第03章同步发电机电压及无功功率调节.ppt

 第三章    同步发电机电压及无功                                   功率调节 一  概述    1    同步发电机电压变化的原因和调压措施  当负载变化时，由于发电机电枢反应的作用，将引起发电机端电压的变化这个关系可由隐极发电机的电势简化矢量图或平衡方程式表示：            Uf =E0 - jIfXt                                                 (1-1)          式中:Uf---发电机端电压       E---发电机空载电势       If---发电机定子电流              Xt---发电机同步电抗  由上式,E0不变，发电机的负载电流If的大小或性质的变化，必引起Uf的变化  由式（1-1）可知，当If变化时，要保证Uf不变的唯一措施为相应的改变E0的大小已知：             Eo=4.44WfФm  式中：4.44---比例常数              W---发电机绕组匝数               f---发电机频率             Фm ---发电机磁通  由上式可知，W，f为常数时,E0与Ф成正比，改变Ф，就可使E0发生相应的变化。

Ф由励磁电流IL产生这样，要使E0改变，从而保证Uf恒定的任务，可通过调整IL来完成与式（1-2）相联系，可得出下面的结论：使励磁电流IL随功率因数Cosφ 和负载电流If大小的变化而变化，补偿电枢反应的影响，从而达到调节端电压Uf，保持Uf的恒定   在实际运行中,If或Cosφ是经常变动的，必引起Uf也经常变动要维持Uf恒定，必须要由电压自动调节器自动调节IL的大小  所谓自动调压，实质就是自动调节励磁电流，自动电压调节器又称自动调节励磁装置 2   自动调压器的作用    (1)维持同步发电机端电压为一定水平    (2)提高电力系统同步发电机并联运行的稳定性    (3)合理分配无功功率，保证并联运行系统的正常           工作   3  对自动调节器的基本要求1）稳定可靠；2）满足规范对电压的要求：（静态特性和动态特性）分别以调压器的静态电压调整率和动态电压调整率来表示对静态调整率的要求，我国《钢质入级与建造规范》规定：静态电压调整率：          ΔU%  =  Umax(或Umin)  -  Ue     /  Ue ×100%   ≤2.5%式中：Umax(或Umin)---在规定的负载变化范围内发电机电压的最大（或最小）稳定值；对动态特性的要求，《钢质入级与建造规范》规定：“交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低与额定电压的85%，当电压上升时，其瞬态电流应不超过额定电压的120%，而电压恢复到最后稳定值相差3%以内所需的时间，则不应超过1.5秒。

    3)  具有一定的强行励磁能力；（当大负荷投入电网或电力系统发生短路时，电压将大幅度下降，要求调压器在急短的时间内，使励磁电流上升到超过额定值的最大值，使电压恢复的能力称强行励磁能力，一般用强励倍数Kq表示,Kq=强行励磁电压/额定励磁电压，一般情况下,    Kq =2--3）  4   自动调节器的分类按控制方式分：1）开环补偿系统（相复励）：电流叠加型、磁势叠加                   型、带电压曲折绕组的相复励2）按负反馈原理工作的闭环调压系统（可控硅自励恒           压系统 波兰TUR型）3）复合控制系统（相复励+校正器）及可控相复励           （日本CRB型） 二        开环调压系统（相复励） 1         同步发电机自励起压原理：   先了解同步发电机自励起压的特性曲线1）  同步发电机空载特性曲线    2）   自励回路理想励磁特性曲线同步发电机自励起压原理：转子存在剩磁，发电机被转动后，其定子绕组将感生剩磁电压，剩磁电压经整流器加在励磁绕组，产生励磁电流，感生更高的电压，更高的励磁电流，形成正反馈，直到电压达到额定值。

 正常起压，必满足两个条件：1）必须有较大的剩磁电压2）必须适当整定自励回路阻抗，使励磁特性曲线与空             载特性曲线正好交于空载额定电压处      实际上自励回路阻抗为非线性，实际自励回路励磁           特性曲线是分段的 ，对此：     方法：1）充磁电路保证剩磁足够（同步发电机空载特性曲线上移）               2)  谐振电容CQ ，使非理想励磁特性曲线下移，起压顺利2       电流叠加相复励调压器主要元件及作用：1）电流互感器LH ：原副边皆有抽头可调，以改变电流分量的大小，整定发电机负载电压2）移相电抗器DK ：线圈有抽头可调，且气隙也可调，以改变电压分量的大小，整定发电机空载电压3）整流器ZL：整流作用4）阻容保护R0C0：过压保护 调压基本原理：1）负载大小变化，若 If 增大（端电压下降），则 IL 增大，使端 电压上升，达到调压的目的；2）若cos下降（端电压下降），同时 IL 增大，使端电压上升，          同样达到调压的目的     电路分析及计算它是一个三相对称电路，可取一相进行分析、计算   （参见等值电路图）1）  电压源单独工作：Ilu=Uf / Rd+ZK2）  电流源单独工作：Ili=Ii ZK/ZK+Rd由叠加原理：IL= Ilu + Ili   =1/Rd+ZK（Uf +ZKKiwIf）  讨论：（1）励磁电流IL主要取决于负载电流If 的大小和相位，这种电流叠加相复励调压器特点就是：利用负载电流If 的大小和相位作为输入信号，来调整发电机的端电压，因此它是一种开环系统。

2）DK的 作用：若没有DK：ZK=0则： IL= Ilu + Ili             = Uf  / Rd     没有复励作用可见，DK不可缺，又称复励阻抗若DK为纯电阻，ZK=RK由图可见：If大小变化，如If 增加，IL也增加，可实现电流复励If 相位变化，如功率因数增加，IL也增加，不能实现相位补偿DK为电感元件，ZK=jXK由图可见：即可实现电流复励，又可实现相位补偿，（DK使电流分量滞后电压分量90，又称移相电抗器一般设计时XK很大（ XK >> Rd ）  励磁总电流的表达式简化为：IL= Ilu + Ili   =Uf / jXK +KiwIf           Kiw----电流互感器原副边匝数比安装调试：（1）  同名端对应相不应接错（2）  调空载电压：调匝数WDK、气隙（3）  调负载后的电压：调电流互感器原副边                 匝数比Kiw（4）  需停机调整3   磁势叠加复励调压器(谐振式）1）  主要元件及作用：相复励变压器BF：由三套绕组组成W1绕组------电压绕组W2绕组------输出绕组W3绕组------电流绕组移相电抗器DK ：线圈有抽头可调，且气隙也可调，以改变电压分量的大小，整定发电机空载电压。

整流器ZL：整流作用阻容保护R0C0：过压保护自激回路：UF--DK--W1/W2 --ZL--Ilu(自激分量）复激回路：IF--W3/W2 --ZL--Ili(复激分量）励磁总电流的表达式为：IL= Ilu + Ili 2）电路 分析：取一相 折算到W2绕组上（按变压器折算方法）原副边电压与匝数成正比原副边电流与匝数成反比； 折算前后功率不变设：K12=W1 / W2K32 =W3 / W2C  ----CYA  自激回路折算：相压 U´F = UF / K12                       电流 I ´u = K12 I u阻抗 X ´ K = XK / K²12           X ´CY = XCY / K²12B  复激回路折算：I ´i  = K32 IFC   折算后的等值电路（将磁势关系转换为电的关系）1）  电压源单独工作：Ilu= U´F  / jX ´k + Rd // (-jX ´ cY)  • Rd // (-jX ´ cY) • 1/ Rd    = U´F  / Rd (1- X ´k / X ´ cY)+ jX ´k =K12UF  / K²12 Rd (1- X k / X  cY)+ jXk     (1)2）  电流源单独工作：Ili=I ´i (Rd // -jX ´ cY)  // (jX ´ k) • 1/ Rd=jI ´FX ´k  / Rd (1 -X ´k /X ´cY) + jX ´ k=jK32I FX k  / K²12 Rd (1 -X k /XcY) + jXk    (2)由叠加原理：总的励磁电流 IL= Ilu + Ili=K12UF  + jK32I FX k / K²12 Rd (1- X k / X  cY)+ jXk     (3)设计时使系统的谐振频率W0=（0.95~1）We谐振时 X k = XcYIL= Ilu + Ili   ==K12UF / jxK + K32IF 3）安装调试：（1）  同名端对应相不应接错（2）  调空载电压：调匝数WDK、气隙 、K12（3）  调负载后的电压：调K32（一般只调W3）（4）  需停机调整4   带电压曲折绕组的相复励调压器      电压曲折绕组的作用：加强功率因数变化时的相位        补偿，以提高调压器的静态精度三     可控硅自励恒压系统（一）   基本工作原理：该励磁系统主要由三大环节组成：          CL为测量环节；          CF为触发控制环节；          LC为励磁主回路；  有时CF，CL两环节合称为励磁调节回路。

该励磁系统是按发电机电压偏差ΔUf来进行自动调压的它利用可控硅整流器SCR将发电机F输出的部分功率，通过变压器B1反馈到发电机的励磁回路L中，以作为发电 机的励磁功率该励磁系统，在发电机自励建压过程中，具有正反馈特性而在发电机恒压过程中，具有负反馈特性  发电机的励磁电流IL由可控硅主回路整流后供给IL的大小取决于SCR导通角θ的大小 而SCR 的导通角θ，是由SCR的脉冲触发信号电压UCF的移相来控制的UCF的移相则由测量环节的输出电压UK所控制UK由发电机电压Uf经测量环节变换而得因此，该励磁系统的工作过程为：系统将测得的Uf,转换为控制UCF移相的信号，由UCF的移相去控制SCR的导通角θ，以此来调整IL和Uf以上基本的工作原理，可简单表述为： 当发电机端电压下降时：   被测端电压Uf↓→控制电压UK↑→脉冲触发电压UCF前       移→ 导通角θ↑  →励磁电流IL↑→端电压Uf↑       以保 持恒压    该系统为闭环控制系统，静态特性好，但强励能力差  （二 ）基本电路分析： 1 测量比较单元分析  （双稳压管桥式比较电路分析）双稳压管桥式比较电路直流输入电压UfDc=Kuf双稳压管桥式比较电路直流输出电压为UK若UW1= UW2= UW（双稳压管同型号）；R1= R 2= R； R 3=01）若0 < UfDc < UW      则双稳压管均截止      UK = UfDc2） UW < UfDc < 2UW      则双稳压管均导通UfDc= UR1 + UW1= UR2 + UW2= UR + UW                    （1）UK =  UW1 - UR2 =  UW2 - UR1 =  UW - UR                   （2）（1）+（2）得UK + UfDc= 2UW UK = 2UW  -UfDc由输出特性曲线可见：oa段，正反馈段，符合起压要求ab段，负反馈段，符合正常工作时的调压要求。

一般调R3整定发电机端压，使其在Ufe时，工作点在G点2．脉冲移相触发控制回路．脉冲移相触发控制回路1）交直流叠加垂直控制移相触发控制电路）交直流叠加垂直控制移相触发控制电路调制电阻调制电阻R1两端的电压与同步电压的关系两端的电压与同步电压的关系晶体管晶体管BG的工作原理的工作原理W2的作用的作用交直流叠加垂直控制移相触发控制电路总的工作原交直流叠加垂直控制移相触发控制电路总的工作原理理2）单结晶体管式脉冲移相触发控制电路）单结晶体管式脉冲移相触发控制电路 单结晶体管峰点电压单结晶体管峰点电压阻容回路积分时间常数阻容回路积分时间常数3）单稳态式脉冲移相触发控制电路）单稳态式脉冲移相触发控制电路 单稳态；暂态；单稳态；暂态；C2两条放电通道两条放电通道（三）  TUR型可控硅自励恒压装置1   测量环节：Uf-----测量变压器27------六相整流器26-----输出直流电压，再经滤波器25------测量桥24------UK 2  触发控制环节： 3  励磁主回路：发电机相电压UW 0------限流滤波电抗器5------1、2、1’、2’（整流器）------过流继电器4------供给发电机励磁绕组4   起压及充磁电路：起压时， UW 0经限流滤波电抗器5、6、7及过流继电器4 给1、1’加触发电压，使1、1’全导通，进行起压。

 电压达到一定值，产生一定的电流，过流继电器4动作，常闭触点断开，以后由UCF进行自动调压 充磁电路：按下电钮，电池------41------36充磁5 低速灭磁：当转速太低时，按闭环控制原理将有励磁电流很大，危及励磁绕组的安全，故应予以低速灭磁保护本装置规定：低速运行不得超过30S评价：优点是体积小、重量轻， 闭环控制系统，静态精度高，响应快；缺点是强励能力差四    可控相复励自励恒压系统主要由相复励自励恒压装置和可控硅直流分流的电压校正器组成相复励有很好的动态特性，而电压校正器负责静态电压调节，因此， 可控相复励自励恒压系统具有前述两大系统的优点1    TZ—F 型可控相复励自励恒压系统测量比较环节：Uf-----测量变压器Bc------六相桥式整流器D1~12-----再经滤波器------分压器-----输出直流电压ufDC，加于比较桥      UfDc=Kuf      UK =UR5 = UfDc - uw 2     CRB 型可控相复励自励恒压系统   测量比较环节：Uf-----测量变压器PT2------三相桥式整流器D1-----再经滤波器------输出直流电压u12，加于比较桥1） u12 uw时， u34 = uR - uw  = ( u12 - uw) - uw                                   = u12 - 2 uw五     无刷同步发电机：1   结构：              主发电机（转磁式的）、励磁机（转枢式的）、 旋转整流器2   特点：              发电机为无触点的结构（无炭刷、滑环，普                    通同步发电机有炭刷、滑环，易产生火花、                              炭粉较脏，CCL4清洗）              电气时间常数较大，使端压反应较慢               旋转整流器承受较大离心力，工艺要求高               AVR所需容量小并联运行同步发电机间无功分配的自动控制1    并联运行的交流系统有：有功分配P 由原动机提供       无功分配Q 由储能元件存在而出现的电磁交换                                 能量（储能元件====电源） 2  常规电站并联机组间一般按功率标么值相同的原则           分配，称按比例分配3   规范对无功分配的要求：（实承无功功率- 按比例计算的计算值）       同容量机组                                                                             Qi- Qie Qi / Qie                        ≤10% Qe                  (Qe= 3Ie ue Sine )( COSe=0.8)例如：两台同容量机组ue=400V，Pe=200KW, COS= 0.8f=50HZ  运行时：P1=P2=150KW，u=400V， f=50HZ COS1= 0.6感性  COS2=1  没有承担无功功率计算：额定电流Ie=Pe / 3 ue COSe =361A运行时：I1 = P1 / 3 u COS1 =361A                I2 = P2 / 3 u COS2 =216.5A从有功负荷看，两台机组只达到75%，但1号机电流已达额定值，若增大负荷， 1号机过载。

说明无功功率分配不均匀，全部由1号机承担无功功率分配严重不均，限制了发电机的利用率4    无功功率的调整与分配同步发电机电压的变化，主要由无功负荷变化引起若若：：系系统统发发出出的的总总的的无无功功功功率率=总总的的无无功功负负荷荷，，系系统统的的电电压压恒恒定；定；系统发出的总的无功功率大于总的无功负荷，系统的电压上升；系统发出的总的无功功率大于总的无功负荷，系统的电压上升；系统发出的总的无功功率小于总的无功负荷，系统的电压下降；系统发出的总的无功功率小于总的无功负荷，系统的电压下降；要要维维持持系系统统的的电电压压恒恒定定，，各各台台发发电电机机应应同同时时通通过过自自动动调调压压装装置置，，来调整无功功率来调整无功功率当当转转移移和和分分配配两两台台并并联联发发电电机机间间的的无无功功负负荷荷时时，，只只要要同同时时向向相相反方向调节两台并联发电机的励磁电流便可反方向调节两台并联发电机的励磁电流便可并联发电机间无功功率的自动分配，实际上是由调压器自动调整各自的励磁电流完成的∴ ∴自自动动调调压压器器不不仅仅担担负负自自动动调调压压的的任任务务，，还还担担负负着着自自动动调调整整、、分分 配无功功率的任务配无功功率的任务  稳定无功分配的方法（按调压器的类型而定）1）  对于纯相复励的调压器一律采用均压线用直流均压线将并联的（同型、同容）机组的激磁绕组并联，迫使各机组的励磁电压一致，故励磁电流接近一致，保证无功均分。

 2）采用下倾调压特性稳定无功分配----用于闭环调压系统并联发电机间无功功率的分配关系，主要由电压调整特性曲线决定：A    定义：调压特性   U*= f(IQ*)                    调差系数    Kuc= -  U*/  IQ*                          = tg(斜率)若Kuc = 0  则称无差特性（实船少用）若Kuc>0  则称（下倾）有差特性（实船应用极广）通常Kuc在5% 以内（可整定）1)  有差调压特性与无差调压特性的两台发电机并联运行对号机而言：Uf为常数，具有保持Uf恒定的作用交点A为工作点 号机无功固定，余下的全部由号机承担改变无功功率分配，只要平移曲线就可以了改变Uf ，只要平移曲线  就可以了    有差调压特性与无差调压特性的两台发电机并联运行，两机           无功功率分配关系恒定，可以并联运行   （实船很少应用）2）两台均为无差调压特性的发电机并联运行Uf< U  < U    则调压器调压Uf= U  < U      号机不再增磁， 号机仍要增磁Uf= U  > U     在此过程中， 号机无功功率增加，  号机减少，直到号机承担全部无功功率，  号机不带无功无功功率分配关系不恒定，不可并联运行   曲线和曲线若重合，无固定工作点，无功功率随意分配，          也不可并联运行 3） 两台均为有差调压特性的发电机                                 并联运行Uf=-  IQ()tg1 = - IQ()tg2  IQ() /  IQ() =tg2 / tg1                         =Kc2 / Kc1Kc一定，无功功率分配关系一定，可以并联运行                （实船应用极广）一般Kc2 = Kc1      IQ() =  IQ()无功功率平均分配B   闭环调压器如何获得下倾特性在闭环调压器的检测环节中插入一个主要与无功负荷成比例的附加信号，即可获得下倾特性1)电流稳定装置： 2)无功分配比较分配法（用于TUR型）特点：分别测出各机组的无功，经比较后再校正分配。

该装置可使同步发电机间的无功功率自动均衡分配，而又不影响调压器的调压精度        带差动电流互感器（DCT）的无功环流                 补偿法    用于CRB类型的调压器（日本）特点：用差动电流互感器测出机组间存在的无功环流，然后按环流的大小和方向校正无功分配，力图使无功分配一致无功环流：当两台并联机组的无功电流不一致时，相当于在两机间存在一个环流，称此环流为无功环流 差动电流互感器（DCT）------检测无功环流的设备特点：有一个原边和两个同样的副边绕组（A、B）若B被短路，则A无输出（原副边磁势已平衡）若B被开路，则A 有输出 （按变比）（满足磁势平衡） 。