第13次课第4章(1节)

1、电力系统自动装置原理 水电学院电力系 杨国清4.1 励磁控制系统的传递函数及稳定性励磁控制系统的传递函数及稳定性 4.1.1 概述概述4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性4.1.1 概述概述（1）励磁自动控制系统是由发电机、励磁调节器（控制器）以）励磁自动控制系统是由发电机、励磁调节器（控制器）以及功率单元组成的反馈控制系统及功率单元组成的反馈控制系统（2）励磁自动控制系统的特性：）励磁自动控制系统的特性：静态特性，静态特性，P72，电压控制过程。电压控制过程。动态特性：指在较小的或随机的干扰下，励磁自动控制系动态特性：指

2、在较小的或随机的干扰下，励磁自动控制系统的时间响应特性。动态响应指标统的时间响应特性。动态响应指标。4.1.1 概述概述（3）励磁控制系统的典型动态响应曲线：发电机额定转速）励磁控制系统的典型动态响应曲线：发电机额定转速下，突然起励，使机端电压升至额定电压过程的时间响下，突然起励，使机端电压升至额定电压过程的时间响应曲线。应曲线。4.1.1 概述概述（4）励磁控制系统动态响应曲线的典型指标：）励磁控制系统动态响应曲线的典型指标：超调量：响应曲线超过稳态响应的最大值（标幺值）超调量：响应曲线超过稳态响应的最大值（标幺值）上升时间：自上升时间：自10%稳态响应值上升到稳态响应值上升到90%稳态响应

3、值时间。稳态响应值时间。调节时间：输出量与稳态值之差达到并且不再超过某一允许误调节时间：输出量与稳态值之差达到并且不再超过某一允许误差（差（5，2）所需的时间。）所需的时间。GBT7409.3-1997 同步电机励磁系统 大中型同步励磁系统技术要求4.1.1 概述概述相关国标 GBT7409.3-1997 同步电机励磁系统 大中型同步励磁系统技术要求 GBT7409.2-1997 同步电机励磁系统 电力系统研究用模型 GBT7409.1-1997 同步电机励磁系统定义 GB10585-1989 中小型同步电机励磁系统基本技术要求 DLT650-1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件

4、 DLT583-1995 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件 DLT491-1999 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行检修规程 DL490-1992 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置的安装验收规程 DL489-1992 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置的试验规程.doc4.1.1 概述概述（5）国标要求值：）国标要求值： GBT7409.3-1997GBT7409.3-1997同步电机励磁系统同步电机励磁系统 大中型同步励磁系统技术要求大中型同步励磁系统技术要求a.a.空载额定电压空载额定电压1010扰动时：扰动时：超调量小于超调量小于50% 调节时间小于调节

5、时间小于10 s 振荡次数少于振荡次数少于3次次b.b.零起升压时零起升压时 超调量小于超调量小于15% 调节时间小于调节时间小于10 s 调压精度优于调压精度优于0.5% 振荡次数少于振荡次数少于3次次4.1.1 概述概述（6）强行励磁时的响应曲线）强行励磁时的响应曲线4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数（1）概述）概述 a. 动态特性的分析方法：动态特性的分析方法：经典的传递函数法、现代的状态变量法两种。经典的传递函数法、现代的状态变量法两种。b. 传递函数法：传递函数法：根据系统各环节传递函数，分析其稳定性根据系统各环节传递函数，分析其稳定性4.1.2 励磁控制系统的

6、传递函数励磁控制系统的传递函数（2）励磁控制系统各环节传递函数）励磁控制系统各环节传递函数a. 励磁机：直流励磁机、交流励磁机、自并励可控硅励磁机：直流励磁机、交流励磁机、自并励可控硅直流励磁机：直流励磁机：4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数励磁机的饱和特性曲线励磁机的饱和特性曲线EEEEESGuGuIBBAEIIISEEEEEEuSKsTu14.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数EEEEEEuSKsTu14.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数交流励磁机交流励磁机dtduTSuuEEEEEE)1 (EsT1ES1EEu)(deEEu4.

7、1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数b. 励磁调节器传递函数励磁调节器传递函数电压测量比较、综合放大、功率放大等单元组成电压测量比较、综合放大、功率放大等单元组成电压测量比较：电压测量比较：电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。比较电路组成。测量、整流环节可用一阶惯性环节，其时间常数要取决测量、整流环节可用一阶惯性环节，其时间常数要取决于滤波电路的参数。数值通常在于滤波电路的参数。数值通常在0.020.06之间。之间。比较电路忽略时间常数。比较电路忽略时间常数。4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统

8、的传递函数综合放大单元综合放大单元传递函数综合放大单元、移相触发单元当作一个惯性环节。放大综合放大单元、移相触发单元当作一个惯性环节。放大倍数为倍数为KA、时间常数为时间常数为TA。它们的合成传递函数是：它们的合成传递函数是： 4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数功率单元功率单元传递函数：功率放大单元是晶闸管整流器，工作是断续的，有可能功率放大单元是晶闸管整流器，工作是断续的，有可能造成输出平均电压造成输出平均电压ud滞后于触发器控制电压信号滞后于触发器控制电压信号uSM。滞后时间为滞后时间为Tz。 在分析中，这样一个延迟在分析中，这样一个延迟 环节可近似为环节可近似为一惯

9、性环节。一惯性环节。 4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数c. 发电机传递函数发电机传递函数发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正比。比。 其次，认为发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元其次，认为发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元件的特性来表示。件的特性来表示。4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数（3）励磁控制系统合成传递函数）励磁控制系统合成传递函数励磁机：直流励磁机励磁机：直流励磁机G(s )表示前向传递函数，表示前向传递函数，H (s )表示反馈传递函数表示反馈传递函数4.1.2 励磁

10、控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制上图可得：上图可得：同步发电机励磁控制系统合成的闭环传递函数同步发电机励磁控制系统合成的闭环传递函数 4.1.2 励磁控制系统的传递函数励磁控制系统的传递函数交流励磁机及自并励静止励磁系统：交流励磁机及自并励静止励磁系统：RsT11AAsTk1BCsTsT11GCGCIjXUUGUGICUfUrefUP SSU4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性空载，励磁系统稳定性分析的方法：空载，励磁系统稳定性分析的方法： 精确稳定性分析：计算机求解状态方程的方法，比对稳定边界

11、条精确稳定性分析：计算机求解状态方程的方法，比对稳定边界条件。件。 定性分析：根轨迹（开环零极点）、乃魁斯特曲线（开环频率特定性分析：根轨迹（开环零极点）、乃魁斯特曲线（开环频率特性）性）绘制根轨迹的步骤绘制根轨迹的步骤 根轨迹的分支数（开环传递函数阶数）根轨迹的分支数（开环传递函数阶数） 开环传递函数的零点和极点开环传递函数的零点和极点 根轨迹与实轴的交点及渐近线根轨迹与实轴的交点及渐近线 根轨迹在实轴上的分离点根轨迹在实轴上的分离点 根轨迹的出射角和入射角根轨迹的出射角和入射角 根轨迹与虚轴的交点根轨迹与虚轴的交点4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性（一）典型励磁控制系统的

12、稳定计算（一）典型励磁控制系统的稳定计算设某励磁控制系统的参数如下：设某励磁控制系统的参数如下：系统的开环传递函数为：系统的开环传递函数为：4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性（2 2）根轨迹在实轴上的分离点）根轨迹在实轴上的分离点 4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性（3 3）在）在jj轴交叉点的放大系数：轴交叉点的放大系数： 4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性（二）励磁控制系统空载稳定性的改善（二）励磁控制系统空载稳定性的改善4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性具有转子电压

13、速率反馈：加入励磁电压微分负反馈信号具有转子电压速率反馈：加入励磁电压微分负反馈信号典型补偿系统的框图典型补偿系统的框图4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性 具有转子电具有转子电压速率反馈的压速率反馈的励磁系统框图励磁系统框图的简化的简化4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性 增加了电压速率反馈环节后，系统就有四个极点，三增加了电压速率反馈环节后，系统就有四个极点，三个零点。个零点。4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性求开还传递函数的零点，方程可写为求开还传递函数的零点，方程可写为: :零点位置随零点位置随T TF F、K KF F而变：而变：4.

14、1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性可视为开环传递函数：可视为开环传递函数：的闭环系统特征方程，作出的闭环系统特征方程，作出G G( (s s) )H H( (s s) )的根轨迹，其根轨迹的根轨迹，其根轨迹的每一点都是上式的根。的每一点都是上式的根。)(sG)(sH4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性零点的确切位置与零点的确切位置与TFTF、KFKF的值有关的值有关当当K K值给定后，即可确定值给定后，即可确定的零点。的零点。其位置如图中其位置如图中z1z1、z2z2、z3z34.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性引入电压速率反馈后，励引入电压速率反馈后，励磁控制系统的根轨迹图磁控制系统的根轨迹图引入电压速率反馈后，由引入电压速率反馈后，由于增加了一对零点，把励于增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。稳定性大为改善。4.1.3 励磁控制系统的稳定性励磁控制系统的稳定性结论：结论：在发电机的励磁控制系统中，一般都附有励磁控制系在发电机的励磁控制系统中，一般都附有励磁控制系统稳定器，作为改善发电机空载