同步发电机的励磁调节系统

教材配套电子教案电力系统自动装置张瑛高阳

编制第四章同步发电机励磁调节系统教材配套电子教案本章的主要内容:

概述1同步发电机励磁系统类型2励磁系统中的整流电路3自动励磁调节装置的工作原理4励磁调节器静特性调整5本章的主要内容:并联运行机组间无功功率的合理分配6继电强行励磁装置与同步发电机的灭磁7励磁系统稳定器*8电力系统稳定器（PSS）*9微机励磁调节器10同步发电机的自动励磁调节通常由两部分组成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供可靠的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器，它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节功率单元输出的励磁电流。第一节概述自动励磁调节系统的主要作用

在发电机出力变化和系统故障等工况下，维持发电机电压恒定或在给定水平；保证机组间无功功率的合理分配；提高电力系统的稳定性以及提高继电保护动作的灵敏性等。励磁控制系统结构框图

感应电动势与端电压的幅值关系为

Eqcosδ=UG+IrXd

正常状态下δ值很小可近似认为cosδ=1

Eq≈UG+IrXd在励磁电流一定，Eq一定的状态下，负荷的无功电流的变化是造成发电机电压变化的主要原因

（二）实现并联运行发电机组的无功

功率的合理分配（三）提高同步发电机并联运行的稳定性

电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，受到扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态或者过渡到另一个新的运行状态，则称系统的是稳定的。其主要标志是在暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。

（四）、励磁调节系统对静态稳定和

暂态稳定的影响

1.对改善静态稳定的影响静态稳定储备系数有代表性的功率特性曲线

理想灵敏和快速励磁调节比较灵敏快速励磁调节不调节励磁2．励磁控制系统对暂态稳定的作用故障前故障前故障时故障后故障时故障时加速面积减速面积（四）励磁系统能改善电力系统的运行条件改善异步电动机的自启动条件为发电机异步运行创造条件

提高继电保护动作的灵敏度二、对励磁系统的基本要求（一）要求励磁系统应能保证发电机在各种运行工况下有足够的可靠性并具有一定的调节容量。（二）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度强行励磁励磁系统强励性能的主要指标

1．励磁电压响应比2．励磁电压强励倍数强励倍数是在强励期间励磁功率单元可能提供的最高输出电压UEmax与发电机额定励磁电压UEN之比。对励磁系统的其它基本要求（三）应有足够的强励持续时间（四）应有足够的电压调节精度与电压调节范围（五）励磁系统应在工作范围内无失灵区（六）励磁系统应有快速动作的灭磁性能第二节同步发电机励磁系统类型一、直流励磁机系统二、交流励磁机系统三、发电机自并励系统一、直流励磁机系统（一）自励式直流励磁机系统（二）他励式直流励磁机系统（一）自励式直流励磁机系统

这种系统在空载和低励时，发电机电压的稳定性较差，电压上升速度较慢。多用于中小型发电机组。（二）他励式直流励磁机系统

他励式直流励磁机系统多用于水轮发电机组。二、交流励磁机系统（一）带静止整流器的励磁系统（二）带旋转整流器的励磁系统（无刷励磁）（一）带静止整流器的励磁系统自励式带静止整流器的励磁系统他励式（二）带旋转整流器的励磁系统（无刷励磁）原理图如下三、发电机自并励系统

第三节励磁系统的整流电路一、工作原理晶闸管导通必须具备两个条件晶闸管导通必须具备两个条件：一个是加入正向电压，另一个是有触发脉冲。当加入正向电压，且有触发时，晶闸管导通，即使触发脉冲消失，也可以继续保持导通状态，直到加入反向电压而自然关断为了防止失控现象的发生，在电感性负载两端并接一反向续流二极管V1，在晶闸管电压过零关断时，电感两端的反电动势经续流二极管形成电流回路，由于续流二极管两端电压甚低，接近于零，从而保证晶闸管能可靠关断，显然续流二极管应选择正向压降小的，以确保晶闸管的可靠关断三、整流电路的换流压降及外特性三相桥式全控整流

电路输出电压与控制角间关系输出平均电压为正，三相全控桥工作在整流状态

输出平均电压为负，三相全控桥工作在逆变状态

最小逆变角当需要发电机转子快速灭磁时，要把控制角限制在范围，以确保逆变成功

整流电路输出特性第四章同步发电机的励磁调节系统第四节自动励磁调节装置的工作原理4一、励磁调节器的基本概念自动励磁调节器组成

基本控制部分:调差、测量比较、综合放大、同步与移相触发及可控整流环节组成

辅助控制部分:

励磁系统稳定器电力系统稳定器励磁限制器基本控制部分与辅助控制部分的区别基本控制部分:正常运行时，这些环节起到实现电压调节和无功功率分配等最基本的功能。辅助控制部分:辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时起相应控制作用。数字式励磁调节器构成框图晶闸管自动励磁调节器的框图（二）、励磁调节器工作原理1．测量单元励磁调节器为了实现电压调节和无功功率分配等基本功能，需要测量的信息为发电机机端电压、电流，以及反映机组运行状态的开关量信息。测量单元的任务测量单元的任务是将所需测量的各类电量值的电压、电流信号(直流或交流，图中用,)转化为数字信号，同时进行一些必要的计算及数据缓存，经数据总线供给主控制单元。输入的状态量则经光电隔离后，直接送至数据缓存。2.主控单元数字式励磁调节器的主控单元可以从指定的内存储区调用信息，以实现多种综合功能的参数输入，无需特定的硬件元件来支持，这也是数字式励磁调节器的优点。主控单元的输入信号逻辑结构如图

3．移相触发单元移相触发单元产生可调相位的脉冲，用来触发晶闸管，使其触发角能够随着主控制单元输出的控制数据而改变，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。移相触发单元结构框图如图

(1)同步电压整形电路

(3)移相和脉冲形成电路

移相原理是把控制触发角换算成对应的延时，再折算成对应的计数脉冲个数D的换算公式为

(4)整流器接口电路

当脉冲形成电路发出控制脉冲后，要经过整流器接口单元，以实现光电隔离，并作为触发脉冲的输出端口，在控制单元和门极驱动接口之间实现电气隔离。整流器接口单元还应具备测量整流桥的输出电流并监测桥臂电流的功能，并可监控可控硅整器部件的状态，如熔断器，温度等。(5)门极驱动电路

门极驱动接口单元用于放大脉冲，使之与晶闸管触发的水平相匹配，一般门极驱动接口单元含有与全控桥晶闸管数量相等的脉冲变压器。

4．人一机接口

(1)程序调试

(2)参数设定与维护(3)运行操作三．励磁调节器的静态工作特性基本控制部分简化框图1.静态工作特性的合成2.具有AVR装置的发电机的外特性发电机带有励磁调节器装置后，当无功电流Ir变动时，发电机电压UG基本不变。达到自动调压的目的。外特性稍有下倾，下倾的程度用调差系数δ来表示，调差系数δ是发电机励磁控制系统运行特性的一个重要参数。其定义为调差系数也可用百分数表示由调差系数的定义表明，δ表示了无功电流由零增加到额定值时，发电机电压的相对变化，δ越小，则电压变化也越小。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。由图4-39可见，励磁调节器的静态放大倍数愈大，ab直线愈平缓，δ就愈小。但过大的放大系数将可能引起运行不稳定。四、励磁调节器的辅助控制辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是，辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时，通过信号综合放大器中的竞比电路，闭锁正常的电压控制，使相应的限制器起控制作用。励磁调节器中的辅助控制对提高励磁系统的响应速度、提高电力系统稳定及保护发电机、变压器、励磁机等的安全运行有极为重要的作用。下面将对自动励磁调节器中常用的几种励磁限制功能作一些简述。1．励磁限制功能①最小励磁电流值应限制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，但发电机进相运行时，允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。为此在自动励磁装置中设置了最小励磁限制。发电机进相运行时的向量图当处于静态极限时，δ=90度，cosδ=0,

静稳态下功率圆方程圆心在半径

实现欠励限制时，可以用直线或折线来近似圆弧。当考虑留有一定的稳定储备，用直线作为限制线，中直线的方程为

无功要限制在直线之内

时不加限制

时加限制

（二）瞬时电流限制当励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时，应立即对励磁机的励磁电流加以限制，以防止危及发电机的安全运行。瞬时电流限制控制框图（三）最大励磁限制最大励磁限制是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。按规程要求，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。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。

不同励磁电压时的允许时间转子电压标幺值允许时间（s）1.121201.25601.46302.0810反时限特性为使机组安全运行，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，它具有反时限特性，如右图（四）V/HZ（伏/赫）限制器V/HZ（伏/赫）限制器，用于防止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的过热。发电机解列运行时，其端电压可能升的较高，频率也有可能较低，例如机组启动期间，频率较低，甩负荷时，电压较高等。如果其机端电压UG与其频率fG的比值UG/fG过高，则同步发电机与其相连的主变压器的铁心就会饱和，使空载励磁电流加大，造成铁心过热。V/HZ（伏/赫）限制器的任务就是保证在任何情况下，将比值U/f限制在允许的安全数值以下。(五)发电机失磁监控发电机“失磁”是指发电机在运行中全部或部分失去励磁电流，使转子磁场减弱或消失。这是发电机运行过程中可能发生的一种故障运行状态。造成发电机失磁的原因由于励磁开关误跳闸、励磁机或晶闸管励磁系统元件损坏或发生故障、自动灭磁开关误跳闸、转子回路某处断线及误操作等。失磁后，励磁电流逐渐衰减到零，原动机的驱动转矩使发电机加速，导致功角δ加大，发电机失步，进入异步发电运行状态。第五节励磁调节器静特性调整与电网并联运行的发电机，为满足运行上的要求，要求对自动励磁调节器的静态工作特性进行必要的调整。这些要求是：①保证并联运行发电机组间实现无功功率合理分配；②保证发电机在投入和退出运行时，平稳地转移无功负荷，而不发生无功功率冲击。通过调整外特性的调差系数和对特性的平移，可以满足上述要求一、调差系数的调整调差特性调差环节工作原理常见的一种调差环节接线二、调差特性的平移第六节并联运行机组间无功功率的合理分配

在同一母线上并联运行的几台发电机，若改变任一台机组的励磁电流，不仅影响该机组的无功电流，同时还影响到并联运行的其他机组的无功电流，甚至引起母线电压的变化。这些变化与机组的外特性有关。因此，合理调整机组的外特性，可以实现机组间无功负荷的合理分配。一、一台无差特性与一台有差特性机组并联运行二、两台无差特性的机组并联运行二、正调差特性的发电机的并联运行标么值为

要使并联机组的无功电流增量按机组容量分配，则要求各机组具有相同的调差系数，即两机的外特性相同。

要使并联机组的无功电流增量按机组容量分配，则要求各机组具有相同的调差系数，即两机的外特性相同。如果δ不相同，则调差系数小的机组承担的无功电流量增大。为了使无功电流分配稳定，调差系数不宜过小.n台发电机并联运行四、发电机经升压变压器后并联运行第七节继电强行励磁装置与同步发电机的灭磁强行励磁---------电网故障

灭磁---------发变组内部故障

UE=IEE(RC+Rg+REE