第二章(1-3节)同步发电机励磁自动控制系统教案

1、第二章 同步发电机励磁自动控制系统第一节概述励磁电流I ef空载电动势Eq同步发电机的励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器励磁功 率单元励磁调节器电 力 系 统图2-1励磁控制系统结构框图一、同步发电机励磁控制系统的任务（一）电压控制单机运行：Ug jlGXd式中发电机直轴同步电抗(a)Eq(b)图2-2同步发电机感应电动势和励磁电流关系（a）同步发电机运行原理；（b）等值电路；（c）矢量图EqCOS G Ug iQXd式中G - Eq与UG间的相角，即发电机的功率角;?Q发电机的无功电流。很小，可近似认为cos G1,于是，可得简化的运算式为Eq Ug IQXd上式说明，负荷的无功电流是造成与

2、幅值差的主要原因， 发电机的无 功电流越大，两者之间的差值也越大。1 J a us I u u * i u sb l u rn-rvrnrvunrnsyrurii-rrn-n-irrt-irjnrirn-nrsrtru-rn-n-ni-r-i图2-3同步发电机的外特性Q线1 ： I EF 1不变UGe, I Q1励磁不变UG2 ,IQ2曲线2: IEF2不变UGe, I Q1励磁增加UGe, I Q2（二）控制无功功率的分配1、Ki图2-4同步发电机与无限大母线并联运行无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率 PG均为常数，即Pg U g I g COS 常数I g coski?Ig的端点则沿着

3、BB虚线变化?一 、- .,Eq的端点则沿着AA虚线变化PgEqUG . SinXd常数EqSinK2由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改i-»-xnrir?rTrvTrFWiis-irTffli a u 1 u 1 u ( "rrflrrru u a J t-neu a1 ) (s u j r u vrrHrBTrnrMr»v-irr-rnrrTrna-iinrflrvn变发电机无功功率的数值。2、并联运行各发电机间无功功率的分配IQ(b)图2-5并联运行发电机间无功负荷的分配当母线电压为Umi时：I Q I Q1 I Q2IQ2无功负荷

4、增加，母线电压降到UM2时：I / I /Q Q1显然:I Q1 I Q2（三）提高同步发电机并联运行的稳定性励磁自动控制系统是通过改变励磁电流I EF从而改变空载电动势Eq值来改善系统稳定性的。1、励磁对静态稳定的影响图2-6单机向无限大母线送电（a）接线图；（b）等值网络；（c）相量图EqU .Pg -sinXX 一系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和;一发电机空载电动势Eq和受端电压U间的相角。功率极限为Pm,即PjlPmEqUX静态稳定极限功率pm与发电机空载电动势Eq成正比，而Eq值与励磁电流有关。BPo无自动调节励磁时，因励磁电流恒定，Eq=常数，此时的功角特性称为内

5、功率特性；若有灵敏和快速的励磁调节器，则可视为保持发电机电压为恒定。即 UG=常数，由相应一簇不同的E?q的功角特性求得曲线B （称为外功, 一4、1角特性，见图2-8）最大值出现在ug与uN间功率角90时，即Pm UGUsin ' （ X XT 此时 / 大于 90 ）。X对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统，则近似按 曰=常数求得的 功角特性曲线C工作，（此时”大于90）显然，它使发电机能在大于 90范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系 统的稳定储备。励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。2、 励磁对暂态稳定的影响（b）图2-9发电机暂态功角特性曲线功

6、角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；功角特性曲线II：对应于一回线故障时的运行状况;功角特性曲线III ：对应于故障切除后一回线运行。加速面积abce小于减速面积defg,系统是暂态稳定的故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势Eq上升而增加电功率输出，使Pmax增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III 幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数（四）改善电力系统的运行条件1、 改善异步电动机的自起动条件2、 为发电机异步运行创造条件3、提高继电保护装置工作的正确性（五）水轮发电机组要求强行减磁二、对励磁

7、系统的基本要求（1） 对励磁调节器的要求1、 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。2、 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此， 励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10以内进行调整。3、 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。（2） 对励磁功率单元的要求（ 1） 要 求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。第二节同步发电机励磁系统同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源发电机自并励直流励磁机换流困难|交流励磁机缩短主轴长度y无刷励磁

8、系去掉滑环和电刷一、直流励磁机励磁系统（一）自励直流励磁机励磁系统发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流（二）他励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机二、交流励磁机励磁系统（一）他励交流励磁机励磁系统起励电源可控整流器自励恒压调节器(二)、无刷励磁系统永磁发电机 一:二S一 励磁开It.有产划可控硅整流器图2-17无刷励磁系统原理接线图(1)无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。(2)发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无 刷，整个励磁系统可靠性更高。(3)发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励

9、磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采 用叠片结构外，还采用减小绕组电感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一一增加励磁机励磁绕组顶 值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。(4)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，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对 励磁系统的常规检测(如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信 号等)，必须采用特殊的测试方法。(5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能， 能承受 高速旋转的离心力。(6)因为没有接触部件的磨损，所以也就没

10、有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。三、静止励磁系统(发电机自并励系统)静止励磁方式的主要优点是：(1)励磁系统接线和设备比较简单, 无转动部分，维护费用省，可靠性高。(2)不需要同轴励磁机，可缩短主 轴长度，这样可减小基建投资。工起励元件VS固H卷滑环tRS TV励磁调节器卜起励电源图2-13静止励磁系统接线(3)直接利用晶闸管取得励磁能量,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, 当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。第三节 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁建立

11、：在外部事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度，即强励顶值与响应比灭磁：发电机绕组内部故障等，使转子磁场内存储的大量能量迅速消释，而不致在发电机内产生危险的过电压一、时间常数（1） 他励直流励磁机时间常数图2-14他励与自励直流励磁机时间常数计算原理d I EEI ee Ree LeeEdt式中Ree、lee励磁机励磁线圈的电阻和电感IEE是按指数曲线增长的，其时间常数为TtL EERee由于励磁机电势Uef正比于Iee, Uef也是按指数曲线增加的（2） 自励直流励磁机时间常数图2-15自励直流发电机等值特性图I EEU EF E0 I EE E0 kI EEIEE.1式中Eo 自励

12、直流发电机的残余电势值Ui励磁机的工作电压值IEE1 励磁机的工作电流值k比例常数对自励励磁机的电势Uef ,也有IEEREELEEd UEF代入，得整理之，得I EEREE LEEdIEE"dTUEF Eo k I EERee kI EEd I EELeeEodt由此得自励系统的时间常数TcRee kLee(三)自励系统时间常数Tc与他励系统时间常数Tt的比较Tc>Tt原因就在于他励系统的电压Uef的建立过程与Uef本身无关，它完全 是由于外加电动势E的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。但自 励系统U ef的建立过程却是U EF与I EE相互作用的结果。二、电压响应比电压响

13、应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。UEF(t)d GK G dtU EF (V)U EFqbUefo|*I0.5* t(s)t0 UEF(t)dt图2-16励磁电压上升速度的确定式中UEF(t)发电机励磁电压上升曲线;G一发电机转子回路的磁通量;K 一与转子线圈匝数及转子尺寸有关的常数组等值电路图转子磁通增量G,正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量于是励磁电压响应比可以定义为U c U bRr/ 0-5 2 U *bc (1/s)Ua式中U*bc图中bc段电压标么值。般U a为额定工况下的励磁电压，则差的95%所花费的时间) .e图2-18励磁系统电压响应时间U EF e-额定励磁电压；U E

14、F max -顶值励磁电压 .为强励倍数励磁系统电压响应时间为 0.1s或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统 三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到最小程度因为励磁绕组是一个大电感，用断开转子回路的办法来灭磁是不恰当的。将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁的方法是可行的 要求：1灭磁时间短2灭磁过程中转子电压不应超过允许值电流：按指数衰减 时间常数T LGE电阻Rm越大，灭磁过程越快Rm电压：eGEW em iRmeGEW的最大值为Qgew,0 ioRm式中i0 i的初始值电阻Rm越大，电压最大值越大四、理想的灭磁过程图2-21灭磁过程比较理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始 终保持转子线圈GEW的端电压为最大允许值 不变，直至励磁回路断开