同步发电机励磁自动控制系统特性

1、North China Electric Power University第八讲 同步发电机励磁自动控制系统特性主讲人：李岩松North China Electric Power Universitypage22022-3-16 励磁控制系统的调节特性和无功分配励磁控制系统的调节特性和无功分配同步发电机同步发电机励磁功率励磁功率单元单元励磁调节器励磁调节器EFIREFUGIGU手动手动自动自动基准基准其他其他信号信号励磁调节器的最基本功能励磁调节器的最基本功能是调节发电机的端电压是调节发电机的端电压输出用于控制励磁功率单元输出用于控制励磁功率单元常用的励磁调节器常用的励磁调节器是比例式调节器是

2、比例式调节器主要输入量是发电机端电压主要输入量是发电机端电压North China Electric Power Universitypage32022-3-16比例式励磁调节器闭环控制比例式励磁调节器闭环控制G励磁机励磁机baEFIGUEFIEEIGUGI在电力系统中运行的各种比例式励磁调节器在电力系统中运行的各种比例式励磁调节器都具有都具有负斜率调节特性负斜率调节特性这种调节器可以稳定运行！这种调节器可以稳定运行！North China Electric Power Universitypage42022-3-16自动励磁调节器的构成环节自动励磁调节器的构成环节测量比较测量比较综合放大综合

3、放大移相触发移相触发可控整流可控整流North China Electric Power Universitypage52022-3-161 1 励磁调节器的静态工作特性励磁调节器的静态工作特性测量比较K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4REFUGUdeUSMUAVRUGREFdeUUKU1deSMUKU2SMAVRUKKU43North China Electric Power Universitypage62022-3-16 励磁调节器的静态工作特性的合成励磁调节器的静态工作特性的合成GUREFUdeUdeUSMUAVRUAVRUGUSMUNorth China Electric Po

4、wer Universitypage72022-3-16励磁调节器的静态工作特性的调整励磁调节器的静态工作特性的调整GUREFUdeUdeUSMUAVRUAVRUGUSMUNorth China Electric Power Universitypage82022-3-16励磁调节器的放大系数励磁调节器的放大系数GREFAVRUUUK励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度是调节器的主要指标之一是调节器的主要指标之一AVRUGU测量比较K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4REFUGUdeUSMUAVRU4321KKKKUUUUUUUUUUKAVRSMdeSMGR

5、EFdeGREFAVRREFU励磁调节器的总放大倍数励磁调节器的总放大倍数是各单元放大倍数的乘积是各单元放大倍数的乘积North China Electric Power Universitypage92022-3-162 2 发电机励磁自动控制系统的静态工作特性发电机励磁自动控制系统的静态工作特性G励励磁磁机机baEFIGUEFIEEIGUGIEFIQI1GUGNGUU23GU321GGGUUU发电机的调节特性就是发电机转子发电机的调节特性就是发电机转子电流电流 与无功负荷电流与无功负荷电流 之间之间的关系的关系EFIQI励磁机定子电流励磁机定子电流 与励与励磁机的励磁电流磁机的励磁电流 之

6、之间是线性关系间是线性关系EFIEEINorth China Electric Power Universitypage102022-3-16发电机无功调节特性发电机无功调节特性EEI)(EFIGUQIQI发电机发电机转子电转子电流直接流直接用励磁用励磁机的励机的励磁电流磁电流来表示来表示1GU2GUa a a b b b North China Electric Power Universitypage112022-3-16发电机调差系数发电机调差系数GUQIa b 发电机带有自动励磁调节器发电机带有自动励磁调节器后，无功电流变化时，发电后，无功电流变化时，发电机机端电压基本维持不变机机端电

7、压基本维持不变 调节特性下倾的程度表征了发电机调节特性下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个重要励磁控制系统运行特性的一个重要参数参数调差系数调差系数*2*121GGGGNGGUUUUUU 调差系数表征了无功电流从零调差系数表征了无功电流从零增加到额定值时发电机电压的相增加到额定值时发电机电压的相对变化对变化 调差系数表征了励磁控制系统调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力维持发电机电压的能力当调差单元退出运行时，其当调差单元退出运行时，其固有的无功调节特性也是下固有的无功调节特性也是下倾的，称为自然调差系数倾的，称为自然调差系数North China Electric Po

8、wer Universitypage122022-3-16发电机调节特性发电机调节特性励磁调节器的调整是为了满足运行要求励磁调节器的调整是为了满足运行要求：1、发电机投入和退出运行时，能够平稳地改变无功负荷，不致、发电机投入和退出运行时，能够平稳地改变无功负荷，不致 于发生无功功率的冲击。于发生无功功率的冲击。2、保证并联运行的发电机组间的无功功率的合理分配。、保证并联运行的发电机组间的无功功率的合理分配。在励磁调节器中在励磁调节器中设置了设置了电压整定电压整定和和调差单元调差单元North China Electric Power Universitypage132022-3-16发电机调节

9、特性的平移发电机调节特性的平移GUQIMU1QI2QIGUQIMU1QI2QI1MU通过调节特性的平移通过调节特性的平移可以实现机组退出时可以实现机组退出时无功功率的不突变无功功率的不突变North China Electric Power Universitypage142022-3-163 3 并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配 多台发电机并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影多台发电机并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响本机组的无功电流，而且影响同一母线上并联机组的无功电流，响本机组的无功电流，而且影响同一母线上并联机组的无功电流，母线电压也发生变化，这

10、些变化与机组的调差特性有关。母线电压也发生变化，这些变化与机组的调差特性有关。1、一台无差调节特性机组与有差调节特性机组并联运行、一台无差调节特性机组与有差调节特性机组并联运行稳定运行点稳定运行点不稳定运不稳定运行点行点正调差正调差特性特性无差调无差调节特性节特性负调差负调差特性特性 一台无差调节特性的发一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特电机可以和多台正调差特性的发电机并联运行性的发电机并联运行 具有负调差特性的发电具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并机是不能在公共母线上并联运行的联运行的QIGUNorth China Electric Power Universitypage1

11、52022-3-16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配2、两台无差调节特性机组并联运行、两台无差调节特性机组并联运行无差调节特性无差调节特性1QIGU无差调节特性无差调节特性2两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合，两条曲线分离则无交点，实际运行又很难做到曲线重合，因此，因此，两台无差调节特性机组是不能并联运行两台无差调节特性机组是不能并联运行North China Electric Power Universitypage162022-3-16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率分配3、多台正调差特性机组并联运行、多台正调差特性机组并联运行GU1MU2

12、MUQI1QI2QI1QI2QI1G2G1QI2QIGG1QI2QIQI1、母线电压波动时，发、母线电压波动时，发电机的无功电流增量与电机的无功电流增量与电压偏差成正比，与调电压偏差成正比，与调差系数成反比，与电压差系数成反比，与电压整定值无关。整定值无关。2、在同一母线上并联发、在同一母线上并联发电机，无功负荷波动时，电机，无功负荷波动时，电压偏差相同，调差系电压偏差相同，调差系数小的发电机承担多的数小的发电机承担多的无功电流增量无功电流增量North China Electric Power Universitypage172022-3-16并联发电机组的无功功率分配并联发电机组的无功功率

13、分配*GQUI*0*1GGQUUI3、为了满足各台发电、为了满足各台发电机无功负荷的波动量与机无功负荷的波动量与他们的额定容量成正比，他们的额定容量成正比，则要求并联发电机组具则要求并联发电机组具有相同的调差系数。有相同的调差系数。4、需要改变发电机组、需要改变发电机组的无功负荷时，调整的无功负荷时，调整调节器的整定元件，调节器的整定元件，使得特性曲线上下移使得特性曲线上下移动即可。动即可。GUQIMU1QI2QINorth China Electric Power Universitypage182022-3-16励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁GT T1 1T

14、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，为了使得发电机的励磁效果及时发

15、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 Universitypage192022-3-16励磁系统中转子磁场的灭磁励磁系统中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

16、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。North China Electric Power Universit

17、ypage202022-3-161 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 Universitypage212022-3-161 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+-EFUEEI1EEI0E1UEEEEEEEFkIEIIEUEU010100Ed

18、tdILIkREEEEEEEEkRLTEEEEcEdtdILRIEEEEEEEE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 Universitypage222022-3-161 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

19、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。kRLTEEEEcEEEEtRLT North China Electric Power Universitypage232022-3-162 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

20、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 Pow

21、er Universitypage242022-3-162 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 Universitypage252022-3-

22、162 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

23、Electric Power Universitypage262022-3-163 3 励磁绕组灭磁励磁绕组灭磁 所谓灭磁，所谓灭磁，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、灭磁时间短、灭磁时间短2、灭磁

24、过程中转子电压不应超过允许值，即不超过额定值的、灭磁过程中转子电压不应超过允许值，即不超过额定值的45倍。倍。North China Electric Power Universitypage272022-3-164 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流励直流励磁机磁机GGEWQFMKRGEWetiReemGEW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

25、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 Universitypage282022-3-165 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