同步发电机励磁自动调节

第二章同步发电机励磁自动控制系统总述励磁系统的任务励磁系统的类型励磁系统的整流电路并联机组间无功分配励磁装置的原理第一节概述同步发电机的励磁系统

励磁功率单元

励磁调节器

G发电机电力系统励磁自动控制系统构成控制同步发电机的励磁同步发电机的运行特性同步发电机的空载电动势的大小发电机的励磁电流一、同步发电机励磁控制系统的任务电压控制无功分配提高稳定强行励磁强行减磁一发电机励磁系统的任务（一）电压控制

等值电路相量图GGEWUEF.IEF.UGIG..xdEq.UG.IG.IP.UG.IQ.IG.φjIGxd.Eq.δGφjIQxd.发电机励磁系统的任务电压控制同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平的。GIEFUGIGEqIGUGIEF1UGUG2UGeIQIEF2IQ2IQ1EqUGjIGXdIGIQIP负荷中的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节励磁电流来维持端电压在给定水平的。

发电机励磁系统的任务（二）控制无功功率的分配

设单机无穷大系统：GIG.UG=常数.发电机励磁系统的任务控制无功功率的分配由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。静态稳定暂态稳定

电力系统的稳定电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。

电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡到一个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。

电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。发电机励磁系统的任务提高并联运行的稳定性1励磁对静态稳定的影响发电机的输出功率为发电机励磁系统的任务提高并联运行的稳定性abc同步发电机的功角特性最大可能传输的功率极限为

发电机励磁系统的任务提高并联运行的稳定性它使发电机能在大于90度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。发电机励磁系统的任务提高并联运行的稳定性2励磁对暂态稳定的影响发电机的暂态稳定等面积法则

PGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求励磁系统具备快速响应的条件。为此，一方面缩小励磁系统的时间常数，另一方面尽可能提高强行励磁的倍数。发电机励磁系统的任务（四）强行励磁以改善电力系统运行条件1改善异步电动机的自启动2为异步发电机运行创造条件3提高继电保护工作的准确性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1201008060402000102030t(s)U(%)发电机励磁系统的任务（五）水轮发电机强行减磁当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度，所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁。二、对励磁系统的基本要求维持电压水平和无功的合理分配控制能力和调节范围快速反应能力高度的可靠性快速性结构简单，易于维护足够的阻尼能力三对励磁系统的基本要求励磁调节器:检测和综合系统运行状态的信息,以产生相应的控制信号,经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。其基本要求励磁功率单元:受励磁调节器控制，并向同步发电机转子提供励磁电流。其基本要求系统正常运行时,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；静差率励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区；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；具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。1对励磁调节器的要求2对励磁功率单元的要求

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。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。第二节同步发电机励磁系统类型励磁系统直流励磁机交流励磁机静止励磁第二节同步发电机励磁系统励磁系统的历史直流励磁机励磁系统

机械整流子在换流方面遇到了困难，且大功率半导体整流元件制造工艺的日益成熟。交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成)

静止励磁系统(发电机自并励系统)

为了缩短主轴长度，降低造价，减少环节。几种常用的励磁系统简要介绍（重点分析励磁功率单元）一直流励磁机励磁系统（100MW以下）

按励磁机的励磁绕组供电方式的不同

自励直流励磁机励磁系统

他励直流励磁机励磁系统=G励磁调节器IAVRIEEIRIE1自励直流励磁机励磁系统

DER2他励直流励磁机励磁系统G励磁调节器IEEIR=IE=IAVRPEDE二、交流励磁机励磁系统（100MW以上）

交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同可分为以下几种。他励交流励磁机励磁系统

自励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机静止整流器励磁系统他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统自励交流励磁机静止整流器励磁系统1他励交流励磁机静止整流器励磁系统G自励恒压调节器放大器触发器电压检测调差励磁调节器交流发电机交流励磁机交流副励磁机可控整流器滑环起励电源VSR2他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)G励磁调节器交流发电机旋转元件永磁副励磁机晶闸管整流器NS1自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统GAVR滑环自动恒压元件电压起励元件VSAE起励电源2自励交流励磁机静止整流器励磁系统G

励磁调节器滑环电压起励元件VSAE起励电源三静止励磁系统(发电机自并励系统)G

励磁调节器滑环电压起励元件VS起励电源励磁系统的整流电路整流电路三相桥式不可控三相桥式半控三相桥式全控第三节励磁系统中的整流电路

三相桥式不可控整流电路三相桥式半控整流电路三相桥式全控整流电路一三个基本整流电路二整流电路的换流压降及外特性

三最小逆变角+-RfeaebecV1V3V5V4V6V2三相桥式不可控整流电路eaecebteabacbcbacacbabacbc161232345456161232ut1工作原理共阴极连接的二极管，在t=30-150之间是V1导通，V3、V5承受反压而关断；在t=150-270之间是V3导通；在t=270-390

之间是V5导通。共阳极连接的二极管，在t=90-210之间是V2导通，V4、V6承受反压而关断；在t=210-330之间是V4导通；在t=330-450

之间是V6导通。2输出电压RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V三相桥式半控整流电路1工作原理eaecebteugabacbcbacacbabacbc161232345456161232tut脉冲控制角=0135RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脉冲控制角=30°euguLtttRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脉冲控制角=60°uguLttetRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脉冲控制角=120°uguLttetRfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V脉冲控制角=180°uguLttet2输出电压与控制角关系3失控现象和续流二极管的作用uguLttett3t4t5RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2VeaecVS1V2V+(-)-(+)三相桥式全控整流电路ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L◤在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发的方式称“单窄脉冲触发”

◢

◤每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的，这种触发方式称之为“双窄脉冲触发”。

◢

◤若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作，这种触发方式称之为“宽脉冲触发”◢

三相桥式全控整流电路触发脉冲的形式ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2LeuLugtttugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脉冲控制角=0°工作原理ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脉冲控制角=60°euLugtttugt2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脉冲控制角=90°uLtugtugtett1t2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L脉冲控制角=60°150°eugtttugtuLt1t2VS6VS1VS3VS2VS43输出电压与控制角关系电感性负载逆变角=180°-uLtugtugtett1t2在<90时，输出平均电压Ud为正，三相全控桥工作在整流状态。在>90时，输出平均电压Ud为负，三相全控桥工作在逆变状态。电阻性负载电阻性负载uLtugtugtett1t2ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Leidugtttugtt1二整流电路的换流压降及外特性换流角ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2LeaebecVS1VS3VS2LLLi以上讨论中均假设换流角＜60，当交流回路中电抗较大，并且直流负载电流较大时，换流角也会增大。当＞60时，整流回路中换流过程将发生变化，此时不能用上式来计算整流电路输出的直流电压。

etugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2Lugtt0t1VS1VS3VS5VS2VS6VS4三最小逆变角晶闸管关断角

第四节励磁控制系统调节特性和并联机组间无功分配励磁控制系统框图同步发电机励磁功率单元励磁调节器手动自动励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，实现控制功能。

励磁系统其他信号一励磁调节器的基本特性与框图

比例式励磁调节器

励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。常用的励磁调节器是比例式调节器，它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器基本框图励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的简化框图励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即测量K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4UGUREFUdeUSMUAVRK——调节器的放大倍数励磁调节器的基本特性与框图励磁调节器的静态工作特性调节器放大系数K与组成调节器的各单元增益的关系为励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积

0000UdeUAVRUAVRUdeUGUGUSMUSMUREFba励磁调节器的基本特性发电机励磁控制系统静态特性

发电机调节特性励磁调节器的基本特性励磁控制系统静态特性

无功调节特性在公共母线上并联运行的发电机组间无功功率的分配，主要取决于各台发电机的无功调节特性。而无功调节特性是用调差系数来表征的:调差系数越小说明IQ对UG影响越小UGUG1UG20IQIQNΔUG励磁调节器的基本特性励磁控制系统静态特性

调差系数存在的意义:①能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击；②保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。UGIQδ=0δ<0δ>0UG0励磁调节器的基本特性发电机无功电流的转移

3-2-1IQ投入运行到合适点,无冲击1-2-3退出运行,IQ减小到零,无冲击UGIQUM123IQ2IQ1并联运行机组间的无功功率分配无差调节特性

1无差+有差有困难无法稳定不能并联运行

2无差+无差

UGIQⅠ

δ=0Ⅱ’δ<0Ⅱ

δ>0UⅠUⅡUⅡ’IQ2UGIQⅠⅡUⅠUⅡ并联运行机组间的无功功率分配有差调节特性

UGUGⅠUGⅡ0IQI’QⅠⅠⅡUG0UGNIQⅠIQⅡI’QⅡIQN123IQ1IQ2IQUG退出运行投入运行移动发电机调节特性的操作是通过改变励磁调节器的整定值来实现的。并联运行机组间无功功率的分配一一台无差调节特性的机组与正有差调节特性机组的并联运行UGIQU1U212IQ2一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。但在实际运行中，由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量，机组间无功功率的分配很不合理，这种运行方式很少采用。UGIQ不能稳定运行二一台无差调节特性的机组与负有差调节特性机组的并联运行具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的UGIQU2U1三

两台无差调节特性的机组并联运行不能并联运行四正调差特性的发电机组的并列运行UG2UG1IQB1IQA1IQB2IQA2ABUGIQUG2UG0IQeUGUGe

IQIQ2U

IUG2

UG1IQB1IQA1IQB2IQA2AB一、励磁调节器的原理及发展

（一）电压调节的原理

按调节原理可分为反馈型和补偿型。用负载电流补偿励磁的方法称为复式励磁。发电机的电压却不仅与负载电流有关，而且还受负载功率因数的影响。因此，励磁补偿需同时计及负载电流和功率因数这两个因素才为合理。这种既反映电流大小反映电流相位的复式励磁为相位复式励磁。第五节励磁调节装置原理按定子电流补偿复励装置原理可控相位复励装置原