同步发电机励磁控制系统及特性分析

第四章同步发电机励磁控制系统及特性分析第一节：概述:励磁控制系统的作用（重点）第二节：同步发电机的励磁控制系统第三节：励磁调节器第四节：同步发电转子磁场的强励与灭磁第五节：励磁控制系统的调节特性（重点、难点）第一节概述励磁控制系统的概念发电机是将旋转形式的机械能量转换成三相交流电能量的设备，为了完成这一转换并满足电力系统运行要求，除了需要原动机（汽轮机或者水轮机）供给动能外，它本身还需要有可调的直流磁场，以适应运行工况的变化。产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励磁电流，为发电机提供可调励磁电流的设备构成了发电机励磁系统。励磁系统及其控制对象共同组成的闭环反馈控制系统称为励磁控制系统。励磁功率单元：向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流。励磁调节器：自动调节励磁单元输出的励磁电流的大小。第一节概述第一节概述一、励磁系统的作用（一）根据发电机所带负荷的情况调整励磁电流，以维持发电机机端电压在给定水平。第一节概述同步发电机的外特性必然是下降的，当励磁电流一定时，发电机端电压随无功负荷增大而下降，必须通过不断的调节励磁电流来维持机端电压维持在给定水平。第一节概述电力系统自动化

(二)控制无功功率的分配

1.同步发电机与无穷大系统母线并联运行问题

发电机有功功率只受调速器控制，与励磁电流无关，无论励磁电流如何变化，发电机有功功率为定值。

励磁电流的变化，只是改变了机组无功功率和功角的大小。第一节概述电力系统自动化2.并联运行各发电机组间无功功率分配为合理利用发电机组容量，各发电机应按其额定容量大小成比例分配无功负荷。只要并联发电机特性完全一致时，才能使无功电流在并联机组间进行合理的分配。将并联运行且容量不同发电机组做成相同的特性是不可能的。发电机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。第一节概述（三）增加电力系统运行发电机的阻尼转矩，一提高电力系统稳定性及输电线路的有功功率传输能力。1、电力系统稳定性（1）静态稳定性：指当电力系统的负载或者电压发生微小扰动时，系统本身保持稳定传输的能力。（2）动态稳定性：指系统遭受大扰动之后，同步发电机保持和恢复到稳定状态的能力。（3）暂态稳定性：当系统受到大扰动时，例如各种短路、接地、断线故障以及切除线路后系统保持稳定的能力。第一节概述电力系统自动化2.励磁对静态稳定的影响

静态稳定极限功率与发电机空载电势的幅值成正比，而空载电势与励磁电流有关。无自动调节励磁时，励磁电流恒定，空载电势为常数，此功角特性称内功角特性，功率极限出现在功角为90度时。若有励磁调节器，可视为发电机电压恒定。由一簇不同的空载电势相应的功角特性求出外功角特性曲线。最大值出现在发电机电压与受电端电压之间功角为90度时。有励磁调节器时，能使发电机在大于功角90度范围的人工稳定区运行，提高发电机输出功率极限或提高系统的稳定储备。

3.励磁对暂态稳定的影响

提高励磁电压强励倍数和电压上升速度，是提高电力系统暂态稳定性最经济、最有效的手段之一。

发电机强行增加励磁，使扰动后的机组的运行点移到功角曲线Ⅲ上运行，不但减小加速面积，而且增大减速面积，使发电机第一次摇摆时功角的幅值减小，改善了发电机的暂态稳定性。当往回摆动时，过大的减速面积并不有利，这时如能让它回到特性曲线Ⅱ上的d点运行，就可以减小回程振幅，对稳定更为有利。

在一定的条件下，励磁自动控制系统如果能按照要求进行某种适当的控制，可改善电力系统的暂态稳定性。

由于励磁系统时间常数等因素的影响，要使它在短暂过程中完成符合要求的控制也很不容易，要求励磁系统首先必须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，另一方面要尽可能提高强行励磁的倍数。第一节概述4、励磁对动态稳定性的影响电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁控制系统中的自动调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱的最重要原因之一。在维持发电机电压恒定的同时，也将产生负的阻尼作用。（1）降低调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。（2）电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。（3）增加附加励磁控制通道。（4）采用线性和非线性励磁控制方法改善励磁系统的动态品质。第一章概述电力系统自动化

电网发生短路故障时，电压降低，使用户电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自启动时要吸收大量无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。

(四)改善电力系统的运行条件

1.改善异步电动机的自启动条件

同步发电机失去励磁时，将从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时危及系统的安全运行。在此情况下，如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行。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。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

(1)发电机失磁的原因励磁回路开路，如自动励磁开关误跳闸，励磁调节装置的自动开关误动；转子回路断线，励磁机电枢回路断线，励磁机励磁绕组断线；励磁机或励磁回路元件故障，如励磁装置中元件损坏、励磁调节器故障、转子滑环电刷环火或烧断；转子绕组短路；失磁保护误动和运行人员误操作等。

(2)发电机失磁运行的现象

1)中央音响信号动作“发电机失磁”光字牌亮。

2)转子电流表的指示等于零或接近于零若励磁回路开路转子电流表指示为零；若励磁绕组经灭磁电阻或励磁机电枢绕组短路，或AVR、励磁机、硅整流装置故障，转子电流表有指示。但由于励磁绕组回路流过的是交流(失磁后，转子绕组感应出转差频率的交流)，故直流电流表有很小的指示值。

3)转子电压表指示异常发电机失磁瞬间，转子绕组两端可能产生过电压(励磁回路高电感)；若励磁回路开路，则转子电压降至零；若转子绕组两点接地短路，则转子电压指示降低；转子绕组开路，转子电压指示升高。

4)定子电流表指示升高并摆动发电机失磁时，既向系统送出一定P，又从系统吸收Q以建立磁场，且吸收Q比原来送出的大，使定子电流加大。摆动的原因是因为力矩的交变引起的。发电机失磁后异步运行时，转子上感应出差频交流电流，该电流产生的单相脉动磁场可分解为正向和反向旋转磁场，其中反向旋转磁场与定子磁场作用，对转子产生制动作用的异步力矩；正向旋转磁场与定子磁场作用，产生交变的异步力矩。由于电流与力矩成正比，所以力矩的变化引起电流的脉动。

5)定子电压降低且摆动发电机失磁时，系统向发电机送出无功功率，因定子电流比失磁前增大，故沿回路的电压降增大，导致机端电压下降。电压摆动是由于定子电流摆动引起的。

6)有功功率表指示降低且摆动有功功率输出与电磁转矩直接相关。发电机失磁时，由于原动机的转矩大于电磁转矩，转速升高，汽轮机调速器自动关小汽门。这样，驱动转矩减小，输出有功功率也减小，直到原动机的驱动转矩与发电机的异步转矩平衡时，调速器停止动作。发电机的有功功率输出稳定在小于正常值的某一数值下运行。摆动的原因也是由于存在交变异步功率造成的。

7)无功功率表指示为负值，功率因数表指示进相发电机失磁进入异步运行后相当于一个滑差为s的异步发电机，一方面向系统送出有功功率，另一方面自系统吸收大量的无功功率用于励磁，发电机的无功功率表指示负值，功率因数表指示进相。

(3)发电机失磁运行的影响

1)发电机失磁后从系统吸收无功功率，造成系统无功功率严重缺额，使系统电压下降。不仅影响失磁机组厂用电安全运行，还会引起其它机组的过电流。更严重的是电压下降，降低了其他机组的功率极限，可能破坏系统的稳定，还可能因电压崩溃造成系统瓦解。

2)发电机失磁运行时，定子电流增大，引起定子绕组温度升高；机端漏磁增加，端部铁芯、构件因损耗增加而发热，温度升高；失磁运行，在转子本体中感应出差频电流，产生损耗引起转子局部过热；转子电磁不对称产生的脉动转矩将引起机组和基础的振动。

(4)发电机失磁运行的应用条件

1)系统有足够无功电源储备。通过计算，应能确认发电机失磁后能保证电压不低于额定值的90％，才能保证系统的稳定。

2)定子电流不超过发电机运行规程所规定的数值，一般不超过额定值的1.1倍。

3)定子端部各构件的温度不超过允许值。

4)外冷式发电机的转子损耗不超过额定励磁损耗，内冷式发电机的转子损耗不超过0.5倍额定励磁损耗。

(5)发电机失磁运行的处理

不同的系统无功功率储备、机组类型各不相同，有的发电机允许失磁运行，有的则不允许失磁运行，因此处理的方式也不同。对于100MW汽轮机组，经大量失磁运行试验表明，在30s内将发电机的P减至额定值的50%可继续运行15min；若将P减至额定值的40％可继续运行30min。但对Q储备不足的电力系统，考虑电力系统电压水平和系统稳定，不允许某些容量的汽轮发电机失磁运行。对于调相机和水轮发电机，无论系统无功功率储备如何，均不允许失磁运行。因调相机本身是无功电源，失去励磁就失去了无功调节的作用。而水轮发电机其转子为凸极转子，失磁后，转子上感应的电流很小，产生的异步转矩小，故输出有功功率也小，失磁运行便无实际意义。

不允许发电机失磁运行的处理：

1)根据表计和信号显示，尽快判明失磁原因。

2)失磁机组可利用失磁保护带时限动作于跳闸。若失磁保护未动作，应立即手动将机组与系统解列。

3)若失磁机组的励磁可切换至备用励磁，且其余部分仍正常，在机组解列后可迅速切换至备用励磁，然后将机组重新并网。

4)在进行上述处理的同时，应尽量增加其他未失磁机组的励磁电流，以提高系统电压稳定能力。

5)严密监视失磁机组的高压厂用母线电压，在条件允许且必要时，可切换至备用电源供电，以保证该机组厂用电的可靠性。

允许发电机失磁运行的处理：

1)发电机失磁后，若发电机为重载，在规定时间内，将有功功率减至允许值(减少对系统和厂用电的影响)；若发电机为轻载，则不必减有功功率；在允许运行时间内查找机组失磁的原因。

2)增加其他机组的励磁电流，维持系统电压。

3)监视失磁机组定子电流应不超过1.1倍额定电流，定子电压应不低于0.9倍额定电压，并同时监视定子端部温度。

4)在允许运行时间内，设法迅速恢复励磁电流。如AVR不能正常工作，应切换至备用励磁装置。

5)如果在允许继续运行的时间内不能恢复励磁，应将失磁发电机的有功功率转移至其他机组，然后解列。

(五)在发电机突然解列甩负荷时实现强行减磁

当系统处于低负荷运行状态时，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，以致带时限的继电保护不能正确动作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流，使继电保护正确动作。

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。

(六)在发电机内部发生短路故障时快速灭磁

(七)在不同运行工况下适当采用辅助励磁控制第二章同步发电机励磁自动控制系统电力系统自动化

二、对励磁系统的基本要求

(一)对励磁调节器的要求

励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，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。

(1)有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。

(2)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。在调差装置不投入的情况下，励磁控制系统的自然调差系数一般在1%以内。

(3)励磁调节器应能合理分配机组无功功率。为此，励磁调节器应保证发电机端电压调差系数可以在±10%以内进行调整。

(4)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。

(5)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。第二章同步发电机励磁自动控制系统电力系统自动化

(二)对励磁功率单元的要求发电机励磁功率单元向同步发电机提供直流电流，除自并励励磁方式外，一般是由励磁机担当的。(1)有足够的可靠性并具有一定的调节容量。以适应电力系统中各种运行工况的要求。(2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前面已经提到，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。励磁顶值电压UEFP，是励磁功率单元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UEFN之比称为强励倍数。其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般取1.6~2。第二节同步发电机的励磁控制系统同步发电机励磁控制系统的分类：（1）直流励磁机系统：自励式直流励磁机系统、他励式直流励磁机系统。（2）交流励磁机系统：他励可控整流式交流励磁机系统、自励式交流励磁机系统、具有副励磁机交流励磁机系统、无刷励磁系统；（3）静止励磁系统第二节同步发电机的励磁控制系统一、直流励磁机系统采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机电流，从而改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功的目的。主要问题：（1）直流励磁机受换向器所限，其制造容量不大。（2）整流子、电刷及滑环磨损，降低绝缘水平，运行维护麻烦。（3）励磁调节速度慢，可靠性低。按照励磁机励磁绕组的供电方式不同，可分为自励式和他励式两种。第二节同步发电机的励磁控制系统1、自励式直流励磁机系统

自励直流励磁机励磁系统中发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电，调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流，从而达到人工调整发电机转子电流的目的，实现对发电机励磁的调节。第二节同步发电机的励磁控制系统2、他励式直流励磁机系统他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，副励磁机与励磁机都与发电机同轴。他励与自励的区别在于他励比自励多用了一台副励磁机。由于他励方式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，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁系统的电压增长速率。他励直流励磁机励磁系统一般用于水轮发电机组。直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，是励磁系统中的薄弱环节。第二节同步发电机的励磁控制系统第二节同步发电机的励磁控制系统二、交流励磁机励磁系统交流励磁机系统的核心设备是交流励磁机。由于励磁机容量相对较小，只占同步发电机容量的0.3%~0.5%，但要求其响应速度快，所以现在用作大型机组的交流励磁机系统一般都采用他励的方式，有交流主励磁机也有交流副励磁机，其频率都大于50Hz，一般主励磁机为100Hz或更高。交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流状态的不同分为：1、他励可控整流交流励磁机系统2、自励式交流励磁机系统3、具有副励磁机的交流励磁机系统4、无刷励磁系统第二节同步发电机的励磁控制系统1、他励可控整流交流励磁机系统由于励磁机与主发电机同轴，其电源不受发电机电压的影响，可以说是保证和提高电力系统稳定性的理想系统。不过这种系统造价较高。AE经过晶闸管VS整流后通过滑环向发电机转子供电，励磁电流是经过自动恒压装置控制整流电路供电，调节是由励磁调节器控制晶闸管导通角来实现。2、自励式交流励磁机系统第二节同步发电机的励磁控制系统这种系统不使用副励磁机，简化了系统，但是，为了使发电机在这个运行方式下，自励系统都能正常工作，所以控制系统比较复杂。是由励磁机本身的电枢经可控整流器VS供电，励磁调节器通过控制VS来控制励磁机的励磁电流。第二节同步发电机的励磁控制系统3、具有副励磁机的交流励磁机系统副励磁机是一个500Hz的中频发电机。它是自励式的交流发电机，为保持其端电压的恒定，有自励恒压单元调整其励磁电流，其励磁绕组由本机电压经晶闸管整流后供电，由于晶闸管的可靠起励电压偏高，在启动时必须外加一个直流起励电压，直到副励磁机交流电压值足以使晶闸管导通时副励磁机才能可靠工作，起励电源才可退出。第二节同步发电机的励磁控制系统副励磁机主励磁机自动调节器电压互感器电流互感器滑环电刷由于同轴上有发电机-励磁机-副励磁机。称为三机系统，目前在300MW的大容量汽轮机发电机组上采用较为广泛。第二节同步发电机的励磁控制系统交流副励磁机本身的励磁通常有两种方式，一种是感应或交流副励磁机，另一种是采用永磁式发电机。目前大型汽轮发电机系统多采用永磁式副励磁机。交流副励磁机性能和特点：（1）独立励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。（2）交流励磁机时间常数大。（3）造价较高。（4）需要一定的维护工作量。（5）一旦副励磁机发生故障，可导致发电机组失磁，如果采用永磁式发电机，则可靠性将提高。第二节同步发电机的励磁控制系统4、无刷励磁系统交流励磁机的励磁绕组安装在定子上，其输出所连接的二级管整流器固定在发电机转轴上，与转子一同旋转，其输出的直流电流可以直接接入发电机转子而不需要滑环及电刷。

他励交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。它有一个薄弱环节—滑环。滑环是一种滑动接触元件。随着发电机容量的增大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。第二节同步发电机的励磁控制系统静止励磁系统中，副励磁机是永磁发电机其磁极是旋转的，电枢是静止的。而交流励磁机正好相反，交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。第二节同步发电机的励磁控制系统此系统的特点(1)无炭刷滑环，维护量少。(2)发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。由于无刷，励磁系统可靠性高。(3)励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁电流实现，励磁系统的响应速度较慢。为提高响应速度，励磁机转子采用叠片结构、减小绕组电感、取消极面阻尼绕组等措施；在发电机励磁控制策略上采取增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。第二节同步发电机的励磁控制系统(4)转子及其励磁电路都随主轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，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，熔断器熔断信号等)，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)没有接触部件的磨损，所以没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。第二节同步发电机的励磁控制系统三、静止励磁系统（发电机自并励系统）推荐用于大型发电机组，国外采用较多，国内的一些发电机组已经部分使用。300MW及以上机组励磁系统一般采用无刷励磁和自并励方式。静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器经整流装置供给。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系统。第二节同步发电机的励磁控制系统主要特点(1)接线和设备简单，无转动部分，维护费用较少，可靠性高。(2)不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。(3)直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度。(4)由机端取得励磁能量。机端电压与机组转速成正比，励磁系统输出的电压与机组转速成正比。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组过电压就低。第三节励磁调节器一、概述励磁调节器经历了机电型、电磁型、及电子型等不同发展阶段，从性能上也从单一的调节电压发展为励磁调节。早期机电型电压调节器的任务只是调节电压，通过调节线圈中的电流产生磁场力作用于变阻器。20世纪50年代磁放大器出现后，电力系统中广泛采用由磁放大器组成的电磁型电压调节器，时间常数较长。电子型调节器由电子器件组成，综合方法能力强，但是在实现自检测功能以及硬件功能修改方面有困难，很难满足不同的控制要求。第三节励磁调节器采用电子模拟技术的传统励磁调节逐步向数字化方向转变；研发了基于微处理器的微机型励磁调节器。提供了更加完善的控制功能，优异的性价比和高的可靠性。主要特点有：（1）以微处理器为核心组成硬件系统，运算由软件完成，可以方便扩展系统和功能。（2）易于实现复杂控制，并具有高可靠性；（3）跟踪及自诊断功能容易实现；（4）通过软件处理方便实现控制功能的变化。第三节励磁调节器二、微机型励磁调节器微机型励磁调节器本质上是以CPU为核心的数字化控制系统，CPU通过总线和接口电路与具体的控制对象的过程通道相连接，采集发电机组的运行状态信息，在CPU中完成励磁调节控制算法，输出脉冲调节励磁功率柜中的晶闸管，以实现对发电机励磁的综合调节控制。人机接口可以通过键盘和显示器来完成，操作人员可以控制励磁系统，还可以与其他系统进行通信，实现数据交换，还可以记录励磁系统中的各种参数，可以提供更多的信息和控制功能，易于实现，并具有自检测功能。第三节励磁调节器三、励磁调节器的控制算法励磁调节器的控制算法有很多种：比例-积分-微分（PID）控制算法、人工智能、和自适应控制算法等，其中PID控制算法是连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。PID控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。

第三节励磁调节器控制规律：比例积分微分三作用的线性组合。在阶跃信号的作用下，首先是比例和微分作用，使其调节作用加强，然后是积分作用，直到消除偏差。第三节励磁调节器

数字PID控制器

当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。可作如下近似:式中，T为采样周期，k为采样序号。第三节励磁调节器（l）数字PID位置型控制算法

控制算法提供了执行机构的位置。

式中：或：第三节励磁调节器（2）数字PID增量型控制算法

由位置型算法又∵，得：得：增量型算法只需保持前3个时刻的偏差值.容易获得较好控制效果。。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁当同步发电机三相突然短路，如果不调节励磁电流，励磁电动势和暂态电势都会随时间迅速衰减，强励是励磁控制系统的重要技术指标。当发电机发生内部故障时，在继电保护装置动作切除主电源的同时，还需要迅速灭磁。在发电机外部至变压器，以及与断路器连接的导线出现故障时，发电机也需要快速灭磁。一、同步发电机强励励磁控制系统动态性能的指标评价主要是强励倍数和励磁电压响应比。强励电压是指励磁系统在强励时可能提供的最高励磁电压，它与额定工况下的励磁电压之比，称为励磁系统强励电压倍数，一般取2.励磁系统必须具有较高的强励倍数和足够的励磁电压上升速度。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁电压响应比：在强励作用的0.5S内的励磁电压平均增长率。(2.0)电压响应时间定义：在强励作用下，励磁电压由额定值向顶值电压增长，直至升到顶值电压与额定电压之差的95%所花费的时间。二、同步发电机灭磁1、定义

灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱到最小程度。

用断开转子回路的办法灭磁是否可行？

励磁绕组是大电感，突然断开时，将产生很高的过电压。

办法：将转子绕组自动接到灭磁装置灭磁。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁2、灭磁装置的基本要求（1）在灭磁装置动作后，应使发电机最终的剩余电压低于能维持短路点电弧的数值。（2）在灭磁过程中，发电机的转子励磁绕组所承受的灭磁反应不应超过规定的数值。（3）灭磁时间应尽可能短。（4）灭磁装置的电路和结构应简单可靠。灭磁装置应该具有足够大的热容量，能够把发电机磁场中的能量全部或者大部分吸收，而装置不会因为过热而烧坏。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁当发电机定子电压降低到某一值时，在此电压以下，由发电机内部故障所引起的电弧会自然熄灭，即定子电压低于这一值以下，以电压不足以继续维持故障点的燃弧，此时可认为灭弧过程已经结束，从灭弧装置动作到灭磁过程结束所经历的时间称为灭磁时间。灭磁时间越短，灭磁效果越好。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁3、灭磁方法（1）具有短弧灭弧栅片的灭磁系统。在发电机正常运行时，主触头S1弥合，弧触头S2断开，在灭磁时，弧触头S2先弥合，将并联灭弧栅回路接入，利用短弧特性将弧电阻作为非线性灭磁电阻。发电机的励磁电流流经这个并联灭弧栅回路，电弧在灭弧栅中受轴向磁场作用不断地旋转，其释放的热量被铜栅片所吸收，直到电弧熄灭，励磁电流下降为零。为了防止灭磁失败时将励磁绕组短接，在并联灭磁栅回路中串联了一个限流电阻。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁（2）利用线性电阻的灭磁系统：采用耐高温的线性电阻作为灭磁电阻，是一种传统的灭磁方法。优点是在灭磁过程中，只要保证线性电阻在吸收灭磁能量时所产生的耗散温升不超过允许值，灭磁过程结束后，线性电阻又自行恢复到正常状态。（3）利用非线性电路的灭磁系统，非线性电阻材料是氧化锌和碳化硅，可以确保在严重的灭磁工况下安全灭磁。（4）晶闸管逆变灭磁系统：利用晶闸管全控整流桥在灭磁过程中将励磁绕组中的能量从直流侧反送回交流侧。第四节同步发电机转子磁场的强励与灭磁第五节、励磁控制系统的调节特性电力系统自动化

一、励磁调节器的功能和基本框图

励磁调节单元(自动调压器)最基本部分是一个闭环比例调节器。它的输入量是发电机电压UG

，输出量是励磁机的励磁电流或发电机转子电流，统称为IAVR。

主要功能

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电力系统自动化

(一)静态工作特性的合成

二、励磁调节器的静态工作特性

调节器工作范围：UG升高，UAVR急剧减小；UG降低，UAVR急剧增加。ab段位调节器工作区，在此范围内，UG变化小，可维持发电机端电压水平。

调节器放大倍数第五节、励磁控制系统的调节特性电力系统自动化

(二)发电机励磁控制系统静态特性

发电机调节特性是发电机转子电流IEF与无功负荷IQ电流的关系

在励磁调节器作用下，发电机电压仅在额定值附近变化。

一般情况下，励磁机工作特性是接近线性的，即励磁机定子电流(发电机转子电流IEF)和励磁机励磁电流IEE之间近似呈线性关系。这样发电机转子电流IEF

可直接用励磁机励磁电流IEE

表示。

发电机带自动励磁调节器后,无功电流IQ变动时,电压UG基本维持不变。调节特性稍有下倾，下倾的程度表征发电机励磁控制系统运行特性的一个重要参数—调差系数。

调差系数越小，IQ变化时发电机UG变化越小。调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。调节器总的放大倍数K越大，ab直线越平缓，调差系数就越小。第五节、励磁控制系统的调节特性第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化

(一)调差系数的调整

三、励磁调节器静态特性的调整

对自动励磁调节器工作特性进行调整目的

保证并列运行机组间无功电流的合理分配，即改变调差系数；

保证发电机能平稳地投入和退出工作，平稳地改变无功负荷，而不发生无功功率的冲击现象，即上下平移无功调节特性。

调差系数δ决定于励磁调节系统总的放大倍数。一般励磁调节系统总的放大倍数是足够大的，因而带有励磁调节器的发电机调差系数δ<1%，近似为无差调节。该特性不利于发电机组并列运行时无功负荷的稳定分配，发电机调差系数要根据运行的需要，人为地加以调整，使δ=3~5%左右。

δ>0时,发电机外特性下倾,发电机无功电流增加,端电压降低；

δ<0时,发电机外特性上翘,发电机无功电流增加,端电压上升；

δ

=0时,为无差调节。

一般采用正调差系数，因为它具有系统电压下降而发电机的无功电流增加的这一特性，对于维持稳定运行是十分必要的。负调差系数，一般只能在大型发电机—变压器组单元接线时采用，这时发电机外特性具有负调差系数，但考虑变压器阻抗压降以后，在变压器高压侧母线上看，仍具有正调差系数。因此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。

改变δ可通过改变调差接线极性实现，δ一般在±5％以内。调差系数的调节原理：在不改变调节器内部元件结构条件下，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，即可改变调差系数。

改变δ可通过改变调差接线极性实现，δ一般在±5％以内。调差系数的调节原理：在不改变调节器内部元件结构条件下，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，即可改变调差系数。测量单元内部结构并未改变，其放大倍数仍为K1，只是将输入量改为UG±KδIQ

于是测量输入变为测量单元的放大倍数K1未变化，适当选择系数Kδ,即可改变δ大小。电力系统自动化

(二)发电机调节特性的平移

①退出运行：无功电流从IQ2

减小到IQ1,调节特性从1平移到2、3的位置时，则它的无功电流将减小到零。

②投入运行：调节特性从3的位置向上移动，使无功电流逐渐增加到运行的要求值。

③改变励磁调节器的整定值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点右移，整定值增加时，调节器的工作特性将右移。发电机无功调节特性也随之上移。第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化

几台发电机在同一母线并列运行时，改变任何一台机组励磁电流不仅影响该机组无功电流，而且影响并联运行机组无功电流。也引起母线电压变化。这些变化与机组的无功调节特性有关。四、并联运行机组间无功功率的分配

1.无差调节特性

①一台无差调节特性的机组与有差调节特性机组的并联运行⑴无功负荷改变由无差调节机组承担⑵移动正调差机组特性曲线可改变发电机间无功负荷的分配；⑶改变母线电压，可移动无差调节机组调节特性曲线。

结论：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。但由于无差调节特性发电机承担无功功率全部增量，无功分布不合理，很难采用。

与负调差特性机组并列运行，虽然也有交点，但不是稳定运行点。如偶然因素使负调差特性机组输出无功电流增加，励磁调节器将增大发电机励磁电流，力图使机端电压升高，从而导致发电机输出无功电流进一步增加；而无差调节特性机组则力图维持端电压，使其励磁电流减小，于是无功电流也将减小，以至不能稳定运行。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。第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化②两台无差调节特性的机组不能并联运行

2.正调差特性的发电机的并联运行无功负荷波动时，电压偏差相同。调差系数较小的机组承担较多的无功增量。通常要求各机组无功负荷波动量与它们的额定容量成正比，即各机组无功电流波动量的标么值相等，这就要求在公共母线上并列运行的发电机组具有相同的调差系数。第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化【例4-1】某电厂有两台发电机在公共母线上并联运行，1号机的额定功率为25MW，2号机的额定功率为50MW。两台机组的额定功率因数都是0.85。励磁调节器的调差系数都为0.05。若系统无功负荷波动使电厂无功增量为它们总无功容量的20%，问各机组承担的无功负荷增量是多少?母线上的电压波动是多少?电力系统自动化【例4-2】若1号机调差系数为0.04，2号机调差系数仍为0.05。当系统无功负荷波动仍使无功增加为总无功容量的20％，问各机组的无功负荷增量是多少?母线上的电压降低多少?电力系统自动化

l号机组无功负荷增加3.56Mvar，2号机组无功负荷增加5.73Mvar。调差系数小的机组承担的无功负荷增量的标么值较大。母线电压降低0.0092UN,比上题下降小，原因总调差系数小。多台发电机并联运行中需要改变发电机组的无功负荷时，调整调节器的整定元件，使特性曲线上下移动即可。如果要求改变发电机母线电压又不改变无功负荷的分配比例，那就需要移动所有并联运行发电机的调节特性。电力系统自动化

①在超高压系统中,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。②进相运行时，容许吸收无功功率和发出有功功率有关，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。③大容量发电机励磁系统应具有高起始响应特性，对于带有交流励磁机的无刷励磁系统，必须提高晶闸管整流装置电压，使发电机励磁顶值电压大大超过其允许值。励磁电流过大，超过规定的强励电流会危及发电机的安全，为此，在调节器中必须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电流。④辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别：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，通过信号综合放大电路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。

五、自动励磁调节器的辅助控制第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化

(一)最小励磁限制（也称之为“欠励磁限制”）

1.静态稳定极限的限制

发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统无功功率，发电机进相运行时受静态稳定极限的限制。

有功功率极限Pm

和无功功率极限Qm之间的函数关系，发电机进相运行必须满足静稳定条件。Pm

和Qm之间的关系是圆轨迹方程。2.防止发电机定子端部过热在相同视在功率和相同的端部冷却条件下，发电机随着功率因数由迟相向进相转移，发电机定子端部漏磁值相应增高，引起定子端部元件损耗发热严重。要维持发电机端部元件温度不超过允许值，出力要相应的降低。防止定子端部过热，是发电机进相运行深度的一个限制因素。3.留有适当的裕量在P-Q平面上，绘出发电机运行容量曲线和临界失步曲线在两曲线围定的公共区域内留有适当的裕量，整定一条最小励磁限制线。欠励限制器任务就是确保在任何情况下，将发电机的功率运行点（P、Q）限制在这条最小励磁限制线之上。4.输出到正竞比端最小励磁限制器首先检测发电机功率运行点(P、Q),并与最小励磁限制线加以比较,若功率运行点高于最小励磁限制线,则输出一个负值电压，其电位低于综合信号放大器正竞比门的其他输入,最小励磁限制器的输出被封锁,不起作用；若运行点低于最小励磁限制线，则输出正电压，其电位高于综合信号放大器正竞比门的其他输入，欠励限制信号起作用，使运行点(P、Q)上移或不再下移。在最小励磁限制起作用期间,最小励磁限制器承担了调节励磁任务。第五节励磁调节器静态工作特性的调整电力系统自动化

(二)瞬时电流限制1.大容量发电机组励磁系统必须具有高起始响应性能。交流励磁机-旋转整流器励磁系统（无刷励磁）在通常情况下很难满足这一要求。采用高励磁顶值,能提高励磁机输出电压的起始增长速度。2.输出到负竞比