发电机励磁系统工作原理

电力系统自动化第2章——同步发电机励磁自动控制系统PowerStationCONTROL

ROOM口口口TRANSFORMER

LV

sWITCHGEARHV·BREAKERPSYSTEMSEXCITATIONCUBICLETRANSFORMER23IEEEPSymposium-5-3,2009本章内容第一节

概述第二节同步发电机励磁系统第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁第四节

励磁调节器原理第五节励磁系统稳定器*第六节

电力系统稳定器’*2第1节——概述3△P自动转速调节系统△w5进气(水)6PW原动机W△w4图附11

—

电压检测装置；2

—

调节励磁装置；3-可调励磁电源；4-

转速检测装置；5-调节转速装置；6

一调节汽门(导向叶片);0发电机原理回顾自动励磁调节系统△U1P+jQ3↓U,发电机△Q2W₀1同步发电机励磁系统-—含义励磁系统

同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关

设备和电路。

一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成励磁功率单元励磁调节器输入信息建立、调整、熄灭励磁绕组电流(直流) 根据需要构建的闭环反馈控制系统电

力

系

统发电机1同步发电机励磁系统-—任务电压控制改变发电机外特性控制无功功率的分配

并联运行发电机间无功功率合理分配提高同步发电机并联运行的稳定性◆提高电力系统的静态稳定性和暂态稳定性改善电力系统的运行条件

改善异步电机自启动条件、为同步发电机异步运行创造条件、提

高继电保护动作正确性根据需要，实现强行减磁、灭磁

水轮机超速条件下快速减磁，保护绝缘62

同步发电机励磁系统任务--

1电压控制调节励磁电流以维持机端或系统中点的电压在给定水平空载电势和机端电压的关系：

式中，Xa——

发电机直轴电抗。Xd等值E₄UgEqδGUGIpIg发电机感应电动势

与端电压U₆

的幅值关系为EqCosδG=UG+IoXd式中

δG—E与

Ug间的相角，即发电机的功率角；Io—

发电机的无功电流。2

同步发电机励磁系统任务-—1电压控制48UGI

EF2UGeUG₂IEF1Io1

Io₂2

同步发电机励磁系统任务-—1电压控制一般

δG

很小，可近似认为

cosδG≈

1,可得简化的运算式为Eq≈UG+IoXd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不断调节励磁电流维持机端电

压为给定水平同步发电机的外特性9◆理想情况(并联与无穷大母线)◆实际情况(多机并联运行)如果发电机的有功功率恒定，即又Ug恒定，则有IGCosφ=k₁E₄sinδ=k₂2同步发电机励磁系统任务-

—2无功功率分配并联运行同步发电机间按照容量比例承担无功功率及其增量

分两种情况分析：10并联发电机间无功电流的分配取决于各发电机的外特性上倾和水平的外特性无法稳定分配无功电流发电机通常具有下倾的外特性，以实现系统稳定运行斜率越小(越平坦),承担的无功增加量越大希望发电机间无功电流应按机组容量的大小进行比例分配并联机组的“UG—IQ*”特性完全一致

(

IQ*为机组无功电流标幺值)

自动调压器能任意调整发电机电压-无功外特性曲线斜率(调差率)UGIo=Io₁+IQ₂Um△Io₂△IoIQ₂IQ₁2

同步发电机励磁系统任务-

—2无功功率分配实际情况(多机并联运行)G₁G₂Um2(a)0I₀112

同步发电机励磁系统任务-—3提高系统稳定性通常将电力系统的稳定性问题分类：静态稳定、暂态稳定、动态稳定静态稳定：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。暂态稳定：是指电力系统在某一正常运行方式下遭受大扰动(如短路、断线、发电机失磁等)后，能否恢复到原来

运行状态、或者过渡到一个新的稳定运行状态的能力。动态稳定：电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调

节和控制装置作用的长过程的稳定问题。122

同步发电机励磁系统任务-—3提高系统稳定性(1)静态稳定提升：励磁系统可以近似保持发电机机端电压稳定，进而将发电机的内功角特性改变为为外功角特性，可以使发电机运行于功角大于90°的人工稳定区，进而提升静态稳定极限或稳定储备系数输电线(a)(b)发电机的输出功率降压变压器系统13dP/dδ>0,

即δ<90°(a点),系统

静态稳定>dP/dδ<0,即90°<δ<180°(b点),系统

静态不稳定dP/dδ=0,

即δ=90°

(中点),系统临界稳定2

同步发电机励磁系统任务-—3提高系统稳定性>静态稳定极限(最大传输功率):14内功率特性

外功率特性调节励磁，发电机外特性相当于在多条内特性曲线上移动综合而来提高了极限功率，极限稳定功角也超过了90°,故提高了静态稳定

性2

同步发电机励磁系统任务

3提高系统稳定性152

同步发电机励磁系统任务-—3提高系统稳定性(2)暂态稳定提升：故障期间和故障切除后，励磁系统通过强励提升发电机内电势而增加电功率输出，减小加速面积而同时增加减速面积，进而减小不平衡功率而提高暂态稳定性gaIIⅡ(b)

16发电机强行励磁可输出更多无功功率

，加速电网电压的恢复U(%)个12010080400

10

20

30

t(s)2同步发电机励磁系统任务--4改善系统运行条件(1)改善异步电机自启动条件电网故障时，电网电压降低，电动机制动故障切除后，电动机起动，吸收大量无功功率，延缓电网电压恢复图2-12短路切除后电压的恢复1-无励磁自动控制；2-有励磁自动控制172

同步发电机励磁系统任务

4改善系统运行条件(3)提高继电保护装置工作的正确性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>带时限的继电保护不能正确工作励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大

(维持

)短路电流，使继电保护正确工作192同步发电机励磁系统任务

5强行减磁水轮发电机组突然跳闸(故障或机组连切)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在这种情况下，要求励磁自动控制系统能实现强行减磁汽轮机??203

对励磁系统的基本要求励磁系统是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成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。励磁功率单元受励磁调节器控制，是一次、主回路(功率回路)部分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，

以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。是二次、控制部分21励磁功率单元要求：可调容量、强励能力和快速性◆具有足够的调节容量，适应电力系统各种运行工况要求◆足够的励磁顶值电压和电压上升速度◆顶值电压(UEFq):

励磁功率单元能够输出的最高输出电压◆强励倍数：顶值电压和额定励磁电压之比，通常1.6～2。3

对励磁系统的基本要求22

励磁调节器要

求

：快速响应，自然硬特性，特性可调，无失灵区，有

强励等特殊支撑功能

时间常数小，能迅速响应输入信息(机端电压)的变化；◆

系统正常运行时，励磁调节器应能维持发电机电压在给定的水平。励磁

控制系统的自然调差率一般在1%以内；◆

励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；励磁调节器应保证同步发电

机端电压调差率可以在土10%以内进行调整；◆

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；

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。3

对励磁系统的基本要求23第2节——同步发电机励磁系统241

直流励磁机励磁系统励磁电源为为与发电机同轴的直流发电机早期常用的一种励磁方式按励磁机励磁绕组供电方式的不同，又分为自励式和他励式

启励方式：靠剩磁建立电压缺点：◆靠机械整流子

(换向器)

换向整流，大容量下换向困难◆有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，可靠性

低，是励磁系统中的薄弱环节只用在10万kW(100MW)

以下中小容量机组26FLQIRC二GIZTLRc励磁调节器1

直流励磁机励磁系统自励直流励磁机系统LLQILQYH27ILQGFLLYHIZTL励磁调节器1

直流励磁机励磁系统图2—16他励直流励磁系统原理接线图IRC28二二AETR自动恒压元件一电压起励元件

一

起励电源VS滑环AVR-(1)

自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统2

交流励磁机励磁系统自励交流励磁机静止可控整流器励磁接线30滑

环TV电

压

检

测调

差(2)他励交流励磁机

(静置整流器)

励磁系统2

交流励磁机励磁系统励

磁

调

节

器触

发

器

放

大

器起

励

电

源400Hz交

流

励

磁

机

磁

场

开

关交

流

发电

机TA自励恒压调节器交流副励磁机可控整流器100Hz31AEVNS励磁调节器2

交流励磁机励磁系统(3)永磁式副励磁机交流励磁机励磁系统永磁式副励磁机系统图32旋转元件N

AES励磁开关可控硅整流器励磁调节器2

交流励磁机励磁系统图2-17无刷励磁系统原理接线图(4)

无刷励磁系统永磁发电机TA33(4)

无刷励

磁

系

统

-

特

点

>优点：◆无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少◆

发电机励磁由励磁机独立供电，且无滑环、电刷，励磁系统可靠性

高◆

无炭粉和铜末污染，电机绝缘寿命较长>缺点：◆响应速度较慢，

需要采取特殊措施加快响应：转子采用叠片结构、减小绕组电感取消极面阻尼绕组、增加励磁机励磁绕组顶值电压，

引入转子电压深度负反馈；◆发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，需采取特殊方法实现检测、

灭磁◆旋转整流器、快速熔断器等要求高，要有良好的机械性能2

交流励磁机励磁系统343自并励励磁励磁系统励磁电源为为机端励磁变压器经整流装置供给启励方式：专门启励电源无转动部分，故称静止励磁系统励磁电源由发电机提供，励磁变并于机端，故称发电机自并励系统VS滑环

TR励磁调节器起励电源

自并励励磁方式接线原理图起

励

元

件35优点：>

发电机主轴长度缩短、造价降低、占地减少无机械转动或接触类元件，使用元件数目减少，可靠性增加>励磁电压相应速度快>

甩负荷时，发电机过速导致的过电压低缺点：>强励效果变差>短路电流衰减、影响带时限的继电保护动作正确性解决：>转子电流衰减慢采用封闭母线，机端故障可能性极小3自并励励磁励磁系统36第3节——励磁系统中转子磁场的建立和灭磁371

对励磁系统的总体要求根据不同工作阶段的要求，励磁系统应该按设计建立、调整、减弱，甚至熄灭发电机转子磁场，完成起励、强励、灭磁等各阶段功能事故情况下，电网电压极度降低、无功缺额很大，要求发电机转子磁场能够迅速增加，以弥补系统无功功率缺额，该过程称为强励某些情况(如切机)下，为防止因过励磁而产生过电压，

要求转子磁场内存储的大量能量迅速消释，称为灭磁当机端电压降低为0.8～0.85倍的额定电压时，强励装置要

动作。影响强励效果的两个指标：强励顶值

(最大值)与

响应比

(增加速度)382

励磁系统指标强励能力指标1——时间常数表征被控量(励磁机输出的励磁电压)随控制量(励磁机励磁电压)变化快慢的指标式中

IEE、LEE

励磁机励磁线圈的电阻和电感。39他励直流励磁机时间常数计算原理图强励能力指标1——时间常数IEE是按指数曲线增长的，其时间常数为：由于励磁机电势UE

正比于IEE,UE也是按指数曲线增加的。2

励磁系统指标40强励能力指标1——时间常数I

EE

G

DE

U自励直流励磁机时间常数计算原理图式中

Eo—自励直流发电机的残余电势值U,

—励磁机的工作电压值I

—励磁机的工作电流值k—比例常数

412

励磁系统指标比较式上述两式表达式可知，由于k值比较接近于REE,

可以看

出他励系统的时间常数Tt

远小于自励系统的时间常数

Tc,其原

因就在于他励系统的电压UE的建立过程与UE本身无关，它完全是由于外加电动势E的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。强励能力指标1——时间常数2

励磁系统指标43UEF(V)CUEFqbUEFO0.5强励能力指标2——电压响应比通常将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速率定义为励磁电压响应比，表征了励磁电压的建立速度，即励磁系统的2

励磁系统指标励磁电压上升速度的确定响应能力。044a对常规励磁系统，该值为2左右；在快速励磁系统中，可达6～7。对于快速励磁系统来说，如果t取0.5s,

则显得强励太慢而

无实际意义。为此，出现了用0.1s或0.2s时间来定义快速励

磁系统的励磁电压响应比。快速励磁系统可直接使用响应时间作为评定指标，即施加阶跃信号开始到励磁电压达到95%定子电压所需时间。响应时间小于0.1s,

称为高初始响应励磁系统强励能力指标2——电压响应比2

励磁系统指标45UEF-UEF.e=0.95(UEFmax-UEFe)励磁系统电压响应时间强励能力指标2——电压响应比U

EF个U₁

EF.max2

励磁系统指标U

EFU₁

EF.e励磁系统电压响应时间46强励能力指标3——强励倍数强励时，实际能达到的最高励磁电压ULmax与额定励磁电

压ULe的比值，称为强励倍数。K越大，强励效果越好。但提高K值受到励磁系统结构和设备

费用的限制，一般K取为1.8~2。2

励磁系统指标473

灭磁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兼顾灭磁速度和转子励磁绕组承受的电压灭磁指标：●灭磁时间，尽可能短，电阻灭磁时5~7s。●

灭磁过程中转子电压：通常取额定励磁电压的4～5倍灭磁方法：串电阻灭磁、有源逆变灭磁48灭磁开关接线图操作：先给GEW并联一灭磁电阻Rm,然后再断开励磁回路特点：转子线圈GEW电流按照指数曲线衰减，将转子绕组内的磁场能量几乎全部转变为热能，消耗在Rm上MKGRmDL3

灭磁串电阻灭磁直流励磁机MKGEW49理想灭磁过程理想的灭磁过程：灭磁过程中始终保持GEW的端电压为最大允许值，直至励磁回路断开灭磁过程中，转子回路电流等速(最大速)减小，直至为零。(对比串电阻灭磁时，电流指数衰减)3

灭磁510式中：tGEW

为转子本身的时间常数，而理想的灭磁过程则是按直线2进行的

，iGEW

一直按等速减小，在到达T时，即(0.167～0.2)tGEw时，降为

零，而在这个过程中，转子绕组的端电压始终保持为

eGEW,e

不变。3

灭磁理想灭磁过程lGEw.eGEWioeGEW.max

初始点的斜率252第4节——励磁调节器原理531励磁调节器的功能和基本框图>励磁调节单元的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，输出量是励磁机的励磁电流或发电机转子电流。根据发电机端电压反馈调节励磁电流(励磁电压)>基本功能：保持发电机的端电压不变；保持并联机组间无功电流的稳定分配人工励磁调节的自动化发展结果IEEIEEb0图2-23

人工调压的作用图2-22励磁系统一例aUGaUGbb54移相触发基准

十∑

前置放大电压②综合放大电源调差系数调差控制自动调压器将测得的发电机端电压与基准电压进行比较>差值作为前置功率放大级的输入信息>在功率放大级的末端输出一个与此差值反方向变化的励磁调整电压1励磁调节器的功能和基本框图手动控制④手动/自动切换手控

励磁机①测量比较测量元件励磁机

发

电

机自动励磁系统器功率放大发电机电源电源55∑∑2励磁调节器原理励磁调节器的型式很多，但自动控制系统的核心部分却很相似。以自并励静止励磁为例：基本的控制由测量比较、综合放大、移相触发、手动/自动切换等单元组成。测量比较：完成电压测量、给定电压的设定和电压测量偏差信

号的形成综合放大：综合偏差信号、调差信号、励磁限制、反馈补偿、稳定控制等各种信号，并加以放大移相触发：根据综合放大单元产生的控制信号大小，产生触发脉冲(解非线性单元)手动/自动切换：自动励磁调节器(AC)和手动励磁调节器(DC)的自动切换562励磁调节器原理一测量比较单元功能：测量发电机电压并变换为直流电压，与给定基准电压相比较，得出电压偏差信号，由电压测量、比较整定环节组成(1)电压测量环节将发电机端电压(正序)整流为直流>经低通滤波滤除纹波数字实现方式?电压测量环节原理图1257(2)比较整定——本质为加法器UseUse:

电压偏差UVZ1:

固定偏移量，决定调节器最小整定电压UVZ2:可调偏移量，决定调节器的实际给定电压>

电位器R₅用作最小电压整定电位器R₈用作电压调节范围整定电位器R₁

用作运算放大器AJ的增益系数的调整2励磁调节器原理一测量比较单元58综，合放大输入控制信号按其性质可分为三种类型：>被调量控制量

(基本控制量):发电

机机端电压偏差值反馈控制量

(为改善控制系统动态性

能的辅助控制量):励磁稳定器信号

>限制控制量

(按发电机运行工况要求的特殊限制量):低励限制等>

辅

助

信

号：电力系统稳定器输出功能：对各类控制信号进行合并综合并加以放大，

得到满足移相触发单元相

位控制所需的控制电压测量比较最小励磁限制器最大励磁限制器励磁系统稳定器电力系统稳定器2励磁调节器原理--综合放大单元UsM59正竞比电路：输出受输入信号中最高电平控制负竞比电路：输出受输入信号中最低电平控制综合(运算)电路：信号叠加互补输出：提高带负载能力综合放大单元原理接线图由正竞比电路，负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成。2励磁调节器原理--综合放大单元602励磁调节器原理--

移相触发功能：根据综合放大单元送来的综合控制信号，产生可以改变相位的脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变可控整流单元的输出，达到调节发电机励磁的目的由同步变压器、同步移相器、脉冲触发器和脉冲给定基准器组三相同步信号36脉冲给定基准器综合控制信号UsM至晶闸管整流装置同

步t

相

器脉

冲

发

生

器同

步

变

压

器成6162励磁调节器原理--手动/自动控制切换功能：由自动励磁

(

AC)

调节器和手动励磁

(

DC)

调节器组成双通道结构；正常运行时，AC调节器工作，按发电机端电压对给定值的偏差量大小自动调节发电机励磁，DC调节器作AC调

节器的备用；当AC调节器故障时，由AC-DC自动切换装置控制，将DC调节器投入运行，可保证发电机的正常运行。为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击，在励磁调节器中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器，可确保

切换冲击最小。62(a):

测量单元的工作特性

(b):综合放大单元特性Uie=K₁(Ug-UREF)

UsM=K₂Ude式中

K₁—测量单元的放大系数

式

中

K₂—放大单元的放大系数。UREF—发电机电压的整定值(c):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UAVR=K₃K₄UsM3励磁调节器的静态工作特性含义：发电机机端电压变化时，调节器如何调整励磁电压静态工作特性，即稳态工作特性各环节等效为放

大

环节

，

从机端电压到控制器输出UREFUde

a综合放大K₂移相触发K₃可控整流K₄UG

测量K₁UAVR63UAVR

b(c)

(d)Usm

0UdeUsMO

UREF

(b)特性：励磁电压与端电压间为负斜率直线关系，斜率为励磁调节系统总放大倍数斜率越大，特性曲线越陡，调节器越灵敏

斜率为各环节放大倍

数乘积斜率为调差系数倒数3励磁调节器的静态工作特性合成各环节的特性即可得到调节器的整体特性-5(a)UAVRUde0UGUGO643励磁调节器的静态工作特性一无功调节静态特性含义：发电机无功负载与端电压间关系(稳态特性)发电机外特性=励磁系统特性+发电机特性IoUG1

UG2=UGeUG3UG₃>UG₂>UG1O

→IEF(a)左图表示发电机额定电压附近的调节特性；励磁机的工作特性在一般情况下是接近线性的，即励磁机定子电流和励磁机

的励磁电流IEE之间近似呈线性关系。发电机转子电流就可直接用励磁机励磁电流IEE表示，利用作图法作出发电

机无功调节特性曲线UG=f(IQ)65调差系数表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力>正调差、负调差、无差调节励磁调节器总的放大倍数K越大，

ab

直线越平缓，调差系数就越小调差系数调节需要专门方法，不是去调

节K图9.

16

发电机的电压调整特性UGδ<0δ=0

δ>0Io3励磁调节器的静态工作特性一无功调节静态特性调差系数：电压调整百分数(标幺值)664励磁调节器静态特性的调整发电机无功外特性调整的必要性：

保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配，改

变调差系数◆保证发电机能平稳的投入和退出工作，平稳的改变无功负荷，而不发生无功功率的冲击现象，平移调节特性带有励磁调节器时的调差系数一般都小于1%,近似为无差调节一般采用正调差系数，有利于维持稳定运行负调差系数，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，仍具有正调差系数正负调差系数可以通过改变调差接线极性来获得，调差系数一

般在3%～5%67(1)调差系数调整：

不改变励磁调节系统内部元件结构，在测量元件的输入量中增加一个与

无功电流成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。测量单元的内部结构并未改变。其放大倍数仍为K1,

只将输入量改为UG±KsIo有时称调差接线为无功补偿接线△IL

UG量ksio测量输入变为URER-(Ug±K₆Io

)=△UG

干

K6Io4励磁调节器静态特性的调整m调差系数原理框图发电机组

Kf触

发

器

y放

大K₂U368U2a

发电机投入或退出电网运行时，要求能平稳的转移负荷，不要引起对电

网的冲击。

通过调整参考电压实现减小无功直至退出：从特性1到特性3;投入并增大无功：从特性3到特性1;调节特性的平移与机组无功功率的关系4励磁调节器静态特性的调整(2)调节特性平移：69辅助控制含义：非正常运行工况下，励磁调机器具有的某些特有的限制功能。辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是：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，投入某些特有的限制功能通过信号综合放大电路中的竞比闭锁正常的电压控制起

控制作用(通过门限电路起作用，如高通门、低通门)包括：◆最小励磁限制(也称之为“欠励磁限制”)◆瞬时电流限制◆最大励磁限制◆V/Hz限制器4励磁调节器静态特性的调整705自动励磁调节器的辅助控制--最小励磁限制含义：防止发电机励磁电流过低引起发电机过热或静态稳定性不够。发电机欠励时，发电机吸收系统的无功功率，这种运行状态称为进相运行，最小励磁限制决定因素：(1)发电机进相运行时受静态稳定极限的限制(2)防止发电机定子端部过热Pcosφ≈0.85+Q1.0(

标幺

值

)71ab0.5迟相C-Q进相Xd1.00.50Xe>0cosφ≈0.950.50在P-Q平面上，绘制出发电机运行容量曲线和临界失步曲线，再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的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010203040506070809010011012013014015016017018050474441383532302724211815121074

1

05自动励磁调节器的辅助控制--最小励磁限制R正常运行区P(MW)

Q(Mvar)圆心坐标Q0半

径P72励磁电流加以限制，以防止危及发电机的安全运行UEU

E2qU

EEq2UE2UE1qUE1UEEq15自动励磁调节器的辅助控制--瞬时电流限制含义：限制励磁机励磁电流过大，损害励磁机和发电机安全提升励磁机励磁电压以加速发电机励磁电压上升速度励磁机电压达到发电机允许的励磁顶值电压倍数时，应立即对励磁机的73t(s)120101.0

1.5

2.0

IEF转子电压标幺值允许时间转子电压标幺值允许时间1.121201.46301.25602.0810不同励磁电压的允许时间5自动励磁调节器的辅助控制--最大励磁(电压)限制含义：防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施过励磁导致发电机励磁电流增长至1.6~2pu,

可能导致转子过热745自动励磁调节器的辅助控制--V/Hz限制含义：防止发电机的端电压与频率的比值过高，避免发电机及与其相连的主变压器铁心饱和而引起的过热发电机端电压可能较高：甩负荷发电机端频率可能较低：机组启动期间75第5节——励磁系统稳定器761励磁自动控制系统响应曲线的一般讨论励磁自动控制系统动态特性是指在较小的或随机的干扰下，励磁自动控制系统的时间响应特性，他可以用线性方程组来描述，分析这些问题的方法有经典的传递函数法及现代的状态变量法两种。励磁系统动态特性可用一个二阶系统的时域特性曲线表示：ts

一0.1

0.2

0.3

0.4

0.5时域特性曲线强行励磁时的响应曲线1励磁自动控制系统响应曲线的一般讨论(1)过调量a₁(标幺值),是响应曲线超过稳态响应的最大

值。(2)上升时间tr,是响应曲线自10%稳态响应值上升到90%稳

态响应值时所需的时间。(3)稳定时间ts,是对应一个阶跃函数的响应时间，在此之后响应曲线的值始终保持在最终值的百分数为a₂

的范围内，而

阻尼比则是在下述闭环系统传递函数中的ξ值，则有781励磁自动控制系统响应曲线的一般讨论(4)阻尼比ξ与两个相继的过调量a₁

和a₂

有关。当ξ=0时，系统是振荡的，励磁系统就是不稳定的；当ξ=0.7时，则只有很小的过调量(约5%);当ξ=1.0时，可以说是临界阻尼。79ug、UEE分别为励磁机输出电压和他励绕组的输入电压。他励绕组的电压平衡方程式为2励磁控制系统的传递函数分析比较简单的他励式直流发电机系统励磁机的饱和曲线他励直流励磁机励磁机发电机80当不计转速变化时，近似地认为励磁机电压u正比于φE。他励电流iE和u

的关系取决于励磁机的饱和特性曲线。根据上述情况有下列关系：不计饱和时：2励磁控制系统的传递函数从而可得传递函数为TE=LEE

/GRE当不计转速变化时，近似地认为励磁机电压u正比于φE。他励电流iE和u

的关系取决于励磁机的饱和特性曲线。根据上述情况有下列关系：不计饱和时：2励磁控制系统的传递函数

上式即为励磁系统不计饱和的传递函数。从而可得传递函数为TE=L

/GR2励磁控制系统的传递函数--各单元的传递函数励磁调节器主要由电压测量比较、综合放大及功率放大等单元组成。1)电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其时间常数要取决于滤波电路的参数。数值通常在

0.02～0.06之间。测量比较电路的传递函数式中K——电压比例系数。832励磁控制系统的传递函数--各单元的传递函数2)综合放大单元、移相触发单元当作一个惯性环节。放大倍数为KA、时间常数为TA。它们的合成传递函数是：3)功率放大单元是晶闸管整流器，工作是断续的，有可能造成输出平均电压u

滞后于触发器控制电压信号usM。滞后时间为Tz。

在分析中，这样一个延迟环节可近似为一惯性环节：842励磁控制系统的传递函数-同步发电机的传递函数发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正比。其次，认为发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元件的特性

来表示。其空载时的时间常数为Ta₀'

。用K表示发电机的放大系

数：852励磁控制系统的传递函数求得励磁控制系统各单元的传递函数后，即可组成励磁控制系

统的传递函数框图：其中，采用G(s)

表示前向传递函数，H(s)表示反馈传递函数。忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制，有862励磁控制系统的传递函数故同步发电机励磁控制系统的闭环传递函数为：励磁控制系统传递函数框图873励磁自动控制系统的稳定性设某励磁控制系统的参数如下TA=Os,Tdo=2s,TE=0.69s,TR=0.04s,KE=1,KG=1系统的开环传递函数为K=18.125K₄KgKR开环极点为s=-0.5,s=-1.45,s=-25,

它们是根轨迹的起始点.88(2)根轨迹在实轴上的分离点，闭环特征方程为(1+T₄s)(KE+TEs)(1+T'os)(1+TRs)+K₄KGKR=0用给定值代入，得K=-(s³+26.95s²+49.475s+18.125)用给定值代入，解得s=0.97,这就是根轨迹在实轴上的

分离点。3励磁自动控制系统的稳定性(1)根轨迹渐进线与实轴的交点及倾角,B₂=π,k=0,1,289j@j7.03(K₄KR=73)π/3-8.98

-1.45

-0.5-0.97j7.03运用劳斯判据和平方项的辅助

多项式可计算根轨迹与虚轴的

交点为+j7.03,-j7.03。由此可画出该励磁控制系统的

根轨迹图。-25(3)在jw

轴交叉点的放大系数，闭环特征方程Φ(s)=s³+26.95s²+49.475s+K+18.1253励磁自动控制系统的稳定性某励磁系统的根轨迹图90要想改善励磁控制系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点间根轨迹的射出角，也就是要改变根轨迹的渐近线，使

之只处于虚轴的左半平面。为此必须增加开环传递函数的零点，使得渐近线平行于虚轴并处于左半平面。这可以在发电机转子电压u

处增加一条电压速

率负反馈回路，同样将其换算到Ede处后，其传递函数为KFs(1+TFs)3励磁自动控制系统的稳定性91U₂

+Kg+TgsU₃1+7,5典型补偿系统图为了分析转子电压速率反馈对励磁控制系统根轨迹的影响，

可以所示框图进行简化3励磁自动控制系统的稳定性典型补偿系统方框图：UREFU₆U₁92十Z

:十7

1+

U₆1十，

K(b

)

1十Z+s

K₂+Z1+Z十(

a)

1+7,(

c

)

93具有转子电压速率反馈的励磁系统框图的简化UREFUG的闭环系统特征方程，可作出其根轨迹，其上的每一点都是闭环方程的根，即零点。当0.5<1/Tp<25时，其根轨迹形状如下图所示。K=12.5TF/KF上述方程可视为开环传递函数：3励磁自动控制系统的稳定性95增益为K时

的

根Z₁m

-0.5调节器Z₂Z₂开环传递函数的根轨迹

闭环传递函数的根轨迹引入电压速率反馈后，由于增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。因此，在发电机的励磁控制系统中，一般都附有励磁控制系统稳定器