第3章水轮发电机励磁系统

1、3.1 水轮发电机励磁控制系统的任务和基本要求同步发电机的运行特性与其空载电动势Eq的大小有关，而Eq为励磁电流IE的函数，改变励磁电流就可以直接影响同步发电机在电力系统中的运行性能。因此，励磁控制是对同步发电机运行进行实时控制的主要内容之一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响发电机的机端电压和并联运行机组间无功功率的分配。当电力系统故障时，要求迅速改变励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见同步发电机励磁控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统稳定运行等方面都具有十分重要的作用。同步发电机的励磁系统由测量单元、励磁调节器和励磁功率单元组成，如图3.1。励磁功率

2、单元向同步发电机励磁绕组提供直流励磁电流，励磁调节器根据输入信号和给定的调节控制规律控制励磁功率单元的输出，从而达到调节励磁电流的目的。整个励磁控制系统是由测量单元、励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。图3.1励磁控制系统框图3.1.1 同步发电机励磁控制系统的任务在发电机正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格电能，而且还能改善电力系统的稳定条件。1. 调节电压 电力系统正常运行时，负荷是随机波动的。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持机端或系统中某点电压在给定水平，所以励磁系统担负着维

3、持电压水平的任务。为便于分析，下面用最简单的单机运行系统来进行分析，如图3.2所示。图3.2（a）是同步发电机运行原理图，图中GEW是励磁绕组，为机端电压，为发电机定子电流，为励磁电流，为励磁电压。正常情况下，励磁电流流过GEW并建立磁场，从而使发电机定子产生空载感应电动势，改变的大小，的值就相应改变。与的关系可用等值电路图3.2（b）表示，其关系式为 （3.1）式中，发电机直轴电抗。图3.2（c）是式（3.1）的相量图。图3.2（c）说明，发电机的感应电动势与端电压有如下关系。（3.2）式中 与间的相角，即发电机的功率角；IQ发电机的无功电流。在正常运行状态下，一般是相当小的，即，于是，得到

4、一个简化的关系式 （3.3）式（3.3）说明；负荷的无功电流是造成Eq和UG差值的主要原因。在励磁电流不变（即Eq大小不变）时，发电机的无功负荷愈大，其端电压的降落就愈大。由式（3.2）可以看出同步发电机的外特性是下降的，如图3.3。当励磁电流IE为定值时，发电机的端电压UG会随着无功电流的增大而下降，但是，电能质量要求发电机的端电压应基本不变，这个矛盾只能用调节励磁电流的方法来解决。图3.3说明，当发电机的无功电流IQ1时，发电机的端电压为额定值UGN，励磁电流为IE1；当无功电流增大到IQ2时，如果励磁电流不变，则端电压降至UG2，可能满足不了运行的要求，必须将励磁电流增大到IE2才能维持

5、端电压为额定值UGN。同理，无功电流减小时，机端电压会上升，必须减小励磁电流。综上所述，对于单机运行的发电机，引起机端电压变化的主要原因是无功负荷的变化，要保持机端电压不变，必须相应的调节发电机的励磁电流。2. 控制无功功率的合理分配当发电机与无限大容量母线并联运行时，可以认为发电机的端电压是恒定的，不随负荷大小变化，系统等值电抗为零，图3.4是上述情况的原理接线图和相量图。发电机的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关，故发电机的有功功率为常数，即（3.4）式中功率因数角。当不考虑定子电阻和凸极效应时，发电机的有功功率又可表示为（3.5）式中发电机的功率角。式（3.4）和式（3.5）说

6、明当励磁电流变化时，由图3.4（b）中的相量关系可以看到，当励磁电流变化时，终端变化轨迹为平行于的AA虚线，相应定子电流的变化轨迹为BB虚线。励磁电流增大，电势增大为，相应定子电流 增大为，无功电流增大为。反之亦然。可见，发电机并于无穷大容量电网时，调节它的励磁电流，只是改变了其输出的无功功率和功率角。励磁电流过小，发电机将从系统中吸收无功功率。在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大容量母线，即系统的等值电抗并不等于零，母线的电压将随负荷波动而变化。发电机输出的无功电流与它的母线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响其本身的电压和无功功率，而且也影响与其并联运行机组的无功

7、功率。所以，励磁控制系统还担负着合理分配并联运行机组间无功功率的任务。3. 提高电力系统运行稳定性同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件，电力系统在运行中随时都可能受到各种干扰，在这些扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态，或者过渡到另一个新的稳定运行状态，则系统是稳定的。其主要标志是暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。通常把电力系统稳定性问题分为三类：静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性。静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，遭受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。它与自动控制理论中稳定性的概念一致，可用微分方程建立该动态系统的数学模型。暂态稳定是指电力系统在某一正常

8、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、或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步）。这里所谓大的扰动是指电力系统发生某种事故，如高压电网发生短路或发电机被切除。动态稳定是指电力系统遭受小的或大的扰动后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步）。在分析电力系统稳定性问题时，在数学模型中总包含有发电机空载电动势Eq，而Eq与励磁电流有关。所以，励磁控制系统是通过改变励磁电流从而改变来改善系统稳定性的。下面我们分别讨论励磁控制系统对静态稳定和暂态稳定的影响。（1）对静态稳定的影响图3.5（a）所示为一简单

9、的电力系统原理接线图，同步发电机经升压变压器、输电线路和降压变压器与受端系统连接。设受端系统母线电压U电压恒定不变。系统的等值网络和相量图如图3.5（b）、（c）所示。发电机向系统输送的有功率P表示为（3-6）式中Eq发电机的空载电动势；U受端系统母线电压；发电机的空载电动势与受端系统母线电压间的相角，即功率角；X系统总电抗，一般为发电机、变压器和输电线路电抗之和，。对应于某一固定空载电动势Eq时，P是的函数，关系曲线如图3.6所示，称为同步发电机的功角特性或同步发电机的功率特性。众所周知，当<90°时（如图3.6中的a点），发电机是静态稳定的。当>90°时（如

10、图3.6中的b点），发电机不能稳定运行。=90°为稳定的极限情况，最大可能传输的功率极限为Pm，即（3.7）实际运行时，为了可靠起见留有一定的裕度，运行点往往比功率极限低一些。如果励磁系统具有按电压偏差调节的励磁调节器，并设发电机开始运行于在功率曲线的a点，如图3.7所示。当系统负荷增加时，为保持机端电压不变，励磁调节器必将增加励磁电流，使Eq增加，运行点将过渡到波幅较高的另一功率特性曲线上，依此类推。这样，具有励磁调节器时，由波幅连续增高的一簇功率特性曲线上的各运行点构成了一条新的功率特性曲线，如图3.7所示的曲线A。显然，励磁调节器时发电机功率角能在大于90°范围的人工

11、稳定区运行，即可以提高传输的功率极限或系统的稳定储备。（2）对暂态稳定的影响随着继电保护与断路器动作速度的提高，一般的励磁控制系统对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著，但在一定条件下，仍然可以看出它的明显作用。励磁系统对于提高暂态稳定而言，主要表现在快速励磁和强励的作用上。现以单机到无穷大系统为例，设在正常运行情况下，发电机输出功率为P0，在功率特性的a 点运行，如图3.8所示。当突然受到某种扰动后，运行点由曲线上的a点突然变到曲线上的b点。由于原动力部分存在惯性，输入功率为仍P0，而所需功率减小，于是发电机轴上将出现过剩转矩使转子加速，运行点由b沿曲线向F点移动。过了F点后，发电机输出功率

12、大于P0，发电机轴上将出现制动转矩，使转子减速。发电机能否稳定运行取决于曲线与P0直线间所形成的上下两块面积（如图3.8中阴影部分）是否相等，即所谓的等面积法则。在上述过程中，发电机如能强行增加励磁，使受到扰动后的发电机组运行点移动到功率特性上运行，这样不仅减小了加速面积，也增大了减速面积，从而使发电机第一摆时功角幅值减小，改善了发动机的暂态稳定性。4. 改善电力系统运行条件当电力系统由于种种原因，出现短时低压时，励磁控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地提高励磁电流以提高系统电压。这在下述情况下可以改善系统的运行条件。（1）改善异步电动机的自启动条件电网发生短路等故障时，电压下降，使大多数用

13、户的电动机处于制动状态。电力系统故障切除后，由于用户电动机自启动吸收大量的无功功率，系统出现无功缺额，以致延缓了电网电压的回复过程。发电机的强行励磁可以加速电网电压的回复过程，从而有效地改善了电动机的运行和自启动条件。（2）为发电机的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的无功功率，导致系统电压大幅下降严重时危及系统安全运行。在这种情况下，如果系统中的其它发电机组能提供足够的无功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定的时间内以异步运行方式维持运行，这不但可以确保系统安全运行而且有利于热力设备的运行。（3）调高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时，发电机的

14、励磁电流较小，若此时系统发生短路故障，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动作。励磁控制系统可通过增加励磁以增大短路电流，使继电保护正确动作。5. 根据水轮发电机组要求实行强行减磁当水轮发电机发生故障突然跳闸时，由于水轮机调节系统具有较大的惯性，导叶不能迅速关闭，使发电机转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低励磁电流，则发电机电压有可能升高到威胁定子绝缘的程度。所以，在这种情况下，要求励磁控制系统能实现强行减磁。3.1.2 对励磁调节系统的基本要求1. 对励磁调节器的要求励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，控制信号经放大后控制励磁功率单

15、元的输出，以得到所需要的励磁电流。对其的要求是：（1）自动电压调节器应保证能在发电机空载额定电压的70%110%范围内进行稳定、平滑地调节。通常励磁系统应保证同步发电机端电压静差率不大于±1%。励磁系统应保证在发电机空载运行情况下，频率值每变化1%时，发电机电压的变化值不大于额定值的±0.25%。励磁系统的手动控制单元，应保证同步发电机励磁电流能在空载励磁电流的20%到额定励磁电流110%范围内稳定地平滑调节。（2）励磁调节器应能合理分配机组间的无功功率，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率的整定范围不小于±15%。（3）励磁调节器应能迅速反映系统故障，具备强行

16、励磁、快速灭磁等功能，以提高系统的暂态稳定、改善系统的运行条件以及保障发电机的安全。（4）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器应无失灵区。（5）装置结构简单、可靠，反应速度快，运行维护方便。2. 对励磁功率单元的要求（1）励磁功率单元应有足够的调节容量，以适应各种运行工况的要求。当同步发电机的励磁电压和电流不超过其额定励磁电压和电流的1.1倍时，励磁系统应保证能连续运行。（2）励磁功率单元应具有足够励磁顶值电压。励磁系统顶值电压（UP）是指在规定条件下，励磁系统能够提供的最大直流电压。励磁系统顶值电压与额定励磁电压之比称为顶值电压倍数（强励倍数）。通常要求：；50M

17、W及以上水轮发电机一般不低于2；励磁系统允许强励时间应不小于10s。（3）励磁功率单元应具有足够的励磁响应速度励磁电压响应比是电机制造厂提供的说明发电机转子磁场建立过程的粗略参数。反映了转子磁场建立的速度。一般地说，0.7s，所以，定义励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率为励磁电压响应比。如图3.9所示。发电机的励磁绕组是一个电感性负载，在忽略转子电阻和定子回路对它影响的条件下，转子磁场方程可简化为（3.7）式中UE（t）励磁电压增量的时间响应；G转子磁通增量；K与转子参数有关的常数。在暂态过程中励磁功率单元对发电机运行产生实际影响的最主要的物理量是转子磁通增量G，它的值如式（3.7）所示,

18、正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量。所以在图3.9中，在起始电压处作一水平线ab，再作一斜线ac，使它在最初0.5s所覆盖的面积等于电压伏秒曲线ad在同一时间所覆盖的面积。图中UE0为强行励磁初始值，取等于额定工况下的励磁电压值UEN，于是励磁电压响应比可定义为 （3.8）式中 图3.9中bc段电压标幺值。另外，现在一般大容量机组往往采用快速励磁系统，用响应时间作为动态性能指标。励磁系统电压响应时间定义为：在规定条件下，励磁系统达到顶值电压与额定负载磁场电压之差的95%所需时间的秒数，该上升时间等于或小于0.1s的励磁系统称为高起始响应励磁系统。3.1.3 励磁控制系统动态指标 1.励磁控制系

19、统的超调量和调节时间发电机在空载额定工况下，突然改变电压给定值，使同步发电机端电压初始值由U01变为U02，初始阶跃量U02U01=10%初始值。发电机端电压的最大值与稳态值之差与阶跃量之比的百分数为超调量。从阶跃信号开始到发电机端电压与新的稳态值的差值对阶跃量之比不超过2%时，所需时间为调节时间。 如图3.10所示。空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10%时，发电机电压超调量应不大于阶跃量的50%。摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。 2. 励磁控制系统零起升压时的超调量和调节时间发电机在额定转速下，突然投入励磁系统，使同步发电机端电压从零变为额定值时，发电机端电压的

20、最大值与稳态值之差对稳态值之比的百分数为零起升压时的超调量，从给定信号到发电机端电压与稳态值之差值不超过稳态值的2%所需时间为调节时间。如图3.11所示。对静止励磁系统的调节时间（ts）的起点，从发电机端电压稳态值的30%计算起。 当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间应不大于10s，电压摆动次数不大于3次。在额定功率因数下，当发电机突然甩掉额定负载后，发电机电压超调量不大于15%额定值，振荡次数不超过3次，调节时间不大于10s。3.2 水轮发电机励磁系统的主要型式在电力系统发展初期，同步发电机的容量不大，励磁电流由与发电机同轴的直流发电

21、机供给，即所谓的直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应地增大，机械换流子在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，励磁机一般与主机同轴旋转。为了缩短主轴长度、降低造价、减少环节，又出现用发电机自身作为励磁电源的发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。下面对常用的励磁系统作简要的介绍。3.2.1 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磁方式，励磁电流由与发电机同轴的直流发电机供给。由于直流励磁机有电刷、整流

22、子等转动接触部件，运行维护工作量大，当励磁电流过大时换向困难，所以这种方式只能用在100MW以下的中、小容量发电机中。按照励磁机励磁绕组供电方式的不同，可分为自励式和他励式两种。1. 自励直流励磁机励磁系统图3.12为自励直流励磁机励磁系统原理接线图。同步发电机的励磁绕组由同轴的直流励磁机（直流发电机）DE供电，励磁机的励磁绕组除励磁机DE通过磁场电阻RC供给自励电流IRC外，还有励磁调节励磁器供给的励磁调节电流IAVR。前者可通过RC人工调整，后者根据发电机端电压按预定要求自动调整。2. 他励直流励磁机励磁系统图3.13为他励直流励磁机励磁系统，励磁机DE的励磁电流除可以自动调节的IAVR外

23、，还有与发电机、主励磁机DE 同轴旋转的副励磁机PE供给的他励电流，后者可通过手动调整磁场电阻RC来改变。他励直流励磁机励磁系统有较快的响应速度，一般用于水轮发电机上。3.2.2 交流励磁机励磁系统随着发电机容量的增大，所需励磁电流也相应增大，直流励磁机系统已无法满足励磁容量的要求，所以大容量发电机的励磁功率单元就采用了交流励磁机和半导体整流元件组成的交流励磁机系统。按照整流器的类型，可以分为以下两种。1交流励磁机带静止整流器励磁系统交流励磁机带静止整流器励磁系统可分为自励与他励两类。他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源中频副励磁机或永磁副励磁机。自励交流励磁机励磁系统的交流励磁电

24、源取自交流励磁机本身，采用可控整流器维持其端电压恒定。如图3.14所示的他励励磁系统是由发电机主轴同轴的交流励磁机、中频副励磁机和调节器等组成。在该系统中，发电机的励磁电流由频率为100Hz的交流励磁机经硅整流器供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由交流副励磁机提供。副励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调节器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高，不能像直流励磁机那样依靠剩磁起励，必须在机组启动时外加起励电源，直到副励磁机输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出。在此种励磁系统中，励磁调节器控制晶闸管的控制角，调节交流励磁机的励磁电流，达到控制发

25、电机励磁的目的。这种励磁系统采用独立励磁电源，可靠性高；励磁控制通过调节交流励磁机的励磁实现，时间常数大（转子用叠片结构、频率选100Hz可以减小时间常数）；发电机主轴长，使厂房高度（长度）增加，造价高；有转动部件，需一定的维护量。图3.15所示为自励交流励磁机励磁系统。发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给，励磁调节器直接控制晶闸管整流装置。交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式，机组启动时需要专门的起励电源。这种系统的时间常数较小，但由于交流励磁机的额定电压必须满足强励的要求，励磁机的容量相对较大。2. 交流励磁机带旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统）在上述静止硅整流

26、励磁系统中，同步发电机的励磁电流必须通过转子滑环与炭刷引入转子励磁绕组，滑环是一种滑动接触元件，随着发电机容量的增大，励磁电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。图3.16是无刷励磁系统的原理接线图。图中副励磁即使永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反，交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与炭刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。该系统中励磁调节要通过时滞较大的交流主励磁机AE，其励磁响应速度与图3.14所示系统相

27、当。无刷励磁系统无滑环与炭刷等滑动接触元件，励磁电流不再受接触部件技术条件的限制，特别适合于大容量发电机组。这种励磁系统的性能和特点为：（1） 无炭刷和滑环，维护工作量少，无炭粉等污染，电机绝缘寿命长；（2） 发电机励磁由励磁机独立供电，可靠性高；（3） 励磁控制通过调节交流励磁机的励磁实现，因而励磁系统的响应速度较慢；（4） 发电机主轴长，使厂房高度（长度）增加，造价高；（5） 发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，无法实现直接灭磁，也无法实现励磁系统的常规检测（励磁电压、电流、转子绝缘等），必须采用特殊的测试方法；（6） 要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机

28、械性能，能承受离心力。3.2.3 静止励磁系统（发电机自并励系统）静止励磁系统（发电机自并励系统）中发电机的励磁电源不用励磁机，而通过连接于发电机机端的励磁变压器经过整流电路取得励磁电流。这类励磁系统没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是由发电机本身提供，又称为发电机自并励系统。目前，静止励磁系统被广泛地应用于同步发电机组，特别是水轮发电机组。1. 静止励磁系统原理静止励磁系统原理接线如图3.17所示，发电机的励磁电源接于发电机机端的励磁变压器TR，TR的输出经可控整流器直接控制发电机励磁。2. 静止励磁系统的几个技术问题对静止励磁系统，人们曾提出两点疑虑：第一，静止励磁系统的顶值电压

29、受发电机端和系统侧故障的影响，在发电机近端发生三相短路而切除时间又较长的情况下，不能提供足够的励磁，以致影响电力系统的暂态稳定；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限继电保护是否能正确动作。（1）静止励磁系统的强励能力发电机近端发生短路时，由于端电压大幅下降，静止励磁系统能否满足强励要求，保证机组不会失磁，是静止励磁系统发展过程中曾出现的疑虑。由于现代同步发电机大都采用单元式接线，且采用封闭母线，机端三相短路的机会很少，而机端短路在差动保护范围内，这时不进行强励，对保护发电机有利。对同样很少发生的变压器高压侧三相短路，因这时机端仍有30%40%的额定电压，具备一定的强励能力，仅需要对发电机的后备

30、保护采取措施。（2）静止励磁系统给继电保护带来的问题对于大中容量的机组，由于其励磁绕组时间常数较大，励磁电流要在短路0.5s后才显著衰减，因此，在短路刚开始的0.5s内，自并励方式与他励方式的励磁电流是很接近的，只有在短路0.5s后，才有明显差异。高压电网中重要设备的主保护动作时间都在0.1s之内，且都设有双重保护，没有必要担心。对于接在地区网络的发电机，由于短路电流衰减快，其机电保护要采取一定的措施以保证其正确动作。（3）关于起励自并励机组启动时，发电机的端电压为残压，其值约为额定电压的1%2%，不能满足自励条件，必须供给初始励磁电流，即起励。起励电源一般取自直流蓄电池组（厂用直流电源），或

31、厂用交流电加整流器。3. 静止励磁系统的优点（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，设备维护简单，可靠性高。（2）取消了励磁机，可缩短主轴长度，减小基建投资。（3）有晶闸管直接控制励磁电压，可以获得较快的响应速度。（4）由发电机机端获取励磁能量，由于机端电压与转速的一次方成正比，故静止励磁系统的励磁电压与转速的一次方成正比，而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的二次方成比例，因此，甩负荷时静止励磁系统机组的过电压低。3.3 励磁系统中的整流电路同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务就是将交流电压变换为直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组。本节主要介绍励磁系统常用的三相桥式不可

32、控和全控整流电路的工作原理。有关整流电路方面更详细的内容，可参阅有关专著。3.3.1 三相桥式不可控整流电路如图3.18（a）所示，三相桥式不可控整流电路由三相变压器的二次侧（或交流励磁机电枢绕组）供电，整流二极管V1、V3、V5组成共阴极组，V2、V4、V6组成共阳极组，直流侧负载R可以是发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组等。由二极管的单向导电性可知，在任何时刻，共阴极组中只有阳极电位最高的那一只二极管导通，共阳极组中只有阴极电位最低的那一只二极管导通，其余四个二极管均因承受反向电压而截止。在t0t1期间，a相位为最高，b相电位最低，故二极管V1、V6导通，则形成的电流通路为：交流电源的a相V

33、1RV6回到电源b相，整流桥的输出电压为线电压eab。如果忽略二极管的导通压降，则共阴极点的电位为ea，这时由于V3、V5的阳极电位eb、ec小于ea，承受反向电压不能导通；共阴极点的电位为eb，V2、V4的阴极电位ec、ea大于eb，亦承受反向电压不能导通。在t1t2期间，a相位为最高，而c相电位最低，故二极管V1、V2导通，形成的电流通路为：交流电源的a相V1RV2回到电源b相，整流桥的输出电压为线电压eac。同理，在t2t3、t3t4、t4t5、t5t6期间，输出电压分别为ebc、eba、eca、ecb。以后重复上述过程。由此可见，三相桥式不可控整流电路，在任一瞬间总有两个元件导通，其中

34、一只为共阴极组中与相电位最高的一相电源连接的二极管，另一只为共阳极组中与相电位最低的一相电源连接的二极管。每1/6周期换流一次，每只元件在一个周期中连续导通1/3周期，换流点为三相相电压幅值相等的点（三相电压波形的交点），也称为自然换流点，如图3.18（b）中的a、b、c、d、e、f。一个周期有六个换流点。整流输出直流电压的波形如图3.18（b）中的ud，为线电压的正半周的包络线。从波形图中可以看出，整流输出直流电压ud在一个周期有六个均匀的脉波。整流输出直流电压的平均值为 （3.9）式中 El变压器二次侧线电压有效值；E2变压器二次侧相电压有效值；二极管V1在不导通的期间承受的反向电压图3.

35、18（b）中点划线所示，二极管承受的反向电压为线电压，其最大值为（3.10）3.3.2 三相桥式全控整流电路如图3.19所示，三相桥式全控整流电路的六个整流元件全都采用晶闸管，VS1、VS3、VS5为共阴极连接，VS2、VS4、VS6为共阳极连接。元件均须在其阳极承受正向电压，并且在其控制极施加触发脉冲时触发导通，元件靠触发换流，而不是在自然换流点换流。通常将自然换流点至触发脉冲到来瞬间之间的电角度称为控制角，又称为移相角，三相桥式全控整流电路要求控制角必须相同。为了使全控桥正常工作，形成电流通路，必须使共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管导通（在换流期间则有三只元件导通，其中两只处于换流状态）。

36、为此，触发脉冲必须适应三相桥式全控整流电路的要求。一般有两种触发方式：采用双窄脉冲触发，即同时发出两个触发脉冲，例如在给VS1脉冲时也给VS6补发一个脉冲。这样，在整流桥刚投入工作时就能形成最初的电流通路，以后便进入正常工作状态。因此，用双窄脉冲触发，在一个周期中每只晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲中间的间隔为60°，脉冲宽度一般为20°30°；采用宽脉冲触发，即要求触发脉冲的宽度应大于60°，但小于1200，一般取80°100°。这样才能保证整流电路刚投入之际，如果共阴极组的某一元件被触发，则共阳极组的前一元件的触发信号依然存在，共

37、阴极组与共阳极组各有一元件同时处在被触发状态，才能构成电流的通路。双脉冲触发电路较复杂些，但它可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积，因而应用较多。在三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的条件都是其阳极承受正向电压期间在控制极上加触发脉冲。三相桥式全控整流电路的工作特点是既可工作于整流状态，将交流转变成直流，以供给同步发电机转子绕组励磁；也可工作于逆变状态，将直流转变成交流，在发电机灭磁时，利用逆变将存储在发电机励磁绕组中的能量转换成交流电能并馈回电网。下面说明这两种工作状态。1. 整流工作状态在三相桥式全控整流电路中，计算控制角的起点为自然换流点。（1）控制角=00的情况，参看图

38、3.20。在t0t1期间，a相的电位最高，b相的电位最低。若在t0时刻同时发出两个触发脉冲（双窄脉冲触发）分别加于共阳极组的VS6和共阴极的VS1两元件，此时VS6与VS1承受正向电压，故VS6与VS1导通，形成的电流通路为：交流电源的a相VS1LRVS6回到电源b相，整流桥的输出电压为线电压eab。此后只要按顺序每隔600给各桥臂元件以触发脉冲，就可依次换流。例如在t1t2期间，c相电位最低，此前共阳极点的电位为b相电位，晶闸管VS2承受正向电压，在t1时刻向VS2输入触发脉冲ug2，共阳极组的VS2即导通，同组的VS6因承受反向电压而截止。电流的通路换成aVS1LRVS2c。输出电压为线电

39、压eac。依次类推，每隔600依次向共阴极组或共阳极组的晶闸管元件以触发脉冲，则每隔600有一个臂的元件触发换流，每周期内每臂元件导电1200。元件的导通顺序和整流桥输出直流电压波形ud 如图3.20所示，ud的波形与三相桥式不可控整流电路的输出波形完全相同。这时三相桥式全控整流电路输出电压的平均值最大，为Udo 。（2）控制角=300的情况，参看图3.21。当00时，晶闸管将不在自然换流点换流，而是滞后一个角。在t1时刻，触发脉冲ug1与ug6分别加于晶闸管VS1与VS6上，同时a相电位最高，b相电位最低，晶闸管VS1与VS6承受正向电压而导通，形成的电流通路为：交流电源的a相VS1LRVS

40、6回到电源b相，整流桥的输出电压为线电压eab。在t1t2期间，虽然经过自然换流点b，c相电位开始低于a相电位，VS2开始承受正向电压，但因其触发脉冲尚未到达，故不能触发导通，VS6继续导通。这是与三相桥式不可控整流电路的根本区别之处。在t2时刻，c相电位最低，VS2承受正向电压，触发脉冲ug2加于晶闸管VS2上，共阳极组的VS2导通，同组的VS6因承受反向电压而截止。输出电压为线电压eac。依次类推。控制角=300时，整流桥输出直流电压波形ud 如图3.21所示，ud的波形是由线电压eab、eac、ebc、eba、eca、ecb的相应部分组成。在一个周期内有六个相同的波头，每个元件均导通12

41、00，在六个触发换流点处各有一个缺口，整流桥输出直流电压较控制角=00时小。（3）控制角=600的情况，参看图3.22。输出电压ud的波形已处于临界连续状态，每个周期只有六个连续的波头，平均值明显小于=30°时的值。在控制角600的情况下，共阴极组输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压ud的瞬时值都大于零，且波形是连续的。（4）在600，当线电压由零转为负值时，由于电感负载产生的反电势的作用，导通的晶闸管继续导通，输出电压ud的瞬时值将出现负的部分。如图3.23为电感负载、=900时的情况。设t1时刻，触发脉冲ug1与ug6分别加于晶闸管VS1与VS6上，此时a

42、相电位高于b相电位，晶闸管VS1与VS6承受正向电压而导通，整流桥的输出电压为线电压eab。到自然换流点c当线电压eab将由0变负时，输出负载电流id有减小的趋势。负载电感L中便产生感应电势eL企图阻止id的减小，其方向与id的流向一致，维持id的继续流通。在自然换流点c以后，虽然b相电位高于a相电位，即eab0，但电感L上的感应电势eL的绝对值高于eab的绝对值，实际加在VS1与VS6元件上的阳极电压仍然为正，维持原来电流id的通路，输出电压仍是eab，但为负值。到t2时刻，VS2接收到触发脉冲，此时c相电位最低，晶闸管VS2承受正向电压而导通，VS6因承受反向电压而截止，电流从VS6换流到

43、VS2。电流在VS1与VS2构成的回路中流通，输出电压为eac。以后的过程以此类推。由图3.23可以看出，整流桥输出电压的波形出现正负交替，正的部分表示交流电源向励磁绕组供电，负的部分表示将原来存储在励磁绕组部分磁场能量馈回电网，在电流连续的情况下，=900时输出电压波形正负两部分面积相等，输出电压平均值为零。三相桥式全控整流电路在电感负载时，输出电压ud的波形在一个周期内为均称的六段，计算输出平均电压时，可计算任意1/6周期的平均值（以控制角30°为例计算）。（3.11）式中 Ud0控制角=90°时的最大输出平均电压。对电阻负载，在60°时输出电压波形连续，平均

44、电压仍用式（3.11）计算。当60°时输出电压波形出现间断，这时输出平均电压为（以控制角90 °为例计算） （3.12）由式（3.12）可见，当=120°时，Ud=0，所以电阻负载的最大移相范围为0°120°。流过晶闸管的平均电流为 （3.13）晶闸管承受的最大反向电压为 （3.14）2逆变工作状态在90°时，输出平均电压Ud则为负值，三相桥式全控整流电路工作在逆变状态，将直流转变为交流。在同步发电机励磁装置中，如采用三相桥式全控整流电路，当发电机内部发生故障时能进行逆变灭磁，将发电机转子磁场原来储存的能量迅速反馈给交流电源，实现快速

45、灭磁，以减轻发电机损坏的程度。此外，发电机在运行中发生过电压，亦可调节控制角（使90°），使整流电路进入逆变状态，实现快速减磁。图3.24表示由60°转至150°时的输出电压的波形。现说明它们的工作情况。设原来三相桥式整流电路工作在整流状态，负载电流id流经励磁绕组而储存有一定的磁场能量。在t0时刻控制角突然后退到150°，在t1时刻前，VS5与VS6导通（在自然换流点b后 ecb 为负，但自感电动势作用下VS5、VS6继续其导通），在t1时刻，VS1接到触发脉冲，这时eab虽然过零开始变负，但由于电感L上电流id减小产生的感应电势L较大，使eL-ab仍

46、为正，故VS1与VS6仍承受正向阳极电压，VS1导通，而元件VS5则因承受反向电压而关断。这时电感线圈上的自感电势L与电流id的方向一致，直流侧电压的瞬时值ab与电流id的方向相反，交流侧吸收功率，将能量送回交流电网。到t2时刻，对c相的VS2输入触发脉冲，这时ac虽然进入负半周，但电感电势L仍足够大，可以维持VS1与VS2的导通，继续向交流侧反馈能量。这样一直进行到电感线圈原储存的能量释放完毕，逆变过程才结束。从波形可以看到，六个桥臂上的晶闸管元件，每个元件都是连续导电120°，每隔60°有一个晶闸管元件换流。每个元件在一周期内导电的角度是固定的，与角的大小无关。在三相桥

47、式全控整流电路中常将=180°-叫作逆变角。由于90°才进入逆变状态，故逆变角总是小于90°的。可用下式表示三相桥式全控整流电路在逆变工作状态时的反向直流平均电压，即（3.15）在逆变工作状态，不导通的晶闸管承受的主要是正向电压，而其在整流状态承受的主要是反向电压，但最大值是相同的，即 （3.16）3逆变失败与最小逆变角由三相桥式全控整流电路工作特点可知，>90°是逆变区，全控桥输出直流平均电压为负，当=180°时负值最大。负电压值越大，表示能量返送电网的速度越快。但实际上全控桥不能工作在=180°工况，必须留出一定的裕度角，否

48、则会造成逆变失败或颠覆。现以图3.25中=0°的假想情况来说明这个问题。在t0时刻前，=0°，c相的VS5与b相VS6加有触发脉冲而导通，输出为线电压ecb。在t0时刻后，使控制角=180°、逆变角=0°。在t1时刻，给a相的VS1加以触发脉冲ug1，应该将电流通路从VS5换至VS1。由于晶闸管导通和关断均需要时间，不能瞬时完成，但在t1以后c相电位高于a相电位，VS1在反向电压作用下无法开通，仍由VS5和VS6导通，即后一应开通的元件VS1不能导通，前一应关断的元件VS5反而继续导通，一直到t2时刻均由LRVS6b cVS5L构成通路。在t1t2时间内

49、直流侧向交流侧输送电能，整流电路处于逆变状态。在t2时刻，触发脉冲ug2加在VS2上，应该将电流通路从VS6换至VS2。但c相电位高于b相电位，VS2承受反向电压无法开通，故仍由VS5和VS6导通，这时整流电路进入整流状态。由此可知，全控整流电路在=180°时，因换流不能完成而造成逆变失败，导致晶闸管因连续导通过热而损坏或使快速熔断器熔丝熔断。如果不是在t1时刻，而是提前一段时间，即相应提前min角（约取30°左右）去触发c相的VS1，在这段时间内a相电位高，c相电位低，VS5承受反向电压的作用易于关断，VS1在正向电压作用下易于开通，使逆变电流的通路顺利地从VS5换流到V

50、S1，实现逆变工作状态。在工程实际中不允许将控制角调至180°，即必须限制逆变角不小于极小值min，也就是说控制角不能大于180°-min。最小逆变角可由下式决定：min+ （3.17）式中 代表换流时的换流角，或称换相重迭角，一般为15°20°；代表可控硅关断时间相对应的电角度，一般约4°5°。根据经验min=30°35°。因此，当需要发电机快速灭磁时，要把控制角限制在=145°150°范围，以确保逆变成功。三相桥式全控整流电路输出特性Ud=f（）如图3.26所示。图中曲线1为三相桥式半控整流

51、电路输出特性，限于篇幅，这里未对三相桥式半控整流电路介绍。3.3.3 整流电路的换流压降及外特性在前面分析整流电压过程中，忽略了各相交流电路中的电感，认为晶闸管在换流过程中其电流能突变。但实际上整流电路各相交流回路中存在电感，因此相间换流不是瞬间突变完成的，存在着前一相的电流从Id逐渐降至零，后一相的电流从零逐渐上升到Id的相间换流过程。这段换流期间对应的电角度称为换流角。只要小于60°，整流桥总是处于两臂导通与三臂导通的交替工作状态，简称2-3工作状态。在换流过程中相邻两相的电流是变化的，因此该变化的电流就会在相应回路的电抗上引起电压降，从而造成输出电压ud的波形出现新的缺口，导致

52、输出电压平均值Ud减少。现以图3.27为例来说明这一问题。在t1以前VS1与VS2导通，输出电压的瞬时值为eac，在t1时刻，触发脉冲ug3到来，VS3被触发导通。由于交流回路电抗的存在，ib不能从0突然增加到Id，ia不能从Id突然下降到0，而有一个换流过程。在换流过程中，ib逐渐从0增加到Id，ia逐渐从Id下降到0，即完成从原来流经VS1的a相电流ia，逐渐换流到流经VS3的b相电流ib。至t2时刻换流过程结束。t1t2期间所对应的电角度即为换流角。在换流期间，由于VS1和VS3同时导通，相当于a、c两相短接。此时输出负载电流仍为Id，而a、b两相回路则存在（参见图3.28）一个环流i（

53、由eb-ea引起）。各电流之间的关系为 （3.18）由图3.28有回路方程 （3.19）整理得 （3.20）由图3.28可以看出，共阴极点的电位 （3.21）可见共阴极点的电位为a相b相电位之和的平均值。选a、b相自然换流点为时间基准，则a、b的相电压表达式为 （3.22） （3.23）这里E2为电源相电压有效值。换流过程引起的电压降为 （3.24）在换流期间电压下降缺口的面积 ，即图3.27中的阴影部分为 （3.25）对三相桥式全控整流电路，每个周期有六个电压下降缺口，故一个周期电压降落的平均值为 （3.26）由式（3.20）和（3.24）可以得出 （3.27）因此换流结束时的电流 （3.2

54、8）从而得到换流角 （3.29）它说明换流角 的大小与换相电抗XK、负载电流Id、交流电源电压及控制角有关。将式（3.29）代入式（3.26）可得换相压降为 （3.30）在前面介绍三相桥式全控整流电路时，忽略了交流回路电抗的存在，认为换流时瞬时完成的，故有三相桥式全控整流电路输出电压的平均值为 （3.31）考虑交流回路电抗XK引起的换相电压损失时，三相桥式全控整流电路输出电压的平均值为 （3.32）式中换相电抗与整流装置供电电源有关。当变压器供电时 （3.33）式中 XT为变压器短路电抗。当整流装置供电电源为交流励磁机时，则（3.34）式中 交流励磁机次暂态电抗；X2交流励磁机负序电抗。根据式

55、（3.32）可作出如图3.29（a）所示的等值电路。它表示三相桥式全控整流电路带电感负载时的情况，相当于一个电动势Ud0cos、内阻的可变直流电源带负载R的情况。如果考虑每个桥壁元件导通时的正向压降、回路电阻压降及炭刷通过集电环进入转子的压降，三相桥式全控整流电路输出电压的平均值进一步修正为 （3.35）式中 回路电阻与整流元件正向压降之和，一般每个整流元件的正向压降小于1.2V；炭刷通过集电环进入转子的压降，一般为2V。在交流电源电压和控制角一定的情况下，式（3.35）的第一项为确定的值，因而Ud将随负载电流Id的变化而变化。Ud=f（Id）称为三相桥式全控整流电路的外特性，如图3.29（b

56、）中的直线1或2所示。图中曲线3代表负载电阻的伏安特性，它与整流桥外特性的交点为该工况的运行点。当控制角为1时，输出的平均电流为Id1，负载电压为Ud1；若将控制角减小为2时，则输出的平均电流增至为Id2，负载电压也提高到Ud2。以上讨论中均假设换流角小于60°，当交流回路中电抗较大，且直流负载电流较大时，换流角也会增大。当换流角大于60°换流过程会发生变化，以上结论不能适用。3.4 励磁调节器工作原理随着自动装置元器件的不断更新，励磁调节器经历了机电型、电磁型及电子型等发展阶段。至20世纪末，随着计算机控制技术的成熟，数字式自动电压调节器逐渐替代了模拟式调节器，并已普遍推广采用。3.4.1 励磁调节器的组成励磁调节器的主要任务就是根据检测到的发电机电压、电流及其它状态信号，按照给定的调节准则自动调节励磁功率单元的输出，从而维持发电机端电压和实现并联机组间无功功率的合理分配。励磁调节器原理框图如图3.30所示，主要包括测量单元、调差单元、控制算法及功率放大、同步和移相触发单元。微机励磁调节器硬件框图如图3.31所示，其实它也是计算机控制系统通用的框图模式。主要由主控单元、模拟量输入单元、开关量输入输出单元、脉冲放大、人机界面和稳压电源等部分组成。主控单元由CPU、存储器及总线接