励磁系统结构及原理.doc

第一章 励磁系统结构及原理一、 励磁系统的工作原理同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁功率的设备，为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流。专门为同步发电机提供励磁电流的有关设备，即励磁电压的建立、调整和使其电压消失的有关设备统称为励磁系统。同步发电机的励磁系统是由励磁调节器AER和励磁功率系统组成。励磁功率系统向同步发电机转子励磁绕组提供直流励磁电流。调节器根据发电机端电压变化控制励磁功率系统的输出，从而达到调节励磁电流的目的。根据我国国家标准GBT7409.12008“同步电机励磁系统”的规定的定义，同步电机励磁系统是“提供同步电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件、励磁功率单元、磁场过电压抑制和灭磁装置以及其它保护装置。”1、 励磁调节系统的主要作用1) 调节电压以维持机端电压为给定值电力系统正常运行时，负荷随机波动，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持机端或系统中某点电压在给定水平，所以励磁系统担负着维持电压水平的任务。为便于分析，这里讨论单机运行系统，如图11所示。图 图11 单机运行系统（a）一次电路； （b）等值电路；（c）相量图；（d）同步发电机的外特性；（e）具有调节器的外特性； GLE同步发电机的励磁绕组发电机感应电动势EG与定子电压UG关系为：EG UGjIGXd （11）式中 IG发电机定子电流；Xd发电机直轴同步电抗。由图11（c）可将EG与UG的幅值关系表示为：EGcosUGIQ.GXd （12）式中 EG与UG间的相角，即发电机的功率角；IQ.G发电机的无功电流。在值很小时，可近似认为cos1，则：EGUGIQ.GXd （13）式（l3）表明，在励磁电流不变的情况下（即EG=0），无功负荷的变化是造成机端电压变化的主要原因。由式（13）可作出发电机的外特性如图11（d）所示，外特性的斜率为： UGIQ.GXd （14）式（14）中的负号表示无功电流增加时，发电机端电压下降。当IQ.G从IQ.G1增大到IQ.G2时，相应的机端电压UG从UGl降低到UG2。如果要维持UG1值不变，则应手动增加励磁，使外特性向上平移。当利用调节器自动调节励磁电流如图11（e）时，当机端电压下降到UG2后，调节器自动调节励磁电流，使UG2回升到UG2稳定运行。图11（e）中虚线为调节器动作前的外特性，同图11（d）曲线；实线2为调节器动作后的外特性，其斜率为： UGIQ.GXd （1+K） （15）式中K励磁控制系统开环放大倍数综上所述，对于单机运行的发电机，引起机端电压变化的主要原因是无功负荷的变化，要保持机端电压不变，必须相应的调节发电机的励磁电流。2) 调节并列运行各发电机间的无功功率分配为了便于分析，设同步发电机与无限大容量母线并联运行。如图12所示，发电机端电压不随负荷变化，是一个恒定值，系统等值电抗为零。由于发电机输出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关。所以，当励磁电流变化，并忽略定子电阻损失时，发电机输出的有功功率等于发电机的电磁功率P，即：PUGIGcos常数 （16）式中 功率因数角。 发电机输出的有功功率又可表式为：PEGUGXdsin常数 （17）由式（16）、（17）和图12可知，当UG为常数，P为常数，Xd不变时，励磁电流变化，将引起EG、IG、Q等电气量的变化。图12示出四种不同励磁电流值时的相应各电气量。当励磁电流变化时，在P为常数的条件下， EG终端变化轨迹为平行于 UG的A1A4线段，相应定子电流的变化轨迹为DD线段。图12 同步发电机接于无限大容量母线运行（a）一次电路；（b）相量图（P常数）同时，由图422 看出，电压降相量 IGXx在ds和qs轴上的投影分别正比于发电机输出的有功功率和无功功率，即A1C在ds和qs 轴上的投影分别为A1B和BC线段。由上式可知，在P为定值而励磁电流变化时，电抗Xd上的压降（IGXd）相量在ds轴上投影A1B等于KP不变。所以，EG终端变化轨迹是平行于UG且与UG距离为KP的直线。可见，BC线段正比于发电机输出的无功功率，它随励磁电流IF的变化而变化。发电机接于无限大容量系统时，调节它的励磁电流只能改变其输出的无功功率。励磁电流过小，发电机将从系统吸收无功功率。在实际运行中，发电机并联的母线并不是无穷大系统，系统电压随着负荷波动而变化，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响其本身的电压和无功功率，而且也影响与其并联运行机组的无功功率，影响程度与系统情况有关。因此，同步发电机励磁系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。3) 提高电力系统的稳定性（静态稳定，暂态稳定） 同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件，电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，在这些扰动后，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稳定运行状态，则系统是稳定的。电力系统稳定通常分为静态稳定和暂态稳定两种。（一）励磁对静态稳定的影响 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。图13 为单机经连接电抗Xs向无限大容量母线送电，母线电压Us恒定不变。图13 单机经连接电抗Xs向无限大容量母线送电（a）一次电路； （b）等值电路； （c）进相运行向量图功率角； G内功率角； 功率因数角； EG与 IG夹角发电机经连接电抗Xs向无限大容量母线送电的功角特性： PEGUGXSin （18） 其中 XXd+Xs式中 Xs联系电抗，即变压器和输电线路电抗。对应于某个固定的电动势EG时，输出的有功功率P是功率角的正弦函数。如图14所示，称之为同步发电机的功率特性或功角特性。当小于90时（图中a点），发电机是稳定的；当大于90时（图中b点），发电机是不稳定的；当等于90时，为稳定的极限。所以，输出功率极限为：Pmax=EGUGX （19）实际运行中，为了留有一定的裕度，总是小于90。 静态稳定极限Pmax与发电机电动势EG成正比，而EG与励磁电流成正比，改变励磁电动势又能改变发电机输出的无功功率。所以，EG的大小又能反应无功功率的大小。图14 单机经连接电抗Xs向无限大容量母线送电经过相关推导（略）可以得出发电机视在功率静态稳定极限为： （110） 从上式可以看出，视在功率静态稳定极限的轨迹是一个圆，圆心O在Q轴上，距圆点为UG22（1Xs1Xd），半径R为UG22（1Xs1Xd）。发电机运行点只要落在圆内，就能稳定运行。 在无功功率QA保持不变时： B点对应的有功功率是静稳极限功率PmA，A点是稳定运行点（因为 PAPmA；B点是不稳定运行点（因为 PBPmA）。同理，有功功率PA保持不变时，减小励磁，发电机由于电动势下降将吸收系统的无功功率，工作点沿AC线段向下移动，C点是静稳极限点，C点是不稳定运行点。所以，圆外是不稳定的失步区。所谓失步，就是当励磁减小到某值时，使功率角增大到大于90，发电机转子被加速而超出同步转速运行。图15中圆1是在发电机没有调节器，静稳极限角SS90情况下得到的。图15 功率极限图1无AER静态稳定极限圆；2有AER静态稳定极限圆；3低励限制圆当发电机装有调节器，SS90使功率极限轨迹扩大，如图15中圆2所示，所以调节器能有效地提高电力系统静态稳定的功率极限。综上所述，发电机励磁电流不能任意减小，必须受静态稳定条件的约束，此外还受发电机定子端部发热条件的限制，也就是说运行中进相不能太多，其限制值与P的大小有关。为此，在大型发电机自动励磁调节器中，设置低励限制功能，往往按进相运行功率曲线进行整定，如图15中虚线圆3所示。综上所述，发电机励磁电流不能任意减小，必须受静态稳定条件的约束，此外还受发电机定子端部发热条件的限制，也就是说运行中进相不能太多，其限制值与P的大小有关。为此，在大型发电机自动励磁调节器中，设置低励限制功能，往往按进相运行功率曲线进行整定，如图15中虚线圆3所示。图16所示的发电机功角特性，是对应某一个EG值，称之为内功角特性曲线。发电机安装有调节器就意味着随着负载的变化，励磁电流可以自动调节，此时电动势EG为变值。假定调节器无惯性，并在负载变化时可保持机端电压UG恒定，则随着负载的增加，自动增大励磁电流使EG值升高，此时功角特性已不是一条正弦曲线，而是由一组EG等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点所组成，如图16曲线所示，称之为外功角特性。图16 具有调节器时发电机功角特性 IVEG励分别为EG1EG5分别时内功率角特性，外功率角特性 当自动调节励磁时，发电机的功角特性由内功角特性变为外功角特性。例如发电机初始工作点在内功角特性曲线的a点，功率角为a，输出功率为Pa。当输入的机械功率由 Pa增加到Pb时，由于励磁调节器自动调节励磁维持UG不变的结果，使发电机电动势 EG1 增加到 E G2，相应工作点也由内功角特性曲线的a点移到内功角特性的b点，功率角为b。依次，当功率变化时，工作点将沿着外功角特性曲线VIa、b、c、d而变化。可见，对于外功角特性，最大功率值不是出现在90，而是出现在90。因为外功角特性曲线段是借助于励磁调节而工作在此曲线上，所以称其为相应工作段为人工稳定区。（二）励磁对暂态稳定的影响暂态稳定是指系统受到大扰动（例如各种短路、接地、断线故障以及切除故障线路）后，系统保持稳定（同步）运行的能力。这一稳定性主要涉及发生故障后，发电机转子第一次摇摆时功率角是否小于180的问题。现以图13（a）为例，分析在一条线路上发生短路故障时，功角特性的变化如图17所示。图17 短路故障功角特性的变化 图17中曲线表示正常（双回线路供电）运行时功角特性，其幅值为：其中式中 U系统母线电压。 曲线表示在短路故障中（发电机尚未强行励磁时）的功角特性，由于U的下降使Pmax2减小。曲线表示故障切除后（发电机强励未动作时）的功角特性，其幅值减小为： 其中 如果发电机初始工作点在曲线的a点，短路瞬间，由于惯性的影响，转速维持不变，功率角仍为0，工作点由a点移到b点；其后，由于输出电磁功率减小，转子开始加速，功率角开始增大，当达到1时故障被切除，工作点由c移到e点；又由于惯性的影响，转子沿着功角特性曲线继续加速到f点，对应的功率角为2；经过反复振荡，最后稳定在 g 点运行。其所以能稳定在 g 点运行，因为减速面积Sdef大于加速面积Sabcd。显然，当故障切除较慢时，1将增大，加速面积Sabcd也增大，如果加速面积大于减速面积，则造成加速失调，失去暂态稳定。 提高暂态稳定的方法，通常有两种方法，一是加快故障被切除的时间；二是在提高励磁电压响应比及强行励磁电压倍数，使发电机电动势EG在故障中和故障切除后，迅速上升，增加输出功率，以达到减小加速面积、增大减速面积的目的。如图17曲线 和 所示。 正常运行时发电机的工作点在曲线的a点，当发生短路故障时，相应的功角特性为曲线。如果此时发电机强行励磁，迅速提高发电机电动势EG，使功角特性曲线由bc段升高为bc段，由此减小了加速面积（由曲线的abcd减小到曲线的abcd）。在时故障初切除后，由于发电机强行励磁的结果，工作点由c移到 e，若减速面积Sdehf ，等于面积Sdef时，则发电机转子第一次摇摆最大功率角由2降到2，明显地提高了暂态稳定性。图18 时间常数与暂态稳定 图19 强励倍数与暂态稳定功率极限的关系 功率极限的关系可见，发电机励磁电压响应比（即励磁电压上升速度）越大，励磁顶值电压就越高，对电力系统暂态稳定的效果越明显。图18 表示励磁系统时间常数Te与暂态稳定功率Pmax的关系。Te在0.3s以下时，提高强励倍数Kef 对提高暂态稳定功率极限有明显效果。Te较大时，效果就不明显。图19表示强励倍数Kef与暂态稳定功率极限Pmax的关系。综上所述，发电机励磁系统既有快速响应特性又有高强励倍数时，才对改善电力系统的暂态稳定有明显的作用。4) 改善电力系统的运行条件（一）加速系统电压恢复过程和改善异步电动机的自启动条件电力系统发生故障（短路，接地等）时，使系统电压降低很多，大多数用户的电动机处于制动状态，故障切除后，由于电动机的自启动需要吸收大量的无功功率，会使电力系统电压降低更多，以致延缓系统电压的恢复过程。此时，由于自动励磁调节器的自动调节，发电机可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。（二）为发电机异步运行和自同步并列创造条件同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量的无功功率，如果系统无功储备不足，会造成系统电压严重下降甚至危及系统的安全运行。此时，若系统中其它发电机能提供足够的无功功率，以维持电压水平，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。这不仅对系统安全运行有利，而且有利于机组厂用设备的运行。若发电机以自同步方式并列时，将造成系统电压的突然下降，这时系统中其它发电机能迅速增加励磁电流，以保证系统电压的恢复和缩短机组的自同步并列时间。5) 在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。6) 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。2、 电力系统稳定器PSS在前面的发电机输出电磁功率的表达式中，只计及发电机在同步转速时发出的同步有功功率。实际上，当发电机与无穷大系统之间和发生振荡（即转子转速时快时慢）时，在发电机的转子回路中，特别是在阻尼绕组中将有感应电流，此电流在定子绕组中形成阻尼功率rr （111）式中 D功率阻尼系数图110示出阻尼功率对振荡的影响。当发电机受到微小扰动后，若D等于零，随时间的变化规律（功率角变化的幅度）为不衰减的等幅振荡，即运行点在功角P平面上沿功角特性曲线，以原始运行点a为中心作往返等距离的运动。如图110（a）所示。当D不等于零时，由于增加了一项与角速度偏差成正比的阻尼功率，情况将有所不同：若D大于零时，随时间的变化规律为减幅振荡，如110（b）所示，其特征是运行点在P平面上顺时针移动，最后回到原始运行点，D值正得愈大，系统（或发电机）的静态稳定性愈好。若小于零时，的变化规律为增幅振荡，如图110（c）所示，其特征是运行点在P平面上逆时针移动，逐渐远离原始运行点a，形成了所谓的自发振荡，则功率角的变化幅度欲来欲大，最后必将导致发电机与电网之间失步，D值负的欲多，系统的稳定性欲差。一般情况下，在不计自动励磁调节器时，功率阻尼系数是正值。在D0时，若大于0转子加速（转速高于同步转速）时，阻尼功率Pr为正值，发电机多发有功功率，阻止转速升高；反之，小于0时转子减速时，Pr为负值，阻止转速进一步降低。图110 阻尼功率对振荡的影响（a） D0 时等幅振荡； （b）D0时减幅振荡； （c）D0 时增幅振荡按电压负反馈原理构成的励磁调节器，从本质上削弱了机组平息振荡的能力，即具有降低功率阻尼系数的弱点；而且当励磁调节器开环放大倍数K高达一定值后，功率阻尼系数D变为负值，此时发电机受到微小扰动，就可能激发低频震荡，这种现象不论对哪种励磁控制系统都是存在的 。但对于快速（指可控硅直接作用于发电机励磁绕组中的系统）励磁控制系统，只有远距离送电，无地方负荷的情况下，当负荷较重，功率角较大时，才会发生振荡失步 ；而对于常规励磁控制系统，不仅在重负荷情况下，就是在轻负荷下，也会发生震荡失步。根据励磁控制系统动态稳定的要求，如果K大于允许值时，就必须采用补偿措施，否则可能出现小干扰下的不稳定问题。电力系统稳定器（PSS）是一种有效的补偿措施。PSS能提供一个附加阻尼，相当于提高功率阻尼系数D，使转子振荡的阻尼比达到一个理想的数值，响应特性就能较快达到稳态值，提高了电力系统（或发电机）的静态稳定。PSS是通过励磁控制系统，抑制电力系统低频振荡（或抑制发电机有功功率摆动）的装置。它的输入信号可以是转速偏差、或是有功功率的偏差P或是频率的偏差f 。试验结果表明，这三种输入信号中，P信号最好，其次是信号，f信号效果最差。它的输出信号接至励磁调节器电压反馈K1UG和电压给定Uset的加法器上，如图111 所示。PSS在转速恒定不变时，输出为零，不起作用，这是因为发电机正常运行中，不希望稳定器对机端电压产生持续的影响。 只有在转速或有功功率或频率变化时，才起作用，作用的结果如图110（b）所示。比如，运行点a由扰动偏移到b点后，转子加速，大于零，增加发电机的励磁电流，使EG增大，增发有功（电磁）功率，使运行点由b点向上移动过程中，正向偏离了原来的功角特性bac，形成了boac 弧线，阻止转速升高；到c点等于零，但由于机械功率小于电磁功率，使运行点由c点顺时针沿coad 弧线向下移动，而不是cab，阻止转速下降。如此反复，形成了衰减振荡，直至回到原始运行点a稳定运行后，PSS才不起作用。图111 具有PSS的励磁控制系统示意图3、 三相全控桥式整流电路1)可控硅的概念和结构可控硅又叫晶闸管。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。单向晶闸管也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号可以看出，它和二极管一样是一种单向导电的器材，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅最主要的作用之一就是稳定压稳流。 可控硅在自动控制、机电领域、工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非导通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其导能，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少某一个值以下。 图112 可控硅的结构2）可控硅的种类可控硅有多种分类方法。（一）按关断、导通及控制方式分类：可控硅按其关断、导通及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆向可控硅、门极关断可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。（二）按引脚和极性分类：可控硅按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。（三）按封装形式分类：可控硅按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。（四）按电流容量分类：可控硅按电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常大功率可控硅多采用金属封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。（五）按关断速度分类：可控硅按其关断速度可分为普通可控硅和高频（快速）可控硅。3）可控硅的主要工作特性要使可控硅导通，一是在它的的阳极A与阴极之间外加正向电压，二是在它的控制极度G与阴极K之间输入一个正向触发电压，可控硅导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。可控硅的特点是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极度外加的是反向电压，可控硅就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使可控硅导通，却不能使它关断。那么用什么方法才能使导通的可控硅关断呢？使导通的可控硅关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。如果可控硅阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么在电压过零时可控硅会自行关断。 4）可控硅在电路中的主要用途普通可控硅最基本的用途就是可控整流。5）可控硅控制极所需的触发脉冲的产生可控硅触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小可控硅触发大可控硅的触发电路。一个交流电的周期为360度，正半周为180度，负半周180度。可控硅又称可控整流元件，交流电通过整流元件时，元件让正180度电通过，阻止了负180度的通过，即所谓半波整流。交流电通过可控硅时，并不是让180度的正半周电全部通过的，即所谓可控整流。当正半周加到可控硅的阳极，在180度的某一角度时，在可控硅的控制极加有触发脉冲，例如在30度加一脉冲，可控硅只能通过余下的150度电压，这种使可控硅导通的起始角度称为导通角。可控硅是一种大功率的整流元件，它的整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定时，输出电压能够均匀调节。在整流电路中，可控硅在承受正向电压的时间内，改变触发脉冲的输入时刻，即改变控制角的大小，在负载上可得到不同数值的直流电压，因而控制了输出电压的大小。 可控硅导通的条件是阳极承受正向电压，处于阻断状态的可控硅，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极度所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流IL以上。导通后的可控硅管压降很小。三相全控桥式整流电路（以下简称全控桥）如图113所示。它有整流、逆变两种工作状态。全桥对触发脉冲提出较高的要求。6）三相全控桥式整流电路对触发脉冲的要求（一）可控硅 VSO1VSO6的触发脉冲次序应为VSO1、VSO2113 三相全控桥式整流VSO6。为保证后一可控硅触发导通时前一可控硅处于导通状态。所以，对于单脉冲（即每个可控硅在2区间内只获得一个触发脉冲）触发，要求触发脉冲的宽度为大于60电角度的“宽脉冲触发”；也可以在给后一可控硅触发脉冲的同时，给前一个可控硅补发一触发脉冲，形成“双脉冲触发”，即每个可控硅在2区间能获得两个触发脉冲，如表11所示。表11 0时双触发脉冲的次序（二） VSO1VSO6的触发脉冲应在图114（a）中。tl、t2、 t3、t4、t5、t6点为起点的180区间发出，即触发脉冲应与相应交流电源电压保持同步。7）输出电压为便于分析，首先不考虑交流回路电感，即认为可控硅换相是瞬间完成的。（一）整流工作状态整流工作状态就是在控制角90时，将输入的交流电压转换为直流电压，如图114所示。当0时，输出电压波形与三相不可控桥式整流电路相同。当30时，在触发脉冲ut1、ut6作用下，VSO1、VSO6导通，输出电压为uUV 。经60电角度后，在从ut2、utl作用下，VSO1 继续导通，由于此时W相电压低于V相电压，VSO2导通，VSO6在反向电压（uVW0）作用下关断，输出电压uUW。又经过60电度角在ut3、ut2作用下，VSO2、VSO3导通，由于此时V相电压高于U相电压，VSO1在反向电压uVU作用下关断，输出电压uVW，依此类推，此时的输出波形如图114（b）所示。当60时，各可控硅导通和关断情况与上类似，输出电压波形如图114（c）所示。由图114可知，当控制角小于60时，共阴极组可控硅输出的阴极电位在每一瞬间都高于共阳极组的阳极电位，故输出电压瞬时值uMN都大于零，波形是连续的。当大于60时，输出电压瞬时值uMN将出现负的部分，如图115（b）和（c）所示。其原因是电感性负载产生的反电动势，维持负载电流连续流通所引起的。图114 全控桥060时输出电压波形（a）输入相电压波形；（b）30输出线电压波形；（c）60输出线电压波形图115（b）示出80时输出电压波形。在触发脉冲ut1、ut6作用下，可控硅VSO1、VSO6导通，输出电压uUV，因uMNuUV0，则输出电压M端为正，N端为负，负载电流由M流向N。到t3时刻，uMNuUV0，负载电流有减小的趋势，在负载电感L中产生的感应电动势eL阻止i的减小，eL极性如图115（a）所示（N端为正， M端为负），电动势eL对VSO6、VSO1来说是正向电压，因i通过 VSO6TVSO1流通。在t3以后，虽然V相电压高于U相电压，即 uUV 0，但负载电感L上的感应电动势eL的数值仍比uUV 大，故VSO6、 VSO1仍处在正向电压下，保持导通状态，因此在t3t2区间内，uMNuUV0呈负值状态。到t2时刻，在触发脉冲ut1、ut2作用下，VSO1仍处于导通状态，VSO2导通时VSO6受到uVW0的反向电压作用下而关断，输出电压 uMNuUW 。以后的工作状态与上述类似。可见，输出电压瞬时值，在6090条件下，正值部分面积大于负值部分面积，总的平均值仍是正值。当90 时，正值部分面积和负值部分面积相等，如图115（c）所示输出电压平均为零，即Uav0。综上所述，三相全控桥整流电输出电压uMN波形，在电源电压变化一个周期内，分为均称的六段，故输出电压平均值Uav是交流线电压区间的平均值，参看图 114（b），得：（1-12）图115 全控桥6090输出线电压波形 图116 全控桥90180输出线电压波形（a）相电压波形；（b）80输出线电压波形； （a）相电压波形；（b）120输出线电压（c）90输出线电压波形 （c）150输出线电压波形由上式可画出Uav与的关系曲线。（1-13）（二）逆变工作状态逆变工作状态就是在控制角90时，输出电压平均值Uav为负值，将直流电压转换为交流电压。实际上就是将负载电感L中储存的能量反馈给交流电源，使L中的磁场能量很快释放掉。观察图115（b），在t3时刻虽然uUV过零开始变负，但电感L上阻止电流i减小的感应电动势eL较大，使eLuVU仍为正， 参看图116（a），VSO1和VSO6仍在正向阳极电压下导通。这时eL与电流i的方向一致，直流侧发出功率，即将原来在整流状态下储存在磁场的能量，释放出来送回到交流侧。交流侧电压瞬时值uVU与电流i的方向相反，交流侧吸收功率，将能量送回交流电网。很明显，当电感L中剩余的能量不能维持逆变时，流经可控硅的电流中断，逆变过程才结束。所以，为了实现逆变，Uav应为负值，控制角应大于90。由图116可知，当120时，UMN没有正值部分；当150时，UMN负的部分增大；控制角越大，uMN负得愈大，逆变过程就愈短。由以上分析可知，逆变的条件：要实现逆变，负载必须是电感性的，并且原来处于整流工作状态，即转子绕组已储存能量。要实现逆变，角应大于90和小于180，输出电压平均值Uav为负值；由于逆变是将直流侧电感中储存的能量向交流电源反送的过程，因而逆变时交流电源不能中断。综上所述，三相全控桥整流电路，在090时，全控桥处于整流工作状态，改变角，可以调节发电机励磁电流；当90180时，全控桥处于逆变工作状态，可以实现对发电机自动灭磁。也就是说，当发电机发生内部故障时，继电保护动作后，给励磁调节器一个信号，使控制角由小于90的整流工作状态加大到大于90的某一适当的角度（如150），进入逆变工作状态，将发电机转子励磁绕组中储存的能量迅速反馈给交流电源，使发电机电动势迅速降低，实现逆变灭磁。8）整流电路的外特性和逆变颠复（一）整流电路的外特性由于交流电源各相（U、V、W）回路中存在电感，可控硅的换流不能瞬间完成，即存在换流角。整流电路交流电源各相回路中的电感对整流电路输出波形的影响如图117所示。在t1时刻以前，VSO5与VSO6导通，输出电压瞬时值为uWV。在t1时给VSO1以触发脉冲，由于交流回路电抗Xac的存在，电流不能突变。从t1瞬间开始，流经VSO5的W相电流要从i5值逐渐降至零，流经VSO1的U相电流要从零逐渐升至i1，如图117（d）所示。经历了换流角之后，流经负载的电流i才完全从W相的VSO5，转移到U相的VSO1。在换流角期间，共阴极组的VSO1与VSO5是同时导通的。这时共阴极组的阴极电位则为U相与W相电位之和的平均值。如果在t1的瞬间突变换流（交流回路没有电感的理想情况），则阴极电位立即上升到uU值。故计及换流电抗见Xac后，输出电压平均值下降，形成图117（e）中的缺口面积。对于三相桥式电路，每个周期内这样的缺口共有六块。所以考虑交流回路电抗Xac引起换流压降损失后，三相全控桥输出电压平均值为：（1-14）式中 Xac三相全控桥交流电源回路中，每相电抗，XavL，L为交流回路中每相电感。如果再计入每个桥臂元件导通时正向压降的平均值U，若略去交流回路中电阻引起的压降时，三相全控桥输出电压平均值为：（1-15）图117 回路电感对整流电路输出波形的影响（a）电路图；（b）输入相电压；（c）触发脉冲；（d）负载电流，（e）输出电压 在一定的供电电压和控制角下，2.34UPcos为一确定的值，式（114）表示整流桥输出给两端平均电压Uav与负载电流i的变化关系，称之为三相全控桥整流电路的外特性，如图（118）的直线1及直线2所示。外特性是一条向下倾斜的斜线，即输出电压随负载电流的增大而降低。当改变时，特性将上下平移，角减小时特性向上平移；反之向下平移。图中曲线3是负载电阻的伏安特性，它与外特性的交点为该状态的运行点。例如控制角为1时，该负载电阻下输出的平均电流为I1 ；当控制角减小到 2时，相当于将整流桥的外特性平行上移，输出的负载电流增加到I2，相应的输出电压平均值由Uav1提高到Uav2。 （二）逆变颠复在全控桥中，常将称为逆变角（180），由于90时处于逆变状态，因此，90。前面指出，由于交流电源各相回路存在电感，可控硅换流需要一定时间，因此出现换流角，另外可控硅关断也需要时间。所以逆变角不能太小，最小的逆变角min必须大于换流角与可控硅关断时间对应的电角度之和，通常min30，则逆变时控制角90150。若控制角过大，会造成逆变失败，或称为逆变颠复。图118 三相全控桥整流电路的外特性 （1 2）11的外特性； 22的外特性；3负载电阻的伏安特性二、 励磁系统的常规设计1、发电机励磁系统的分类同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。1）交流励磁机系统交流励磁机系统根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励磁机系统。交流励磁机系统若按整流是静止或是旋转、以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式： （a） 交流励磁机加静止硅整流器；（b） 交流励磁机加静止可控硅；（c） 交流励磁机加旋转硅整流器；（d） 交流励磁机加旋转可控硅；交流励磁机系统的具体接线方式很多，下面给出几种典型的接线方式。 （一）它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统）它励交流励磁机系统原理如图2-1所示。图2-1 交流励磁机系统接线原理一（三机它励）交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。（二）自励交流励磁机系统自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获得。其原理见图2-2。交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制可控硅的触发角，调整其输出电流。其原理见图2-3，亦称为两机它励励磁系统。励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统，其原理图见图2-4。图2-2交流励磁机系统接线原理二图2-3交流励磁机系统接线原理三（两机它励）图2-4交流励磁机系统接线原理图（两机一变）（三） 无刷励磁系统上述交流励磁机系统，励磁机的电枢与整流装置都是静止的。虽然由硅整流元件或可控硅代替了机械式换向器，但是静止的励磁系统需要通过滑环与发电机转子回路相连。滑环是一种转动的接触部件，仍然是励磁系统的薄弱环节。随着巨型发电机组的出现，转子电流大大增加，可能产生个别滑环过热和冒火的现象。为了解决大容量机组励磁系统中大电流滑环的制造和维护问题，提高励磁系统的可靠性，出现了一种无刷励磁方式。这种励磁方式整个系统没有任何转动接触元件。其原理图见图2-5。图2-5无刷励磁系统接线原理无刷励磁系统中，主励磁机（ACL）电枢是旋转的，它发出的三相交流电经旋转的二极管整流桥整流后直接送发电机转子回路。由于主励磁机电枢及其硅整流器与主发电机转子都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环及电刷等转动接触元件。无刷励磁系统中的副励磁机（PMG）是一个永磁式中频发电机，它与发电机同轴旋转。主励磁机的磁场绕组是静止的，即它是一个磁极静止、电枢旋转的交流发电机。无刷励磁系统彻底革除了滑环、电刷等转动接触元件，提高了运行可靠性和减少了机组维护工作量。但旋转半导体无刷励磁方式对硅元件的可靠性要求高，不能采用传统的灭磁装置进行灭磁，转子电流、电压及温度不便直接测量等。这些都是需要研究解决的问题。2、 静止励磁系统静止励磁系统取消了励磁机，采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。与电机式励磁方式相比，在自励系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故自励磁系统又称为静止励磁系统。静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变压器（或串联变压器），二者结合起来，则构成所谓自复励方式。（一）自并励方式这是自励系统中接线最简单的励磁方式。其典型原理图如图3-6所示。只用一台接在机端的励磁变压器ZB作为励磁电源，通过可控硅整流装置KZ直接控制发电机的励磁。这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励（自并激）方式。图2-6自并激励磁系统接线原理自并激方式的优点是：设备和接线比较简单；由于无转动部分，具有较高的可靠性；造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快。但对采用这种励磁方式，人们普遍有两点顾虑；第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否失磁；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析和试验表明，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普遍地得到采用。国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国近年来在大型发电机上广泛采用自并励方式。（二）直流侧叠加的自复激方式在自并励的基础上加一台与发电机定子回路串联的励磁变压器，后者另供给一套硅整流装置，二者在直流侧叠加，则构成直流侧叠加的自励方式。叠加方式分为电流叠加（直流侧并联）和电压叠加（直流侧串联）两种。图2-7为直流侧并联自复励方式原理图。发电机F的转子励磁电流由硅整流桥GZ与可控硅整流桥KZ并联供给。硅整流桥由励磁变压器GLH供电，可控硅桥由励磁变压器ZB供电。ZB并接于机端，GLH串接于发电机出口侧或中性点侧。发电机空载时由可控硅桥单独供给励磁电流，发电机负载时，由可控硅桥与硅整流桥共同供给励磁电流。其中硅整流桥的输出电流与发电机定子电流成正比，可控硅桥的输出电压受励磁调节器的控制，起电压校正作用。图2-7直流侧并联的自复激励磁系统这种直流侧并联的自复激方式，在我国一些中、小型汽轮发电机和水轮发电机上采用较早，有一定的运行经验，但未得到推广。因为在系统中短路时，复励部分与自并励部分协调配合较差，此外，励磁变流器副方尖峰过电压问题也比较严重。图2-8交流侧并联的自复激励磁系统图2-9交流侧串联的自复激励磁系统（三） 交流侧电压叠加的自复励方式励磁变压器的输出与励磁变流器的输出，先叠加再经过整流供给发电机励磁，则构成交流侧叠加的自复励方式，如图2-9，注意这时励磁变流器原边电流要转换成副边电压信号，变流器铁芯必须加有空气隙，这将大大增加变流器的体积。图2-8为交流侧并联的自复励方式。励磁变压器ZB串联一个电抗器X之后与励磁变流器GLH并联，经硅整流桥GZ整流后，供给发电机的励磁。图2-9为交流侧串联的自复励方式，励磁变压器ZB的副方电压与励磁变压器GLH的副方电压相联（相量相加），然后加在可控硅整流桥KZ上，经整流后供给发电机的励磁。当发电机负载情况变化时，例如电流增大或功率数降低，则加到可控硅整流桥上的阳极电压增大，故这各种励磁方式具有相复励作用。交流侧叠加的自复励方式，由于反应发电机的电压、电流及功率因数，故又称为相补偿自复励方式。3、直流励磁机系统用专门的直流发电机向同步发电机转子回路提供励磁电流的系统称为直流励磁机系统。其中的直流发电机被称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴。直流励磁机系统又分为自励与它励两种方式。（一）自励直流励磁机系统自励直流励磁系统原理图如图2-10所示 图2-10直流励磁机系统接线原理一发电机（F）的转子绕组由专门的自励式直流励磁机（L）供电，Rc为励磁机磁场调节电阻，该励磁系统可以用手动调节Rc的大小，改变励磁机的磁场电流，达到手动调节发电机转子电流的目的；也可以由自动励磁调节器改变励磁机磁场电流，达到自动调节发电机端电压的目的。（二）它励直流励磁机系统带副励磁机的直流励磁机系统称为它励直流励磁机系统。其原理如图2-11所示。通常副励磁机和主励磁机都与发电机同轴。图2-11 直流励磁机系统接线原理二显然，它励直流励磁机系统比自励直流励磁机系统多了一台副励磁机（FL）。主励磁机有2个励磁绕组。LQ为主励磁绕组，LLQ为附加励磁绕组，用作AVR的输入。这里它励与自励的区别是对励磁机的励磁方式而言的。它励直流励磁机方式多用于水轮发电机。4、谐波励磁系统除了上述几种励磁方式外，还有一种介于自励与它励二者之间的所谓谐波励磁系统。在主发电机定子槽中嵌有单独的附加谐波绕组。利用发电机合成磁场中的谐波分量，通常是利用三次谐波分量，在附加绕组中感应出的谐波电势，作为励磁装置的电源，经半导体整流后供给发电机本身的励磁。谐波励磁方式有一个重要的有益的特性，即谐波绕组电势随发电机负载变动而改变。当发电机负载增加或功率因数降低时，谐波绕组电势随之增高；反之，当发电机负载减小或功率因数增高时，谐波绕组电势随之降低。因此，这种谐波励磁系统具有自调节特性，与发电机具有复励的作用相似。当电力系统中发生短路时，谐波绕组电势增大，对发电机进行强励。这种励磁方式的特点是，简单、可靠、快速。国内一些制造单位曾分别在2.5万KW及以下的小容量机组上进行研究试验。有些问题，例如不同的发电机三次谐波绕组及发电机参数应如何合理选择等，还待进一步研究。谐波励磁方式，在我国一些小容量发电机上已经采用。2、主要励磁系统配置1）自并激励磁系统的基本配置自并激静止励磁系统主要由励磁变压器、可控硅整流桥、自动励磁调节器及起励装置、转子过电压保护与灭磁装置等组成。（一) 励磁变压器励磁变压器为励磁系统提供励磁能源。对于自并激励磁系统的励磁变压器，通常不设自动开关，励磁变压器直接与发电机封闭母线相连。励磁变压器可设置过电流保护、温度保护、励磁绕组过负荷保护，通常励磁变压器过电流保护装置于励磁变高压侧而励磁绕组过负荷保护装设于励磁变低压侧。容量较大的油浸励磁变压器还设置瓦斯保护。大多小容量励磁变压器一般