第四章 同步发电机励磁控制

第四章

同步发电机的励磁控制§4-1对同步发电机励磁的基本要求1.在电力系统正常运行情况下供给同步发电机所需的励磁电流。2.使并联运行的各发电机之间无功功率合理分配。3.励磁装置应动作快速，调节过程稳定，没有失灵区，以利于提高系统的静态稳定性。4.当电力系统发生短路故障或其他故障使系统电压严重下降使能对发电机进行快速强行励磁，以提高电力系统的暂态稳定性。5.有可能引入按发电机转速偏差对励磁进行校正以改善系统的动态稳定性。6.当发电机突然甩负荷时实行强行减磁，以限制发电机端电压的速度升高。7.当发电机内部出现短路故障时进行灭磁，以减小故障的破坏程度。§4-2它励式励磁系统1.直流机励磁方式

用直流机励磁是同步发电机的传统励磁方式。最简单是用直流并励发电机作励磁机，利用手动或自动电压调节器通过调节励磁机励磁回路中的等效电阻来实现调压。直流励磁机结构复杂，维护困难，反应速度较慢，且易产生火花。极限容量小，最大只能做到500~600千瓦，不能满足大型汽轮发电机的要求。最简单的他励励磁系统当电网电压下降，将被短接，励磁电压上升，发电机的励磁电流加大。强励过程受励磁机时间常数的限制，电压上升速度不快，对于低速大容量水轮发电机，难以达到要求。带有副励磁机的他励系统该系统有两台励磁机，短接电阻，可迅速提高，使主励磁机的端电压得到较高的上升速度。由于有两台励磁机，增加了结构的复杂度，影响厂房设计。2.交流励磁机方式

对电机容量较大，采用直流机励磁有困难或要求快速性较高的场合，可采用交流励磁机再经过半导体整流后作为发电机的励磁电源。根据半导体整流配套方式的不同可分为：配静止半导体整流器的交流励磁机方式配置旋转半导体的交流励磁机无刷励磁(1)配静止半导体整流器的交流励磁机方式

该方式的原理图如下图所示。它包括一台交流励磁机L，一台交流副励磁机FL和三台整流装置。系统说明为了提高可靠性，两台交流励磁机都是同轴的。为了减小励磁电流的纹波机励磁时间常数，交流励磁机一般采用100赫兹以上的高频。其输出的电流经整流后由滑环送如主发电机励磁绕组。交流副励磁机一般采用500赫兹中频，现多用永磁式，也可采用自励。晶闸管自动励磁调节器

晶闸管自动励磁调节器是交流机励磁系统的关键部分。它一般由测量比较，综合放大，移相控制和功率输出（可控整流桥）等几个部分组成。下面着重说明其测量调差部分，它是由电流调差环节和电压测量环节组成。原理图如下图所示：a.电流调差环节

（a）调差系数（静差度）式中——发电机的空载电压——额定无功电流下发电机的端电压。（b）输入输出关系：调节器对有功电流的变化不敏感调节器对无功电流比较敏感电压测量环节主要作用是迅速、准确可靠地将电流调差环节的三相输出电压变换成适合的直流信号电压，以便与给定值相比较。由电压测量环节计及调差系数的电压反馈信号与给定信号相比较后经综合放大器去控制可控整流桥，调节励磁电流，综合放大器除了作为电压调节器外，它同时还可接受其他保护信号，也可接受电力系统稳定器的控制。(2)配置旋转半导体的交流励磁机无

刷励磁方式交流励磁机为转枢式，整流器的直流输出直接接到发电机励磁绕组而省去碳刷和滑环等结构，变成无刷、无接触式。无刷励磁方式与静止半导体交流励磁方式的电气性能相似，其主要优点是取消了碳刷和滑环，减小了维修工作量，但却增加了结构的复杂性。§4-3自励式半导体励磁系统概述：

自励式半导体励磁方式与交流机励磁方式的差别主要在于励磁功率不是来自专门的励磁机，而是直接从主发电机所发出的功率中取得，采用自励式可以省去励磁机，简化设备，但一般不能作到恒压，当负载变动时为保持恒压，需要靠励磁调节器进行调节。1.自并励方式励磁过程：

主发电机1的励磁功率由发电机端的励磁变压器2经过可控整流器3整流后供给，发电机的励磁调节由自动励磁调节器4通过改变可控整流桥的输出来实现。发电机刚开始时，由起励磁装置5建立起始电压。说明当电网发生故障时，励磁系统供电电压将严重下降，一般不能保持自励。不能进行强励，而且有失磁的趋向。此方式可应用于某些大中型电机中。为使机端电压严重下降时励磁系统仍能工作，调节器应具有低压出发单元。2.自复励方式

为了克服自并励系统的缺点，一般中小容量发电机中常用下图所示的自复励系统。

系统结构

该系统有两套并联工作的整流装置：一套是利用发电机的机端电压经过励磁变压器向可控硅整流装置供电，另一套是利用发电机的输出电流经复励变压器（实为有一定功率输出的电流互感器）通过二极管整流装置供电。两套整流桥的直流侧并接在励磁绕组的两端，联合供给励磁电流。工作过程在发电机空载时输出电流为零，复励部分不工作，励磁电流有励磁变压器单独供给。当发电机带负载运行时，由励磁变压器和复励变流器共同供给励磁电流。复励部分在一定程度上起到补偿电枢反应，维持电压的作用，但调压主要还是靠励磁调节器来完成。维持自励条件当电网发生故障时，在短路最初瞬间转子非周期分量突增为，在励磁绕组上产生的压降为在发生短路的同时，励磁绕组的平衡关系为自复励系统在电网发生故障时能维持自励的条件是

3.三次谐波励磁方式

这是利用同步电机气隙磁场内固有三次及三的奇倍数次谐波磁场在定子辅助绕组（谐波绕组）中感生的谐波电势，经整流后作为励磁电源的一种自励方式，无论是凸极或隐极式同步电机均可采用，下面以凸极同步发电机为例加以说明。不考虑饱和时，气隙磁场的表达式式中x均以基波电角度来度量不计饱和时气隙磁场波形分解图三次谐波励磁发电机的外特性结论

从上图及表达式可见，滞后的电枢电流所产生的基波磁场是去磁的，它回使发电机的端电压下降；可是它的三次谐波却是助磁的，它使气隙中的三次谐波磁场加强，所以如果同步发电机的定子槽中单独嵌一套三次谐波绕组，它们的节距取，并且通过适当的线圈联接使其总电动势只有三次及三次的奇倍数次谐波那么可以利用这个谐波绕组中的感应电动势作为发电机的励磁电源，经整流后对发电机的励磁绕组供电,使发电机的励磁能随感应电枢电流的增加而增加,以补偿电枢反应的去磁作用。§4-4相复励励磁系统

1.相复励的原理:励磁磁势中包括两个分量:和夹角为如果找得到一种交流电源,它能满足:提供两个电流分量，且它们之间的夹角也为，则将它们的合成值经整流后输入励磁绕组，即为此工况下所需的励磁电流。相复励的典型接线方式相复励的典型接线方式如图4—18a)所示。图4—18b)为忽略互感器励磁支路和内阻抗后的等效电路。图中发电机端接有电流互感器()和电压互感器().当忽略电流互感器的激磁电流时,其副边电流与负载电流的关系为电压互感器的副边电压与发电机的端电压的关系为,两互感器的副边电流迭加后为励磁系统交流侧的总电流.即忽略互感器的励磁支路,利用迭加原理计算可得:如果以为时间参考轴;取,则:

且

由此可见,超前于的相位角为,很接近于图4—17中的。因此按图4—18a)的接线方式可得到符合于相位补偿关系的复式励磁作用（见图4—19）。2.相复励实现恒压的条件若要求不论发电机的负载电流情况如何，发电机端电压均恒定，则需满足由此可得相复励得恒压条件为：3.相复励的接线型式

以下是三种常用的接线方式，习惯上称为电抗移相式系统：谐振式复相励磁系统小结

相复励励磁系统结构简单，运行可靠，在不加专门电压调节器装置的情况下能自动的适应负载的变化，保持发电机端电压的基本恒定，在中小型同步发电机中得到广泛的运用。但是由于这种发电机的外特性的固定的，有时在不同发电机并联运行时，会遇到困难，为了解决它们的并联运行问题，有时需要对相复励系统的移相电抗器进行适当的调节。§4-5交流励磁发电交流励磁发电机的结构类似于绕线型异步电动机，但转子上通常有4个或6个滑环，以便把转子相绕组中点引出。馈电方式则和双馈电机或异步电机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组由变频器供电。他控式交流励磁电机实质上就是一般的双馈电机，既具有同步电机的特点，又可通过改变转子输入电流的频率来变化电机的运行速度。自控式交流励磁电机的变频器的输出频率受与电机转子同轴安装的位置检测器的控制，始终等于转差频率，从而保证励磁电流所产生的旋转磁场能始终和定子电流所产生的电枢磁场保持同步。

电磁转矩的讨论设定子电压为，当转差为s时，转子以角速度旋转，其轴线的空间位置可表示为。转子绕组中由变频器供给的转差频率电压为：

则，交流励磁发电机的电磁转矩可表达为：

其中：式中：——定子全自感，——转子全自感，——电机的功率角，由以上各式可以看出，交流励磁条件下，电机的转矩将大体由三部分组成：

为由定子磁场以的速度切割转子绕组时，感应的转子电流而产生的转矩，它与转差率s有关；为由转子磁场以的速度切割定子绕组时，感生的定子电流产生的转矩，它与转差率s无关；为定、转子磁场相互作用产生的同步转矩，它随功率角而变化。当忽略定、转子电阻时，可简化为：在交流励磁条件下，功率角，它既决定于转子轴线的位置，又与转子电压的相位有关。这样当运行条件引起转速波动时，就可以通过及时的调节转子输入电压的相位来补偿转子速度波动的影响，以抑制电机功率的波动，从而提高发电机并网运行的稳定性。定子磁场定向控制交流励磁系统系统说明

发电机定子输出接电网，并采用电压互感器PT、电流互感器CT分别对定子电压定子电流采样，以实现输出有功功率P、无功功率Q的分析。发电机转子侧由交—交变频器供电作交流励磁，也采用CT对转子电流采样，以实现电流反馈控制。关于定子磁场定向的讨论

由于电机定子始终运行与50Hz工频，因此定子绕组电阻与电抗相比总是可以忽略的，这样定子磁通矢量与定子电压矢量之间相差90°，如图4—24所示。按照矢量控制的原理将M—T坐标的M轴与定子磁链矢量重合时，电机端电压矢量将在负T轴方向，此时：定子磁场定向矢量图由上式可知电机端有功功率P与成正比，无功功率与成正比，所以在定子磁场定向控制下，电机有功、无功的调节也就成了定子电流分量和的调节。在交流励磁方式下，这又是通过相应的转子电流分量的控制实现的。定、转子电流间的关系