同步发电机自动励磁

1、4 44E.fN励磁功率单元励磁调节器励磁系统同步发电机 qGGdjEUI XIG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 IGUGEqXd等值电路图等值电路图GEWdQGGXIU cosEqdQGXIU qEG 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cosG1qGGdjEUI X 上式说明，负荷的无功电流是造成上式说明，

2、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。EFqIE 结论：结论：dQGXIU qE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)dQGXIU qEGXL()QBUUIXXGqdQUEI XqXdBLQE

3、UIXXX-BXLXXUBUBXLQUUI XQ QGXqBL()UUIXXGXUU注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较注意：真正无穷大系统是不存在的，只是发电机端电压受励磁电流的影响较小罢了。小罢了。、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qGGdsinGGE UPC O SXUI 常 数q2sinEK常 数G1cosIK常数q2sinEK常数G1cosIK常数不变；不变；变；变变，变变sinsincoscosdGGqdGqGGqqEFXUPEXUEUQEEI*qI可采取的方法可采取的方法*QG-I-U*QI1 1、励磁对静态稳定的影响、

4、励磁对静态稳定的影响对于某一固定的空载电动势对于某一固定的空载电动势Eq值，发电机传输功率值，发电机传输功率PG是功角是功角的正弦函数。的正弦函数。2 2、励磁对暂态稳定的影响、励磁对暂态稳定的影响单机无限大母线系统单机无限大母线系统(b)(b)短路故障下，功率特性曲线的变化：短路故障下，功率特性曲线的变化： 初始工作曲线初始工作曲线1 1；短路后短路后3 3；故障切除故障切除2 2 暂态稳定性决定于加速面积暂态稳定性决定于加速面积abedabcdabedabcd是否小于或等于减速面积是否小于或等于减速面积dfeddfed提高暂态稳定性有两种方法提高暂态稳定性有两种方法1 1、减小加速面积减小

5、加速面积：加快故障切除时间加快故障切除时间2 2、增大减速面积增大减速面积：提高励磁电压响应比提高励磁电压响应比；提提高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电高强励电压倍数，使故障切除后的发电机内电势势EqEq迅速上升，增加功率输出，以达到增加减迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面积的目的。速面积的目的。正常工作曲线正常工作曲线1 1；短路曲线；短路曲线3 3；强励使功率特性；强励使功率特性曲线增加到曲线增加到bcbc段（段（减少了加速面积减少了加速面积）；）；22时时故障切除；强励使故障切除；强励使曲线曲线2 2的的dehgdehg增加到增加到dedeh hg g （增大减速面积增大减速

6、面积）；）；转子功角最大值由转子功角最大值由mm降降到到mm。 励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节励磁顶值电压越高，电压响应越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越对改善暂态稳定的效果越明显。但负面影响越大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础大。正确的思路是在不影响励磁可靠性的基础上强调励磁强励倍数。上强调励磁强励倍数。（水电（水电2 2倍倍; ;国标国标2 2倍倍+80%=2.5;+80%=2.5;三峡三峡2.5+80%=3.125;1000V,OK2.5+80%=3.125;1000V,OK）IIII 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

7、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。LLAVREEIIII ILLLL励磁机的励磁电流励磁机的励磁电流I IAVRAVR自动励磁调节

8、器输出的电流自动励磁调节器输出的电流I IEEEE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 IEEEE，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，实现对发电机励磁的目的，实现对发电机励磁电流的电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 IAVRAVR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

9、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同轴同轴副励磁机：电枢静止，磁极（励磁）旋转副励磁机：电枢静止，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）旋转静止静止旋转旋转励磁变压器励磁变压器励磁变励磁变压器压器静止静止 电力系统自动化55 磁场的建立：磁场的建立： 在外部事故情况下，需要发电机转子磁场能迅速增在外部事故情况下，需要发电机转子磁场能迅速增强，达到尽可能高的数值，以弥补无功功率的缺额。强，达到尽可能高的数值，以弥补无功功率的缺额。 磁场建立的两个指标：磁场建立

10、的两个指标： 强励顶值：强励顶值：转子励磁电压的最大值转子励磁电压的最大值（1.82倍额倍额定电流）定电流） 响应比：响应比：磁场建立的速度磁场建立的速度 灭磁：灭磁： 当转子磁场已经建立起来后，如果由于某种原因当转子磁场已经建立起来后，如果由于某种原因（发电机绕组内部故障等）需要强迫发电机立即退出工（发电机绕组内部故障等）需要强迫发电机立即退出工作，在断开发电机断路器的同时，必须使转子磁场尽快作，在断开发电机断路器的同时，必须使转子磁场尽快的消失，否则转子磁场内存储的大量能量迅速消释，会的消失，否则转子磁场内存储的大量能量迅速消释，会使电机内产生危险的过电压。使电机内产生危险的过电压。一、时

11、间常数一、时间常数（一）他励直流励磁机时间常数（一）他励直流励磁机时间常数 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。（二）自励直流励磁机时间常数（二）自励直流励磁机时间常数式中式中 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

12、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：（二）自励直流励磁机时间常数（二）自励直流励磁机时间常数 对自励励磁机的电势UEF，也有EFEEUdtIdLRIEEEEEE代入EEEFEEIUdtIkEdLRI0EEEEEE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:得 （三）自励系统时间常数（三）自励系统时间常数Tc与他励系统时间常数与他励系统时间常数Tt的的比较比较原因原因: :他励系统的电压他励系统的电压U UEFEF的建立过

13、程与的建立过程与U UEFEF本身无关，本身无关，它完全是由于外加电动势它完全是由于外加电动势E E的作用，即只与励磁线的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。但自励系统圈的时间常数有关。但自励系统U UEFEF的建立过程却的建立过程却是是U UEFEF与与I IEEEE相互作用的结果。相互作用的结果。EEEEEEEECRLkRLT二、电压响应比二、电压响应比(由制造厂提供）由制造厂提供）电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。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

14、aEFUUmax. 特殊：特殊：大容量机组大容量机组往往采用快速励磁系统，用往往采用快速励磁系统，用响应时间响应时间作为作为动态性能评价指标。动态性能评价指标。 励磁系统电压响应时间励磁系统电压响应时间: 指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95所所花费的时间。花费的时间。 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，或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统。称为高初始响应励磁系统。三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁三、励

15、磁绕组对恒定电阻放电灭磁 所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到最小程度。最小程度。 要求：要求： 1、灭磁时间短、灭磁时间短 2、灭磁过程中转子电压不应超过允许值、灭磁过程中转子电压不应超过允许值 （额定电压的（额定电压的45倍）倍）电流：按指数衰减电流：按指数衰减 转子绕组端电压的最大值与电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。理想的灭磁过程理想

16、的灭磁过程 理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始终保持转子线圈理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始终保持转子线圈GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。 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）。 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 IAVRAVR 基本环节基本环节：测量、放大、同步

17、、触发，实现电压调节：测量、放大、同步、触发，实现电压调节和无功功率分配等最基本的调节功能。和无功功率分配等最基本的调节功能。 辅助控制辅助控制：是为满足发电机不同工况，改善电力系统：是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。稳定性，改善励磁控制系统动态特性而设置的单元。 当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单元投入。元投入。 直流电压直流电压U Usese与来自电压整定器与来自电压整定器R RP P 的给定电压进行比较，取得的给定电压进行比较，取得偏差信号偏差信号U Udede，送综合放大单元。，送

18、综合放大单元。加法器输入量：加法器输入量：U Usese+ +U UVZ1VZ1+ +U UVZ2VZ2 ， 其中：其中：U UVZ1VZ1是取自稳压管是取自稳压管VZ VZ 的的恒定负电压，恒定负电压，U UVZ2VZ2 是可变的整是可变的整定电压。定电压。 设UVZ2 =0， 则：561kRRRfc92kRRfc)(U121deVZcsecUKUK 特性为所示。特性为所示。873RkRRfc）（REF123121de)(UUUKUKUKUKsecVZcVZcsec 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：，则设0UVZ2因此调节电位器因此调节电位器RP 可改

19、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 。综合运放的输出特性综合运放的输出特性 脉冲发生器脉冲发生器则根据综合放大单元送则根据综合放大单元送来的综合控制信号来的

20、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，而不致产生饱和失控。在合适的范围内，而不致产生饱和失

21、控。（五）自动手动的自动切换（五）自动手动的自动切换 励磁调节器由自动励磁（励磁调节器由自动励磁（AC）调节器和手动励磁（）调节器和手动励磁（DC）调节器组成，为双通道结构。调节器组成，为双通道结构。 1、正常运行时，、正常运行时，AC调节器工作，调节器工作，DC调节器作调节器作AC调节器调节器的备用。的备用。 2、当、当AC调节器故障时，由调节器故障时，由AC-DC自动切换装置控制，将自动切换装置控制，将DC调节器投入运行。调节器投入运行。 3、为了防止、为了防止AC调节器向调节器向DC调节器切换引起冲击，在励调节器切换引起冲击，在励磁调节器中还设有磁调节器中还设有DC调节器自动跟踪调节器自

22、动跟踪AC调节器的自动跟调节器的自动跟随器，可确保切换冲击最小。随器，可确保切换冲击最小。（五）自动手动的自动切换（五）自动手动的自动切换励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度励磁调节器的特性曲线在工作区的陡度是调节器的主要指标之一是调节器的主要指标之一AVRUGU测量比较K1综合放大K2移相触发K3可控整流K4REFUGUdeUSMUAVRU4321KKKKUUUUUUUUUUKAVRSMdeSMGREFdeGREFAVRGUREFUdeUdeUSMUAVRUAVRUGUSMU1234AVRREFGUK K K KUUG励励磁磁机机baEFIGUEFIEEIGUGIEFIQI1GUGNGUU23

23、GU321GGGUUU发电机的调节特性：发电机的调节特性： IEF= f（IQ）励磁机定子电流励磁机定子电流IEF （发电机（发电机转子电流）与励磁机的励磁电转子电流）与励磁机的励磁电流流IEE 之间是线性关系之间是线性关系dQGGqXIUEcos励磁调解器励磁调解器 利用作图法作出的发电机无功调节特性曲线利用作图法作出的发电机无功调节特性曲线UG = f (IQ)，图上用，图上用虚线示出工作段虚线示出工作段a、b 两点的作图过程。两点的作图过程。 调节特性稍有下倾，下倾调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机励磁的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个控制系统运行特性的一个重要参数：重要

24、参数：调差系数调差系数.发电机转子电流发电机转子电流直接用励磁机的直接用励磁机的励磁电流来表示。励磁电流来表示。*GG2G1GNG2G1UU-UUU-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。到额定值时，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调差系数越小，无功电流变化时发电机电压机电压变化越小。变化越小。所以，调差系数所以，调差系数表征了励磁控制系表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。统维持发电机电压的能力。UGIQIQNUG2UG1 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

25、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，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。在测量元件的输入量中，除在测量元件的输入量中，除UG外，再增加一个与无功电流外，再增加一个与无功电流IQ成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。 输入量改为输入量改为 UGK IQ以两相式正调压接线为例，说明调差环节的工作原理。以两相式正调压接线为例，说明调差环节的工作原理。（1 1）当发电机带纯无功负荷）当

26、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。（2 2）当发电机带纯有功负荷）当发电机带纯有功负荷(cos=1(cos=1、=0)=0)时，作出相量图时，作出相量图 由相量图可以看出，在由相量图可以看出，在cos=1cos=1时，励磁时，励磁调节器中增加调差单

27、元之后，输入励磁调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节器测量比较单元的电压 UaUa、UbUb、UcUc基本上不随发电机输出电流的增加而基本上不随发电机输出电流的增加而变化。变化。 按照励磁系统的工作特性，发电机的励磁按照励磁系统的工作特性，发电机的励磁电流及端电压将不随发电机有功电流的变电流及端电压将不随发电机有功电流的变化而变化。化而变化。结论：结论：综上分析可知，励磁调节器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。（3 3）当发电机负荷功率因数为）当发电机

28、负荷功率因数为0cos10cos1时时结论：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。caaaUUI RacccUUI RbbUU1 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 IQ1Q1减小到

29、减小到I IQ2Q2时，再减小到时，再减小到I IQ3Q3, ,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，从而避这样在机组退出运行时，就不会发生无功功率的突变，从而避免对电网的冲击免对电网的冲击. .2 2、发电机并网运行时：、发电机并网运行时：3、改变励磁调节器测量比较单元的整定值、改变励磁调节器测量比较单元的整定值RP，可控制，可控制无功功率特性上下平移，实现了无功功率

30、的转移。无功功率特性上下平移，实现了无功功率的转移。 当可调电阻当可调电阻RP的的19点（图点（图2-27中）右移，整定值增加时，调节器的工作中）右移，整定值增加时，调节器的工作特性将右移。与此对应在图特性将右移。与此对应在图2-43 中，发电机无功调节特性也随之上移。中，发电机无功调节特性也随之上移。五、自动励磁调节器的辅助控制五、自动励磁调节器的辅助控制（一）（一）最小励磁限制（欠励磁限制）最小励磁限制（欠励磁限制） 1、发电机的进相运行、发电机的进相运行 在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时，输电线的电容在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时，输电线的电容电流也相应增加。因此，当线路输送功率较小时，线路的容性电流引起电流也相应增加。因此，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。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。进相运行吸收剩余无功功率是一个比较经济的办法。 2、最小励磁限制、最小励