1、第三章 同步发电机励磁自动控制系统第一节 概述 同步发电机的运行特性与它的空载电动势同步发电机的运行特性与它的空载电动势Eq的的值有关，而值有关，而Eq的值时发电机励磁电流的值时发电机励磁电流IEF的函数，的函数，改变发电机励磁电流就可影响同步发电机在电改变发电机励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。力系统中的运行特性。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。故障时，迅速增大励磁电流无功功率的分配。故障时，迅速增大励磁电流可以维持电网的电压水平及稳
2、定性。可以维持电网的电压水平及稳定性。同步发电机励磁系统一般由励磁功率单元和励同步发电机励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。磁调节器两部分组成。一、同步发电机励磁控制系统的任务一、同步发电机励磁控制系统的任务（一）电压控制（一）电压控制 负荷的无功电流是造成负荷的无功电流是造成Eq和和UG幅值差的主要幅值差的主要原因。原因。为了保持发电机端电压的稳定，必须实时调整为了保持发电机端电压的稳定，必须实时调整发电机的励磁电流。发电机的励磁电流。（二）控制无功功率的分配（二）控制无功功率的分配 发电机的有功功率只受调速器的控制。发电机的有功功率只受调速器的控制。与无限大母线并联运行的机组
3、，调节它的励磁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。电流可以改变发电机无功功率的数值。对于不是无限大母线，母线的电压随着负荷改对于不是无限大母线，母线的电压随着负荷改变，调节励磁电流会改变发电机母线电压，也变，调节励磁电流会改变发电机母线电压，也会影响其他发电机的无功功率输出，所以，调会影响其他发电机的无功功率输出，所以，调节励磁还起着并联运行机组间无功功率分配的节励磁还起着并联运行机组间无功功率分配的任务。任务。（三）提高同步发电机并联运行的稳定性（三）提高同步发电机并联运行的稳定性 在各种干扰后，发电机组能够恢复到原来的运在各种干扰后，发电机组能够恢复到
4、原来的运行状态或过度到另一个新的运行状态，则称系行状态或过度到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的。统是稳定的。电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常方电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常方式下突然遭受大扰动后能否过渡到一个新的稳式下突然遭受大扰动后能否过渡到一个新的稳定运行状态或恢复到原来运行状态的能力。定运行状态或恢复到原来运行状态的能力。1.励磁对静态稳定的影响励磁对静态稳定的影响 发电机输出功率：发电机输出功率：无励磁电流时，无励磁电流时，Eq是常数，此时的功是常数，此时的功角特性称为内功率角特性称为内功率特性；若有灵敏度特性；若有灵敏度和快速的励磁调节和快速的励磁调节器，则可视为保
5、持器，则可视为保持发电机端电压为恒发电机端电压为恒定，定，UG=常数，则常数，则其输出功率随功角其输出功率随功角的变化称外功角特的变化称外功角特性。其最大功率对性。其最大功率对应的功角可能超过应的功角可能超过90。2.励磁对暂态稳定的影响励磁对暂态稳定的影响 电力系统遭受大的扰动后，发电机组能否继续保持电力系统遭受大的扰动后，发电机组能否继续保持同步运行，称为暂态稳定。同步运行，称为暂态稳定。系统故障后，发电机如果能够强行励磁，则发电机系统故障后，发电机如果能够强行励磁，则发电机就能尽快稳定下来。就能尽快稳定下来。对励磁系统要求：对励磁系统要求：一方面，缩小励磁系统的时间常数一方面，缩小励磁系
6、统的时间常数 另一方面，尽可能提高强行励磁的倍数。另一方面，尽可能提高强行励磁的倍数。（四）改善电力系统的运行条件（四）改善电力系统的运行条件 1.改善异步电动机的自启动条件。改善异步电动机的自启动条件。2.为发电机异步运行创造条件。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。提高继电保护装置工作的正确性。（五）水轮发电机组要求实行强行减磁（五）水轮发电机组要求实行强行减磁 当水轮发电机组发生故障突然跳闸是，由于调速系当水轮发电机组发生故障突然跳闸是，由于调速系统惯性不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上统惯性不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升，发电机端电压过高可能危及剧
7、院，所以要求这升，发电机端电压过高可能危及剧院，所以要求这时要强行减磁。时要强行减磁。二、对励磁系统的基本要求二、对励磁系统的基本要求（一）对励磁调节器的要求（一）对励磁调节器的要求（1）维持发电机电压）维持发电机电压（2）实现机组功率分配）实现机组功率分配（3）保证发电机稳定）保证发电机稳定（4）迅速反应系统故障）迅速反应系统故障（5）具有较小的时间常数）具有较小的时间常数（6）能长期可靠工作。）能长期可靠工作。（二）对励磁功率单元的要求（二）对励磁功率单元的要求（1）要求励磁功率单元有一定的调节容量。）要求励磁功率单元有一定的调节容量。（2）具有足够的励磁顶值和电压上升速度。）具有足够的励
8、磁顶值和电压上升速度。第二节 同步发电机的励磁系统 同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。流电源。励磁系统发展：励磁系统发展：（1）直流励磁系统）直流励磁系统 有机械换向刷，容量收到限制有机械换向刷，容量收到限制（2）交流励磁系统）交流励磁系统 利用半导体整流利用半导体整流（3）自并励系统）自并励系统 开始利用转子剩磁产生励磁电流，适用于（凸极）开始利用转子剩磁产生励磁电流，适用于（凸极）水轮发电机。水轮发电机。一、直流励磁机励磁系统一、直流励磁机励磁系统 靠机械整流子换向整流，励磁电流过大时换向靠机械整流子换向整流，励磁电流过大时换向困难，只
9、能用于困难，只能用于10万千瓦以下容量机组。万千瓦以下容量机组。直流励磁机与发电机同轴，它是靠剩磁来建立直流励磁机与发电机同轴，它是靠剩磁来建立电压的。电压的。按励磁机励磁绕组供电方式按励磁机励磁绕组供电方式分自励式分自励式和他励式。和他励式。（一）自励直流励磁机励磁系统（一）自励直流励磁机励磁系统 励磁机的励磁电流由其本身提供励磁机的励磁电流由其本身提供 EEW为励磁机的励磁线圈，为励磁机的励磁线圈，DE是励磁发电机，是励磁发电机，由由RC和和IAVR共同调节励磁电压，可以减小励磁共同调节励磁电压，可以减小励磁调节器的容量。调节器的容量。（二）他励直流励磁机励磁系统（二）他励直流励磁机励磁系
10、统 他励直流励磁机绕组是由副励磁机供电的他励直流励磁机绕组是由副励磁机供电的，与，与自励方式相比减小了励磁单元时间常数。一般自励方式相比减小了励磁单元时间常数。一般用于水轮机。用于水轮机。直流励磁机常采用电磁型励磁调节器。直流励磁机常采用电磁型励磁调节器。二、交流励磁机励磁系统二、交流励磁机励磁系统 目前容量在目前容量在100MW以上的同步发电机组都普遍以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系统，频率一般为采用交流励磁机励磁系统，频率一般为100HZ或更高，输出电压经整流器整流后供给发电机。或更高，输出电压经整流器整流后供给发电机。根据励磁机电源整流方式和整流状态可分为：根据励磁机电源整流
11、方式和整流状态可分为：（一）他励交流励磁机励磁系统（一）他励交流励磁机励磁系统 是指交流励磁机有他励电源是指交流励磁机有他励电源中频副励磁机或永中频副励磁机或永磁副励磁机。根据整流器的状态分：磁副励磁机。根据整流器的状态分：1.交流励磁机静止整流器励磁系统交流励磁机静止整流器励磁系统 励磁机频率励磁机频率100Hz，副励磁机是自励式中频交流发，副励磁机是自励式中频交流发电机电机400Hz，励磁调节器控制晶闸管元件的控制角，励磁调节器控制晶闸管元件的控制角，改变交流励磁机的励磁电流。改变交流励磁机的励磁电流。特点：特点：（1）励磁机与副励磁机是同轴的独立电源，）励磁机与副励磁机是同轴的独立电源，
12、不受系统干扰。不受系统干扰。（2）通过提高频率减小时间常数。）通过提高频率减小时间常数。（3）增加了主轴长度，造价高。）增加了主轴长度，造价高。（4）转动部件维护量大。）转动部件维护量大。（5）副励磁机自励系统故障或自励恒压调节）副励磁机自励系统故障或自励恒压调节器故障可能导致发电机失磁。可用永磁机作副器故障可能导致发电机失磁。可用永磁机作副励磁机提高可靠性。励磁机提高可靠性。2.交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）磁）交流励磁机的滑环是其薄弱环节，为了提高励交流励磁机的滑环是其薄弱环节，为了提高励磁系统的性能，去掉滑环，即无刷励磁系统。磁系统的性能，去
13、掉滑环，即无刷励磁系统。副励磁机是永磁发电机，磁极是旋转的，电枢副励磁机是永磁发电机，磁极是旋转的，电枢是静止的，而励磁机电枢是旋转的。是静止的，而励磁机电枢是旋转的。交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转。不需要滑环等接触元绕组都在同一轴上旋转。不需要滑环等接触元件。件。（1）无炭刷和滑环，）无炭刷和滑环，。（2）发电机励磁由励磁机独立供电，）发电机励磁由励磁机独立供电，。并且。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。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，）发电机励磁控制是通过调节交
14、流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的因而励磁系统的。（4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回）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，路中不能接入灭磁设备，必须采用特殊的测试方法。，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，）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。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）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，故电机的引起的对电机绕组的污染，故电机的。（二）自励交流励磁机励磁系统（二）自励交
15、流励磁机励磁系统 与直流自励磁机一样，自励交流励磁机的励磁与直流自励磁机一样，自励交流励磁机的励磁电源是从本机直接获得的。通过可控硅调整励电源是从本机直接获得的。通过可控硅调整励磁电压。磁电压。1.自励交流励磁机自励交流励磁机静止可控整流器静止可控整流器励磁系统励磁系统 发电机的励磁电流由交流励磁机经晶闸管整流发电机的励磁电流由交流励磁机经晶闸管整流供给，交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励供给，交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压的方式。恒压的方式。时间常数小，励磁机容量要求要比较大，满足时间常数小，励磁机容量要求要比较大，满足强励要求。强励要求。2.自励交流励磁机自励交流励磁机静止整流器静
16、止整流器励磁系统励磁系统 发电机励磁电流由交流励磁机发电机励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置经硅整流装置V供给，电子型励磁调节器控制晶闸管整流装供给，电子型励磁调节器控制晶闸管整流装置置VS，达到调节发电机励磁的目的。，达到调节发电机励磁的目的。相应速度慢，励磁机容量可以小一些。相应速度慢，励磁机容量可以小一些。三、静止励磁系统（发电机自并励系统）三、静止励磁系统（发电机自并励系统）发电机励磁电源不用励磁机，而又机端励磁变发电机励磁电源不用励磁机，而又机端励磁变压器供给整流装置，没有转动励磁部件。压器供给整流装置，没有转动励磁部件。（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部）励磁系统接线和设
17、备比较简单，无转动部分，维护费用较少，可靠性高。分，维护费用较少，可靠性高。（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，可）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，可减小基建投资。减小基建投资。（3）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快）直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度。那样的响应速度。（4）励磁线圈由发电机机端取得励磁能量，励）励磁线圈由发电机机端取得励磁能量，励磁电压与转速一次方成比例。磁电压与转速一次方成比例。（1）静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系）静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障
18、的影响，在发电机近端三相短路而切统侧故障的影响，在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能提供足够的励磁，除时间又较长的情况下，不能提供足够的励磁，以致影响电力系统的暂态稳定。以致影响电力系统的暂态稳定。（2）由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电）由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能正确动作。保护是否能正确动作。第三节 励磁系统中的整流电路 同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是同步发电机励磁系统中整流电路的主要任务是将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕将交流电压整流成直流电压供给发电机励磁绕组或励磁机绕组。组或励磁机绕组。发电机转子励磁回路：三相桥式不可控整流发电机转
19、子励磁回路：三相桥式不可控整流 自并励系统：三相桥式全控整流电路自并励系统：三相桥式全控整流电路 励磁机励磁回路：三相桥式半控或全控整流励磁机励磁回路：三相桥式半控或全控整流 一、三相桥式不可控整流电路一、三相桥式不可控整流电路 任何时刻只有阳极电位最高和阴极电位最低的任何时刻只有阳极电位最高和阴极电位最低的两个二极管导通。两个二极管导通。每一周期中每个二极管导通每一周期中每个二极管导通1/3周期，二极管承周期，二极管承受最大正反向电压为线电压。受最大正反向电压为线电压。负载电压是线电压波形的包络线，以负载电压是线电压波形的包络线，以2/6为周为周期，空载电压平均值为：期，空载电压平均值为：二
20、、三相桥式半控整流电路二、三相桥式半控整流电路（一）工作原理（一）工作原理 当控制角不同时，输出波形不同：当控制角不同时，输出波形不同：波形以波形以120为周期为周期（二）输出电压与控制角的关系（二）输出电压与控制角的关系（1）2/6时，波形连续时，波形连续（2）2/6时，波形不连续时，波形不连续输出电压平均值大于输出电压平均值大于0（三）失控现象和续流二极管的作用（三）失控现象和续流二极管的作用 当负载是感性时，在自然过零点后由于负载的当负载是感性时，在自然过零点后由于负载的反馈能量作用，可能使晶闸管不能正常关断，反馈能量作用，可能使晶闸管不能正常关断，使输出波形发生变化，称为失控。使输出波
21、形发生变化，称为失控。并接反向续流二极管，来释放电感的储能，从并接反向续流二极管，来释放电感的储能，从而保证晶闸管可靠关断。而保证晶闸管可靠关断。三、三相桥式全控整流电路三、三相桥式全控整流电路（一）工作原理（一）工作原理上、下两组晶闸管必须各有一个同时导通，六只晶上、下两组晶闸管必须各有一个同时导通，六只晶闸管导通顺序为闸管导通顺序为1 2 3 4 5 6，触发脉冲依次差，触发脉冲依次差60。波形以波形以60为周期为周期=0=60=90=150 总结：总结：60，输出电压瞬时值大于，输出电压瞬时值大于0。90且且180，输出电压平均值小于，输出电压平均值小于0。输出电压平均值小于输出电压平均
22、值小于0，整流电路工作在逆变，整流电路工作在逆变状态，直流侧发出功率，将原来整流状态下存状态，直流侧发出功率，将原来整流状态下存储于磁场的能量释放出来送回到交流侧。储于磁场的能量释放出来送回到交流侧。（二）三相桥式全控整流电路输出电压与控制角的关系（二）三相桥式全控整流电路输出电压与控制角的关系 三相桥式全控整流电路在电感性负载时，输出电压波形三相桥式全控整流电路在电感性负载时，输出电压波形一个周期内分六段。一个周期内分六段。cos35.1)(cos262166ababdEttdEUcos35.1)180cos(35.10ababEEU)3cos(135.1)(sin2313ababdEttd
23、EU逆变状态，逆变角逆变状态，逆变角=180度度-为阻性负载，为阻性负载，60读且读且120度时：度时：三相半控三相半控三相全控电感负载三相全控电感负载三相全控电阻性负载三相全控电阻性负载 四、整流电路的换流压降及外特性四、整流电路的换流压降及外特性 由于整流电路各相在换流过程中电流不能突变，由于整流电路各相在换流过程中电流不能突变，前一相的电流从前一相的电流从Id逐渐降至逐渐降至0，后一相电流从，后一相电流从0逐渐上升至逐渐上升至Id的过程，使换流的两相交流回路的过程，使换流的两相交流回路通过这两臂元件暂时形成短路，这时整流桥有通过这两臂元件暂时形成短路，这时整流桥有三个桥臂处于同时导通的状
24、态。这段换流器件三个桥臂处于同时导通的状态。这段换流器件对应的电角度称为换流角对应的电角度称为换流角，只要，只要小于小于60，整流桥总是处于两臂导通与三臂导通的交替工整流桥总是处于两臂导通与三臂导通的交替工作状态，称为作状态，称为23工作状态。工作状态。换流过程中的电流变化要在电感上引起电压降换流过程中的电流变化要在电感上引起电压降落，使输出电压落，使输出电压ud的波形增加缺口，使输出电的波形增加缺口，使输出电压的平均值下降。压的平均值下降。计及换流电抗计及换流电抗Xk与不计与不计Xk相比较输出电压下相比较输出电压下降为：降为：在三相对称情况下：在三相对称情况下：电压下降缺口的面积：电压下降缺
25、口的面积：对于三相桥式电路，一周期内电压降落的平均对于三相桥式电路，一周期内电压降落的平均值为：值为：换流期间等值电路：换流期间等值电路：忽略电阻及整流元件的压降：忽略电阻及整流元件的压降：考虑交流回路电抗考虑交流回路电抗Xk引起的换流电压损失，则三相桥引起的换流电压损失，则三相桥式全控整流电路输出电压的平均值为：式全控整流电路输出电压的平均值为：它表示三相桥式全控整流电路带电感负载时输出的直它表示三相桥式全控整流电路带电感负载时输出的直流平均电压，等于一个电动势为流平均电压，等于一个电动势为 ，内阻抗为，内阻抗为 的可变直流电源负载的可变直流电源负载Z是所输出的电压。是所输出的电压。如果考虑
26、桥臂元件导通压降、回路电阻压降及碳刷压如果考虑桥臂元件导通压降、回路电阻压降及碳刷压降，则输出直流电压为：降，则输出直流电压为：dKIXU3当交流回路电抗较大，直流负载电流较大时，输出电当交流回路电抗较大，直流负载电流较大时，输出电压下降多，即换流面积大，换流角大。压下降多，即换流面积大，换流角大。五、最小逆变角五、最小逆变角 全控桥不能工作在全控桥不能工作在a=180的情况，否则会造的情况，否则会造成逆变失控或颠覆，换流失败，使晶闸管过热成逆变失控或颠覆，换流失败，使晶闸管过热而烧毁。而烧毁。在全控整流电路中，在全控整流电路中，a=180时，因换流不能时，因换流不能完成而造成逆变失败，晶闸管
27、因连续导通过热完成而造成逆变失败，晶闸管因连续导通过热而损坏或快速熔断器熔丝熔断。而损坏或快速熔断器熔丝熔断。若要发电机能利用全控桥进行逆变灭磁，必须若要发电机能利用全控桥进行逆变灭磁，必须使最小逆变角使最小逆变角大于换流角及晶闸管关断角之大于换流角及晶闸管关断角之和和：根据经验要把控制角限制在根据经验要把控制角限制在150155范围。范围。第四节 励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配 励磁调节系统是由同步发电机、励磁功率单元励磁调节系统是由同步发电机、励磁功率单元及励磁调节器共同组成的自动控制系统。及励磁调节器共同组成的自动控制系统。一、励磁调节器的基本特性与框图一、励磁调节器的基本特
28、性与框图 常用的励磁调节器是比例式调节器。常用的励磁调节器是比例式调节器。各类调节器都必须具有下图负斜率调节特性：各类调节器都必须具有下图负斜率调节特性：模拟式励磁调节器的构成环节：模拟式励磁调节器的构成环节：二、励磁调节器的静态工作特性二、励磁调节器的静态工作特性陡度陡度（二）发电机励磁自动控制系统静态特性（二）发电机励磁自动控制系统静态特性 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与无功与无功负荷电流负荷电流IQ的关系的关系 调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个重要参数励磁控制系统运行特性的
29、一个重要参数调调差系数。差系数。对励磁调节器进行调整主要是为了满足运行要对励磁调节器进行调整主要是为了满足运行要求求：（1）发电机投入或退出运行时，能平稳地改变无功）发电机投入或退出运行时，能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击。负荷，不致发生无功功率的冲击。（2）保证并联运行机组间无功功率的合理分配。）保证并联运行机组间无功功率的合理分配。并联运行的发电机组间的无功功率的分配，主并联运行的发电机组间的无功功率的分配，主要取决于各发电机的无功功率调节特性。要取决于各发电机的无功功率调节特性。正调差系数正调差系数负调差系数负调差系数无差特性无差特性（三）发电机调节特性的平移（三）发电机调节
30、特性的平移 移动发电机调节特性是通过移动发电机调节特性是通过改变励磁调节器的改变励磁调节器的整定值整定值来实现的。来实现的。三、并联机组间无功功率的分配三、并联机组间无功功率的分配 几台发电机在同一母线上并联运行时，改变任几台发电机在同一母线上并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响机组的无功电何一台机组的励磁电流不仅影响机组的无功电流，而且还影响同一母线上并联运行的其他机流，而且还影响同一母线上并联运行的其他机组的无功功率。组的无功功率。（一）无差调节特性（一）无差调节特性 1.一台误差调节特性的机组与有差调节特性机一台误差调节特性的机组与有差调节特性机组并联运行。组并联运行。与正调差
31、发电机组可以稳定运行，但无功分配与正调差发电机组可以稳定运行，但无功分配不合理。不合理。与负调差发电机不能稳定运行。与负调差发电机不能稳定运行。2。两台无调差特性的机组不能并联运行。两台无调差特性的机组不能并联运行（二）正调差特性的发电机的并联运行（二）正调差特性的发电机的并联运行当母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调当母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比差系数成反比 调差系数较小的发电机承担较多的电流增量，通常要调差系数较小的发电机承担较多的电流增量，通常要求发电机无功发电机无功负荷的波动量与他们的额定求发电机无功发电机无功负荷的波动量
32、与他们的额定容量成正比，即希望各发电机无功电流波动标幺值相容量成正比，即希望各发电机无功电流波动标幺值相等，这就要求在公共母线上并联运行的发电机组有相等，这就要求在公共母线上并联运行的发电机组有相同的调差系数。同的调差系数。例例3-1 例例3-2221121NGNGNGNGQQQQ第五节 励磁调节装置原理 一、励磁调节器的原理及发展一、励磁调节器的原理及发展（一）电压调节原理（一）电压调节原理 电压调节可分为：反馈型电压调节可分为：反馈型 补偿型补偿型 反馈型：按被调量与给定量之间的差值进行调反馈型：按被调量与给定量之间的差值进行调节，属闭环控制，能较好地维持电压水平。节，属闭环控制，能较好地
33、维持电压水平。补偿型：是补偿某些因素所引起发电机电压的补偿型：是补偿某些因素所引起发电机电压的变动，很难获得理想补偿，不能维持端电压水变动，很难获得理想补偿，不能维持端电压水平。平。复式励磁装置复式励磁装置（二）励磁调节器的发展（二）励磁调节器的发展 经历了机电型、电磁型、及电子型的发展阶段。经历了机电型、电磁型、及电子型的发展阶段。现在已普遍采用数字式调节器。现在已普遍采用数字式调节器。机电型励磁调节器：机电型励磁调节器：只是调节电压，发电机电压整流控制电机，调只是调节电压，发电机电压整流控制电机，调节励磁回路电阻，改变励磁电流，稳定发电机节励磁回路电阻，改变励磁电流，稳定发电机电压。电压。
34、电磁型电压调节器：以电磁元件为动力，实现电磁型电压调节器：以电磁元件为动力，实现励磁电压的调整。励磁电压的调整。电子型电压调节器：去掉了机械可动部分，延电子型电压调节器：去掉了机械可动部分，延迟小，综合放大能力强。迟小，综合放大能力强。电子型励磁调节器由基本控制部分和辅助控制电子型励磁调节器由基本控制部分和辅助控制部分组成。部分组成。基本控制：由调差、测量比较、综合方法和移基本控制：由调差、测量比较、综合方法和移相触发单元组成，实现电压调节和无功功率等相触发单元组成，实现电压调节和无功功率等的基本调节功能。的基本调节功能。辅助控制：是为了满足发电机的不同运行工况，辅助控制：是为了满足发电机的不
35、同运行工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能设置的，如励磁系统稳定器、电力系统稳性能设置的，如励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器等。定器和励磁限制器等。数字式励磁调节器：数字式励磁调节器：实际实际是一台专用的微型计算机励磁控制系统是一台专用的微型计算机励磁控制系统。主机通过系统总线，接口电路与具体控制对主机通过系统总线，接口电路与具体控制对象的过程通道连接，采集信息和输出控制脉象的过程通道连接，采集信息和输出控制脉冲，实现对发电机组励磁的综合控制，可以冲，实现对发电机组励磁的综合控制，可以实现复杂的逻辑控制。实现复杂的逻辑控制。二、数
36、字式励磁调节器原理二、数字式励磁调节器原理（一）数字式励磁调节器的基本环节和构成（一）数字式励磁调节器的基本环节和构成 包括硬件和软件两部分。包括硬件和软件两部分。为了使系统灵活、便于开发，微机系统都采用为了使系统灵活、便于开发，微机系统都采用模块结构，个模块具有独立的功能，模块板之模块结构，个模块具有独立的功能，模块板之间连接的地址线、数据线、命令线称为间连接的地址线、数据线、命令线称为系统总系统总线线。分为：主控制单元、信息采集单元、控制输出分为：主控制单元、信息采集单元、控制输出单元和人机联系接口单元。单元和人机联系接口单元。1.主控制单元（主主控制单元（主机）机）（1）中央处理单）中央
37、处理单元（元（CPU）部分）部分（2）总线接口部分）总线接口部分 1）系统设置跳线）系统设置跳线 2）实时时钟）实时时钟 3）WATCHDOG定时器定时器 4）总线终端网络）总线终端网络（3）存储器部分）存储器部分 主控制单元（主机）可通过总线采集发电机组主控制单元（主机）可通过总线采集发电机组的运行信息，并存入预定的存储区域形实时数的运行信息，并存入预定的存储区域形实时数据库。还可以调用数据库相关信息，实现调节据库。还可以调用数据库相关信息，实现调节计算、逻辑判断完成各种控制功能。计算、逻辑判断完成各种控制功能。数字式励磁调节器用软件实现功能为存储逻辑，数字式励磁调节器用软件实现功能为存储逻
38、辑，模拟式用硬件实现其功能为布线逻辑。模拟式用硬件实现其功能为布线逻辑。主控制单元运行励磁调节器的主程序和各种控主控制单元运行励磁调节器的主程序和各种控制算法，还包括各种限制控制辅助算法，协调制算法，还包括各种限制控制辅助算法，协调整个励磁调节器的运行，是励磁调节器的核心整个励磁调节器的运行，是励磁调节器的核心单元。单元。2.信息采集单元信息采集单元 励磁调节器为了实现电压调节和无功功率分配励磁调节器为了实现电压调节和无功功率分配等基本功能，需要采集的信息为发电机端电压、等基本功能，需要采集的信息为发电机端电压、电流以及反映机组运行状态的开关量信息。辅电流以及反映机组运行状态的开关量信息。辅助
39、控制单元还需要采集频率、励磁电流等信息。助控制单元还需要采集频率、励磁电流等信息。（1）模拟量信息采集电路）模拟量信息采集电路 1）A/D转换模板接口电路转换模板接口电路分辨率分辨率量程量程转换时间转换时间转换精度转换精度 2）模拟量输入通道）模拟量输入通道 发电机电压通道、发电机电流通道、励磁电流通道发电机电压通道、发电机电流通道、励磁电流通道 滤波电路滤波电路 A）直流采样滤波电路）直流采样滤波电路 B）交流采样滤波电路）交流采样滤波电路 滤波后交流信号相位发生了变化，在软件算法中需滤波后交流信号相位发生了变化，在软件算法中需要对相位偏差进行补偿。要对相位偏差进行补偿。2）数字量信息采集电
40、路）数字量信息采集电路 3.调节和控制输出单元调节和控制输出单元 励磁调节器输出的调节量为控制励磁功率单元励磁调节器输出的调节量为控制励磁功率单元的移相触发脉冲，输出的控制信号有保护跳闸的移相触发脉冲，输出的控制信号有保护跳闸信号、报警信号等。信号、报警信号等。（1）移相触发单元）移相触发单元 移相触发单元产生可调相位的脉冲，用来触发晶闸移相触发单元产生可调相位的脉冲，用来触发晶闸管，使其触发角管，使其触发角a能够随着主控制单元输出的控制数能够随着主控制单元输出的控制数据而改变，以控制经展馆整流电路的输出，从而调据而改变，以控制经展馆整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。节发电机励磁电流。对
41、移相触发单元的要求：对移相触发单元的要求：1）触发脉冲移相范围要负荷相应可控整流电路的要）触发脉冲移相范围要负荷相应可控整流电路的要求。求。2）触发脉冲应具有足够的功率。）触发脉冲应具有足够的功率。3）触发脉冲的上升前沿要陡）触发脉冲的上升前沿要陡 4）触发电路与主电路应相互隔离以保证安全。）触发电路与主电路应相互隔离以保证安全。5）在整个移相范围应保证各相的触发脉冲控制角）在整个移相范围应保证各相的触发脉冲控制角a一致，否则将使整流桥输出的电压谐波分量增加。一致，否则将使整流桥输出的电压谐波分量增加。移相触发单元的构成：移相触发单元的构成：1）同步电压整形电路）同步电压整形电路 2）数字脉冲
42、移相接口电路）数字脉冲移相接口电路 3）整流器接口电路）整流器接口电路 当脉冲形成电路发出控制脉冲后，要经过接口单元，当脉冲形成电路发出控制脉冲后，要经过接口单元，以实现光电隔离，并作为触发脉冲的输出端口。以实现光电隔离，并作为触发脉冲的输出端口。4）门极驱动电路）门极驱动电路 门极驱动接口单元用于放大脉冲，使之与晶闸管触门极驱动接口单元用于放大脉冲，使之与晶闸管触发的水平相匹配，一般门极驱动接口单元含有与全发的水平相匹配，一般门极驱动接口单元含有与全控制桥晶闸管数量相等的脉冲变压器。控制桥晶闸管数量相等的脉冲变压器。（2）控制信号输出）控制信号输出 为了对发电机组合励磁调节器起保护和限制作用
43、，为了对发电机组合励磁调节器起保护和限制作用，励磁调节器还有继电器和数字量输出模板，分别输励磁调节器还有继电器和数字量输出模板，分别输出保护跳闸触点信号和报警数字信号等。出保护跳闸触点信号和报警数字信号等。4.人机接口人机接口（1）程序调试）程序调试（2）参数设定与维护）参数设定与维护（3）运行操作）运行操作人人机接口机接口调节控制输出调节控制输出基基 本本控控 制制电压调节电压调节无功分配无功分配辅辅 助助控控 制制瞬时电流限制瞬时电流限制最大励磁电流限制最大励磁电流限制最小励磁电流限制最小励磁电流限制电压频率保护电压频率保护失磁监控失磁监控励磁系统稳定器励磁系统稳定器PSS等等等等数字式励
44、磁调节器数字式励磁调节器硬件硬件+软件软件信息采集单元信息采集单元主控制单元主控制单元（二）调节和控制的数学模型（二）调节和控制的数学模型 1.概述概述 数字励磁调节器在硬件配置基本相同的情况下，采数字励磁调节器在硬件配置基本相同的情况下，采用不同的算法可以灵活地实现不同的控制规律。按用不同的算法可以灵活地实现不同的控制规律。按偏差的比例、积分和微分进行控制的偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器，调节器，是应用最广泛的一种调节器。是应用最广泛的一种调节器。用差分方程用差分方程 对微分方程离散化：对微分方程离散化：该式称位置式该式称位置式PID,输出时全量输出，是控制量输出时全量输出，是
45、控制量数值绝对值的大小，与过去的状态有关。数值绝对值的大小，与过去的状态有关。计算量较大，需对计算量较大，需对e(KT)作累加，在计算机故作累加，在计算机故障时，很可能使输出大幅度变化，不利于生产障时，很可能使输出大幅度变化，不利于生产安全。安全。增量式增量式PID调节：调节：增量式增量式PID调节的优点是，因为数字调节器只调节的优点是，因为数字调节器只输出增量，误差或精度对控制的影响较小，控输出增量，误差或精度对控制的影响较小，控制作用不会发生大幅度变化，且增量算式只是制作用不会发生大幅度变化，且增量算式只是与最近的几采样值有关，容易获得比较好的控与最近的几采样值有关，容易获得比较好的控制效
46、果。制效果。2.励磁调节器的基本调节方式励磁调节器的基本调节方式 维持电压恒定水平，实现并联运行机组间的无功功维持电压恒定水平，实现并联运行机组间的无功功率合理分配，是同步发电机励磁控制系统的基本任率合理分配，是同步发电机励磁控制系统的基本任务，也是正常运行的调节方式。务，也是正常运行的调节方式。恒压比例调节方式：恒压比例调节方式：为了使并联发电机组间的无功功率合理分配，使发为了使并联发电机组间的无功功率合理分配，使发电机组的无功调节特性的调差系数为电机组的无功调节特性的调差系数为，上式改为：，上式改为：3.励磁调节器的辅助控制励磁调节器的辅助控制 随着电力系统发展，发电机容量不断增大，大随着
47、电力系统发展，发电机容量不断增大，大容量发电机组队对励磁控制提出了更高的要求。容量发电机组队对励磁控制提出了更高的要求。比如，需要实现最小励磁限制、最大励磁限制比如，需要实现最小励磁限制、最大励磁限制等。等。辅助控制欲励磁调节器正常情况下的自动控制辅助控制欲励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是：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，需要励磁调节器具有某些特有的非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时起相应的控制作用。限制功能时起相应的控制作用。（1）瞬时电流限制和最大励磁限制）瞬时电流限制和最大励磁限制
48、 1）瞬时电流限制）瞬时电流限制 大容量发电机组的励磁系统必须具有高起始响大容量发电机组的励磁系统必须具有高起始响应的性能，只有高励磁定制的方法才能提高励应的性能，只有高励磁定制的方法才能提高励磁机输出电压的起始增长速度。磁机输出电压的起始增长速度。这样励磁系统的响应速度得到了改善，但是高这样励磁系统的响应速度得到了改善，但是高值励磁电压会危及励磁机及发电机的安全，因值励磁电压会危及励磁机及发电机的安全，因此当励磁机电压达到发电机允许的励磁定制电此当励磁机电压达到发电机允许的励磁定制电压倍数时，应立即对励磁机的励磁电流加以限压倍数时，应立即对励磁机的励磁电流加以限制，以防止危及发电机的安全运行
49、。制，以防止危及发电机的安全运行。励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁电流，励磁调节器内设置的瞬时电流限制器检测励磁电流，一旦超出发电机允许的强励顶值限制器输出立即使励一旦超出发电机允许的强励顶值限制器输出立即使励磁电流限制在磁电流限制在Ifmax。2）最大励磁限制器）最大励磁限制器 最大励磁限制器是为了防止发电机转子绕组长最大励磁限制器是为了防止发电机转子绕组长时间过励磁而采取的安全措施。时间过励磁而采取的安全措施。由于发电机转子绕组发热的限制，强励时间不由于发电机转子绕组发热的限制，强励时间不允许超过规定值。允许超过规定值。为了使发电机安全运行，对过励磁应按允许发为了使发电机安全运行，
50、对过励磁应按允许发热时间运行，若超过允许时间，励磁电力仍不热时间运行，若超过允许时间，励磁电力仍不能自动降下来，有最大励磁限制器执行限制功能自动降下来，有最大励磁限制器执行限制功能。能。同步发电机正常运行过程中，限制器不起作用。同步发电机正常运行过程中，限制器不起作用。如果故障需要强励，只要励磁电流实际值超过如果故障需要强励，只要励磁电流实际值超过热限制值，则调节器就会启动一个过热电力积热限制值，则调节器就会启动一个过热电力积分器。分器。（2）最小励磁限制器）最小励磁限制器 同步发电机欠励运行时，发电机从系统吸收无同步发电机欠励运行时，发电机从系统吸收无功功率，这种运行方式成为进相运行（正常运
