第2章 同步发电机自动励磁课件

第2章同步发电机励磁自动控制系统什么是励磁？导体切割磁力线感生电动势e励磁就是提供一个磁场B对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ发电机产生的感应电动势的有效值为：第2章同步发电机励磁自动控制系统学习目的：通过本章的学习，掌握同步发电机励磁控制系统的主要任务和对他的基本要求、基本构成，理解励磁电源的方式和比例式励磁自动控制的基本原理；了解微机式励磁系统的工作原理；了解同步发电机励磁控制系统的静态特性和动态特性。重点：同步发电机励磁控制系统的主要任务，励磁控制系统的构成和各组成部分的工作原理。第一节概述

========基本知识点========一、同步发电机励磁自动控制系统的组成二、励磁控制系统的基本任务三、励磁系统的任务与要求一、同步发电机励磁自动控制系统组成第一节概述

第一节概述一、同步发电机励磁自动控制系统组成二、励磁控制系统的基本任务

☞

电压控制☞控制无功功率的分配☞提高发电机并联运行的稳定性☞提高电力系统的运行条件☞水轮发电机组要求强行减磁第一节概述二、同步发电机励磁系统的任务（一）电压控制

在发电机不经升压直接向用户供电的简单系统中，若供电线路不长，线路上电压损耗不大，单靠调节发电机的励磁来控制发电机的端电压就能满足负荷对电压质量的要求。（1）单机带负荷运行时：IG——发电机定子电流(亦是负荷电流)Xd——发电机直轴同步电抗其电势平衡方程为：IGUGEqXd等值电路图GEWδG

——发电机功角，即Eq与UG的相位差；IQ——发电机定子电流无功分量；Φ

——发电机功率因数(亦是负荷功率因数)。一般δG值很小，可近似认为cosδG≈1

上式说明，负荷的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者间的差值也越大。向量图：当励磁电流IEF不变时，IQ变换将引起UG变化；

☞即发电机单机带负荷运行时，电压变化主要由定子电流的无功分量IQ的变化引起的。如果发电机无功电流IQ不变，改变励磁电流将改变Eq，从而改变UG或使UG保持恒定；

☞即发电机单机运行时，调节励磁电流可改变发电机端电压。结论：同步发电机的外特性

结论:励磁控制系统通过不断调节励磁电流来维持机端电压为给定值。曲线1：IEF1不变，曲线2：IEF2不变励磁不变:(UGe，IQ1)(UG2，IQ2)励磁增加:(UGe，IQ1)(UGe，IQ2)（2）当发电机并入电力系统运行时------变压器漏抗和输电线路电抗归算值；---电力系统电压和变压器高压侧归算值。

结论：通过调节发电机励磁电流IEF来调节发电机电势Eq，可改变无功电流IQ，从而调节发电机端电压UG和变压器高压侧电压UB，维持发电机机端电压UG或系统内某一点电压（UB）在给定水平。XB=0，XL=0如果发电机直接接入无穷大电力系统：结论：当发电机并入无穷大系统时，发电机端电压等于系统电压，并随系统电压的变化而变化，此时发电机励磁调节系统不再有调节发电机端电压的作用。注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。

同步发电机励磁控制系统对发电机端电压的调节控制作用是与接入系统容量的大小有关：

其接入系统容量越大，对发电机端电压的调节控制作用就越小；其接入系统容量越小，对发电机端电压的调节控制作用就越大，

通常在由一台发电机供电的小系统中，仅靠发电机的励磁控制系统对发电机端电压的调节作用，就能满足系统对电压质量的要求。

小结：（二）控制无功功率的分配

发电机是系统中主要的无功电源。为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布,要求“合理控制”电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。“合理控制”的含义：(1)每台发电机发出的无功功率数量要合理；(2)当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。(1)发电机无功功率的控制原理在忽略发电机定子损耗及凸极效应时，发电机输出的有功功率为：Ⅰ、若同步发电机接于无穷大电力系统UX恒定不变，UG亦恒定不变，发电机输出的有功功率PG为一常数。无穷大电力系统：

发电机接入无穷大系统时，当调节发电机的励磁电流IEF时:结论：发电机无功功率调节控制原理：当发电机接于无穷大系统时，通过调节发电机励磁电流的大小就可以控制发电机输出的无功功率的大小。所以：同步发电机的励磁自动控制系统还承担着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。Ⅱ、推广到实际运行的系统中：

实际运行的电力系统中：发电机输出的无功功率不仅与发电机的励磁电流IEF有关，还与发电机的端电压UG(即系统电压UX)有关，并且也影响与之并联运行机组输出的无功功率。(2)合理分配并联运行发电机间的无功功率。以2台发电机并联运行为例：结论：当电网的无功负荷发生变化时，由于两台发电机的外特性不同，造成它们无功电流的变化亦不相同，改变了负荷增加前两台发电机无功电流分配的比例。外特性斜率相差越大，其改变程度也越大。以电网的无功负荷增加为例,分析2台发电机的无功电流变化情况。

在发电机自动励磁调节系统中有一个形成发电机外特性的环节----调差环节，通过它可以改变发电机的外特性，很容易地做到使并联运行发电机组的外特性都一致，从而达到并联机组间无功负荷合理分配的目的。在实际运行中，为了合理利用发电机组的容量，希望各台发电机应按照其额定容量的大小成比例的分配其输出的无功电流。可采取的方法将并联发电机的特性做的完全一致。才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。为发电机无功电流与其无功电流额定值的比值（1）稳定性的概念静态稳定：小干扰后恢复到原状态；（如：负荷波动）暂态稳定：大干扰后恢复到原状态或新状态；（如：系统故障）（2）励磁提高静态稳定性恒定的UG：If变→Eq变→UG不变

（三）提高同步发电机并联运行的稳定性1、励磁对静态稳定的影响对于某一固定的空载电动势Eq值，发电机传输功率PG是功角δ的正弦函数。2、励磁对暂态稳定的影响(a)单机无限大母线系统(b)短路故障下，功率特性曲线的变化：

初始工作曲线1；短路后3；故障切除2

暂态稳定性决定于加速面积abedabcd是否小于或等于减速面积dfed。提高暂态稳定性有两种方法1、减小加速面积：加快故障切除时间2、增大减速面积：提高励磁电压响应比；提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电势Eq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面积的目的。正常工作曲线1；短路曲线3；强励使功率特性曲线增加到bc‘段（减少了加速面积）；δ2时故障切除；强励使曲线2的dehg增加到de’h’g

（增大减速面积）；转子功角最大值由δm’降到δm。励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础上强调励磁强励倍数。（水电2倍;国标2倍+80%=2.5;三峡2.5+80%=3.125;<1000V,OK）结论：如果在故障时快速提高励磁电流，即增加发电机的感应电势，使发电机故障时的功角特性曲线II的幅值增加，从而使发电机在故障时的输出功率相对较大，降低转子加速程度，提高发电机的暂态稳定性。提高同步发电机的强励能力，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。(2)对暂态稳定性的影响（四）改善电力系统的运行条件当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，发电机的励磁自动控制系统可发挥其调节功能，即大幅度地快速增加励磁电流以提高系统电压来改善系统运行条件。(1)改善异步电动机的自起动条件。

图5.9短路切除后电压的恢复1—无励磁自动控制2—有励磁自动控制发电机强行励磁的作用可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机的自启动条件。(2)为发电机异步运行创造条件。当发电机的励磁系统发生故障时，有可能使同步发电机失去励磁，这时发电机将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅下降，严重时会危及系统的安全运行。此时，如果系统中其它发电机组能提供足够的无功功率来维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步方式维持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。(3)提高继电保护装置工作的正确性。当系统处于低负荷运行状态时，系统中的某些发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，有可能导致带时限的继电保护不动。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机的励磁电流以提高系统电压，增大短路电流，使继电保护装置可靠动作。（五）防止水轮发电机过电压水轮发电机在因系统故障被切除或突然甩负荷时，一方面由于水轮发电机组的机械转动惯量很大，另一方面为了引水管道的安全，不能迅速关闭水轮机的导水叶，致使发电机的转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机感应电势有可能升高到危及定子绕组绝缘的程度。因此要求励磁自动控制系统能实现强行减磁功能。三、对同步发电机励磁系统设计的基本要求励磁控制系统结构框图励磁系统的组成如图:励磁调节器的主要功能：检测和综合系统运行状态的信息，经相应处理后，产生控制信号，控制励磁功率单元，以得到所要求的发电机励磁电流。励磁功率单元向同步发电机提供直流电流。1.对励磁调节器的要求励磁控制系统结构框图任务要求迅速响应输入信息变化时间常数小准确调节发电机电压自然调差系数精确（＜1%）合理分配机组的无功功率电压调差系数范围大（＜±10%）远距离输电的发电机组，要在人工稳定区域运行无失灵区迅速反映系统故障励磁控制功能（强励）励磁控制系统结构框图2.对励磁功率单元的要求任务要求调节系统电压和本身无功功率可靠性、调节容量较强励磁能力頂值电压快速响应能力电压上升速度

励磁顶值电压是励磁功率电源在强行励磁时可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压之比称为强励倍数。其值的大小，涉及制造成本等因素，一般取1.6～2。本节小结一、同步发电机励磁控制系统的组成二、同步发电机励磁系统的任务1.电压控制2.控制无功功率的分配3.提高同步发电机并联运行的稳定性4.改善电力系统的运行条件5.防止水轮发电机过电压三、对同步发电机励磁系统设计的基本要求

1.对励磁调节器的要求

2.对励磁功率单元的要求第二节同步发电机励磁系统学习目的：

掌握同步发电机励磁系统的组成；掌握同步发电机的励磁方式有哪几种？各有何特点？一、同步发电机励磁系统的基本构成:1.直流励磁机励磁系统（最早）自励式直流励磁机励磁系统他励式直流励磁机励磁系统按励磁机励磁方式不同直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统的类型：励磁机EX和发电机G同轴，靠剩磁建立电压。二、常用同步发电机励磁系统的工作原理(1)自励直流励磁机励磁系统ILL—励磁机的励磁电流IAVR—自动励磁调节器输出的电流IEE—励磁机提供的励磁机的励磁电流励磁电流的调节方法：①通过人工调节励磁机磁场电阻RC来改变励磁机的励磁电流IEE，从而达到人工调整发电机励磁电流的目的，实现对发电机励磁电流的手动调节。②通过自动励磁调节器实现对励磁机的励磁电流IAVR自动调节。不能实现全自动调节，而是手动与自动联合调节。(2)他励直流励磁机励磁系统与自励方式的区别：直流励磁机的励磁电流是由另一台与发电机同轴的副励磁机供给。

他励直流励磁机取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的时间常数。所以与自励相比，他励直流励磁机时间常数小。该系统一般用于机械转动惯量大的水轮发电机组。直流励磁机励磁系统的适用范围：

只能在100MW以下的中小容量机组中采用。对直流励磁机励磁控制系统的基本评价：

在整流技术尚不发达的条件下，直流励磁机励磁系统为电力工业的发展做出过突出贡献。但也存在以下问题：①直流励磁机靠机械换向器换向，有电刷、换向器等转动接触部件，运行维护繁杂；②当发电机容量大于

100MW

时，直流励磁机的换向问题难以解决；③直流励磁机与同容量的交流励磁机或静止励磁系统相比，体积大、造价高。

直流励磁机系统2.交流励磁机励磁系统

交流励磁机（与发电机同轴）硅整流器自励他励可控硅整流（晶闸管整流）不可控硅整流静止旋转交流励磁机的励磁功率单元静止旋转交流励磁机励磁功率单元的组成：(1)他励交流励磁机静止整流励磁系统交流主励磁机和交流副励磁机均与发电机同轴旋转。交流励磁机交流副励磁机他励交流励磁机静止整流励磁系统系统的特点：①励磁容量不受限制。由于取消了直流励磁机，不存在换向问题，而交流励磁机的容量可以做得很大。②可靠性高。因为交流励磁机和副励磁机与发电机同轴、且自成体系，不受电网干扰。③被称为快速励磁系统。由于可控硅的控制角变化很快，发电机励磁电流可以很快变化。④交流励磁机的时间常数较大。控制环节多，使得这种励磁系统的时常数较大。⑤有转子滑环和炭刷。滑环和炭刷是转动接触装置，需要一定的维护工作量，且易发生火花、不利防火。对于大容量发电机励磁电流很大，难以通过滑环和炭刷将巨大的转子电流引入转子绕组。⑥加长了机组主轴长度。由于机组主轴上串上了励磁机和副励磁机，加长了机组主轴的长度，这些会使发电厂主厂房的土建造价增加。他励交流励磁机静止整流励磁系统系统的特点：

交流励磁机系统（他励）组成：交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。

优点：它励，励磁电源不受系统电源的影响缺点：调节速度慢，轴系长度长，易引发轴系振荡同轴(2)他励交流励磁机旋转整流励磁系统(无刷励磁)交流副励磁机为永磁发电机；没有炭刷。副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止发电机：电枢静止，磁极（励磁）旋转2．他励交流励磁机旋转整流励磁系统系统的性能和特点①取消了滑环和炭刷，维护量大为减少，不易引起火灾。②发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。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磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。2．他励交流励磁机旋转整流励磁系统系统的性能和特点（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）无接触部件的磨损，因而没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，电机的绝缘寿命较长。有刷励磁静止

无刷励磁系统

旋转3.静止励磁系统(发电机自并励系统)发电机的励磁电流是由机端励磁变压器经整流装置直接供给的，它没有其它励磁系统中的主、副励磁机旋转设备，故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供，又称发电机自并励系统。励磁变压器静止励磁系统的主要优点：①励磁系统接线和设备简单，无转动部分，维护方便，可靠性高。②不需要同轴励磁机，可缩短发电机主轴长度，降低基建投资。③直接用晶闸管控制励磁电压，可获得近似阶跃函数那样的快速响应速度。④由发电机机端取得励磁电源，机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成正比。而其他励磁机励磁系统输出的励电压与转速的二次方成正比。这样，当机组甩负荷时静止励磁系统机组的过电压较低。适用：目前已作为300MW及以上发电机组，特别是水轮发电机组的定型励磁方式。励磁变压器自幷励静止本节小结一、同步发电机励磁系统的组成。二、常用同步发电机励磁系统的工作原理1.直流励磁机励磁系统（最早）2.交流励磁机励磁系统3.静止励磁系统(发电机自并励系统)

电力系统自动化55第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁本节内容一、时间常数二、电压响应比三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁四、理想的灭磁过程五、交流励磁机系统的逆变灭磁第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁

磁场的建立：

在外部事故情况下，需要发电机转子磁场能迅速增强，达到尽可能高的数值，以弥补无功功率的缺额。磁场建立的两个指标：

☞强励顶值：转子励磁电压的最大值（1.8~2倍额定电流）

☞响应比：磁场建立的速度第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁

灭磁：

当转子磁场已经建立起来后，如果由于某种原因（发电机绕组内部故障等）需要强迫发电机立即退出工作，在断开发电机断路器的同时，必须使转子磁场尽快的消失，否则转子磁场内存储的大量能量迅速消释，会使电机内产生危险的过电压。一、时间常数（一）他励直流励磁机时间常数第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁

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：由于励磁机电势UEF正比于IEE，UEF也是按指数曲线增加的。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁（二）自励直流励磁机时间常数式中E0——自励直流发电机的残余电势值U1——励磁机的工作电压值IEE1⋅——励磁机的工作电流值k——比例常数交点1代表了自励直流发电机的电压建立条件和过程。虚线代表了励磁线圈的磁化曲线，在这条虚线上任一点的励磁机电动势为：（二）自励直流励磁机时间常数对自励励磁机的电势UEF，也有代入整理之，得由此得自励系统的时间常数:得

（三）自励系统时间常数Tc与他励系统时间常数Tt的比较原因: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UEF的建立过程却是UEF与IEE相互作用的结果。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁二、电压响应比(由制造厂提供）•电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁通常将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率定义为电压响应比。

特殊：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评价指标。励磁系统电压响应时间:

指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间。

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。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁要求：

1、灭磁时间短

2、灭磁过程中转子电压不应超过允许值（额定电压的4~5倍）第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁灭磁方法（1）直流励磁机——放电灭磁

在励磁绕组中接入一常数电阻Rm，将励磁绕组所储存的能量转变为热能而消耗掉。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁电流：按指数衰减

转子绕组端电压的最大值与电阻Rm有关，电阻Rm越大，灭磁过程越快，但eGEW0也就越大；电阻Rm越小，灭磁过程越慢，但转子绕组比较安全。理想的灭磁过程

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，直至励磁回路断开为止。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁

这就是说，在灭磁过程中，转子回路的电流应始终以等速度减小，直至为零（而不是按指数曲线减小了）。第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁（2）交流励磁机——逆变灭磁

利用晶闸管的有源逆变特性来进行转子回路的快速灭磁。保证逆变过程不致“颠覆”：

逆变灭磁过程是一个理想的灭磁过程剩余磁场能量向并联的电阻放电第四节励磁调节器原理本节内容一、励磁调节器的功能和基本框图二、励磁调节器原理三、励磁调节器的静态工作特性四、励磁调节器静态特性的调整五、自动励磁调节器的辅助控制一、励磁调节器的功能和基本框图回顾：

励磁调节器的作用：

☞保持发电机的端电压不变；☞保持并联机组间无功电流的合理分配。1、励磁调节装置的基本原理励磁调节装置(自动励磁调节器)是一个闭环比例调节器。输入量：发电机电压UG输出量：励磁机的励磁电流或是转子电流，通称为IAVR2、最简单的励磁调节装置的原理（人工调压）人工不断调整RC的大小，以达到维持其端电压不变的目的。人工在调压过程中的作用可用图中的ab线段来表示。人工和发电机形成了一个“封闭回路”。3、自动励磁调节器的原理框图

基本环节：测量、放大、同步、触发，实现电压调节和无功功率分配等最基本的调节功能。辅助控制：是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单元投入。励磁调节器的功能和基本框图(一)电压测量比较单元

作用:把发电机电压变换成与其成正比的直流电压，与给定电压进行比较，得到两者的偏差。二、励磁调节器原理(1)电压测量电路电压测量是将机端三相电压降压、整流、滤波后转换成一正比于发电机电压UG的直流电压Use

。(2)比较整定电路作用：把测量环节输出的正比于机端电压的直流电压与给定电压（来自电压整定器RP的电压）相比较，输出一个表征发电机电压与其给定值偏差的直流电压，送至综合放大单元。直流电压Use与来自电压整定器RP

的给定电压进行比较，取得偏差信号Ude，送综合放大单元。加法器输入量：Use+UVZ1+UVZ2

，其中：UVZ1是取自稳压管VZ的恒定负电压，UVZ2

是可变的整定电压。

第四节励磁调节器原理设UVZ2=0，则：特性为①＋②所示。第四节励磁调节器原理特性曲线可向右平移，如图中虚线所示：因此调节电位器RP

可改变发电机整定电压的作用。（二）综合放大单元1、综合放大单元的作用:①

被调量控制量：（基本控制量）；②反馈控制量：励磁系统稳定信号(为改善控制系统动态性能的辅助控制量)、电力系统稳定信号；③限制控制量：最大、最小励磁限制信号（异常情况）④输出移相单元所需的输入电压。不同的移相触发电路对输入电压有不同的要求，这种要求是靠综合放大单元来满足的。3、综合放大单元的工作原理及特性

由正竞比电路，负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成。（1）正竞比电路：励磁信号控制（2）负竞比电路：电压/频率限制器信号（3）信号综合放大电路：线性放大，双向限幅（4）互补输出电路：提高与下一级负载阻抗匹配能力

。综合运放的输出特性（三）移相触发单元1、同步和移相触发单元的作用：

移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单元送来的综合控制信号的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变晶闸管整流电路的输出，达到调节发电机励磁电流的目的。2、移向触发单元原理图同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，以保证在晶闸管每次承受正向阳极电压时，向其控制极发出脉冲，使晶闸管可靠导通。

脉冲发生器则根据综合放大单元送来的综合控制信号USM和同步信号比较，产生与主回路同步且相位可控的触发脉冲，并加以放大，最后输出具有合适电压幅值、合适脉冲宽度和足够驱动能力的触发脉冲，送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管整流桥。

脉冲给定基准器用来平移综合控制电压USM与控制角α的关系(即移相特性)，以使运行中的控制电压USM在合适的范围内，而不致产生饱和失控。（四）晶闸管整流电路1、晶闸管整流电路的作用。将交流电压整流成直流电压向发电机励磁绕组或励磁机励磁绕组供给可控制的励磁电流。2、励磁调节器中使用的晶闸管整流电路类型

三相半控桥式整流电路三相全控桥式整流电路第四节励磁调节器原理（五）自动－手动的自动切换

励磁调节器由自动励磁（AC）调节器和手动励磁（DC）调节器组成，为双通道结构。1、正常运行时，AC调节器工作，DC调节器作AC调节器的备用。2、当AC调节器故障时，由AC-DC自动切换装置控制，将DC调节器投入运行。3、为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击，在励磁调节器中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器，可确保切换冲击最小。第四节励磁调节器原理（五）自动－手动的自动切换第四节励磁调节器原理三、励磁调节器静态工作特性（一）静态工作特性的合成励磁调节器静态工作特性是指其输出电流IEE与输入电压UG之间的静态关系。静态工作特性的形成思想：在求出各构成单元的工作特性后，再合成为整个励磁调节器的工作特性。励磁调节器的静态工作特性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励磁调节器的静态工作特性及调整2发电机励磁自动控制系统的静态工作特性发电机的调节特性：IEF=f（IQ）励磁机定子电流IEF

（发电机转子电流）与励磁机的励磁电流IEE之间是线性关系励磁调解器

利用作图法作出的发电机无功调节特性曲线UG

=f(IQ)，图上用虚线示出工作段a、b两点的作图过程。

调节特性稍有下倾，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参数：调差系数.发电机转子电流直接用励磁机的励磁电流来表示。发电机无功调节特性3、调差系数（调差率）的概念UG1——发电机空载额定工况下的端电压；UG2——发电机无功电流等于额定值时的端电压。UG2=UGN

调差系数的定义：调差系数δ表示了无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化。调差系数越小，无功电流变化时发电机电压变化越小。所以，调差系数δ表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。第四节励磁调节器原理UGIQIQNUG2UG1四、励磁调节器静态特性的调整对同步发电机电压调节特性进行调整的目标：主要是为了满足运行方面的要求：①

保证并列运行发电机组间无功功率的合理分配

(通过调整各发电机的调差系数，使其相等即可实现)；②保证发电机能平稳地投入和退出运行，而不发生冲击现象。

(通过上下平移发电机调节特性曲线即可实现)第四节励磁调节器原理

实际上，一般自动励磁调节器的总的放大倍数是足够大的，所以发电机带有自动励磁调节器时的调差系数都小于1%，近似无差调节，这种特性不能使发电机并联稳定运行，也不能在并联机组间合理分配无功负荷。为了使发电机稳定运行且合理分配并联运行机组间的无功负荷，在励磁调节器中必须设有调差单元。（一）调差系数的调整第四节励磁调节器原理

当δ>0称为正调差，调节特性曲线向下倾斜，表示发电机端电压随无功电流的增加而下降；当δ<0称为负调差，调节特性曲线向上翘起，表示发电机端电压随无功电流的增加而上升；当δ=0称为无差特性，表示发电机端电压不随无功电流变化。第四节励磁调节器原理☞

在实际运行中，发电机一般采用正调差系数。

负调差系数主要是用来补偿变压器阻抗上的压降，使发电机-变压器组的外特性下倾度不致太厉害，这对于大型机组是必要的。☞在测量元件的输入量中，除UG外，再增加一个与无功电流IQ成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。输入量改为UG±Kδ

IQ☞

以两相式正调压接线为例，说明调差环节的工作原理。第四节励磁调节器原理4、调差单元的工作原理：按引用发电机电流的相数，调差单元的接线可分为单相、两相和三相三种方式。（1）当发电机带纯无功负荷(cosΦ=0、Φ=90°)时，作出相量图由相量图可以看出，在cosΦ=0时，励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节器测量比较单元的电压Ua′、Ub′、Uc′会随发电机输出电流的增加而增加。按照励磁系统的工作特性，当无功电流增加时，Ua′、Ub′、Uc′会增加，此时励磁系统会自动减少发电机的励磁电流，使发电机的端电压下降，于是就形成了向下倾斜的发电机调节特性。（2）当发电机带纯有功负荷(cosΦ=1、Φ=0)时，作出相量图由相量图可以看出，在cosΦ=1时，励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节器测量比较单元的电压Ua′、Ub′、Uc′基本上不随发电机输出电流的增加而变化。按照励磁系统的工作特性，发电机的励磁电流及端电压将不随发电机有功电流的变化而变化。结论：综上分析可知，励磁调节器的调差单元只反映发电机无功功率的变化而基本不反映有功功率的变化。（3）当发电机负荷功率因数为0<cosΦ<1时发电机的输出电流可以分解为有功分量和无功分量，发电机输出电流在调差单元中的作用可看成图(a)和图(b)的叠加。结论：两相式调差单元接线会使发电机端电压随发电机输出电流的增加而下降。从而形成了正调差特性。改变Ra和Rc的大小就可调整调差率δ的大小。对于负调差系数，其极性关系变为：正负调差系数通过改变调差接线极性获得。（二）发电机调节特性的平移发电机投入或退出电网运行时，要求能平稳地转移负荷，不要引起对电网的冲击。

(发电机并入电网运行后需要增加无功功率，退出电网运行前需要减少无功功率；并网运行时也要根据需要随时调节无功功率。)通过平移发电机电压调节特性实现的。如何解决？1、发电机退出电网时：若电网的无功电流从IQ1减小到IQ2时，再减小到IQ3,只需将发电机的调节特性曲线从1平移到2，再将调节特性继续下移到3的位置，则发电机输出的无功电流将减小到0。这样在机组退出运行时，就不会发生无功功率的突变，从而避免对电网的冲击.2、发电机并网运行时：

发电机投入运行时，只要使其调节特性曲线处于3的位置，此时发电机并网时无功电流为零,并网对电网

没有冲击.

待机组并入电网后再将调节特性曲线向上

移动，使无功电流增加到电网运行的要求值。3、改变励磁调节器测量比较单元的整定值RP，可控制无功功率特性上下平移，实现了无功功率的转移。

当可调电阻RP的19点（图2-27中）右移，整定值增加时，调节器的工作特性将右移。与此对应在图2-43中，发电机无功调节特性也随之上移。五、自动励磁调节器的辅助控制辅助控制：是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。辅助控制不参与正常情况下的自动控制。（一）最小励磁限制（欠励磁限制）

1、发电机的进相运行在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时，输电线的电容电流也相应增加。因此，当线路输送功率较小时，线路的容性电流引起的剩余无功功率使系统电压升高，以致超过允许的电压范围。使发电机进相运行吸收剩余无功功率是一个比较经济的办法。

第四节励磁调节器原理2、最小励磁限制发电机进相运行时，容许吸收的无功功率和发出的有功功率有关，此时发电机最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极限及发电机定子端部发热允许的范围内。为此，在自动励磁调节器中设置了最小励磁限制。（二）瞬时电流限制高值励磁电压将会危及励磁机及发电机的安全，为此励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁机的励磁电流，一旦该值超出发电机允许的强励顶值，限制器输出立即使励磁电流限制在Ifmax。第四节励磁调节器原理第四节励磁调节器原理五、自动励磁调节器的辅助控制（三）最大励磁限制

什么叫强励？电力系统短路时，为提高电力系统的稳定性，当发电机端电压下降至80％~85％额定电压时，发电机励磁应迅速强励到顶值电流，一般为1.6~2倍额定励磁电流，称为强行励磁。由于受发电机转子绕组发热的限制，强励时间不允许超过规定值。制造厂给出的发电机转子绕组在不同励磁电压时的允许时间见表。

最大励磁限制：发电机强励时，为了使机组安全运行，对过励磁应按允许发热时间运行。若超过允许时间，励磁电流仍不能自动降下来，则应由最大励磁限制器执行限制功能，保证机组的安全运行。强励限制它具有反时限特性，如图所示：另外，定时限限制器可以与反时限限制器配合使用，它实际上是一个延时继电器。当反时限限制器动作后，转子电流在规定时间(如3～5s)内未能恢复到反时限限制器的启动值(如1.1倍的额定励磁电流)以下，则定时限限制器动作，跳开发电机出口开关。第四节励磁调节器原理五、自动励磁调节器的辅助控制（四）V/HZ限制器

作用：用于发电机的端电压与频率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起过热。

第五节励磁系统稳定器一、概述1、同步发电机励磁系统的动态特性的概念

同步发电机励磁自动控制系统是一个反馈自动控制系统，其动态特性是指在外部干扰信号作用下，该系统从一个稳定运行状态变化到另一个稳定运行状态的时间响应特性。如图是同步发电机在额定转速下突然加入励磁时发电机电压从零升至额定值时的时间响应曲线。2、评价励磁控制系统动态特性优劣的三个动态指标①超调量在励磁系统自动调节暂态过程中发电机端电压最大值与稳态值的差值对稳态值的百分数。其数学表达式为:tp—发电机端电压出现最大值的时间；UG(tp)—发电机端电压的最大值；UG(∞)—发电机端电压稳态值。U②调节时间。从给定信号到发电机端电压值与稳态值的偏差不大于稳态值的2%所经历的时间。③摆动次数N。在调节时间内，发电机端电压摆动的周期数。分析发电机励磁控制系统的动态特性，首先应求出描述系统运动特性的数学模型，然后应用“自动控制理论”对动态特性进行分析。U

二、同步发电机励磁系统的传递函数

励磁系统和发电机构成一个反馈自动控制系统

——发电机励磁自动控制系统。求同步发电机励磁自动控制系统的传递函数4、合成同步发电机励磁自动控制系统的传递函数。方法：1、求出励磁调节器的传递函数2、求出励磁功率单元的传递函数3、求出发电机的传递