第三章 同步发电机励磁自动控制系统知识课件知识讲稿.ppt

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Eq的值有关，而Eq的值时发电机励磁电流IEF的函数，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 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定性 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 负荷的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因 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 （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 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 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任务 （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行状态或过度到另一个新的运行状态，则称系统是稳定的 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。

1.励磁对静态稳定的影响 发电机输出功率： 无励磁电流时，Eq是常数，此时的功角特性称为内功率特性；若有灵敏度和快速的励磁调节器，则可视为保持发电机端电压为恒定，UG=常数，则其输出功率随功角的变化称外功角特性其最大功率对应的功角可能超过90 2.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，则发电机就能尽快稳定下来 对励磁系统要求： 一方面，缩小励磁系统的时间常数 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 1.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 3.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 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 二、对励磁系统的基本要求 （一）对励磁调节器的要求 （1）维持发电机电压 （2）实现机组功率分配 （3）保证发电机稳定 （4）迅速反应系统故障 （5）具有较小的时间常数 （6）能长期可靠工作 （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。

（2）具有足够的励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流电源 励磁系统发展： （1）直流励磁系统 有机械换向刷，容量收到限制 （2）交流励磁系统 利用半导体整流 （3）自并励系统 开始利用转子剩磁产生励磁电流，适用于（凸极）水轮发电机 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困难，只能用于10万千瓦以下容量机组 直流励磁机与发电机同轴，它是靠剩磁来建立电压的按励磁机励磁绕组供电方式分自励式和他励式 （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 EEW为励磁机的励磁线圈，DE是励磁发电机，由RC和IAVR共同调节励磁电压，可以减小励磁调节器的容量 （二）他励直流励磁机励磁系统 他励直流励磁机绕组是由副励磁机供电的，与自励方式相比减小了励磁单元时间常数一般用于水轮机 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 目前容量在100MW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100HZ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： （一）他励交流励磁机励磁系统 是指交流励磁机有他励电源中频副励磁机或永磁副励磁机。

根据整流器的状态分： 1.交流励磁机静止整流器励磁系统 励磁机频率100Hz，副励磁机是自励式中频交流发电机400Hz，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 特点： （1）励磁机与副励磁机是同轴的独立电源，不受系统干扰 （2）通过提高频率减小时间常数 （3）增加了主轴长度，造价高 （4）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 2.交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁） 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 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 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件性能和特点：性能和特点：（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为较少维护工作量可大为较少2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高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响应速度较慢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，无法实现直接灭磁，也无法实现无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测对励磁系统的常规检测，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绝缘寿命较长 （二）自励交流励磁机励磁系统 与直流自励磁机一样，自励交流励磁机的励磁电源是从本机直接获得的通过可控硅调整励磁电压 1.自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 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恒压的方式 时间常数小，励磁机容量要求要比较大，满足强励要求 2.自励交流励磁机静止整流器励磁系统 发电机励磁电流由交流励磁机AE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置VS，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 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，而又机端励磁变压器供给整流装置，没有转动励磁部件 优点：优点：（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，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，可减小基建投资3）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，励磁电压与转速一次方成比例两点疑惑：两点疑惑：（1）静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影响，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，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，带时限的继电保护是否能正确动作 静止励磁系统特别适宜用于静止励磁系统特别适宜用于发电机与系统间有升压发电机与系统间有升压变压器的单元接线中变压器的单元接线中第三节 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 发电机转子励磁回路：三相桥式不可控整流 自并励系统：三相桥式全控整流电路 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 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 每一周期中每个二极管导通1/3周期，二极管承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2/6为周期，空载电压平均值为： 二、三相桥式半控整流电路 （一）工作原理 当控制角不同时，输出波形不同：波形以120为周期 （二）输出电压与控制角的关系 （1）2/6时，波形连续 （2） 2/6时，波形不连续输出电压平均值大于0 （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。

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 三、三相桥式全控整流电路 （一）工作原理上、下两组晶闸管必须各有一个同时导通，六只晶闸管导通顺序为1 2 3 4 5 6，触发脉冲依次差60波形以60为周期=0=60=90=150 总结： 60，输出电压瞬时值大于0 90且180，输出电压平均值小于0 输出电压平均值小于0，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 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逆变状态，逆变角=180度-为阻性负载，60读且120度时：三相半控三相全控电感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 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Id逐渐降至0，后一相电流从0逐渐上升至Id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，只要小于60，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23工作状态 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ud的波形增加缺口，使输出电压的平均值下降。

计及换流电抗Xk与不计Xk相比较输出电压下降为： 在三相对称情况下：电压下降缺口的面积： 对于三相桥式电路，一周期内电压降落的平均值为： 换流期间等值电路：忽略电阻及整流元件的压降： 考虑交流回路电抗Xk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：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 ，内阻抗为 的可变直流电源负载Z是所输出的电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：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 五、最小逆变角 全控桥不能工作在a=180的情况，否则会造成逆变失控或颠覆，换流失败，使晶闸管过热而烧毁 在全控整流电路中，a=180时，因换流不能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 若要发电机能利用全控桥进行逆变灭磁，必须使最小逆变角大于换流角及晶闸管关断角之和： 根据经验要把控制角限制在150155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 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： 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陡度 （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IEF与无功负荷电流IQ的关系 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调差系数 对励磁调节器进行调整主要是为了满足运行要求： （1）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 （2）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，主要取决于各发电机的无功功率调节特性正调差系数负调差系数无差特性 （三）发电机调节特性的平移 移动发电机调节特性是通过改变励磁调节器的整定值来实现的 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组的无功功率 （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组并联运行 与正调差发电机组可以稳定运行，但无功分配不合理 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 （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。