电力系统自动装置原理第3章

第3章同步发电机励磁自动控制系统小节导航12345小结第1节概述一、同步发电机励磁控制系统的组成二、同步发电机励磁控制系统的作用或义务⒈电压控制⒉控制无功功率的分配⒊提高同步发电机并联运转的稳定性〔①静态稳定②暂态稳定〕⒋改善电力系统的运转条件⒌水轮发电机组的强行减励三、对励磁系统的根本要求⒈对励磁调理器的要求⒉对励磁功率单元的要求转第2节小节导航12345小结同步发电机励磁控制系统的组成①励磁调理器：根据丈量的信息和给定的调理准那么控制下一单元的输出。②励磁功率单元：向同步发电机转子提供直流励磁电流。③发电机：调理对象〔控制对象〕。其中，①和②构成励磁系统。前往电压控制UG=EqjxdIGUG=Eqcos-xdIGcos(-)=Eqcos-xdIGsin=Eqcos-xdIQEqxdIQ〔当较小时〕无功负荷电流IQ主要呵斥了Eq与UG间的幅值差，IQ越大，幅值差越大。前往jxdEqIGUGUGEqIGjxdIGG

IQ参考相位GUEF+

GEWIEFUGIGUGIQIEF1IEF2UG2UGeIQ1IQ2由外特性，当励磁电流一定时，UG随IQ的增大而下降。假设IQ太大呵斥UG过小，满足不了运转条件，那么需经过励磁控制系统添加励磁电流，从而增大Eq，以使UG上升到满足运转条件；假设IQ太小，呵斥UG过大，那么需减小励磁电流，从而减小Eq，使UG下降到满足运转条件。控制无功功率的分配UGEqIGjxdIG

参考相位IGcos=k1线Eqsin=k2线设机端电压恒定。正常情况下，发电机机械输入功率Pm和电磁输出功率PG维持相等，Pm只受调速器的控制，与励磁电流大小无关。在此可令Pm维持恒定，因此发电机发出的有功功率也为常数，即：PG=UGIGcos=常数 〔为功率因数角〕(1)又，假设忽略发电机定子电阻和凸极效应，那么发电机发出的有功功率为：PG=EqUG/xdsin=常数〔为发电机的功率角〕(2)由〔1〕和〔2〕知： IGcos=k1〔常数〕Eqsin=k2〔常数〕另，发电机发出的无功功率为：QG=UGIGsin=UGk1tg或QG=[EqUGcosUG2]/xd=k2tg-UG2/xd结论：虽然IEF改动使Eq、及发生了变化，但仍可使PG维持恒定，而QG随之调理，即在调理励磁时，一方面可以维持PG恒定，另一方面又可改动发电机承当的无功功率。因此，在多机系统中，可以经过调理励磁电流来实现并联运转发电机组间无功功率的合理分配。前往提高静态稳定性前往jxlEqIGUGjxdU以单机无穷大系统为例分析。发电机输出的有功功率〔功率或功角特性〕为：PG=EqUsin/x=Pmaxsin当Eq〔与励磁电流相对应〕和U固定时，PG是的正弦函数。因此，调理励磁电流，改动Eq，使发电机的有功功率特性得到改动，从而改善系统的有功静态传输才干。对于按参数偏向量的比例进展调理的励磁控制系统，在丈量单元无失零区时，功角特性普通只能近似到达以Eq恒定的特性曲线，此时功率极限角大于90〔参见P47图3-7〕。以单机无穷大系统为例分析。图中，曲线III对应于缺点后采取强励的功角特性。〔利用等面积法那么进展分析〕限制励磁对暂稳作用的要素：励磁系统的时间常数和强励倍数。只需当励磁系统既有快速呼应特性又有高的强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定性有明显的作用。提高暂态稳定性前往改善电力系统的运转条件①加速短路切除后的系统电压恢复过程，并就此改善异步电动机的自启动条件②为发电机异步运转和自同期并列发明条件③提高继电维护安装任务的正确性前往电网短路电压降低电动机处于制动形状短路切除后，电动机的自启动需吸收大量无功功率延缓了电压恢复过程发电机强励加速电压恢复前往改善运转条件①A.失磁或低励发电机从系统吸收大量无功功率系统电压大幅降低严重时危及平安运转。此时，系统其它机组添加励磁提供足够的无功功率维持系统电压失磁或低励发电机在一定时间内异步运转〔确保系统平安运转和有利于机组热力设备的运转〕。B.系统有功功率发生缺额时，备用水轮机组自同期投入吸收大量无功功率系统电压忽然降低系统中其它机组应迅速添加励磁保证电网电压恢复和缩短机组并列过程。改善运转条件②前往系统低负荷运转时，发电机的励磁电流不大。假设此时系统发生短路缺点，其短路电流较小，且随时间衰减，以致于带时限的继电维护不能正确任务。这时，可添加励磁，从而添加短路电流，使继电维护正确任务。改善运转条件③前往水轮发电机组的强行减励水轮发电机组发生缺点忽然跳闸时，调速系统不能迅速封锁导水叶〔惯性作用的结果〕，致使转速急剧上升，如不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，那么发电机电压有能够升高到危及定子绝缘的程度〔在励磁电流一定时，转子转速上升，定子绕组切割磁力线的速度加大，从而使Eq增大。〕前往对励磁调理器的要求①正常运转时，能反映发电机组的电压高低并维持其在给定程度、能合理分配机组间的无功功率及实现无功功率的转移；②对远间隔输电的发电机组，为能在人工稳定区域运转〔添加静稳传输才干〕，要求无失灵区；③能迅速反映缺点，具备强励功能，以提高暂稳程度和改善系统运转条件；④时间常数小，反响迅速。前往对励磁功率单元的要求①具有足够的可靠性和调理容量，以顺应各种工况的需求；②具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。励磁顶值电压UEFq：强励时励磁功率单元能够提供的最高输出电压值。强励倍数：励磁顶值电压UEFq与额定工况时的励磁电压UEFe之比〔视制造和本钱，常取1.6~2〕。励磁电压上升速度：衡量励磁功率单元动态行为〔快速呼应才干〕的目的。详细目的有两种，即励磁电压呼应比和呼应时间。前往励磁电压呼应比G=励磁电压呼应比=〔绝对量〕励磁电压呼应比=〔相对量〕(斜线下的面积增量与曲线下的面积增量相等〕UEFeUEF(V)t(s)0.5abcdUEFq前往通常，将励磁电压在最初0.5秒内上升的平均速率定义为励磁电压呼应比。详细求法为：由于励磁电压曲线下的面积增量对应于该时间段内转子磁通量的增量，即呼应时间在规定条件下，励磁电压到达顶值电压与额定电压之差的95的时间。假设该时间为0.1秒或更小时，那么称高初始呼应励磁系统。前往第2节同步发电机励磁系统一、同步发电机励磁系统的分类二、直流励磁机系统〔靠剩磁建立电压〕⒈自励⒉它励⒊特点三、交流励磁机系统⒈自励⒉它励四、静止励磁〔自并励〕系统转第3节小节导航12345小结励磁系统的分类①直流励磁机系统：由与发电机同轴的直流发电机供应励磁电流。它靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向就很困难，故只适宜于10万kW以下中小容量的同步发电机组。②交流励磁机系统：由与发电机同轴的交流发电机和半导体整流元件供应励磁电流，它适宜大容量同步发电机〔10万kW以上〕。其中，交流发电机的频率和电压需特殊设计，频率普通为100Hz或更高。③静止励磁〔自并励〕系统：由同步发电机本身作为励磁电源〔静止〕，使发电机组主轴缩短，降低了造价，被引荐用于大型发电机组，尤其适宜于水轮机组。前往自励直流励磁机系统IEE=IRC+IAVR从IRC的角度看，属自励方式。IEE中IAVR只占一部分，使励磁调理器的容量得到减小，特别适宜功率放大系数较小、由电磁元件组成的励磁调理器。前往励磁调理器EWDEEEWTVIEEIAVRIRCRC励磁机磁场电阻G它励直流励磁机系统PE、DE和G同轴。励磁单元的时间常数仅为励磁机励磁绕组〔EEW〕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度。这种方式普通用于水轮发电机组。前往励磁调理器EWDEEEWTVIEEIRCRCPEIAVRG直流励磁机系统的特点①直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运转维护量大，是最薄弱环节。②励磁调理器常为电磁型，它以磁放大器为功放和综合信号的元件，速度较慢，但任务较可靠。前往自励交流励磁机系统①静止可控整流方式√②静止硅整流方式√前往静止可控整流方式自励交流励磁系统AE起励电压较高，依托剩磁无法起励，须外加起励电源，直至AE的输出电压足以使自励恒压元件正常任务时，起励电源方可退出。AE的励磁采用可控硅自励恒压方式。它总是任务于顶值电压，因此AE容量较大。AVR为半导体励磁调理器，时间常数很小，呼应速度快。前往AVREWTVVS~AE自励恒压元件TR电压起励元件起励电源滑环G静止硅整流方式自励交流励磁系统AE自励回路对励磁控制系统的动态呼应有影响，与静止可控整流方式相比，呼应速度较慢。

前往AVREWTV~TR电压起励元件起励电源VSAEG它励交流励磁机系统①静止整流方式√②旋转整流方式〔无刷励磁〕√前往静止整流方式它励交流励磁系统交流中频副励磁机的起励电压较高，它也需求外加起励电源。缺陷：加长了发电机主轴长度；副励磁机和自励恒压调理器的缺点均可使发电机组失磁〔处理方法之一：副励磁机以永磁发电机充任〕；当发电机容量增大后，转子电流相应增大，给滑环的正常运转和维护带来困难。前往AVRTVVSVS~AE~自励恒压调理起励电源磁场开关TA100Hz400Hz交流副励磁机G旋转整流方式它励交流励磁系统副励磁机为永磁发电机，其磁极旋转，电枢静止；交流励磁机正相反，即磁极静止，电枢旋转。副励磁机的磁极〔N和S〕、AE的电枢、硅整流元件GZ和EW均在同一根轴上同步旋转，它们之间无需任何滑环和电刷等接触元件。优缺陷√前往AVRTVVS~AE~磁场开关TA永磁发电机NS旋转元件GGZEW无刷励磁系统的优缺陷优点：无整流子、滑环和电刷，减少了维护，提高了可靠性；无接触部件的磨损，故无炭粉和铜末引起的电机线圈的污染，从而绝缘的寿命较长。缺陷：与转子回路衔接的旋转元件无引线输出，因此不易检测和监视各种信息；无法采用传统的灭磁安装灭磁；可靠性要求较高；呼应速度较慢〔经过励磁机转子采用叠片构造、减小绕组电感、添加励磁机励磁绕组顶值电压、引入转子电压深度负反响等措施减小励磁机的等值时间常数〕。前往静止励磁〔自并励〕系统优点√疑虑与处理√前往AVREWTVVSTR起励元件起励电源G静止励磁〔自并励〕系统的优点取消了励磁机，设备和接线简单，可靠性得到提高；缩短了机组长度，降低了造价；调理速度很快。前往静止励磁〔自并励〕系统的疑虑与处理疑虑：发电机近端短路时能否满足强励要求，机组此时能否会失磁；由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电维护能否会回绝动作。处理：在短路刚开场的0.5秒内，自励方式与它励方式的励磁很接近，因此只需配合快速维护，并适当提高强励倍数，这种方式是可以采用的；至于带时限的继电维护，也可以采取一些措施加以处理前往第3节励磁系统的整流电路一、整流电路的分类二、三相桥式不可控整流电路三、三相桥式半控整流电路四、三相桥式全控整流电路1.电路2.整流关系3.逆变关系4.外特性转第4节小节导航12345小结整流电路的种类1．按整流输入的交流信号利用的波形分〔半波与全波整流〕2．按整流输入的交流信号的相数分〔单相、三相、六相与十二相整流〕3．按整流电路器件的构成类型分〔不控、全控与半控整流〕4．按整流电路构造类型分〔桥式整流、非桥式整流、多重化〕5．励磁系统中常用的整流电路同步发电机转子励磁回路常采用三相桥式不可控或全控整流电路励磁机励磁回路常采用三相桥式半控或全控整流电路前往三相桥式不可控整流电路前往135462eaRf+HLUdebec二极管元件导通的顺序为：…6,1,2,3,4,5,6,1…其中，UL为线电压的有效值三相桥式半控整流电路前往其中，UL为线电压的有效值晶闸管及二极管元件触发或导照射序：…6,1,2,3,4,5,6,1…135462eaRf+HLUdebec三相桥式全控整流电路前往Id晶闸管元件触发顺序：…6,1,2,3,4,5,6,1…135462eaRf+HLUdebecLf为保证整流桥在投入之际或换流瞬间具有可靠的电流通路，常要求宽脉冲触发或双脉冲触发，即在某一晶闸管被触发导通之际，它前面的一只晶闸管也应处于导通形状〔该晶闸管的触发脉冲起作用〕，才干构成电流通路。它有整流和逆变两种任务形状。整流关系对负载呈感性且电感量较大的情形，具有足够的续流才干，使输出电压可以具有负值。输出电压平均值为对纯电阻性负载〔无续流才干〕，输出电压平均值为前往逆变关系当控制角>90时，Ud变为负值，进入逆变任务形状。=-称逆变角。逆变形状下，Ud0为：

实践任务时，必需大于min。假设<min，那么能够使逆变换流失败，呵斥该关断的元件没有关断，该导通的元件没有导通，致使某一回路的元件延续导通而过热。普通地，min常为30。min决议于和off。〔min的来源〕前往：换流角〔在晶闸管元件换相〔由导通到关断或由关断到导通〕过程中，由于每相存在电感，相间换流不能瞬间突变完成，而有一个渐变过程，这段时间对应的电角度称换流角〕off：与晶闸管关断时间toff相对应的电角度〔保证晶闸管可靠关断〕。最小逆变角的来源前往三相全控桥式整流电路的换流压降及外特性U为每个元件导通时的正向压降Id为直流侧负载上的电流r和xK分别为换相电阻与换相电抗前往第4节励磁控制系统调理特性和并联运转机组间的无功分配一、励磁调理器的根本特性与框图二、静态任务特性1.励磁调理器的静态任务特性2.同步发电机励磁控制系统的静特性3.同步发电机励磁控制系统调理特性的平移三、并联运转机组间无功功率的分配1.无差调理特性2.正调差特性发电机组间的并联运转〔定性定量例题〕转第5节小节导航12345小结励磁调理器的根本特性与框图励磁调理器的主要输入量是发电机的端电压UG，其输出IEE送到励磁功率单元。励磁调理器常呈比例调理特性，即当UG偏高时，IEE应减小；当UG偏低时，IEE应添加。励磁调理器的根本框图参见P67图3-35。前往IEEIEEeUGUGeo励磁调理器静态任务特性前往RP增大UGUG励磁调理器静态任务特性RP增大uAVRudeudeuSMo丈量单元特性放大单元特性触发+可控整流特性uAVRuSM同步发电机励磁控制系统的静特性同步发电机励磁控制系统的静态特性与励磁调理器、励磁机和发电机三者的静态任务特性有关。励磁机的静态任务特性：发电机转子电流IEF〔励磁机的输出〕与励磁机的励磁电流IEE或UAVR〔励磁调理器的输出，也即励磁机的输入〕间的关系。通常该关系为线性。〔查看特性〕同步发电机的调理特性：发电机在不同端电压值时，转子电流IEF与无功负荷〔IQ或Q〕间的关系。〔查看特性〕由励磁调理器、励磁机和发电机三者的静态任务特性可以合成同步发电机励磁控制系统的静态特性。〔查看特性〕同步发电机励磁控制系统静态特性的调差系数。前往励磁机的静态任务特性前往IEFIEE、UAVRo同步发电机的调理特性前往IEFoIQ、QUG=UGe控制系统的合成特性前往IEFoUG

励磁调理器+励磁机静态任务特性RP增大baIQ、QIQ、Qabab

RP增大同步发电机调理特性同步发电机励磁控制系统静态运转特性同步发电机励磁控制系统的静态特性曲线阐明，IQ变动时，UG根本维持不变，其特性略微下倾，其下倾程度定义为同步发电机励磁控制系统的调差系数：=(UG0UG)/UGe=UG0*UG*=UG*其中，UGe为发电机额定端电压，UG0为发电机空载〔IQ=0或Q=0〕时的端电压，UG为发电机接受额定无功电流或无功功率时的端电压，常取UG=UGe。阐明无功负荷从零添加到额定值时发电机端电压的相对变化。越小，无功负荷变化时，UG变动越小，因此表征了同步发电机励磁控制系统维持发电机端电压的才干。在实践系统中，励磁调理器中设有调差单元，以供调试人员在系统不同运转条件下设定不同的调差系数。固有的值为自然调差系数0，0随控制系统放大倍数的增大而减小。调差系数的概念前往同步发电机励磁控制系统调理特性的平移发电机投入或退出运转时，要求能平稳地转移负荷，以防引起对电网的冲击。UGIQIQ2IQ1o

退出投入〔RP增大〕前往无差调理特性一台无差与另外有差调理特性的机组间的并联运转两台无差调理特性的机组不能并联运转〔实践调试中很难做到使两机组的调理特性完全重合〕前往无差+有差前往UGIQIQ2oI:=0II:>0UI①一台无差+一台正调差UGIQIQ2oI:=0II:>0UI②一台无差+一台负调差查看结论无差+有差的结论前往机组I和II均坚持电压UI。由机组II的调理特性知，它承当的无功负荷为IQ2，其他剩下的无功负荷由机组I承当。因此，在总负荷电流一定且坚持并联母线的电压不变时，可以经过挪动机组II的调理特性来到达重新分配无功负荷的目的。另外，假设相改动并联母线的电压，那么需挪动机组I的调理特性。结论：一台无差特性的机组可以和多台正调差特性的机组并联运转。但由于在坚持并联母线的电压不变时，无功负荷增量全部由无差特性机组承当，这种分配方式极不合理，故很少采用或不用。设在无任何扰动情况下机组I和II均坚持电压UI运转，此时机组II承当的无功负荷为IQ2，其他剩下的无功负荷由机组I承当。现假设因偶尔要素使机组II承当的无功负荷添加，那么由其调理特性知，励磁调理器将增大励磁力图使端电压升高，从而使其承当的无功负荷进一步添加；同时，机组I尽量想维持端电压不变，使其励磁电流减小，因此它承当的无功负荷将减少。同理可分析出，当机组I承当的无功负荷因偶尔要素减小时，两机组间承当的无功负荷也将具有相反的变化趋势。结论：任务点不稳定。结论：具有负调差特性的机组不能在公共母线上并联运转。定性分析对两台具有正调差特性的发电机组间的并联运转，当总的无功负荷一定时，两机组最终会稳定运转在某一母线电压UG1下。此时，两机组间的无功负荷分配按照各自的调理特性确定〔电压为UG1)。当总的无功负荷添加时，引起公共母线电压下降，两机组添加励磁，最终稳定运转在某一母线电压UG2下〔UG2<UG1〕。这时，两机组承当的无功负荷均添加，两者添加的和等于总的无功负荷添加量。前往UGUG1UG2IQo设发电机正调差特性空载〔IQ=0〕时的端电压幅值为UG0，额定无功负荷IQe时的端电压幅值为UGe，那么母线电压为UG时承当的无功负荷为：定量分析结论：母线电压动摇时，发电机承当的无功负荷增量与电压偏向成正比，与调差系数成反比，与电压整定值无关〔电压整定值受RP的影响，当RP改动时，调理特性只会发生平移，而对无影响〕。因此，并联运转的发电机组，无功负荷动摇时，UG*一样，较小的机组承当较大的IQ*。通常，希望各机组的IQ*一样，因此就要求在公共母线上并联运转的各发电机组具有一样的调差系数。前往两机组额定无功功率分别为：Qei=Pei(1/2i1)1/2，i=1,2。总无功容量Qe=Qe1+Qe2。Q*=(Q1*Qe1+Q2*Qe2)/(Qe1+Qe2)=(U*/1Qe1U*/2Qe2)/(Qe1+Qe2)=U*(Qe1/1+Qe2/2)/(Qe1+Qe2)=U*/=(Qe1+Qe2)/(Qe1/1+Qe2/2)U*=Q*=K%Qi=U*Qe1/1=K%Qei/i结论：该题结果适用于多台机，即。例题有两台机组在公共母线上并联运转，其额定有功功率分别为Pe1和Pe2，额定功率因数分别为1和2，励磁控制系统的调差系数分别为1和2。假设其总无功增量为它们总无功容量的K%，试问各机组承当的无功增量是多少？母线上的电压动摇多大？前往第5节励磁调理安装原理一、励磁调理器的开展分类⒈按开展分类⒉按原理分类二、数字式励磁调理器原理⒈根本环节和构成⒉励磁调理器的辅助控制⒊数字式励磁调理器的软件〔自学〕转小结小节导航12345小结励磁调理器的开展分类①机电型电压调理器：〔P73图3-46〕借助于调理线圈和变阻器完成，具有不灵敏区。②电磁型电压调理器：由磁放大器〔50年代出现〕组成，时间常数大，但可靠性高。③半导体励磁调理器：由半导体器件组成，时间常数小，功放倍数高，开展迅速。前往励磁调理器的原理分类①反响型：按丈量值与给定值的偏向调理，能较好地维持电压程度。②补偿型：经过某种手段补偿某些要素对被调量的影响，使被调量维持在要求的定值附近。该类型维持电压的性能差，运转中还必需采用电压校正器，才干满足运转条件。如电流复式励磁及相位复式励磁〔参见书P73图3-45〕。前往根本环节及构成参见课本P75图3-48。按功能分，励磁调理器主要控制包括：①根本控制：主要完成电压调理和无功功率分配等，丈量的信号有机端电压、电流和反映机组运转形状的开关量等；②辅助控制：有励磁系统稳定器、PSS和励磁限制器等，丈量的信号还有频率、励磁电流等。按组成单元分，数字式励磁调理器主要包括：①信息采集〔丈量〕单元②主控单元③移相触发单元④人机接口单元前往信息采集〔丈量〕单元该单元的义务是将所需的各类电气量转化