第4讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析(2)

1、North China Electric Power University第四讲 同步发电机励磁控制系统及特性分析（2）主讲人：李岩松华北电力大学电气与电子工程学院North China Electric Power Universitypage22022-3-7第四章 同步发电机励磁控制系统和特性分析 本章讲述电力系统的自动调压问题，包含发电机的自动调节励磁系统，也包括和用户的电压稳定问题。North China Electric Power Universitypage32022-3-7第三节第三节 励磁调节器励磁调节器G励励磁磁机机baEFIGUEFIEEIGUGI同同步步发发电电机机励

2、励磁磁功功率率单单元元励励磁磁调调节节器器EFIREFUGIGU手手动动自自动动基基准准其其他他信信号号 励磁调节单元（自动调压器）的励磁调节单元（自动调压器）的最基本部分是一个闭环比最基本部分是一个闭环比例调节器例调节器，它的输入量是发电机电压，输出量是励磁机的励磁，它的输入量是发电机电压，输出量是励磁机的励磁电流或者是发电机的转子电流电流或者是发电机的转子电流他的功能有二：他的功能有二：1、保持发电机端电压不变、保持发电机端电压不变2、保持并联机组间的无功负荷的合理分配、保持并联机组间的无功负荷的合理分配North China Electric Power Universitypage42

3、022-3-71 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调节器数字型励磁调节器 机电型励磁调节器的任务是调节电压，其调节线圈中的电流与机电型励磁调节器的任务是调节电压，其调节线圈中的电流与发电机电压成正比，调节线圈中产生的磁场力作用于变阻器，从而发电机电压成正比，调节线圈中产生的磁场力作用于变阻器，从而改变励磁机磁场电阻以达到调节电压的目的。改变励磁机磁场电阻以达到调节电压的目的。 由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不灵敏区由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不灵敏区North C

4、hina Electric Power Universitypage52022-3-71 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调节器数字型励磁调节器 电磁型励磁调节器是以磁放大器为基础，构成电磁型电压调电磁型励磁调节器是以磁放大器为基础，构成电磁型电压调节器，各个单元均由电磁单元构成，时间常数较大，但是可靠节器，各个单元均由电磁单元构成，时间常数较大，但是可靠性高，任务是维持电压水平和无功功率分配性高，任务是维持电压水平和无功功率分配North China Electric Pow

5、er Universitypage62022-3-71 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调节器数字型励磁调节器 电子型励磁调节器是以电子元件为基础所构成的，没有时电子型励磁调节器是以电子元件为基础所构成的，没有时间滞后，综合放大能力强，发展成为间滞后，综合放大能力强，发展成为“对励磁系统具有多种综合对励磁系统具有多种综合控制调节能力的励磁调节器控制调节能力的励磁调节器”。基本上由。基本上由“调差调差”“”“测量比测量比较较”“”“综合放大综合放大”“”“移相触发移相触发”等单元

6、组成，实现电压调节和无等单元组成，实现电压调节和无功负荷分配等基本调节功能功负荷分配等基本调节功能North China Electric Power Universitypage72022-3-71 1 励磁调节器的发展历程励磁调节器的发展历程机电型励磁调节器机电型励磁调节器电磁型励磁调节器电磁型励磁调节器电子型励磁调节器电子型励磁调节器数字型励磁调节器数字型励磁调节器 数字型励磁调节器实质上是一台专用的微型计算机励磁控制数字型励磁调节器实质上是一台专用的微型计算机励磁控制系统，核心是主机，主机通过总线、接口电路与具体的控制对象系统，核心是主机，主机通过总线、接口电路与具体的控制对象的过程通

7、道连接，采集发电机组的运行状态信息，输出脉冲调节的过程通道连接，采集发电机组的运行状态信息，输出脉冲调节励磁功率单元（晶闸管），实现对发电机励磁的综合调节控制。励磁功率单元（晶闸管），实现对发电机励磁的综合调节控制。North China Electric Power Universitypage82022-3-72 2 数字式励磁调节器的基本构成数字式励磁调节器的基本构成North China Electric Power Universitypage92022-3-72 2 数字式励磁调节器的基本构成数字式励磁调节器的基本构成North China Electric Power Unive

8、rsitypage102022-3-73 3 励磁调节器的控制算法励磁调节器的控制算法PID调节控制的算法方程式：调节控制的算法方程式： KjtjTeTdtte00 TKTeKTeTdttde1PID差分变换的离散方程式：差分变换的离散方程式： 00( )( )1( )( )tpidtpdide tYtK e tKe t dtKdtde tKe te t dtTTdt 11kdpjiTTY kKe keje ke kTTNorth China Electric Power Universitypage112022-3-7PIDPID调节调节KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0

9、位置式位置式增量式增量式 增量式增量式PID调节算法与位置式并无本质区别，由于输出调节算法与位置式并无本质区别，由于输出增量，计算误差或精度对控制量影响较小，控制作用不会发增量，计算误差或精度对控制量影响较小，控制作用不会发生大幅度的变化，而且输出只与最近几次采样值有关，容易生大幅度的变化，而且输出只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果获得较好的控制效果 11212pidY kY kK e k e kKe k K e ke ke k North China Electric Power Universitypage122022-3-7第四节第四节 同步发电机转子的强励与灭磁同步发电机转

10、子的强励与灭磁GT T1 1T T2 2L L 在电力系统发生故障时，系统母线电压极度降低，系统无功在电力系统发生故障时，系统母线电压极度降低，系统无功缺额很大，需要在很短的时间内补足无功缺额以使系统迅速恢缺额很大，需要在很短的时间内补足无功缺额以使系统迅速恢复正常，这就要求有关的复正常，这就要求有关的发电机转子磁场能够迅速增强，发电机转子磁场能够迅速增强，达到尽可能高的数值达到尽可能高的数值。 在事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度（响在事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度（响应速度）是两个十分重要的指标应速度）是两个十分重要的指标 强励顶值强励顶值与与响应比响应比。此外

11、，为了使得发电机的励磁效果及时发挥，需要考虑：此外，为了使得发电机的励磁效果及时发挥，需要考虑：1、励磁机的响应速度要快，励磁机的时间常数小、励磁机的响应速度要快，励磁机的时间常数小2、发电机转子磁场的建立速度要快。、发电机转子磁场的建立速度要快。转子强励问题转子强励问题North China Electric Power Universitypage132022-3-71 1 励磁机的时间常数励磁机的时间常数G+-DEEFUEEIEEEEREEL他励型直流励磁机的时间常数他励型直流励磁机的时间常数EdtdILRIEEEEEEEEEEEEtRLT EEREEL励磁机励磁线圈的电阻励磁机励磁线圈

12、的电阻励磁机励磁线圈的电感励磁机励磁线圈的电感North China Electric Power Universitypage142022-3-71 1 励磁机的时间常数励磁机的时间常数自励型直流励磁机的时间常数自励型直流励磁机的时间常数GEFIDEEFU+-EFUEEI1EEI0E1UEEEEEEEFkIEIIEUEU010100EdtdILIkREEEEEEEEkRLTEEEEcEdtdILRIEEEEEEEE励磁机工作电流励磁机工作电流励磁机工作电压励磁机工作电压励磁机残励磁机残余电动势余电动势North China Electric Power Universitypage15202

13、2-3-71 1 励磁机的时间常数励磁机的时间常数1、他励型励磁机系统电压建立过程与自身无关，完全、他励型励磁机系统电压建立过程与自身无关，完全由外电势作用，时间常数只取决于励磁线圈由外电势作用，时间常数只取决于励磁线圈2、自励型励磁机的电压建立过程是电压与励磁电流相、自励型励磁机的电压建立过程是电压与励磁电流相互作用的结果，励磁电流的增长过程依赖于励磁机的电互作用的结果，励磁电流的增长过程依赖于励磁机的电压，因此其上升过程延长了，时间常数也就增加了。压，因此其上升过程延长了，时间常数也就增加了。3、以上结论适用于直流励磁机，也适用于交流励磁机。、以上结论适用于直流励磁机，也适用于交流励磁机。

14、kRLTEEEEcEEEEtRLT North China Electric Power Universitypage162022-3-72 2 电压响应比电压响应比 电压响应比电压响应比是电机制造厂提供的表明发电机转子磁场建立过是电机制造厂提供的表明发电机转子磁场建立过程的参数，反映了励磁机程的参数，反映了励磁机磁场建立速度的快慢磁场建立速度的快慢。 一般而言，在暂态稳定过程中，发电机功率角摇摆到第一周一般而言，在暂态稳定过程中，发电机功率角摇摆到第一周期最大值的时间约为期最大值的时间约为0.40.7s，所以，所以，通常将励磁电压在最初通常将励磁电压在最初的的0.5s内上升的平均速率定义为励

15、磁电压响应比内上升的平均速率定义为励磁电压响应比。 在暂态过程中，励磁功率在暂态过程中，励磁功率单元对发电机运行产生实际影单元对发电机运行产生实际影响的响的最主要的物理量是转子磁最主要的物理量是转子磁通增量通增量，他，他正比于励磁电压伏正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量秒曲线下的面积增量North China Electric Power Universitypage172022-3-72 2 电压响应比电压响应比 为了分析曲线下的面积，作一条为了分析曲线下的面积，作一条直线直线ac，使得，使得曲线下的面曲线下的面积积与与直线下的面积直线下的面积相等，则这两条曲线所表示的转子磁通增量相等，则这

16、两条曲线所表示的转子磁通增量相等。相等。定义：励磁电压响应比：定义：励磁电压响应比：bcabcRUUUUR*25 . 0bc段电压标幺值段电压标幺值aU为额定工况下的励磁电压为额定工况下的励磁电压aEFUUmax.为强励倍数为强励倍数North China Electric Power Universitypage182022-3-72 2 电压响应比电压响应比 现在，一些大型的发电机组采用快速励磁系统，用现在，一些大型的发电机组采用快速励磁系统，用响应时间响应时间作为动态性能评定指标。作为动态性能评定指标。 励磁系统的响应时间，是指在发电机励磁电压为额定励磁电压励磁系统的响应时间，是指在发电

17、机励磁电压为额定励磁电压时。从施加阶跃信号起，到励磁电压达到最大励磁电压与额定电时。从施加阶跃信号起，到励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差压之差95%为止所花费的时间。为止所花费的时间。max.EFUEFUNEFU.NEFEFNEFEFUUUU.max.95. 0励磁系统电励磁系统电压响应时间压响应时间North China Electric Power Universitypage192022-3-7同步发电机转子磁场的灭磁同步发电机转子磁场的灭磁转子灭磁问题转子灭磁问题 当转子磁场建立起来，由于某种原因（如发电机绕组内部当转子磁场建立起来，由于某种原因（如发电机绕组内部故障）而要求强迫

18、发电机立即退出运行，在断开发电机出口故障）而要求强迫发电机立即退出运行，在断开发电机出口断路器的同时，断路器的同时，必须使发电机转子磁场尽快消失必须使发电机转子磁场尽快消失，否则，否则，就会使得发电机因过励磁而产生过电压而危及绝缘安全，或就会使得发电机因过励磁而产生过电压而危及绝缘安全，或者，会使定子绕组内部故障继续扩大。者，会使定子绕组内部故障继续扩大。 如何在很短时间内使发电如何在很短时间内使发电机转子磁场内部存储的大量能机转子磁场内部存储的大量能量迅速消失，而不至于在发电量迅速消失，而不至于在发电机内部产生危险的过电压，这机内部产生危险的过电压，这就是就是转子转子灭磁问题灭磁问题。Nor

19、th China Electric Power Universitypage202022-3-73 3 同步发电机的灭磁同步发电机的灭磁 所谓所谓灭磁灭磁，就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱为就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱为最小程度。最小程度。 如果突然断开转子回路，励磁绕组是个大电感，励磁电流如果突然断开转子回路，励磁绕组是个大电感，励磁电流不能突变，必然会产生很高的过电压，会危及到转子绕组的绝不能突变，必然会产生很高的过电压，会危及到转子绕组的绝缘，因此，缘，因此，不能采用断开转子回路的办法来灭磁不能采用断开转子回路的办法来灭磁。对于灭磁的要求对于灭磁的要求：（1）在灭磁装

20、置动作后，应使发电机最终的剩余电压低于能）在灭磁装置动作后，应使发电机最终的剩余电压低于能维持短路点电弧的数值。维持短路点电弧的数值。（2）在灭磁过程中，发电机的转子励磁绕组所承受的灭磁反）在灭磁过程中，发电机的转子励磁绕组所承受的灭磁反电压不应超过规定的数值。电压不应超过规定的数值。（3）灭磁时间应尽可能短。）灭磁时间应尽可能短。（4）灭磁装置的电路和结构应简单可靠。）灭磁装置的电路和结构应简单可靠。North China Electric Power Universitypage212022-3-74 4 励磁绕组对恒定电阻放电灭磁励磁绕组对恒定电阻放电灭磁直直流流励励磁磁机机GGEWQF

21、MKRGEWetiReemGEW在灭磁过程中，转子绕组的端电压可以被控制在灭磁过程中，转子绕组的端电压可以被控制 R越大，转子绕组端电压衰减越快，越大，转子绕组端电压衰减越快，灭磁过程也就快，但是，转子绕组端灭磁过程也就快，但是，转子绕组端电压也就越大电压也就越大 R越小，转子绕组端电压也就越小，越小，转子绕组端电压也就越小，但是，转子绕组端电压衰减越慢，灭但是，转子绕组端电压衰减越慢，灭磁过程也就慢磁过程也就慢North China Electric Power Universitypage222022-3-75 5 理想灭磁过程理想灭磁过程GEWet12 理想的灭磁过程理想的灭磁过程就是整

22、个灭磁过程中始终保持转子绕组就是整个灭磁过程中始终保持转子绕组GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止 在灭磁过程中，转子回路的在灭磁过程中，转子回路的电流始终以电流始终以等速减少等速减少，而不再，而不再以指数曲线减少，直至为零。以指数曲线减少，直至为零。曲线曲线1灭磁，灭磁速度灭磁，灭磁速度越来越慢越来越慢。曲线曲线2灭磁，励磁电流灭磁，励磁电流等速减少等速减少，在在t时刻降为零，过程中端电压时刻降为零，过程中端电压始终为额定值。始终为额定值。North China Electric Power Universitypage23202

23、2-3-76 6 交流励磁机系统的灭磁方法交流励磁机系统的灭磁方法（1）具有短弧灭弧栅片的灭磁系统）具有短弧灭弧栅片的灭磁系统12R利用短弧特性将弧电阻作为利用短弧特性将弧电阻作为非线性灭磁电阻。非线性灭磁电阻。l 发电机的励磁电流流过发电机的励磁电流流过这个并联灭弧栅回路，电弧这个并联灭弧栅回路，电弧在灭弧栅片中受轴向磁场作在灭弧栅片中受轴向磁场作用不断地旋转，其释放的热用不断地旋转，其释放的热能被铜栅片所吸收，直到电能被铜栅片所吸收，直到电弧熄灭弧熄灭并联灭磁栅回路中串联了一个限流电阻并联灭磁栅回路中串联了一个限流电阻RNorth China Electric Power Universi

24、typage242022-3-76 6 交流励磁机系统的灭磁方法交流励磁机系统的灭磁方法（2）利用线性电阻的灭磁系统）利用线性电阻的灭磁系统S0S1R1R2S2采用耐高温的线性电阻作为灭磁电阻采用耐高温的线性电阻作为灭磁电阻采用分级线性电阻以改善灭磁的快速性。采用分级线性电阻以改善灭磁的快速性。l 转子过电压倍数不超过转子过电压倍数不超过5 5倍发电机额定励磁电压值倍发电机额定励磁电压值North China Electric Power Universitypage252022-3-76 6 交流励磁机系统的灭磁方法交流励磁机系统的灭磁方法（3）利用非线性电阻的灭磁系统）利用非线性电阻的灭磁系统S0S1R电阻电阻选