第6讲同步发电机励磁系统

1、 整个励磁自动控制系统是由整个励磁自动控制系统是由励磁调节器励磁调节器、励磁功率单励磁功率单元元和和发电机发电机构成了构成了反馈控制系统反馈控制系统。励磁励磁功率单元功率单元G励磁调节器励磁调节器输入信息输入信息发电机发电机电力系统电力系统向同步发电机向同步发电机转转子子提供提供直流电流直流电流 根据根据输入信号输入信号和和给定的调节给定的调节准则准则控制励磁功率单元的输出控制励磁功率单元的输出图3-1 励磁自动控制系统构成框图page2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流可控的直流电源电源。必须具备。必

2、须具备足够的调节容量足够的调节容量，并且要有一定的，并且要有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。 在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的可靠性可靠性。为了防止系统电网为了防止系统电网故障故障对它的影响，励磁功率单元对它的影响，励磁功率单元往往作为发电机的往往作为发电机的专用电源专用电源。 起励方式起励方式也应力求也应力求简单方便简单方便。 page3第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统静止励磁系统静止励磁系统在电力系统发展初期，在电力系统发展初期，机

3、组容量小机组容量小机组容量增大，机械整流困难，机组容量增大，机械整流困难，大功率半导体技术成熟大功率半导体技术成熟与发电机同轴旋转与发电机同轴旋转page4一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统l 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是是早期早期使用的系统使用的系统l 功率单元功率单元为为直流励磁机直流励磁机l 自动励磁调节器自动励磁调节器一般为一般为电磁式电磁式励磁调节器励磁调节器,20,20世纪世纪6060年代年代出出现了与直流励磁机配用的现了与直流励磁机配用的可控硅开关式励磁调节器可控硅开关式励磁调节器, ,8080年代年代又出现了与直流励磁机配用的又出现了与直流励磁机配用的大功

4、率晶体管开关式励磁调节大功率晶体管开关式励磁调节器器l 靠靠机械整流子机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，难，所以这种方式只能在所以这种方式只能在100MW以下以下中小容量机组中采用中小容量机组中采用l 直流励磁机大多直流励磁机大多与发电机同轴与发电机同轴，靠，靠剩磁剩磁来建立电压的来建立电压的l 按按励磁机励磁绕组励磁机励磁绕组供电方式供电方式的不同，又可分为的不同，又可分为自励式自励式和和他励他励式式两种两种 page5一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统自励型自励型l 励磁机励磁机DE和发电机和发电机G同轴同轴,靠靠剩磁

5、启励剩磁启励建立电压建立电压.l 励磁机发出的电流，一部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过磁场变励磁机发出的电流，一部分送给发电机的励磁绕组；一部分经过磁场变阻阻RC，送给励磁机的励磁绕组。，送给励磁机的励磁绕组。l 图中图中励磁调节器励磁调节器是是电磁式电磁式的，它输出的功率来自发电机的，它输出的功率来自发电机电压互感器电压互感器和和电电流互感器流互感器。l 由于励磁机向它自己提供励磁电流由于励磁机向它自己提供励磁电流,所以称为所以称为自励自励。 page6一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统自励型自励型 IEE=IRC+IAVRlIEE发电机机的励磁电流发电机机的励磁电流；lIA

6、VR自动励磁调节器输出的电流；自动励磁调节器输出的电流；lIRC励磁机提供的励磁电流励磁机提供的励磁电流。 l 由于电流互感器和电压互感器的容量有限，也由于当时的整流技术输由于电流互感器和电压互感器的容量有限，也由于当时的整流技术输出较大的电流有困难，所以出较大的电流有困难，所以IAVR很小，只占很小，只占IEE的一小部分，励磁机的的一小部分，励磁机的励磁电流励磁电流大部分大部分是是由励磁机经过磁场变阻器提供的由励磁机经过磁场变阻器提供的。 page7一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统他励型他励型它与自励的它与自励的不同之处在不同之处在于：于：l 多了一台副励磁机多了一台副励磁机，

7、励磁机的励磁电流不再由它自己供给，励磁机的励磁电流不再由它自己供给,而是由另一而是由另一台与励磁机台与励磁机同轴同轴的的副励磁机副励磁机PE供给供给，所以称为，所以称为他励l 他励直流励磁机的励磁电流： IEE=IPE+KZIAVRpage8一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统他励型他励型l 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压的增加促使励磁机电压UDE增加增加,而而IRC的增加又依的增加又依靠靠UDE的增加的增加,IRC和和UDE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常数增大时间常数增大了了l 而而他励他励直流励磁机则不然直流励磁机则不

8、然,它没有它没有IRC和和UDE的相互依赖的关系的相互依赖的关系,励磁时间励磁时间常数常数只决定只决定于励磁机励磁绕组的结构和参数于励磁机励磁绕组的结构和参数。l 所以他励直流励磁机的所以他励直流励磁机的时间常数时间常数比自励直流励磁机的比自励直流励磁机的时间常数小时间常数小。page9一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统他励型他励型l 由于由于水轮发电机水轮发电机的的机械转动惯量大机械转动惯量大、励磁绕组的时间常数大励磁绕组的时间常数大, ,会使得励磁会使得励磁自动控制系统的自动控制系统的动态指标变差动态指标变差。这种情况下。这种情况下, ,减小励磁机减小励磁机的的时间常数时间常数

9、对保对保证励磁自动控制系统的证励磁自动控制系统的稳定性稳定性和和动态指标动态指标具有重要作用。具有重要作用。l 因此因此, ,他励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机励磁系统多用于多用于水轮发电机水轮发电机, ,尽管比自励多一台副尽管比自励多一台副励磁机。励磁机。page10一、一、 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统他励型他励型对直流励磁机励磁系统的基本评价对直流励磁机励磁系统的基本评价l 1.1.结构简单结构简单、运行可靠运行可靠l 2.2.直流励磁机有直流励磁机有电刷电刷、整流子整流子等转动接触部件，等转动接触部件，运行维护运行维护繁杂繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的，从可靠性来说，

10、它又是励磁系统中的薄弱环节薄弱环节。机。机组组容量越大容量越大,励磁电流也越大励磁电流也越大,当当发电机容量大于发电机容量大于100MW时时,直励机供给励磁直励机供给励磁,换向问题难以解决换向问题难以解决l 4.4.与同容量的与同容量的交流励磁机交流励磁机或或变压器变压器相比相比,体积大体积大,造价高造价高l 5.5.常采用电磁型调节器，反应速度慢常采用电磁型调节器，反应速度慢 因此，直流励磁机励磁系统只用于因此，直流励磁机励磁系统只用于100MW及以下的发及以下的发电机电机page11二、二、 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统l 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

11、整流元件的出现，产生了，产生了交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统l 目前，容量在目前，容量在100MW以上以上的同步发电机组都普遍采用的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系交流励磁机励磁系统统l 同步发电机的同步发电机的励磁机励磁机也是一台也是一台交流同步发电机交流同步发电机l 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磁机交流励磁机和和硅整流器组成硅整流器组成,l 根据根据励磁机电源整流方式励磁机电源整流方式及及整流器状态整流器状态的不同的不同分为分为自励自励和和他励他励两种方式两种方式1 1）他励他励交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统v交流励磁机交流励磁机静止整流

12、器静止整流器励磁系统励磁系统v交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统( (无刷励无刷励磁磁) ) 自励交流励磁机自励交流励磁机静止静止可控整流器可控整流器励磁系统励磁系统 自励交流励磁机自励交流励磁机静止静止整流器整流器励磁系统励磁系统 2）自励自励交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统page12（一）（一）他励他励型型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l 励磁系统励磁系统由与由与主机同轴主机同轴的的交流励磁机交流励磁机、中频交流副励磁机中频交流副励磁机和和调节器调节器等等组成组成l 因因交流励磁机交流励磁机的励磁电流不是由它自己供给的，所以称这种励磁机

13、的励磁电流不是由它自己供给的，所以称这种励磁机为为他励交流励磁机他励交流励磁机l 交流副励磁机交流副励磁机配有一个配有一个自励自励恒压调节器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l 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依靠剩磁启励磁启励。所以。所以, ,在机组启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输出的电压足以使出的电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page13l 交流副励磁机交流副

14、励磁机输出的输出的交流电交流电经过经过可控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l 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l 励磁调节器通过控制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变改变交交流励磁机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（一）（一）他励他励型型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page14对该系统的评价：对该系统的评价：l 由于取消了直流

15、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，而交流励磁机的容量可以，而交流励磁机的容量可以做得很大，所以这种励磁系统的做得很大，所以这种励磁系统的励磁励磁容量不受限制容量不受限制l 交流励磁机的交流励磁机的时间常数较大时间常数较大，为了提高励磁系统的响应速度，励磁机，为了提高励磁系统的响应速度，励磁机转子转子采用采用叠片结构叠片结构, ,以减小其以减小其时间常数时间常数和因整流器换相引起的和因整流器换相引起的涡流损耗，涡流损耗，频率采用频率采用100Hz100Hz或或150Hz 150Hz 。l 同轴同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的

16、长度主轴的长度，使厂房长度，使厂房长度增加，增加，造价较高造价较高l 有滑动接触部件有滑动接触部件滑环滑环，转子电流转子电流受限制，且需要一定的维护工作量受限制，且需要一定的维护工作量l 一旦一旦副励磁机或自励恒压调节器副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组发生故障，均可导致发电机组失磁失磁, ,如如果采用果采用永磁发电机永磁发电机作为副励磁机不但可以作为副励磁机不但可以简化调节设备简化调节设备，而且励磁系统，而且励磁系统的的可靠性可靠性也可大为提高也可大为提高l 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，发电机励磁电流励磁电流可以可以很快很快变化，因此这变化，

17、因此这种励磁系统刚问世时被称为种励磁系统刚问世时被称为快速励磁系统快速励磁系统（一）（一）他励他励型型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page15l静止整流器静止整流器交流励磁系统对发电机提供励磁电流的路径中有交流励磁系统对发电机提供励磁电流的路径中有滑环与炭刷滑环与炭刷l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8000800010000A10000A, ,超过这一极限超过这一极限应取消滑环应取消滑环. .l为了提高发电机组容量，必须设法取消滑环，使整个系统都无滑动接触元为了提高发电机组容量，必须设法取消滑环，使整个系统都无滑动接触元件，产生了件，产生了

18、无刷励磁系统无刷励磁系统（一）（一）他励他励型型交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统（无刷励磁）（无刷励磁）page16（一）（一）他励他励型型交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统（无刷励磁）（无刷励磁）l 与与他励交流励磁机静止整流励磁系统他励交流励磁机静止整流励磁系统区别区别在于：在于：l 交流副励磁机为交流副励磁机为永磁发电机永磁发电机l 没有炭刷没有炭刷l 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: : 励磁励磁绕组绕组放在放在定子定子上静止不动上静止不动; ; 电枢绕组电枢绕组放在

19、放在转子转子上和发电机同轴旋转上和发电机同轴旋转, , 而且永磁发电机的而且永磁发电机的永磁极永磁极也在也在转子转子上。在发电机旋转时上。在发电机旋转时, , 交流励磁机交流励磁机的电枢绕组的电枢绕组、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。page17（一）（一）他励他励型型交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统（无刷励磁）（无刷励磁）l 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整将整流器的输出和转子绕组连接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

20、维护简化了运行维护，可靠性可靠性提高，提高，无碳粉污染，无碳粉污染，电机寿命长，电机寿命长，适用于大机组适用于大机组。l 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。page18对该系统的基本评价：对该系统的基本评价：l （1 1）解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难解决了巨型机组励磁电流引入转子绕组的技术困难，为制造巨型机，为制造巨型机组提供了技术保证组提供了技术保证l （2 2）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l （3 3）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。发电机励磁由励磁机独立供电，供电

21、可靠性高。并且由于无刷，整并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。个励磁系统可靠性更高。l （4）因为没有因为没有接触部件接触部件的的磨损磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的机绕组的污染污染，故电机的，故电机的绝缘寿命较长绝缘寿命较长。l （5）发电机励磁控制是通过）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系的励磁实现的，因而励磁系统的统的响应速度较慢响应速度较慢。 (为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构叠片结构外，还采用外，还采用减小绕组电感减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措

22、施。另外，在取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施发电机励磁控制策略上还采取相应措施增加励磁机励磁绕组顶值电增加励磁机励磁绕组顶值电压压，引入，引入转子电压深度负反馈转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。以减小励磁机的等值时间常数。)（一）（一）他励他励型型交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统（无刷励磁）（无刷励磁）page19l （6 6） 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，由此引起了一系列的，由此引起了一系列技术问题技术问题l a.a.无法实现转子回路直接灭磁无法实现转子回路直接灭磁（励磁开关跳闸后发电机

23、自然灭磁相对时间（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）较长，一般用逆变灭磁）l 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, ,转子绝缘等转子绝缘等),),必须采用必须采用特特殊的方法殊的方法测量测量, ,用新的、复杂的仪表；用新的、复杂的仪表；l 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；l 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, ,能适应高速旋转的能适应高速旋转的离心离心力力l 目前技术已目前技术已成熟成熟, ,在在大型机组大型机

24、组使用使用, ,国外国外较多较多, ,我国我国也用也用, ,将作为今后的主要将作为今后的主要励磁方式。励磁方式。（一）（一）他励他励型型交流励磁机交流励磁机旋转整流器旋转整流器励磁系统励磁系统（无刷励磁）（无刷励磁）page20l发电机发电机G G的励磁电流由交流励磁机的励磁电流由交流励磁机AEAE经经晶闸管整流装置晶闸管整流装置VSVS供给。供给。l它与他励静止整流器励磁系统它与他励静止整流器励磁系统区别区别在于在于这种励磁系统这种励磁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控硅整流器中晶闸管自动励磁调节器通过控制可控硅整流器中晶闸管的的控制角控制角直接直接控制控制发发电机

25、的电机的励磁电流励磁电流。（二）（二）自励自励型型交流励磁机交流励磁机静止可控整流器静止可控整流器励磁系统励磁系统l与自励直流励磁机与自励直流励磁机一样一样，自励交流励磁机的，自励交流励磁机的励磁电源励磁电源也是从也是从本机本机获得获得l不同：不同：自励直流励磁机为了调整电压需要一个自励直流励磁机为了调整电压需要一个磁场电阻磁场电阻，自励交流励，自励交流励磁机为了维持其端电压恒定，则改用了磁机为了维持其端电压恒定，则改用了可控整流元件可控整流元件page21与与他励静止整流器励磁系统他励静止整流器励磁系统相比相比有有以下特点以下特点： l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

26、较高；起励电压较高；缩短缩短了机组了机组主轴长度主轴长度；l正常工作时由电子正常工作时由电子励磁调节器励磁调节器直接控制直接控制晶闸管整流器晶闸管整流器，对，对发电机励磁电流发电机励磁电流进行控制进行控制, ,所以所以时间常数小时间常数小, ,快速性好快速性好; ;l可控硅整流器可控硅整流器控制的电流大控制的电流大, ,需要的可控整流设备需要的可控整流设备容量大容量大。l晶闸管励磁的励磁机晶闸管励磁的励磁机容量容量要比要比硅整流励磁硅整流励磁的的大得多大得多。（二）（二）自励自励型型交流励磁机交流励磁机静止可控整流器静止可控整流器励磁系统励磁系统page22l发电机发电机G G的励磁电流由的励磁电流由交流励磁机交流励磁机AEAE经经硅整流装置硅整流装置V V供给供给l电子型励磁调节器电子型励磁调节器控制