电力系统自动化第2章 同步发电机自动励磁

1、 励磁功率单元 励磁调节器 励磁系统 同步发电机 qGGd jEUI X IG发电机定子电流发电机定子电流(亦是负荷电流亦是负荷电流) Xd发电机直轴同步电抗发电机直轴同步电抗 IG UG Eq Xd 等值电路图等值电路图 GEW dQGG XIU cosEq dQG XIU q E G G 发电机功角，即发电机功角，即EqEq与与U UG G的相位差；的相位差； I IQ Q发电机定子电流无功分量；发电机定子电流无功分量； 发电机功率因数发电机功率因数( (亦是负荷功率因数亦是负荷功率因数) )。 一般一般G值很小，可近似认为值很小，可近似认为cosG1 qGGd jEUI X 上式说明，负

2、荷的无功电流是造成上式说明，负荷的无功电流是造成Eq和和UG幅值差的主要原幅值差的主要原 因，发电机的无功电流越大，两者间的差值也越大。因，发电机的无功电流越大，两者间的差值也越大。 EFq IE 结论：结论： dQG XIU q E 同步发电机的外特性同步发电机的外特性 结论结论:励磁控制系统通过不断调节励磁电流来维持励磁控制系统通过不断调节励磁电流来维持 机端电压为给定值。机端电压为给定值。 曲线曲线1：IEF1不变，曲线不变，曲线2：IEF2不变不变 励磁不变励磁不变: (UGe，IQ1) (UG2，IQ2) 励磁增加励磁增加: (UGe，IQ1) (UGe，IQ2) GXL () QB

3、 UUIXX GqdQ UEI X qX dBL Q EU I XXX - B X L X X U B U BXLQ UUI X Q Q GXqBL ()UUIXX GX UU 、若同步发电机接于无穷大电力系统、若同步发电机接于无穷大电力系统 qG G d sin GG E U PC O S X UI 常 数 q 2 sinE K 常 数 G 1 cosI K 常数 不变；不变； ；变；变变，变 不变）（变 sincos sinsin GGGG GGGGG GEF IUPI IUQII UI q 2 sinE K 常数 G 1 cosI K 常数 不变；不变； ；变；变变，变 变 sinsin

4、 cos cos d G Gq d Gq GGqq EF X U PE X UE UQEE I * q I 可采取的方法可采取的方法 * Q G -I-U * Q I 1 1、励磁对静态稳定的影响、励磁对静态稳定的影响 2 2、励磁对暂态稳定的影响、励磁对暂态稳定的影响 I I ：故障前双回线运行曲线：故障前双回线运行曲线 II II ：一回线故障时的运行状况曲线：一回线故障时的运行状况曲线 IIIIII：故障切除后一回线运行：故障切除后一回线运行( (等面积法则等面积法则) )加速面积加速面积abceabce小于小于 减速面积减速面积defgdefg，则系统暂态稳定，则系统暂态稳定。 故障期

5、间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势 Eq上升而增加电功率输出，使Pm增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增 加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。 快速响应快速响应= 缩小励磁系统的时间常数缩小励磁系统的时间常数+ 提高强行励磁的倍数提高强行励磁的倍数 图图5.9 短路切除后电压的恢复短路切除后电压的恢复 1无励磁自动控制无励磁自动控制 2有励磁自动控制有励磁自动控制 发电机强行励磁的作用可以加发电机强行励磁的作用可以加 速系统电压的恢复，有效地改速系统电压的恢复，有效地改 善电动机的自启动条件。善电动机的自启动条件。 励磁控制系统结构框图励磁控制系统

6、结构框图 G 发电机 率单元 励磁功 励磁调节器 输入信息 统 系 力 电 G 励磁系统的组成如图励磁系统的组成如图: : 励磁控制系统结构框图励磁控制系统结构框图 G 发电机 率单元 励磁功 励磁调节器 输入信息 统 系 力 电 G 励磁控制系统结构框图励磁控制系统结构框图 G 发电机 率单元 励磁功 励磁调节器 输入信息 统 系 力 电 G 。 LLAVREEIII I ILL LL 励磁机的励磁电流励磁机的励磁电流 I IAVR AVR 自动励磁调节器输出的电流自动励磁调节器输出的电流 I IEE EE 励磁机提供的励磁机的励磁电流励磁机提供的励磁机的励磁电流 励磁电流的调节方法：励磁电

7、流的调节方法： 通过人工调节励磁机磁场电阻通过人工调节励磁机磁场电阻R RC C来改变来改变励磁机的励磁电流励磁机的励磁电流I IEE EE， ， 从而达到人工调整从而达到人工调整发电机励磁电流发电机励磁电流的目的，实现对发电机励磁电的目的，实现对发电机励磁电 流的流的手动调节手动调节。 通过自动励磁调节器实现对励磁机的励磁电流通过自动励磁调节器实现对励磁机的励磁电流I IAVR AVR自动调节 自动调节。 不能实现全自动调节，而是手动与自动联合调节。不能实现全自动调节，而是手动与自动联合调节。 交流励磁机交流励磁机交流副励磁机交流副励磁机 副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转副励磁机：电枢静

8、止，磁极（励磁）旋转 主励磁机：主励磁机：电枢旋转，磁极（励磁）静止电枢旋转，磁极（励磁）静止 发电机：发电机： 电枢静止，磁极（励磁）旋转电枢静止，磁极（励磁）旋转 励磁变压器励磁变压器 励磁变励磁变 压器压器 式中式中REE、LEE励磁机励励磁机励 磁线圈的电阻和电感。磁线圈的电阻和电感。 IEE是按指数曲线增长的，其时间常数为：是按指数曲线增长的，其时间常数为： 由于励磁机电势由于励磁机电势UEF正比于正比于IEE，UEF也是按指数曲线增加的。也是按指数曲线增加的。 式中式中 E0自励直流发电机的残余电势值自励直流发电机的残余电势值 U1励磁机的工作电压值励磁机的工作电压值 IEE1 励

9、磁机的工作电流值励磁机的工作电流值 k比例常数比例常数 交点交点1代表了自励直流发电机的电压建立条件和过程。代表了自励直流发电机的电压建立条件和过程。 虚线代表了虚线代表了励磁线圈的磁化曲线励磁线圈的磁化曲线，在这条虚线上任一点的励磁机电动势为：，在这条虚线上任一点的励磁机电动势为： EF EE U dt I d LRI EEEEEE 代入，得 EEEF EE IU dt I kE d LRI 0EEEEEE 整理之，得整理之，得 由此得自励系统的时间常数由此得自励系统的时间常数: 常规励磁系统一般是指常规励磁系统一般是指直流励磁机系统直流励磁机系统，快速励磁系统则，快速励磁系统则 是由高频交

10、流励磁机组成的。由于其频率较高，达到同样励是由高频交流励磁机组成的。由于其频率较高，达到同样励 磁电压需要磁通量可以大为减少，因而励磁机的时间常数也磁电压需要磁通量可以大为减少，因而励磁机的时间常数也 大为减小。大为减小。 EE EE EE EE C R L kR L T 通常将励磁电压在最初通常将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率定义为电压响应比。内上升的平均速率定义为电压响应比。 为强励倍数 a EF U U max. 励磁系统电压响应时间为励磁系统电压响应时间为0.1s 或更短的励磁系统，称为高初或更短的励磁系统，称为高初 始响应励磁系统。始响应励磁系统。 转子绕组端电压的最大值与电

11、阻转子绕组端电压的最大值与电阻Rm有关，电阻有关，电阻Rm越大，灭磁越大，灭磁 过程越快，但过程越快，但eGEW0也就越大；电阻也就越大；电阻Rm越小，灭磁过程越慢，越小，灭磁过程越慢， 但转子绕组比较安全。但转子绕组比较安全。 这就是说，在灭磁过程中，转子回路的电流应始终以等这就是说，在灭磁过程中，转子回路的电流应始终以等 速度减小，直至为零（而不是按指数曲线减小了）。速度减小，直至为零（而不是按指数曲线减小了）。 控制角控制角在在90150范围内整流桥处于逆变运范围内整流桥处于逆变运 行状态。转子储存的磁场能量就以续流形式经全控行状态。转子储存的磁场能量就以续流形式经全控 桥的逆变状态反送

12、到交流电源，使转子磁场能量不桥的逆变状态反送到交流电源，使转子磁场能量不 断减少，这样就达到了灭磁断减少，这样就达到了灭磁 . 输入量：发电机电压输入量：发电机电压U UG G 输出量：励磁机的励磁电流或输出量：励磁机的励磁电流或 是转子电流，通称为是转子电流，通称为I IAVR AVR 56 1 k RR Rf c 9 2 k R R f c )(U 121deVZcsec UKUK 特性为特性为所示。所示。 87 3 R k R Rf c ）（ REF123121de )(UUUKUKUKUK secVZcVZcsec 特性曲线可向右平移，如图中虚线所示：特性曲线可向右平移，如图中虚线所示

13、： ，则设0UVZ2 因此调节电位器因此调节电位器RP 可改变发电机整定电压的作用。可改变发电机整定电压的作用。 由正竞比电路，负竞比电路、信号综合放大电路和互补由正竞比电路，负竞比电路、信号综合放大电路和互补 输出电路组成。输出电路组成。 （1）正竞比电路：励磁信号控制）正竞比电路：励磁信号控制 （2）负竞比电路：电压）负竞比电路：电压/频率限制器信号频率限制器信号 （3）信号综合放大电路：线性放大，双向限幅）信号综合放大电路：线性放大，双向限幅 （4）互补输出电路：提高与下一级负载阻抗匹配能力）互补输出电路：提高与下一级负载阻抗匹配能力 。 脉冲发生器脉冲发生器则根据综合放大单元送则根据综

14、合放大单元送 来的综合控制信号来的综合控制信号USM和同步信号和同步信号 比较，产生与主回路同步且相位可比较，产生与主回路同步且相位可 控的触发脉冲，并加以放大，最后控的触发脉冲，并加以放大，最后 输出具有合适电压幅值、合适脉冲输出具有合适电压幅值、合适脉冲 宽度和足够驱动能力的触发脉冲，宽度和足够驱动能力的触发脉冲， 送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管 整流桥。整流桥。 脉冲给定基准器脉冲给定基准器用来平移综合控制电压用来平移综合控制电压USM与控制角与控制角的关系的关系(即移相特即移相特 性性)，以使运行中的控制电压，以使运行中的控制电压USM在合适的范围内，而不

15、致产生饱和失控。在合适的范围内，而不致产生饱和失控。 （c）：余弦波触发器的三相桥式全控整流电路具有线性特性，）：余弦波触发器的三相桥式全控整流电路具有线性特性， 因此因此 UAVR=K3K4USM 式中：式中：K3、K4移相触发和可控整流单元的放大系数。移相触发和可控整流单元的放大系数。 图图 2-35 中表示了调节器静止工作特性的组合过程。中表示了调节器静止工作特性的组合过程。 （d）：在励磁调节器工作范围内：）：在励磁调节器工作范围内： UG升高，升高，U AVR 急剧减小；急剧减小； UG降低，降低，U AVR 就急剧增加。就急剧增加。 其中线段其中线段ab 为励磁调节器的工作区。为励

16、磁调节器的工作区。 工作区工作区ab 内发电机电压变化极小，内发电机电压变化极小， 可达到维持发电机端电压水平的目的。可达到维持发电机端电压水平的目的。 发电机的调节特性是发电机转子电流发电机的调节特性是发电机转子电流IEF与无功负荷电流与无功负荷电流 IQ的关系的关系. 1、 发电机额定电压附近的调节特性：发电机额定电压附近的调节特性： 发电机转子电流发电机转子电流 IEF 无功负荷电流无功负荷电流I Q 调节特性稍有下倾，下倾的程度表调节特性稍有下倾，下倾的程度表 征了发电机励磁控制系统运行特性征了发电机励磁控制系统运行特性 的一个重要参数：的一个重要参数：调差系数调差系数. *GG2G1

17、 GN G2G1 UU-U U U-U 调差系数的定义：调差系数的定义： 调差系数调差系数表示了无功电流从零增加到表示了无功电流从零增加到 额定值时，发电机电压的相对变化。额定值时，发电机电压的相对变化。 调差系数越小，无功电流变化时发电机调差系数越小，无功电流变化时发电机 电压电压变化越小。变化越小。 所以，调差系数所以，调差系数表征了励磁控制系统表征了励磁控制系统 维持发电机电压的能力。维持发电机电压的能力。 在实际运行中，发电机一般采用正在实际运行中，发电机一般采用正 调差系数。调差系数。 负调差系数主要是用来补偿变压器负调差系数主要是用来补偿变压器 阻抗上的压降，使发电机阻抗上的压降，

18、使发电机-变压器组变压器组 的外特性下倾度不致太厉害，这对的外特性下倾度不致太厉害，这对 于大型机组是必要的。于大型机组是必要的。 （1 1）当发电机带纯无功负荷）当发电机带纯无功负荷(cos=0(cos=0、=90=90) )时，作出相量图时，作出相量图 由相量图可以看出，由相量图可以看出， 在在cos=0cos=0时，励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节时，励磁调节器中增加调差单元之后，输入励磁调节 器测量比较单元的电压器测量比较单元的电压U Ua a、U Ub b、U Uc c会随发电机输出电流的会随发电机输出电流的 增加而增加。增加而增加。 结论：结论： 综上分析可知，励磁调节器

19、的调差单元综上分析可知，励磁调节器的调差单元 只反映发电机无功功率的变化而基本不只反映发电机无功功率的变化而基本不 反映有功功率的变化。反映有功功率的变化。 结论：结论： 两相式调差单元接线会使发电机端电压随发电机输出两相式调差单元接线会使发电机端电压随发电机输出 电流的增加而下降。从而形成了正调差特性。电流的增加而下降。从而形成了正调差特性。 改变改变R Ra a和和R Rc c的大小就可调整调差率的大小就可调整调差率的大小。的大小。 对于负调差系数，其极性关系变为：对于负调差系数，其极性关系变为： 正负调差系数通过改变调差接线极性获得。正负调差系数通过改变调差接线极性获得。 caa a UUI R acc c UUI R bbUU 1 1、发电机退出电网时：、发电机退出电网时： 若电网的无功电流从若电网的无功电流从I IQ1 Q1减小到 减小到I IQ2 Q2时，再减小到 时，再减小到I IQ3 Q3, ,只需将发电 只需将发电 机的调节特性曲线从机的调节特性曲线从1 1平移到平移到2 2，再将调节特性继续下移到，再将调节特性继续下移到3 3的的 位置，则发电机输出的无功电流将减小到位置，则发电机输出的无功电流将减小到0 0。 这样在机组退出运行时，就不会发生无功功率的突变，从而避这样在机