个主要组成部分 以及相关的以及相关的测量仪表、辅助设备测量仪表、辅助设备等。等。 第一节第一节 同步发电机励磁控制系统的同步发电机励磁控制系统的 主要任务主要任务和对它的和对它的基本要求基本要求 图图4-1同步发电机励磁控制系统构成示意图同步发电机励磁控制系统构成示意图 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 电电 压压 控控 制制 无无 功功 功功 率率 分分 配配 提提 高高 稳稳 定定 性性 改改 善善 运运 行行 条条 件件 强强 行行 减减 磁磁 ( (一一) ) 电压控制电压控制: :维持发电机端或指定控制点的电压维持发电机端

4、或指定控制点的电压 在给定水平上在给定水平上 发电机发电机单机带负荷单机带负荷运行时运行时, , 励磁控制系统的励磁控制系统的电压调节作电压调节作 用用可用右图说明。可用右图说明。 GEWGEW是发电机的是发电机的励磁线圈励磁线圈， G G和和İG G分别为发电机分别为发电机定子电定子电 压和电流。压和电流。 G 负负 荷荷 GEW IEF UEF G + - - 发电机稳定运行图发电机稳定运行图 (a)原理图原理图 İG 正常时正常时, ,流经流经GEWGEW的励磁电流的励磁电流 I IEF EF 在同步 在同步发电机内建立磁场发电机内建立磁场, , 使使定子绕阻产生空载感应电动定子绕阻产生

5、空载感应电动 势势q q; ; 改变励磁电流改变励磁电流I IEF EF 大小 大小, , 可使可使 q q相应变化相应变化; ; 图图(b)(b)是发电机稳态运行的等是发电机稳态运行的等 值电路图，其间关系用数学式值电路图，其间关系用数学式 表达为表达为 X Xd d发电机的直轴电抗。发电机的直轴电抗。 UG Eq . (b)等值电路图等值电路图 dGq EjIUX G İG 发电机稳定运行图发电机稳定运行图 G 负负 荷荷 GEW IEF UEF G + - - 发电机稳定运行图发电机稳定运行图 (a)原理图原理图 İG 一般一般很小很小, ,可近似认为可近似认为coscos1,1,于是上

6、式简化为于是上式简化为 Gqd UIEX Q cos (C)发电机的向量图发电机的向量图 . 是是E Eq q和和U UG G之间的夹角之间的夹角, ,即发电机的即发电机的功率角功率角; ; İq q和和İp p为发电机电流的无功和有功分量为发电机电流的无功和有功分量; ; 发电机的发电机的功率因数角功率因数角。根据向量关系。根据向量关系, ,得出得出 Gqd XUEI Q qGd XEUI Q G U d jI X Q Gd jI X q E İP İQ İG U UG G= =f f( (I IQ Q) )称为称为发电发电 机的外特性机的外特性 E Eq q和和I IEF EF成正比。 成

7、正比。 当当I IEF EF不变 不变时时, ,I IQ Q变化将引起变化将引起U UG G的的 变化变化, ,即发电机即发电机单机带负荷单机带负荷运运 行时行时, ,电压变化主要是由定子电压变化主要是由定子 电流的无功分量电流的无功分量I IQ Q变化引起的。变化引起的。 Gqd UEI X Q 若发电机的无功电流若发电机的无功电流I IQ Q不变，改变不变，改变I IEF EF可以改变 可以改变E Eq q， 进而可以改变进而可以改变U UG G，即，即发电机单机运行时，调节励磁发电机单机运行时，调节励磁 电流可以改变发电机电压。电流可以改变发电机电压。 IQ UG Eq1 0 IQ1 U

8、Ge 发电机的外特性发电机的外特性 (IEF不变时不变时) Eq2 IEF1 IEF2 IQ2 UG 发电机发电机并网并网运行时，系统的运行时，系统的电压水平电压水平由系统中由系统中 无功无功电源发出电源发出的的无功功率无功功率总和总和与系统中与系统中负荷所负荷所 消耗消耗的的无功功率无功功率总和总和之间的之间的平衡关系决定平衡关系决定。 并网并网运行时的运行时的单机容量单机容量相对有限相对有限, , 改变一台发改变一台发 电机的励磁电流电机的励磁电流对系统电压水平的影响对系统电压水平的影响不像不像单单 机带负荷运行时机带负荷运行时的影响那么大，而且电力的影响那么大，而且电力系统系统 的容量越

9、大，这种特征越明显。的容量越大，这种特征越明显。 n当系统容量当系统容量无穷大时无穷大时，系统电压为恒定值，系统电压为恒定值， 改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水改变一台发电机的励磁电流对系统的电压水 平平没有影响没有影响。 n但是，系统中但是，系统中各节点电压是不相同各节点电压是不相同的，的， n因此，对因此，对并网并网运行运行发电机发电机的的U UG G随随I IEF EF变化的情 变化的情 况要做具体分析况要做具体分析。 n发电机经发电机经变压器变压器和和输电线路输电线路并入电力系统的并入电力系统的 情况如下图所示。情况如下图所示。 UGUX+IQ(XB+XL) UBUX+IQXL

10、IQ=(Eq-UX)/(Xd+XB+XL) XB、 XL变压器变压器漏抗漏抗和输电线和输电线 路路电抗电抗； UX、UB电力电力系统电压系统电压 和和变压器高压侧电压变压器高压侧电压。 G G UGUB XB UX XL 变压器变压器 线路线路 (a)电路图电路图 XBXLXd İG UX . Eq . (b)等值电路图等值电路图 发电机并入电力系统发电机并入电力系统 的电路图的电路图 UGUB 以上三个表达式以上三个表达式说明：说明： 通过通过调节调节发电机励磁电流发电机励磁电流IEF 来来调节调节发电机电势发电机电势Eq 可以可以改变改变发电机无功电流发电机无功电流IQ， 从而从而调节调节

11、发电机电压发电机电压UG和和 变压器变压器高压侧电压高压侧电压UB， 维持维持发电机机端电压发电机机端电压UG或或系统内某一点电压系统内某一点电压 (如变压器如变压器高压母线电压高压母线电压UB)在给定水平在给定水平; UGUX+IQ(XB+XL) UBUX+IQXL IQ=(Eq-UX)/(Xd+XB+XL) 调节发电机励磁电流不再会引起发电机电压的变调节发电机励磁电流不再会引起发电机电压的变 化，即化，即发电机励磁调节系统不再有调节发电机电发电机励磁调节系统不再有调节发电机电 压的作用压的作用。 实际上实际上,无穷大电力系统是不存在的无穷大电力系统是不存在的,即系统等值阻即系统等值阻 抗并

12、不等于零抗并不等于零,发电机电压发电机电压UG将随着无功负荷的变将随着无功负荷的变 化而变化化而变化。 若若发电机接入发电机接入无穷大无穷大系统系统,即即 XB=0、XL=0,则则发电机电压等发电机电压等 于系统电压于系统电压,UG= UX,随系统电随系统电 压的变化而变化压的变化而变化， UGUX+IQ(XB+XL) UBUX+IQXL IQ=(Eq- UX)/(Xd+XB+XL) 以上即以上即电压调节的原理电压调节的原理. ( (二二) )合理分配并联运行发电机间的无功功率合理分配并联运行发电机间的无功功率 电力系统中是多台发电机并联运行的。电力系统中是多台发电机并联运行的。 为保证系统的

13、为保证系统的电压质量电压质量和和无功潮流合理分布无功潮流合理分布,要求要求 合理控制合理控制系统中并联运行发电机输出的系统中并联运行发电机输出的无功功率无功功率。 所谓所谓“合理控制合理控制”包含两层意思：包含两层意思： 每台发电机每台发电机发出的无功功率数量发出的无功功率数量要合理要合理； 当系统当系统电压变化时电压变化时，每台发电机输出的无功功率，每台发电机输出的无功功率 要要随之自动调节随之自动调节，而且，而且调节量要合理调节量要合理。 1.发电机无功功率控制的原理发电机无功功率控制的原理 条件条件: 设同步发电机设同步发电机与与无穷大无穷大电力系统并联运行电力系统并联运行,即即发发 电

14、机电机端电压端电压不随负荷的变化而变化不随负荷的变化而变化,是一个是一个恒定恒定 值值。 同时假定发电机同时假定发电机定子电阻为零定子电阻为零,并并忽略忽略凸极效应凸极效应。 而发电机发出的而发电机发出的有功功率只受调速器控制有功功率只受调速器控制，与励，与励 磁电流的大小无关。磁电流的大小无关。 因此机组发出的有功功率因此机组发出的有功功率PG为常数。为常数。 可以写出下列表达式可以写出下列表达式 PG=UGIGcos=常数常数 PG=(EqUG/Xd)sin=常数常数 功率因数角；功率因数角； 发电机的功率角。发电机的功率角。 由上两式得由上两式得 (a) 图图4-4同步发电机与无限大同步

15、发电机与无限大 母线并联运行母线并联运行 (4-3) (4-4) PG常数常数=K2Eqsin= Xd UG PG IGcos= UG 常数常数=K1 由图由图IEF2IEF1时，时，IQ2 IQ1 由于由于UG=定值定值,所以当励磁电流所以当励磁电流 IEF增加增加时时,发电机发出的无功发电机发出的无功 功率功率(QG=UGIQ)就增加就增加了了. 同样同样,当当IEF减少时减少时, QG就会减少就会减少。 因为发因为发UG 为定值，发电机励为定值，发电机励 磁电流的变化只改变了机组的磁电流的变化只改变了机组的 无功功率和功率角无功功率和功率角的大小。的大小。 此即此即无功功率调节的原理无功

16、功率调节的原理. l 以两台发电机在同一条母线上并以两台发电机在同一条母线上并 联运行的情况说明。联运行的情况说明。 l 图图(a)中中UM为母线电压，为母线电压，IQ1和和IQ2分分 别为发电机别为发电机G1和和G2发出的无功电发出的无功电 流，流，IQ是电厂送给电力系统的无是电厂送给电力系统的无 功电流。功电流。 IQ IQ1IQ2 电力系统电力系统 （a) UM 曲线曲线F1和和F2分别为分别为 发电机发电机G1和和G2的外特的外特 性性, 表征发电机电压表征发电机电压UG*和和 无功电流无功电流IQ*的的关系关系。 外特性外特性是由发电机是由发电机励磁励磁 系统系统形成的一种发电机形成

17、的一种发电机 静态特性静态特性。 F1 0 UG* F F2 2 A IQ2 IQ1IQ* UM1 (b) (b) 并联运行的发电机并联运行的发电机F F1 1和和F F2 2斜率斜率 相等时的无功分配的关系相等时的无功分配的关系 1 1= =2 2 设发电机母线电压设发电机母线电压 UM=UG*=UM1, 则则UM1交曲线交曲线Fl于于A点点, G1发出的无功电流为发出的无功电流为 IQ1 如果将曲线如果将曲线F1移到移到F1, 则则G1的工作点将由的工作点将由A移移 动到动到B, G1发出无功电流发出无功电流IQ1。 F1 0 UG* F1 F2 AB IQ2IQ1IQ1IQ* UM1 图

18、图(b) 并联运行的发电机并联运行的发电机F1和和F2斜斜 率相等时的无功分配的关系率相等时的无功分配的关系 1 1= =2 2 设发电机母线电压由设发电机母线电压由 UM1下降到下降到UM2运行运行, G1和和G2发出的无功电发出的无功电 流分别增加到流分别增加到IQ1和和 IQ2 IQ1= IQ1-IQ1, IQ2= IQ2-IQ2。 F F1 1 0 IQ2 F F1 1 F F2 2 IQ1 AB IQ2IQ1 IQ1IQ2 IQ1 I Q* UM2 UM1 (b)(b)并联运行的发电机并联运行的发电机F F1 1和和F F2 2斜率斜率 相等时的无功分配的关系相等时的无功分配的关系

19、UG* 1 1= =2 2 如果两台机组的外特如果两台机组的外特 性曲线性曲线斜率相等斜率相等， 则则无功电流增量相等无功电流增量相等， 即有即有IQ1=IQ2； F1 0 IQ2 F1 F2 IQ1 AB IQ2IQ1 IQ1 IQ2IQ1IQ* UM2 UM1 UG* 1=2 如果两台机组的外特性曲如果两台机组的外特性曲 线斜率不相等线斜率不相等,则无功电流则无功电流 增量不相等。增量不相等。(c)所示所示 IQ1IQ2。 IQ1和和IQ2的大小取决于的大小取决于 发电机的外特性曲线发电机的外特性曲线F1和和F2 的斜率：的斜率： F1 0 IQ1 IQ2 IQ2 IQ1IQ* UG* U

20、M1 UM2 IQ2 F2 IQ1 (c) (c) F F1 1和和F F2 2斜率斜率 不相等时的无功分配的关系不相等时的无功分配的关系 12 看出，外特性看出，外特性曲线的位置曲线的位置和和母线电压的大小母线电压的大小决决 定发电机发出的无功电流的大小定发电机发出的无功电流的大小，从而决定发从而决定发 电机电机发出的无功功率的大小发出的无功功率的大小。 这就是说，这就是说，要控制发电机发出的无功功率大小要控制发电机发出的无功功率大小 就要控制发电机外特性曲线的位置就要控制发电机外特性曲线的位置。 结论结论: : 当发电机母线电压变化时当发电机母线电压变化时, ,发电机外特性发电机外特性曲曲

21、 线的斜率大小线的斜率大小, ,决定决定发电机发出的发电机发出的无功功率无功功率 变化的大小变化的大小。成反比？成反比？ 发电机励磁调节器中有一个形成发电机外发电机励磁调节器中有一个形成发电机外 特性的环节特性的环节调差环节调差环节。可。可改变斜率改变斜率的的 大小和正负大小和正负. . ( (三三) )提高电力系统的稳定性提高电力系统的稳定性 保证同步发电机稳定运行保证同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供是保证电力系统可靠供 电的首要条件。电的首要条件。 稳定：稳定：电力系统在运行中随时都可能遭受各种干电力系统在运行中随时都可能遭受各种干 扰，在各种扰动后，发电机组能恢复到原来的运扰，在各

22、种扰动后，发电机组能恢复到原来的运 行状态或过渡到另一种新的运行状态。其主要标行状态或过渡到另一种新的运行状态。其主要标 志是在暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢志是在暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢 复同步运行。复同步运行。 电力系统稳定分为：电力系统稳定分为：电力系统静态稳定电力系统静态稳定和和电力系电力系 统暂态稳定统暂态稳定。 电力系统静态稳定电力系统静态稳定：是指在电力系统正常：是指在电力系统正常 运行状态下，经受运行状态下，经受微小扰动微小扰动后恢复到原来后恢复到原来 运行状态的能力。运行状态的能力。 电力系统暂态稳定电力系统暂态稳定：是指电力系统在某一：是指电力系统在某一

23、正常运行状态下正常运行状态下突然遭受到大扰动突然遭受到大扰动后能否后能否 过渡到一个新的稳定运行状态、或恢复到过渡到一个新的稳定运行状态、或恢复到 原来的运行状态。这里大扰动是指电力系原来的运行状态。这里大扰动是指电力系 统发生某种事故。统发生某种事故。 (1)(1)对提高静态稳定对提高静态稳定 的作用的作用 q G E U P X sin 接线图接线图 (b)等值网络等值网络 图图4-5单机与系统联接网络单机与系统联接网络 自动励磁调节装置改善自动励磁调节装置改善 发电机静态稳定说明图发电机静态稳定说明图 曲线曲线称称发电机的功角发电机的功角 特性特性。 90时时, P有最大值有最大值 称为

24、称为功率极限功率极限， 90则称为则称为静态静态 稳定极限点稳定极限点 q m E U P X （a）功角特性）功角特性 曲线曲线1的功角极限等于的功角极限等于90 称为称为自然稳定区自然稳定区。 曲线曲线2的功角极限大于的功角极限大于90 称为称为人工稳定区人工稳定区。 调节励磁调节器调节励磁调节器,维持不同点维持不同点 电压恒定电压恒定，可得到，可得到不同人工不同人工 稳定区的稳定区的功角特性曲线功角特性曲线。 由于采用了励磁调节器，由于采用了励磁调节器，可可 使发电机运行于使发电机运行于大于大于90的的 区域区域，也就是，也就是提高了电力系提高了电力系 统静态稳定能力统静态稳定能力。 2

25、 (2)对提高对提高暂态稳定暂态稳定的作用的作用 等面积原则：等面积原则：发电机能否稳发电机能否稳 定运行，取决于加速面积是定运行，取决于加速面积是 否等于减速面积。否等于减速面积。 a点为正常稳定运行点点为正常稳定运行点 大干扰后大干扰后,电磁功率突降电磁功率突降b 点点,若励磁保持原态若励磁保持原态,因惯性输因惯性输 入仍为入仍为P0, 机械功率机械功率P0 电磁功率电磁功率Pb, 转子加速转子加速,延延b向向G移动移动若在若在 刚受干扰后刚受干扰后强励强励从从b点点转到转到 上运行上运行 减小了加速面积，减小了加速面积，增大了增大了 减速面积。减速面积。 Pb ( (四四) )改善电力系

26、统的运行条件改善电力系统的运行条件 当电力系统由于种种原因出现当电力系统由于种种原因出现短时低电压短时低电压时，发时，发 电机励磁自动控制系统可发挥调节功能，电机励磁自动控制系统可发挥调节功能，大幅度大幅度 地增加励磁电流以提高系统电压地增加励磁电流以提高系统电压（强励功能）。（强励功能）。 在在下列几种情况下可以改善系统的运行条件。下列几种情况下可以改善系统的运行条件。 1 1改善改善异步电动机异步电动机的的自启动条件自启动条件 电网发生电网发生短路等故障短路等故障时，时，电网电压降低电网电压降低，未切除，未切除 的大多数用户的电动机处于制动状态。的大多数用户的电动机处于制动状态。 故障切除

27、后故障切除后, ,由于由于电动机自启动电动机自启动时需要时需要吸收大量无吸收大量无 功功率功功率, ,以致以致延缓延缓了电网了电网电压的恢复电压的恢复过程。过程。 发电机发电机强行励磁强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复的作用可以加速电网电压的恢复, , 有效地有效地改善电动机自启动条件改善电动机自启动条件。 图图4-9表示机组表示机组 有励磁自动控制有励磁自动控制和和 没有励磁自动控制没有励磁自动控制 时短路切除后电压恢时短路切除后电压恢 复的不同情况。复的不同情况。 1 2 0 01010 20203030t(s)t(s) U U* * 1.21.2 1.01.0 0.80.8 0.40.

28、4 曲线曲线1 1无励磁自动控制时无励磁自动控制时 曲线曲线2 2有励磁自动控制时有励磁自动控制时 2 2为为同步发电机异步运行同步发电机异步运行创造条件创造条件 同步同步发电机失去励磁发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量时，需要从系统中吸收大量 无功功率，从而造成系统电压大幅度下降，严重无功功率，从而造成系统电压大幅度下降，严重 时甚至危及系统安全运行。时甚至危及系统安全运行。 此时，如果系统中此时，如果系统中其它发电机组的励磁系统能及其它发电机组的励磁系统能及 时增加励磁时增加励磁提供足够的无功功率，以维持电压水提供足够的无功功率，以维持电压水 平，则平，则失磁的发电机失磁的发电机还可以

29、在一定时间内还可以在一定时间内以异步以异步 运行方式运行方式维持运行，这不但可以确保维持运行，这不但可以确保系统安全系统安全运运 行而且有利于机组行而且有利于机组热力设备热力设备的运行。的运行。 3 3提高继电保护装置动作的正确性提高继电保护装置动作的正确性 当系统处于当系统处于低负荷低负荷运行状态时，发电机的运行状态时，发电机的励磁电励磁电 流很小流很小。若系统此时发生短路故障，短路电流较。若系统此时发生短路故障，短路电流较 小，且小，且随时间衰减随时间衰减，以致，以致带时限继电保护不能正带时限继电保护不能正 确动作确动作。 励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁自动控制系统可以通过调节发电

30、机励磁电流励磁电流 来增大短路电流来增大短路电流，使继电保护正确动作。，使继电保护正确动作。 （五）水轮发电机组强行减磁（五）水轮发电机组强行减磁 当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于 它的它的调速系统具有较大的惯性调速系统具有较大的惯性，不能迅速关，不能迅速关 闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不闭导水叶，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电流，则发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子绝缘的程度，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，要求励磁自动控制系所以，在这种情况下，

31、要求励磁自动控制系 统能实现强行减磁。统能实现强行减磁。 二、对励磁系统的二、对励磁系统的基本要求基本要求 （一）对励磁调节器的要求（一）对励磁调节器的要求 （1 1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高）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。低以维持发电机电压在给定水平。 （2 2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率。 （3 3）远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，）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。要求励磁调节器没有失灵区。 （4 4）励磁调节器

32、应能迅速反应系统故障、具备强行励磁等）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。控制功能，以提高暂态稳定和改善系统运行条件。 （5 5）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 （6 6）励磁调节器正常工作与否，直接影响到发电机组的安）励磁调节器正常工作与否，直接影响到发电机组的安 全运行，因此要求能够全运行，因此要求能够长期可靠工作长期可靠工作。 （7 7）结构简单、操作维护方便。）结构简单、操作维护方便。 （二）对励磁功率单元的要求（二）对励磁功率单元的要求 （1 1）有足够的可靠性并）

33、有足够的可靠性并具有一定的调节容量。具有一定的调节容量。 （2 2）具有）具有足够的励磁顶值电压足够的励磁顶值电压和和电压上升速度。电压上升速度。 从改善电力系统运行条件和提高电力系统稳定从改善电力系统运行条件和提高电力系统稳定 性来说，希望励磁功率单元具有较大的励磁能性来说，希望励磁功率单元具有较大的励磁能 力和快速的响应能力。在励磁系统中励磁顶值力和快速的响应能力。在励磁系统中励磁顶值 电压和电压上升速率是两项重要的技术指标。电压和电压上升速率是两项重要的技术指标。 强励强励是是指在发电机电压下降较多时，励磁系统快速指在发电机电压下降较多时，励磁系统快速 地将励磁电流和电压升到顶值的一种运

34、行行为。地将励磁电流和电压升到顶值的一种运行行为。 励磁顶值电压：励磁顶值电压：是指励磁功率单元在强行励磁时可是指励磁功率单元在强行励磁时可 能提供的最高输出电压值。能提供的最高输出电压值。 一般以强行励磁时所能达到的一般以强行励磁时所能达到的顶值电压顶值电压与与额定励磁额定励磁 电压之比电压之比来表示这一指标，称为来表示这一指标，称为强励倍数强励倍数。也叫。也叫顶顶 值电压的倍数，值电压的倍数，因成本限制一般取因成本限制一般取1.52。 励磁电压上升速度励磁电压上升速度定义：在强行励磁时，定义：在强行励磁时， 从开始到从开始到0.5s0.5s内励磁电压的平均上升速度，内励磁电压的平均上升速度

35、， 这又称为励磁电压响应比。这又称为励磁电压响应比。 高起始响应速度是指高起始响应速度是指强行励磁后，强行励磁后， 0.1s内内 励磁电压达到的励磁电压达到的95顶值电压的响应速度。顶值电压的响应速度。 第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统 同步发电机的同步发电机的励磁电源励磁电源实质上是一个实质上是一个可控的直可控的直 流电源流电源。必须具备。必须具备足够的调节容量足够的调节容量，并且要有，并且要有 一定的一定的强励倍数强励倍数和和励磁电压响应速度。励磁电压响应速度。 1.直流励磁机系统直流励磁机系统 2.交流励磁机系统交流励磁机系统 3.发电机自并励系统（静止励磁系统）发电机

36、自并励系统（静止励磁系统） 一、直流励磁机励磁系统一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励 磁方式。由于它是靠磁方式。由于它是靠机械整流子换向机械整流子换向整流整流 的，的，当励磁电流过大时，换向就很困难，当励磁电流过大时，换向就很困难， 所以这种方式只能在所以这种方式只能在1010万万KWKW以下的小容量以下的小容量 机组中采用机组中采用。分为自励式和他励式。分为自励式和他励式。 直流励磁机励磁系统原理：直流励磁机励磁系统原理： DEIEE Rc UEF IEF E DE IEE UEF IEF 自励：自励： Rc IEE UEF 励磁

37、机励磁机发电机发电机 他励：他励： Rc IEE UEF 副励副励主励主励发电机发电机 ( (一一) )自励直流励磁机励磁系统自励直流励磁机励磁系统 励磁机励磁机DE和发电机和发电机G同轴同轴，靠，靠剩磁启励剩磁启励建立电压，励磁机建立电压，励磁机 发出的电流，一部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过发出的电流，一部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过 磁场电阻磁场电阻RC，送给励磁机的励磁绕组。调整励磁机磁场电，送给励磁机的励磁绕组。调整励磁机磁场电 阻阻RC可以改变励磁机励磁电流，从而达到人工调整发电机可以改变励磁机励磁电流，从而达到人工调整发电机 转子电流的目的，实现对发电机励磁的手动调节。

38、转子电流的目的，实现对发电机励磁的手动调节。 ( (二二) )他励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机励磁绕组是由他励直流励磁机励磁绕组是由副励磁机副励磁机PE供电，副励磁机供电，副励磁机 PE与励磁机与励磁机DE都是与发电机都是与发电机G同轴同轴。 由于他励方式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常由于他励方式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常 数就是励磁机励磁绕组的时间常数，与自励方式相比，数就是励磁机励磁绕组的时间常数，与自励方式相比，时时 间常数减小了间常数减小了，提高了励磁系统的电压增长速率。一般用，提高了励磁系统的电压增长速率。一般用 于水轮发电机。于水轮发

39、电机。 自励自励直流励磁机中直流励磁机中,IRC的增加促使励磁机电的增加促使励磁机电 压压UL增加增加,而而IRC的增加又依靠的增加又依靠UL的增加的增加,IRC 和和UL的这种关系就的这种关系就使得励磁机的励磁使得励磁机的励磁时间时间 常数增大常数增大了了。 而而他励他励直流励磁机则不然直流励磁机则不然,它没有它没有IRC和和UL的的 相互依赖的关系相互依赖的关系,励磁时间常数励磁时间常数只决定只决定于励磁于励磁 机励磁绕组的结构和参数机励磁绕组的结构和参数。 所以所以他励直流励磁机的时间常数比自励直流他励直流励磁机的时间常数比自励直流 励磁机的时间常数小励磁机的时间常数小。 （三）直流励磁

40、机励磁系统的（三）直流励磁机励磁系统的特点特点 优点：优点：控制方便；控制方便； 缺点：缺点：有滑环、电刷等转动接触部件，易有滑环、电刷等转动接触部件，易 产生火花，可靠性不高，结构复杂，不易产生火花，可靠性不高，结构复杂，不易 维护。维护。 应用：应用：中小容量机组（中小容量机组（100MW100MW） 二、交流励磁机励磁系统二、交流励磁机励磁系统 整流技术发展整流技术发展和和大容量硅整流元件的出现大容量硅整流元件的出现,产产 生了生了交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统。 它的它的励磁功率单元励磁功率单元由与发电机同轴的由与发电机同轴的交流励交流励 磁机磁机和和硅整流器组成硅整流器组成,

41、其中其中交流励磁机交流励磁机分为分为自励自励和和他励他励两种方式；两种方式； 整流器整流器又分为又分为可控硅整流可控硅整流和和不可控硅整流不可控硅整流, 每一种又有每一种又有静止静止和和旋转旋转两种形式。两种形式。 ( (一一) )他励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统 1他励交流励磁机他励交流励磁机静止整流静止整流励磁系统励磁系统 交流励磁机和交流副励磁机与发电机交流励磁机和交流副励磁机与发电机同轴旋转同轴旋转。 交流副励磁机交流副励磁机配有一个配有一个自励恒压调节器自励恒压调节器维持其端电压为恒定值。维持其端电压为恒定值。 交流副励磁机交流副励磁机输出的输出的交流电交流电经过经过可控

42、硅整流器可控硅整流器整流后给整流后给励磁机励磁机励磁。励磁。 交流励磁机交流励磁机输出的交流电经过输出的交流电经过不可控硅整流器不可控硅整流器整流后变成直流，供给整流后变成直流，供给 发电机作励磁电流。发电机作励磁电流。 自动励磁调节器通过控制自动励磁调节器通过控制可控硅整流器可控硅整流器中中可控硅整流元件的可控硅整流元件的控制角控制角改改 变变交流励磁机交流励磁机的的励磁电流励磁电流，来，来控制发电机励磁电流控制发电机励磁电流。 由于由于交流副励磁机交流副励磁机的启励电压比较高的启励电压比较高, ,不能像不能像直流励磁机直流励磁机那样那样依靠剩磁依靠剩磁 启励启励, ,所以所以, ,在机组启

43、励时必须在机组启励时必须外加启励电源外加启励电源, ,直到直到交流副励磁机交流副励磁机输出的电输出的电 压足以使压足以使自励恒压调节器正常工作自励恒压调节器正常工作时时, ,启励电源方可退出工作。启励电源方可退出工作。 对该系统的评价：对该系统的评价： 由于取消了直流励磁机，由于取消了直流励磁机，不存在换向问题不存在换向问题，而，而 交流励磁机的容量可以做得很大，所以这种励磁交流励磁机的容量可以做得很大，所以这种励磁 系统的系统的励磁励磁容量不受限制容量不受限制。 因为交流励磁机和交流副励磁机与发电机因为交流励磁机和交流副励磁机与发电机同轴同轴， 且且自成体系自成体系, ,不受电网干扰不受电网

44、干扰, ,所以所以可靠性高可靠性高。 由于由于可控硅的可控硅的控制角变化很快控制角变化很快，发电机，发电机励磁电励磁电 流流可以可以很快很快变化，因此这种励磁系统刚问世时被变化，因此这种励磁系统刚问世时被 称为称为快速励磁系统快速励磁系统。 交流励磁机的交流励磁机的时间常数较大时间常数较大，而且由于，而且由于控制环控制环 节多节多, ,使得使得这种励磁系统的这种励磁系统的时间常数较大时间常数较大。 为了减少时间常数为了减少时间常数, ,励磁机转子励磁机转子采用采用叠片式结构叠片式结构, , 并提高了并提高了交流副励磁机交流副励磁机的的频率频率。 因为因为100Hz100Hz叠片式转子叠片式转子

45、与相同尺寸的与相同尺寸的50Hz50Hz实心实心转子转子 相比相比, ,励磁机励磁机时间常数可减少一半时间常数可减少一半, ,同时同时高频率高频率还还 会使整流器输出的会使整流器输出的直流纹波减小直流纹波减小, ,使整流电路中使整流电路中变变 压器体积减小压器体积减小, ,滤波器容量减小滤波器容量减小。因此。因此交流励磁机交流励磁机 为为100Hz100Hz的的交流发电机交流发电机, , 交流副励磁机交流副励磁机为为400Hz400Hz的的中频交流发电机中频交流发电机。 有转子有转子滑环和炭刷滑环和炭刷。滑环和炭刷是转动接触装置。滑环和炭刷是转动接触装置, , 需要一定的需要一定的维护工作量维

46、护工作量, ,且易发生火花且易发生火花, ,不利防火不利防火。 同时对于同时对于大容量发电机励磁电流很大大容量发电机励磁电流很大, ,难以通过滑环难以通过滑环 和炭刷将巨大的转子电流引入转子绕组和炭刷将巨大的转子电流引入转子绕组。 加长了机组主轴长度加长了机组主轴长度。机组主轴串上了。机组主轴串上了励磁机和励磁机和 副励磁机副励磁机。 这对这对火电火电厂会增加厂房的厂会增加厂房的宽度宽度( (机组横向布置时机组横向布置时) )或或 长度长度( (机组纵向布置时机组纵向布置时) )； 对于对于水电水电厂会增加厂房厂会增加厂房高度高度。 会使主厂房土建会使主厂房土建造价增加造价增加。 2. 2.他

47、励交流励磁机旋转整流励磁系统他励交流励磁机旋转整流励磁系统( (无刷励磁无刷励磁) ) 静止整流器交流励磁机系统静止整流器交流励磁机系统对发电机对发电机提供励磁电流的路径提供励磁电流的路径中中 有有滑环与炭刷滑环与炭刷，转子滑环通过的，转子滑环通过的极限电流为约为极限电流为约为8000 10000A，超过这一极限，超过这一极限应取消滑环应取消滑环，产生了，产生了无刷励磁系统无刷励磁系统。 交流副励磁机为交流副励磁机为永磁发电机永磁发电机； 没有炭刷没有炭刷； 交流励磁机的交流励磁机的励磁绕组励磁绕组和和电枢绕组电枢绕组的位置与一般发电机的位置与一般发电机相反相反: : 励磁励磁 绕组放在定子上

48、静止不动绕组放在定子上静止不动; ; 电枢绕组放在转子上和发电机同轴旋转电枢绕组放在转子上和发电机同轴旋转, , 而且永磁发电机的永磁极也在转子上。而且永磁发电机的永磁极也在转子上。这样这样, ,在发电机旋转时在发电机旋转时, , 交流励交流励 磁机的电枢绕组磁机的电枢绕组、硅整流器硅整流器和和发电机转子发电机转子一起同轴旋转一起同轴旋转。 由于由于整流器整流器和和发电机转子发电机转子是是相对静止相对静止的的,所以所以不需要由滑环和炭刷不需要由滑环和炭刷将将 整流器的输出和转子绕组连接整流器的输出和转子绕组连接起来起来,可可直接连接直接连接,简化了运行维护，可靠简化了运行维护，可靠 性提高，无

49、碳粉污染，电机寿命长，性提高，无碳粉污染，电机寿命长，适用于大机组适用于大机组。 由于由于相对静止相对静止，因此这种系统又称为，因此这种系统又称为无刷励磁无刷励磁。 对该系统的基本评价：对该系统的基本评价： 解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困 难难，为制造巨型机组提供了技术保证。，为制造巨型机组提供了技术保证。 取消了滑环和炭刷，维护量小，不易引起火灾取消了滑环和炭刷，维护量小，不易引起火灾。 整流器的元器件是随转子一起转动整流器的元器件是随转子一起转动的，由此引的，由此引 起了一系列起了一系列技术问题：技术问题： a.a.无法实现转子回路直接

50、灭磁无法实现转子回路直接灭磁（励磁开关跳闸后发（励磁开关跳闸后发 电机自然灭磁相对时间较长，一般用逆变灭磁）；电机自然灭磁相对时间较长，一般用逆变灭磁）； b.b.无法无法对励磁回路对励磁回路直接测量直接测量( (如转子电流、电压如转子电流、电压, ,转转 子绝缘等子绝缘等),),必须采用必须采用特殊的方法特殊的方法测量测量, ,用新的、复杂用新的、复杂 的仪表；的仪表； c.c.无法无法对对整流元件整流元件的工作情况进行的工作情况进行直接监测直接监测； d.d.要求要求整流器整流器和和快速熔断器快速熔断器等有良好的等有良好的力学性能力学性能, ,能能 适应高速旋转的适应高速旋转的离心力离心力

51、。 目前技术已目前技术已成熟成熟, ,在在大型机组大型机组使用使用, ,国外国外较多较多, ,我国我国也也 用用, ,将作为今后的主要励磁方式。将作为今后的主要励磁方式。 ( (二二) )自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 它与他励静止半导体励磁系统它与他励静止半导体励磁系统区别区别在于在于这种励磁这种励磁 系统系统取消了副励磁机取消了副励磁机,自动励磁调节器通过控制可自动励磁调节器通过控制可 控硅整流器中可控硅元件控硅整流器中可控硅元件的的控制角控制角直接直接控制控制发电发电 机的机的励磁电流励磁电流。 与与他励静止半导体励磁系统他励静止半导体励磁系统相

52、比相比有有以下特点以下特点： 由于由于取消了副励磁机取消了副励磁机, ,交流励磁机采用自励方式，交流励磁机采用自励方式， 起励电压较高起励电压较高, ,机组起动时机组起动时, ,利用利用专门的专门的起励电源。起励电源。 正常工作时由正常工作时由可控硅整流器直接控制发电机励磁电可控硅整流器直接控制发电机励磁电 流流, ,所以所以时间常数小时间常数小, ,快速性好快速性好; ; 而而发电机的励磁发电机的励磁由由自动励磁调节器自动励磁调节器实现实现自动调节自动调节. . 缩短缩短了机组了机组主轴长度主轴长度，可以，可以减少减少电厂的电厂的土建投资土建投资； 可控硅整流器可控硅整流器控制的电流大控制的

53、电流大, ,需要的可控整流设备需要的可控整流设备 容量大容量大。 所谓所谓静止励磁系统静止励磁系统是指这种励磁系统中没有是指这种励磁系统中没有 转动部分转动部分, ,所有设备与地面都是相对静止的。所有设备与地面都是相对静止的。 机组起动过程中为建立磁场，应设置起励电机组起动过程中为建立磁场，应设置起励电 源，机组正常后手动或自动退出。源，机组正常后手动或自动退出。 分为分为自并励自并励和和自复励自复励两种形式。两种形式。 四、静止励磁系统四、静止励磁系统 （一）自并励励磁系统（一）自并励励磁系统（最具代表性的最具代表性的） 发电机的发电机的励磁功率电源励磁功率电源取自取自发电机端发电机端，经，

54、经励磁变压器励磁变压器TRTR降压降压、可控硅整流可控硅整流 器器VSVS整流后给发电机励磁。整流后给发电机励磁。 发电机的发电机的励磁电流励磁电流通过通过自动励磁调节器自动励磁调节器控制可控硅的控制可控硅的控制角控制角进行控制。进行控制。 由于由于励磁变压器励磁变压器是是并联并联在发电机端的在发电机端的, ,且发电机且发电机向自己提供向自己提供励磁功率励磁功率, ,所以所以 这种系统叫做这种系统叫做自并励励磁系统自并励励磁系统. . 有如下优点：有如下优点： 取消转动部分取消转动部分,可靠性可靠性高高,造价造价低低,维护工作量维护工作量小小。 无同轴励磁机无同轴励磁机,可缩短主轴可缩短主轴长

55、度长度(300MW机组缩短了机组缩短了3m), 减少基建减少基建投资投资。改善了发电机。改善了发电机轴系稳定性轴系稳定性。 直接用可控硅控制转子电压直接用可控硅控制转子电压,可获得可获得很快的励磁电压响应很快的励磁电压响应 速度速度,近似认为象近似认为象阶跃函数阶跃函数那样的那样的响应速度响应速度。 甩负荷时机组过电压低。甩负荷时机组过电压低。由发电机端取得励磁能量。机端由发电机端取得励磁能量。机端 电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励 磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机励磁系统磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴

56、励磁机励磁系统 输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷 时静止励磁系统机组的过电压就低。时静止励磁系统机组的过电压就低。 人们曾有过人们曾有过两点疑虑两点疑虑： 在在发电机端三相短路发电机端三相短路而而切除时间又较长切除时间又较长的情况下，的情况下， 由于励磁变压器原边的电压为零，由于励磁变压器原边的电压为零，励磁系统能否及励磁系统能否及 时时提供足够的强励电压；提供足够的强励电压； 由于短路电流迅速衰减由于短路电流迅速衰减, ,带时限的继电保护会因带时限的继电保护会因短短 路电流水平下降而能否正确动作。路电流水平下降而能否正确

57、动作。 动态模拟实验动态模拟实验: :在发电机端三相短路时在发电机端三相短路时, ,自励方式与自励方式与 他励方式的他励方式的发电机短路电流发电机短路电流上升速度和最大值上升速度和最大值基本基本 一致一致, , 短路后短路后0.5s0.5s自并励系统发电机短路电流衰减自并励系统发电机短路电流衰减 并不比他励快多少并不比他励快多少, ,只是只是在在0.5s0.5s后两者差别才明显起后两者差别才明显起 来来。 这是因为这是因为大、中容量大、中容量的发电机的发电机转子时间常数较大转子时间常数较大， 转子电流要在转子电流要在短路短路0.5s以后以后才显著衰减。才显著衰减。 而且而且动模实验动模实验和和

58、理论计算理论计算的的结果基本相符结果基本相符。 这说明这说明,自并励系统自并励系统并没有人们所想像的那么严重并没有人们所想像的那么严重 的缺点。的缺点。 考虑到考虑到高压电网中重要设备高压电网中重要设备的的主保护动作时间都在主保护动作时间都在 0.1 s之内之内,且都设有且都设有双重保护双重保护,因此没因此没必要担心继必要担心继 电保护电保护问题。问题。 适合在适合在大、中、小容量大、中、小容量的发电机上应用。的发电机上应用。 对于对于中、小型中、小型机组机组,由于转子短路电流衰减由于转子短路电流衰减 较快较快,继电保护配合较复杂继电保护配合较复杂,要采用一定的要采用一定的技技 术措施术措施以

59、以保证保护正确工作保证保护正确工作。 因其优点被因其优点被推荐用于大型机组，特别是水推荐用于大型机组，特别是水 轮机轮机。 国外把这种方式列为国外把这种方式列为大型机组大型机组定型方式，定型方式，我我 国已在一些国产机组及引进的一些大机组上国已在一些国产机组及引进的一些大机组上 采用。采用。 由于由于水轮水轮发电机的转子发电机的转子时间常数时间常数和机组的和机组的转动惯转动惯 量量比较大比较大，比较适用于水轮发电机比较适用于水轮发电机，尤其适用于，尤其适用于发发 电机一变压器单元接线的发电机电机一变压器单元接线的发电机。 对于这种励磁系统，对于这种励磁系统，为了防止机端三相短路为了防止机端三相

60、短路，有，有 的电厂将发电机的的电厂将发电机的三相引出线分别封闭在三个彼此三相引出线分别封闭在三个彼此 分开的管道中分开的管道中。 这种励磁方式已这种励磁方式已普遍用于普遍用于大容量的水轮发电机励大容量的水轮发电机励 磁磁。 第三节第三节 励磁系统中的励磁系统中的流整电路流整电路 （本部分已在电力电子技术学过，不再重复）（本部分已在电力电子技术学过，不再重复） 同步发电机励磁系统中整流电路的同步发电机励磁系统中整流电路的作用是作用是将交流将交流 电压整流成直流电压向电压整流成直流电压向发电机励磁绕组发电机励磁绕组或或励磁机励磁机 励磁绕组励磁绕组供给可控制的供给可控制的励磁电流励磁电流。 励磁