第二章同步发电机励磁自动控制系统 第一节概述 励磁电流EF 空载电动势Dq 同步发电机的励磁系统=励磁功 率单元+励磁调节器 励磁功 率单元 发电机 统 励调节器 输入信息 图2-1励磁控制系统结构框图 同步发电机励磁控制系统的任务 (一)电压控制 单机运行 UG+jIGXd=E 式中 发电机直轴同步电抗 Eg jIc (a) g 图22同步发电机感应电动势和励磁电流关系 (a)同步发电机运行原理:(b)等值电路:(c)矢量图
第二章 同步发电机励磁自动控制系统 第一节 概述 励磁电流 I EF 空载电动势 E q • 同步发电机的励磁系统=励磁功 率单元+励磁调节器 一、同步发电机励磁控制系统的任务 （一）电压控制 单机运行: • • • + d = q G UG j I X E 式中 ——发电机直轴同步电抗 图 2-1 励磁控制系统结构框图 G 率单元 发电机 励磁功 励磁调节器 输入信息 统 系 力 电 G 图 2-2 同步发电机感应电动势和励磁电流关系 (a) 同步发电机运行原理；(b) 等值电路；(c) 矢量图 (b) Eq • U G • I G • xd (a) GEW U G • I G • U EF I EF G U G • j I G xd • j I Q xd • I P • I G • I Q • Eq • G (c)
Tacos G=UG+lord 式中6-E与i间的相角,即发电机的功率角; i。一发电机的无功电流。 一般。很小,可近似认为。sb21,于是,可得简化的运算式为 Ea≈UG+/c X on d 上式说明,负荷的无功电流是遺成与蝠偵差的主要原因,发电机的无 功电流越大,两者之间的差偵也越大 图2-3同步发电机的外特性 线1:IEF1不变 励磁不变 OI 2502 曲线2:1EF2不变 励磁增加 Ge102 (二)控制无功功率的分配 1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题 UG=常数K 图24同步发电机与无限大母线并联运行
Eq cos G = UG + I Q X d 式中 G—E q • 与 U G • 间的相角，即发电机的功率角； I Q • —发电机的无功电流。 一般 G 很小，可近似认为 cos G 1 ，于是，可得简化的运算式为 Eq UG + I Q X d 上式说明，负荷的无功电流是造成与幅值差的主要原因，发电机的无 功电流越大，两者之间的差值也越大。 线 1： I EF1 不变 ( ) 1 , Ge Q U I ( ) 2 2 , G Q U I 曲线 2： I EF 2 不变 ( ) 1 , Ge Q U I ( ) 2 , Ge Q U I （二）控制无功功率的分配 1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题： 图 2-3 同步发电机的外特性 I Q I Q1 I Q2 I EF 2 I EF1 UG UG2 UGeo 励磁不变 励磁增加 图2-4 同步发电机与无限大母线并联运行 (a) 接线图；(b) 相量图； (a) UG = 常数 G I G • (b) j I G1 xd • K2 A ' A B ' B I Q1 • I Q • I G • I G1 • K1 I Q2 • I G2 • jI G2 xd • U G = U • j I G xd • • Eq1 • Eq • Eq2 I P • ' • • U G = U 1
无论励磁电流如何变化,发电机的有功功率p均为常数,即 PG= UGIGCOs=常数P Eal snδ=常数 IG COS o=kI Eosin=K2 lG的端点则沿着BB虚线变化 Eq的端点则沿着AA虚线变化 此可见,与无限大母线并联运行的机组,调节它的励磁电流可以改 变发电机无功功率的数偵。 2、并联运行各发电机间无功功率的分配 U (b) 图2-5并联运行发电机间无功负荷的分配 当母线电压为UM时: 无功负荷增加,母线电压降到UM2时 =,+I 显然
无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率 PG 均为常数，即 PG =UG I G cos = 常数 = sin = X E U P d q G G 常数 I G cos = k1 Eq sin = K2 • G I 的端点则沿着 ' BB 虚线变化 • Eq 的端点则沿着 ' AA 虚线变化 由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改 变发电机无功功率的数值。 2、并联运行各发电机间无功功率的分配 当母线电压为 U M1 时： I Q = I Q1 + I Q2 无功负荷增加,母线电压降到 U M 2 时： / 2 / 1 / Q Q Q I = I + I 显然： 图 2-5 并联运行发电机间无功负荷的分配 (b) U M1 U M 2 o I Q1 I Q2 I Q1 I Q2 I Q ' 2 I Q ' 1 I Q UG G2 G1 (a) G G I Q1 I Q2 I Q
△/o1>△Io2 (三)提高同步发电机并联运行的稳定性 励磁自动控制系统是通过改变励磁电流r从而改变空载电动势 E值来改善系统稳定性的 励磁对静态稳定的影响 输电线 降压变压器 Q|(」系统 JIGxd 升压变压器 EgO-+i 图2-6单机向无限大母线送电 (a)接线图:(b)等值网络:(c)相量图 E dr sins x、一系统总电抗,一般为发电机,两变压器,输电线电抗之和 一发电机空载电动势E和受端电压∽间的相角。 功率极限为Pn,即 P s EU 静态稳定极限功率p与发电机空载 电动势Eq成正比,而Eq值与励磁电 流有关 图2-8发电机的几条代表性功率特性
IQ1 IQ2 （三）提高同步发电机并联运行的稳定性 励磁自动控制系统是通过改变励磁电流 I EF 从而改变空载电动势 E q • 值来改善系统稳定性的。 1、 励磁对静态稳定的影响 sin X E P q U G = X —系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和； —发电机空载电动势 • Eq 和受端电压 • U 间的相角。 功率极限为 Pm ，即 X E U P q m = 静态稳定极限功率 Pm 与发电机空载 电动势 E q • 成正比，而 E q • 值与励磁电 流有关。 图 2-6 单机向无限大母线送电 (a) 接线图；(b) 等值网络；(c) 相量图 (c) Eq • I G • U G • q d • U G j I G xd • j I G xT • G 降压变压器 升压变压器 • U (a) Eq • U G • • U Xd XT (b) G 输电线 系统 图 2-8 发电机的几条代表性功率特性 B C a A P0 0 o e e ' P '' '
无自动调节励磁时,因励磁电流恒定,Eq=常数,此时的功角特性 称为内功率特性; 若有灵敏和快速的励磁调节器,则可视为保持发电机电压为恒定。即 UG=常数,由相应一簇不同的忘的功角特性求得曲线B(称为外功 角特性,见图28)最大值出现在。与U之间功率角δ=90°时,即 ≈、m(X=XT此时d大于90) Xs 对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统,则近似按E=常数求得的 功角特性曲线C工作,(此时δ大于90°)显然,它使发电机能在大于 90°范围的人工稳定区运行,即可提高发电机输送功率极限或提高系 统的稳定储备。 励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。 、励磁对暂态稳定的影响 (a) 图29发电机暂态功角特性曲线 功角特性曲线I:对应于故障前双回线运行 功角特性曲线I:对应于一回线故障时的运行状况 功角特性曲线Ⅲ:对应于故障切除后一回线运行
无自动调节励磁时，因励磁电流恒定， E q • ＝常数，此时的功角特性 称为内功率特性； 若有灵敏和快速的励磁调节器，则可视为保持发电机电压为恒定。即 UG ＝常数，由相应一簇不同的 • Eq 的功角特性求得曲线 B（称为外功 角特性，见图 2-8）最大值出现在 UG 与 U 之间功率角 90 ' = 时，即 ' ' sin X U U P G m = （ T ' X = X 此时 / 大于 90 ）。 对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统，则近似按 ' Eq ＝常数求得的 功角特性曲线 C 工作，（此时 '' 大于 90 ）显然，它使发电机能在大于 90 范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系 统的稳定储备。 励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。 2、 励磁对暂态稳定的影响 功角特性曲线 I：对应于故障前双回线运行； 功角特性曲线 II：对应于一回线故障时的运行状况； 功角特性曲线 III：对应于故障切除后一回线运行。 图 2-9 发电机暂态功角特性曲线 d c b P a e f g Ⅰ Ⅲ Ⅱ (b) (a) U G XT G
加速面积abce小于减速面积defg,系统是暂态稳定的 故障期间和故障切除后,励磁系统施加的作用是力图促使发电机 的内电动势E。上升而增加电功率输出,使P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=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数 (四)改善电力系统的运行条件 1、改善异步电动机的自起动条件 、为发电机异步运行创造条件 3、提高继电保护装置工作的正确性 (五)水轮发电机组要求强行减磁 二、对励磁系统的基本要求 对励磁调节器的要求 1、系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持 发电机电压在给定水平。 2、励磁调节器应能合理分配机组的无功功率,为此,励磁调节器 应保证同步发电机端电压调差系数可以在10%以内进行调整 3、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 (二)对励磁功率单元的要求 (1)要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容 量
加速面积 abce 小于减速面积 defg，系统是暂态稳定的。 故障期间和故障切除后，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 Pmax 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=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数 （四）改善电力系统的运行条件 1、 改善异步电动机的自起动条件 2、 为发电机异步运行创造条件 3、提高继电保护装置工作的正确性 （五）水轮发电机组要求强行减磁 二、对励磁系统的基本要求 （一） 对励磁调节器的要求 1、系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持 发电机电压在给定水平。 2、励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器 应保证同步发电机端电压调差系数可以在 10％以内进行调整。 3、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。 （二） 对励磁功率单元的要求 （1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容 量
(2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。 第二节同步发电机励磁系统 同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源 直流励磁机换流困难。交流励磁机缩短主轴长度发电机自并励 去掉滑环和电刷无刷励磁系 直流励磁机励磁系统 (一)自励直流励磁机励磁系统 发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电 调整励磁机磁场电阻,可改变励磁机励磁电流 (二)他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的,比自励多用了一台 副励磁机 交流励磁机励磁系统 (一)他励交流励磁机励磁系统 流励磁机 磁场开关 交流发电机 区了 可控整流器 励酸调节器 电压检测 调差 二,一
（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。 第二节 同步发电机励磁系统 同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源 直流励磁机 换流困难 交流励磁机 缩短主轴长度 发电机自并励 去掉滑环和电刷 一、直流励磁机励磁系统 （一）自励直流励磁机励磁系统 发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电 调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流 （二）他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台 副励磁机 二、交流励磁机励磁系统 （一） 他励交流励磁机励磁系统 无刷励磁系 统 AE G 触发器 放大器 电压检测 调差 交流副励磁机 起励电源 400Hz 器 节 调 压 恒 励 自 可控整流器 交流励磁机 100Hz V 磁场开关 滑环 交流发电机 TA TV 励磁调节器
(二)、无刷励磁系统 永磁发电机 旋转元件 )励磁开关 8 可控硅整流器 图2-17无刷励磁系统原理接线图 (1)无炭刷和滑环,维护工作量可大为减少。 (2)发电机励磁由励磁机独立供电,供电可靠性高。并且由于无 刷,整个励磁系统可靠性更高 (3)发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的,因而 励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度,除前述励磁机转子采 用叠片结构外,还釆用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外, 在发电机励磁控制策略上还采取相应措施——增加励磁机励磁绕组顶 值电压,引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。 (4)发电机转子及其励磁电路都随轴旋转,因此在转子回路中不 能接入灭磁设备,发电机转子回路无法实现直接灭磁,也无法实现对 励磁系统的常规检测(如转子电流、电压,转子绝缘,熔断器熔断信 号等),必须采用特殊的测试方法。 (5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能,能承受 高速旋转的离心力。 (6)因为没有接触部件的磨损,所以也就没有炭粉和铜末引起的 对电机绕组的污染,故电机的绝缘寿命较长
（二）、无刷励磁系统 （1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。 （2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无 刷，整个励磁系统可靠性更高。 （3）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而 励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采 用叠片结构外，还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外， 在发电机励磁控制策略上还采取相应措施——增加励磁机励磁绕组顶 值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。 （4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不 能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对 励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信 号等），必须采用特殊的测试方法。 （5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受 高速旋转的离心力。 （6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的 对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。 图 2-17 无刷励磁系统原理接线图 TV N S AE G 励磁调节器 励磁开关 永磁发电机 旋转元件 可控硅整流器 TA G
三、静止励磁系统(发电机自并励系统) 静止励磁方式的主要优点是: (1)励磁系统接线和设备比较简单, 无转动部分,维护费用省,可靠性高。 励磁调节器 起励电源 (2)不需要同轴励磁机,可缩短主 2-13静止励磁系统接线 轴长度,这样可减小基建投资。 (3)直接利用晶闸管取得励磁能量,机端电压与机组转速的一次 方成正比,故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例 而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样, 当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低 第三节励磁系统中转子磁场的建立和灭磁 建立:在外部事故情况下,转子励磁电压的最大值及其建立的速度, 即强励顶值与响应比 灭磁:发电杋绕组内部故障等,使转子磁场内存储的大量能量迅速消 释,而不致在发电机内产生危险的过电压 时间常数 (一)他励直流励磁机时间常数 E EE DE UEF DE U 图2-14他励与自励直流励磁机时间常数计算原理
三、静止励磁系统（发电机自并励系统） 静止励磁方式的主要优点是： （1）励磁系统接线和设备比较简单， 无转动部分，维护费用省，可靠性高。 （2）不需要同轴励磁机，可缩短主 轴长度，这样可减小基建投资。 （3）直接利用晶闸管取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次 方成正比，故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。 而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样， 当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。 第三节 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁 建立：在外部事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度， 即强励顶值与响应比 灭磁：发电机绕组内部故障等，使转子磁场内存储的大量能量迅速消 释，而不致在发电机内产生危险的过电压 一、时间常数 （一） 他励直流励磁机时间常数 图 2-13 静止励磁系统接线 TR G 件 励磁调节器 元 励 起 TV 起励电源 滑环 VS G 图 2-14 他励与自励直流励磁机时间常数计算原理 图 UEF G G I EE DE − + E I EE DE (a) (b) UEF
d Ⅰ EE REE+L E dt 式中RE、L励磁机励磁线圈的电阻和电感 1是按指数曲线增长的,其时间常数为 R 由于励磁机电势UEF正比于ⅠE,UEF也是按指数曲线增加的 (二)自励直流励磁机时间常数 IIEE 图2-15自励直流发电机等值特性图 EF一 Eo IEE Eo + klE EE. 式中E0——自励直流发电机的残余电势值 U1——励磁机的工作电压值 ⅠE1——励磁机的工作电流值 k—一比例常数 对自励励磁机的电势UEF,也有 d, lerRer t E 代入,得
E dt d I I R L EE EE EE + EE = 式中 REE、 LEE——励磁机励磁线圈的电阻和电感 I EE 是按指数曲线增长的，其时间常数为 R L T EE EE t = 由于励磁机电势 UEF 正比于 I EE ，UEF 也是按指数曲线增加的。 （二） 自励直流励磁机时间常数 EE EE EE. ! EF I E k I I U E U E = + − = + 0 1 0 0 式中 E0 ——自励直流发电机的残余电势值 U1——励磁机的工作电压值 I EE1——励磁机的工作电流值 k——比例常数 对自励励磁机的电势 UEF ，也有 EF EE EE EE EE U dt dI I R + L = 代入，得 图 2-15 自励直流发电机等值特性图 o U E0 I EE I EE.1 1 UEF U1