同步发电机励磁控制系统及特性分析
同步发电机励磁控制系统
预测控制是一种基于模型的控制方法，能够根据系统的历史数据和当前状态预测 未来的行为，实现更精确的控制。
环保与节能要求对励磁控制系统的影响
能效要求
随着能源危机和环保意识的提高，励磁控制系统需要更加注重能效，采用更高效的电机 和节能控制策略，降低能源消耗和排放。
排放要求
励磁控制系统需要符合更严格的排放标准，采用环保型的电机和控制策略，减少对环境 的污染。
转子过电流保护装置
作用
转子过电流保护装置用于监测同 步发电机转子电流，当出现异常 过电流时，及时切断励磁电流， 防止转子烧毁。
工作原理
转子过电流保护装置通过电流传 感器实时监测转子电流，当检测 到过电流时，触发保护动作，快 速切断励磁电流。
组成
转子过电流保护装置由电流传感 器、比较电路和开关器件等部分 组成，各部分协同工作实现转子 过电流保护功能。
根据励磁调节器的控制指令，输出励 磁电流给发电机励磁绕组。
励磁控制系统的功能
电压控制
通过调节励磁电流，维 持发电机端电压在给定
水平。
无功功率调节
根据系统无功需求，调 节励磁电流以改变发电
机无功功率的输出。
增磁与减磁
通过增加或减少励磁电 流来改变发电机的输出
电压。
保护功能
在异常情况下，自动采 取措施保护发电机和励
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谢谢
Байду номын сангаас
磁系统。
02
CHAPTER
励磁控制系统的主要设备
励磁调节器
作用
励磁调节器是励磁控制系统的核 心，用于调节同步发电机的励磁 电流，以控制机组的无功输出和
电压水平。
工作原理
励磁调节器通过采集发电机电压、 电流等信号，经过运算处理后，输 出控制信号给功率整流器，以调节 励磁电流。
第三章 同步发电机励磁自动控制系统
P G=
EU q XΣ
sinδ
静态稳定的；当δ＞90°（b点）时→ 静态 不稳定的；当δ=90°时→ 稳定极限(裕度： 实际运行点总略低于极限值)。 最大传输功率极限：
9
UG随无功负荷的增大而下降。
图3-3 同步发电机的外特性
10
2．同步发电机的外特性与励磁调节过程
¾
（二）控制无功功率的分配
¾
¾
G
ϕ
IEF2
δ
IP IG
同步发电机的励磁自 动控制系统就是通过 不断地调节励磁电流 来维持端电压在给定 水平的。
UGN UG2
A
B
（ a）
C IEF1 IQ1 IQ2
IQ
第三章 同步发电机励磁 自动控制系统
第三章 同步发电机励磁 自动控制系统
第一节 概述 第二节 同步发电机励磁系统 第三节 励磁系统中的整流电路 第四节 励磁控制系统调节特性和并 联机组间的无功分配 第五节 励磁调节原理
本章主要内容：励磁自动控制系统的任务；对励 本章主要内容：励磁自动控制系统的任务；对励 磁自动控制系统的基本要求、励磁调节装置的构 成原理；并列运行发电机组间的无功功率的分 配；同步发电机励磁系统的整流电路的种类、特 点。 本章重点内容：励磁自动控制系统的组成原理和 本章重点内容：励磁自动控制系统的组成原理和 它的运行特性。 本章难点： 励磁调节装置的构成原理，励磁调节 器的静态工作特性，并列运行发电机组间的无功 功率的分配及整流电路原理。
同步发电机励磁控制系统的稳定性分析和改善措施
国外从20世纪70年代开始研究数字励磁调节器（DER），从80年代中期世界上第一台数字励磁调节器问世以来，国内外的众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了数字励磁调节器的发展和应用。我国早在80年代初就开始了数字励磁调节器的研发工作，并于1989年投入试运行。其中一些电力科研单位和高校率先在这一领域做出了成果，例如南京自动化研究所研制出了适应机组的WLT-1型、WLT-2型励磁调节器，SJ-820型双CPU励磁调节器等多种型号的DER，其后又成功研制出来SAVR-2000型励磁调节器。哈尔滨电机厂与华中理工大学合作研制的HWLT-型微机励磁装置采用二台MIT-2000工控机组成的双微机励磁调节器，并设有带触摸屏的PPC-102平板式工控机，为用户提供显示和控制、数据设定、状态监视、故障指示和故障分析的人机界面。此外还配置了一套模拟电路的磁场电流调节器，它与数字调节器互相跟踪，自动切换。广西大学自动化研究所研制的可编程微机励磁调节器，其硬件采用可编程控制器，软件采用非线性智能控制方法，大大提高了产品的可靠性、励磁系统的动态和静态响应指标，装置的维护检修等方面达到了一个新的水平。
励磁控制系统控制同步电动机发出的电势，因此它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率、功率因数和电流等参数。由于大型机组的这些参数会直接影响到电力系统的运行状态，因此励磁装置也在某种程度上控制着整个系统的运行状态，特别是发电机的励磁控制方式与系统的稳定性密切相关。
同步发电机励磁系统
图中给出的三个动态指标定义如下。 ① 超调量。 在励磁系统自动调节暂态过程中发电机端电压最大值与稳态 值的差值对稳态值的百分数。 其数学表达式为
σp U G (tp ) U G () U G () 100%
tp ——发电机端电压出现最大值的时间； UG(tp) ——发电机端电压的最大值；
U G ()
——发电机端电压稳态值。
② 调节时间。
从给定信号到发电机端电压值与稳态值的偏差不大于稳态值 的2%所经历的时间。
③ 摆动次数N。
在调节时间内，发电机端电压摆动的周期数。
分析发电机励磁控制系统的动态特性，首先应求出描述系统 运动特性的数学模型，然后应用“自动控制理论”对动态特 性进行分析。
5.5
同步发电机励磁系统的动态ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性
一、概述 1、同步发电机励磁系统的动态特性的概念 同步发电机励磁自动控制系统是一个反馈自动控制系统，其动 态特性是指在外部干扰信号作用下，该系统从一个稳定运行状 态变化到另一个稳定运行状态的时间响应特性。 图5.35是同步发电机在 额定转速下突然加入励 磁时发电机电压从零升 至额定值时的时间响应 曲线。
同步发电机的励磁调节模式
同步发电机的励磁调节模式一、引言同步发电机是发电厂的核心设备之一，其稳定运行对电网的可靠性和稳定性至关重要。
而励磁系统作为同步发电机的重要组成部分，其调节模式对发电机的稳态和动态特性影响深远。
因此，对同步发电机的励磁调节模式进行深入研究，对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。
二、同步发电机励磁系统的基本原理同步发电机的励磁系统是通过调节励磁电流来控制发电机的磁通，从而控制发电机的输出电压。
励磁系统通常是由稳压器、励磁电流限制器、励磁电源和励磁绕组等部分组成。
稳压器通过对励磁绕组的励磁电压进行控制，控制发电机的输出电压。
三、同步发电机励磁调节模式的分类同步发电机的励磁调节模式主要包括手动调节、自动调节和自动跟踪调节三种模式。
1.手动调节手动调节模式是指操作人员通过手动调节稳压器的设定值，来控制发电机的输出电压。
这种模式需要操作人员具有一定的经验和技术，并且在实际运行中容易出现误操作，影响发电机的稳定运行。
2.自动调节自动调节模式是通过采用PID控制器控制稳压器，根据发电机的输出电压信号和设定值之间的误差来调节稳压器的设定值，从而实现对发电机输出电压的自动调节。
这种模式能够有效提高发电机的稳态性能，并且可以根据实际需要进行参数优化，提高调节的精度和速度。
3.自动跟踪调节自动跟踪调节模式是在自动调节的基础上，加入了对电网频率和无功功率的跟踪控制。
通过对发电机输出的电压和频率进行跟踪调节，从而实现对电网功率因数的控制，保证发电机在并网运行中能够稳定输出所需要的有功功率和无功功率。
四、同步发电机励磁调节模式的应用实例在实际应用中，不同励磁调节模式会根据具体的运行条件和要求进行选择和应用。
1.在小型发电机组中，一般采用手动调节模式，通过操作人员进行手动调节来控制发电机的输出电压，这种模式操作简单，适用于运行较为稳定的情况。
2.在大型发电厂中，通常采用自动调节模式，通过PID控制器来实现发电机输出电压的自动调节，这种模式能够保证发电机在不同的运行状态下都能够保持稳定的输出电压，并且能够进行参数优化，提高调节的精度和速度。
同步发电机励磁控制系统设计与分析
用。 国外 某些公 司 已经把 这种 方式 列为大 型机组 的 定型励 磁方式 。为 了更 加深入 地 了解 自并 励励磁 系
统 ， 设 计 采 用 自并 励 方 式 。 本 １ 主 回路设 计 主 回路 的设 计 首先 要计算 出变 压器的容 量 。计 算 时 ， 流 电 压 以 满 足 强 励 要 求 为 准 ， 虑 到 交 流 电 交 考 源允许 瞬时 电流过 载 ， 以交 流 电流 以额 定运 行 情 所 况 为准 。在 计 算 交 流 侧 线 电 压 时 有 一个 回代 的 过 程。先设 总 的 电压 降 占 １ ％， ５ 算得 估 算的 交流 侧 线 电压 。 根 据 这 个 求 得 的 线 电 压 求 出 交 流 侧 线 电 流 ， 然 后 求 出 交 流 电 源 功 率 。 根 据 求 得 的 电源 功 率 查 相 应 手 册 查 出相 近 变 压 器 漏 抗 。 用 查 得 的 漏 抗 数 值 再 求 一 次 交 流 侧 线 电 压 、 流 侧 线 电 流 ， 后 求 得 交 流 交 最
电机 机 端 短 路 时 强 励 问题 和 短 路 电 流 迅 速 衰 减 保 护 拒动 的 问题 的 解 决 ， 自并 励 方 式 越 来 越 普 遍 地 被 采
由于 自并励 方式 发 电机 起 动时 自己无法 建 立 电 压 ， 此 必 需 考 虑 起 励 问 题 。 考 虑 到 他 励 电 源 起 励 因 方式更 加 可靠 ， 且 一 般 起励 时 所 需 的他 励 电源 电 并 压不 高 ， 以采 用 厂 用 电起 励 。所 需 的起 励 电源 功 所 率 为 额 定 励 磁 功 率 的 ２ ５％， 求 得 起 励 电 源 容 量 为 ． 可 ５ ８ ６ Ａ。起 励 电源 电压为额 定 励磁 电压 的 １４ ．６ ＫＶ ／， 可算 出所 需 电源 电压 为 ４ Ｖ。 ９
第五章同步发电机励磁自动控制系统解读
频率稳定性
电压稳定性
大干扰电压 稳定性
大干扰功角 稳定性
小干扰电压 稳定性
短期稳定性 短期稳定性
2019/1/1
短期稳定性 长期稳定性
长期稳定性
15/43
电力系统稳定性的定义与分类
功角稳定性
表征着系统维持同步的能力，主要原因是发电机输入、 输出转矩平衡受到破坏，失步的形式可能是功角单调 增长，也可能是增幅振荡。分析时间为10~20s
2019/1/1 5/43
一 同步发电机励磁控制系统的任务
1、电压控制(调压精度0.5%) 2、控制无功功率分配 3、提高同步发电机并联运行的稳定性 4、改善电力系统的运行条件
改善异步电动机的自启动条件 为发电机异步运行创造条件
提高继电保护装置工作的正确性
5、水轮发电机组要求实行强行减磁
2019/1/1 6/43
I G cos K1
2019/1/1 9/43
2 控制无功功率分配—与无穷大母线并联运行
发电机励磁电流变化只是改变了机组的 无功功率Q和功率 角δ值的大小。
U G = 常数
G
I G
与无穷大母线并联运 行的机组，调节励磁 电流就可以改变发电 机的无功功率。
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10/43
2 控制无功功率分配—多台发电机并 联运行 并联发电机组无功功率分配取决
2019/1/1
小扰动小变速运行状态
1954年苏联学 者维.柯.维尼柯 大扰动小变速运行状态 夫《电力系统 大扰动大变速运行状态 机电过渡过程》
13/43
电力系统稳定性的定义与分类
1 静态不稳定性
功角过大而失步（滑行失步） 1974年美国学者 大小扰动引起的振荡失步
同步发电机励磁系统
同步发电机励磁系统引言同步发电机是一种将机械能转换为电能的设备，它通过励磁系统来生成磁场，使得转子能够与电网同步运行。
励磁系统在同步发电机的运行中起着至关重要的作用，它对发电机的稳定运行和输出电能的质量产生着重要影响。
本文将介绍同步发电机励磁系统的原理、常见的励磁系统类型以及其在电能发电中的作用。
一、同步发电机励磁系统的原理同步发电机的励磁系统的主要作用是在转子上产生磁场，使得转子与电网的磁场同步，从而使得发电机可以向电网输出电能。
励磁系统的原理可以通过法拉第定律来解释，该定律表明磁场的变化会产生感应电动势。
在同步发电机中，励磁系统的磁场可以通过直流电流在转子上产生。
当通过励磁绕组的电流改变时，绕组周围的磁场也会发生变化，从而在转子内感应出电动势。
这个感应电动势会引起一定的电流流动，从而通过励磁绕组将转子磁场与电网磁场同步。
二、常见的励磁系统类型1. 直流励磁系统直流励磁系统是最常见的励磁系统类型之一。
在直流励磁系统中，励磁绕组通常由一组电枢绕组和磁极绕组组成。
电枢绕组通过直流电流产生磁场，并与磁极绕组相互作用，从而产生所需的磁场分布。
直流励磁系统具有调节灵活性好、响应速度快等优点，被广泛应用于各种类型的发电机。
2. 恒功率励磁系统恒功率励磁系统是一种在同步发电机中常用的励磁系统类型。
恒功率励磁系统通过自动调节输出的励磁电流，使得同步发电机在负载变化时能够保持输出功率不变。
该励磁系统利用负载的反馈信号对励磁电流进行调整，从而实现恒功率输出。
恒功率励磁系统在电能供应系统中起到了稳定电能输出的重要作用。
3. 智能励磁系统随着电力系统的发展，智能励磁系统逐渐成为同步发电机励磁系统的研究重点。
智能励磁系统利用现代控制技术和计算机技术，可以实现对励磁电流和磁场的精确控制，从而提高同步发电机的运行效率和稳定性。
智能励磁系统具有较高的灵活性和可扩展性，能够适应不同负载和电网变化的要求。
三、同步发电机励磁系统在电能发电中的作用1. 稳定发电机输出电压和频率同步发电机励磁系统是保证电力系统稳定运行的关键之一。
电力系统自动装置原理-第04章_同步发电机励磁自动控制系统的动态特性(1-2)
• 分离角和汇合角恒等于90。
29
根轨迹的渐近线
• 若开环有限极点数n >开环有限零点数m，则将有 nm条根轨迹分支沿着渐近线伸向无穷远处。渐近
线与实轴的交点和交角分别为：
交点
n
m
pj zi
a j1
i1 (n m)
交角 = (2k+1) /(nm) ( k = 0, 1, 2, nm1 )
第四章 同步发电机励磁自动控制系统的动态特性
1
第1节 概述
一、同步发电机励磁自动控制系统动态特性应满足 的基本要求
二、同步发电机励磁自动控制系统的动态特性指标
2
动态特性应满足的基本要求
①控制系统应能稳定运行（自身空载和带载情况下稳 定运行、对电力系统的稳定运行具有积极作用或负 面影响较弱不致影响电力系统的稳定运行）；
②动态特性要良好。
3
动态特性指标
①励磁电压响应比：励磁电压在最初0.5秒内上升的平均速率。
②由励磁电压响应曲线定义的指标：发电机空载、额定转速条 件下，突然加入励磁使发电机端电压从零升至额定值时的时间
响应曲线的上升时间（tr）、超调量（p）和调整时间（ts）可
以作为动态特性指标 。
上升时间（tr）：由稳态值的10%上升到90%（或5%至95%或 0%至100%）的时间 。通常，对欠阻尼二阶系统，取0%至 100%；对过阻尼二阶系统， 取10%至90% 。
19
第3节 励磁自动控制系统的稳定性
一、概念回顾 二、励磁控制系统空载稳定性分析 三、励磁控制系统空载稳定性的改善
20
概念回顾
1．基本概念 ①控制理论分类 ②古典控制论的分析方法 ③根轨迹的定义 ④根轨迹的求取方法 2．根轨迹的直接作法（设以开环放大倍数K为参变量） 作图规则包括：
同步发电机励磁自动控制系统
同步发电机励磁自动控制系统在现代电力系统中，同步发电机励磁自动控制系统扮演着至关重要的角色。
它如同电力生产的“智慧大脑”，时刻精准调控着发电机的运行状态，确保电力的稳定供应和优质输出。
要理解同步发电机励磁自动控制系统，首先得明白励磁是什么。
简单来说，励磁就是给同步发电机的转子提供直流电流，从而在转子周围产生磁场。
这个磁场与定子绕组相互作用，就能产生电能。
而励磁自动控制系统呢，就是能够根据电力系统的运行状况和需求，自动调整这个励磁电流的大小和方向，从而实现对发电机输出电压、无功功率等重要参数的控制。
那么，为什么需要这样一个自动控制系统呢？这是因为电力系统的运行状态是时刻变化的。
比如，当系统中的负载突然增加时，如果不及时调整励磁电流，发电机的输出电压就会下降，可能导致电力质量下降，甚至影响到用电设备的正常运行。
反之，当负载突然减少时，若不加以控制，输出电压又会升高，可能损坏设备。
同步发电机励磁自动控制系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两大部分组成。
励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁电流，它就像是“动力源”，要保证有足够的能量和稳定的输出。
而励磁调节器则是整个系统的“指挥中心”，通过采集发电机的各种运行参数，如端电压、定子电流、无功功率等，然后按照预定的控制规律进行计算和分析，最终输出控制信号来调节励磁功率单元的输出。
在实际运行中，励磁自动控制系统有着多种控制方式。
其中，恒机端电压控制是最为常见的一种。
它的目标是保持发电机端电压恒定，无论系统中的负载如何变化。
通过不断监测端电压，并与设定的电压值进行比较，然后调整励磁电流，从而使端电压始终稳定在设定值附近。
这种控制方式能够有效地保证电力质量，满足用户对电压稳定性的要求。
另一种常见的控制方式是恒无功功率控制。
在某些情况下，电力系统需要发电机输出特定的无功功率，以维持系统的电压水平和功率因数。
此时，励磁自动控制系统就会根据无功功率的设定值来调整励磁电流，确保发电机输出的无功功率符合要求。
第四章 励磁自动控制系统的动态特性解读
1
E
T
K 1 K T
3 3
j
s
s
0
M e2
2
K
4
K
Eq
'
'
K
E
5
s d0
S E
励磁系统
de
U G
S
E
U
REF
K
6
• 上图中K1~K6是与发电机和网络参数以及发电机运行点有关 的参数，为一定条件下两个偏差之比，即
M e K1
' ' Eq Eq 0
M e K2 ' Eq
-
1 TE s K E
UE
SE
他励直流励磁机的传递函数框图
TE N / K K E RE G RE GSE SE
2 交流励磁机的传递函数
i EE LE u EE R E
UE
AE
假设其转速为恒定，忽略其电枢回路的 暂态过程，则交流励磁机等效电路和其 饱和特性曲线如左
可求得励磁机的励磁回路方程 diEE u EE i EE RE LE dt
0
X Xe Xq Xe ' I q0 Xd Xe
' d
' Xq Xd
I q 0U sin 0
UEQ 0 Xq Xe
cos 0
' Xd Xe K3 Xd Xe
' 1 E q K4 K 3 ' Xd Xd ' U sin 0 Xd Xe
U
REF
S
E
K 1T
第4章：同步发电机的励磁自动控制系统
（3）提高继电保护装置工作的正确性 励磁自动控制系统通过调节发电机的励磁
电流以提高系统电压，增大短路电流，使继电 保护装置可靠动作。
5．防止水轮发电机过电压
与原曲线相比，有三点不同： ○1 极限输送功率增加； ○2 系统的静态储备增加； ○3 稳定运行区域扩大，其扩大的部分为人工稳定运行区。
（2）励磁系统对暂态稳定的影响
提高励磁系统的强励能力，即提高电压强励倍数 和电压上升速度，被认为是提高电力系统暂态稳定性 最经济、最有效的手段之一。
P0
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。
第4章 同步发电机的励磁 自动控制系统
4.1 同步发电机励磁系统的任务
一. 电力系统无功功率控制的必要性
1．维持系统电压正常水平
P/Q
Q
P
系统无功功率平衡关系式：
Q Q Q n
m
l
i1
Gi
j 1
Lj
k 1
k
U
无功电源主要由两部分组成，一部分是发 电机，一部分是补偿设备。发电机供给的无 功功率起主要作用，补偿设备供给的无功功 率起次要作用。
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 上升而增加电磁功率 输出，使 Pm增加（即曲线幅值增加），功角特性曲线 Ⅱ和Ⅲ幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了 减速面积。
要求励磁系统首先必须具备快速响应的能力。 为此，一方面要求缩小励磁系统的时间常数，另一 方面应尽可能提高强行励磁的倍数。
同步发电机励磁控制系统实验报告
同步发电机励磁控制系统实验摘要：本课题主要针对如何提高和维持同步发电机运行地稳定性, 是保证电力系统安全、经济运行,及延长发电机寿命而进行地同步发电机励磁方式, 励磁原理, 励磁地自动控制进行了深入地解剖. 发电机在正常运行时,负载总是不断变化地, 而不同容量地负载, 以及功率因数地不同, 对发电机励磁磁场地作用是不同地, 对同步发电机地内部阻抗压降也是不一样地. 为了保持同步发电机地端电压稳定,需要根据负载地大小及负载地性质调节同步发电机地励磁电流,因此, 研究同步发电机地励磁控制具有十分重要地应用价值. 本课题主要研究同步发电机励磁控制在不同状态下地情况, 同步发电机起励、控制方式及其相互切换、逆变灭磁和跳变灭磁开关灭磁、伏赫实验等. 主要目地是是同学们加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统地基本任务；了解自并励励磁方式和它励励磁方式地特点；了解微机励磁调节器地基本控制方式.关键词：同步发电机；励磁控制；它励第一章文献综述1.1概述向同步发电机地转子励磁绕组供给励磁电流地整套装置叫做励磁系统. 励磁系统是同步发电机地重要组成部分, 它地可靠性对于发电机地安全运行和电网地稳定有很大影响. 发电机事故统计表明发电机事故中约1/3 为励磁系统事故, 这不但影响发电机组地正常运行而且也影响了电力系统地稳定, 因此必须要提高励磁系统地可靠性, 而根据实际情况选择正确地励磁方式是保证励磁系统可靠性地前提和关键. 我国电力系统同步发电机地励磁系统主要有两大类一类是直流励磁机励磁系统, 另一类是半导体励磁系统. b5E2RGbCAP1.2同步发电机励磁系统地分类与性能1.2.1直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源, 供给发电机转子回路地励磁电流.其中直流发电机称为直流励磁机. 直流励磁机一般与发电机同轴,励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流, 形成有碳刷励磁. 直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式. 自励与他励地区别是对主励磁机地励磁方式而言地, 他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机,因此所用设备增多,占用空间大,投资大,但是提高了励磁机地电压增长速度,因而减小了励磁机地时间常数, 他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上. p1EanqFDPw 采用直流励磁机供电地励磁系统, 在过去地十几年间, 是同步发电机地主要励磁系统. 目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统.长期地运行经验证明,这种励磁系统地优点是：具有独立地不受外系统干扰地励磁电源, 调节方便,设备投资及运行费用也比较少. 缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重,事故多,性能差,运行维护困难,换向器和电刷地维护工作量大且检修励磁机时必须停主机,很不方便. 近年来, 随着电力生产地发展, 同步发电机地容量愈来愈大, 要求励磁功率也相应增大, 而大容量地直流励磁机无论在换向问题或电机地结构上都受到限制. 因此,直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求. 目前, 在100MW及以上发电机上很少采用. DXDiTa9E3d1.2.2半导体励磁系统半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后, 作为供给同步发电机励磁电流地直流电源. 半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种. RTCrpUDGiT1.2.2.1 静止式半导体励磁系统静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种1）自励式半导体励磁系统自励式半导体励磁系统中发电机地励磁电源直接由发电机端电压获得经过控制整流后,送至发电机转子回路, 作为发电机地励磁电流,以维持发电机端电压恒定地励磁系统, 是无励磁机地发电机自励系统.最简单地发电机自励系统是直接使用发电机地端电压作励磁电流地电源, 由自动励磁调节器控制励磁电流地大小,称为自并励可控硅励磁系统,简称自并励系统.自并励系统中,除去转子本体极其滑环这些属于发电机地部件外, 没有因供应励磁电流而采用地机械转动或机械接触类元件,所以又称为全静止式励磁系统. 下图为无励磁机发电机自并励系统框图, 其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端地整流变压器ZB 提供, 经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流, 可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制.系统起励时需要另加一个起励电源. 5PCzVD7HxA 无励磁机发电机自并励系统地优点是：不需要同轴励磁机,系统简单,运行可靠性高；缩短了机组地长度, 减少了基建投资及有利于主机地检修维护；由可控硅元件直接控制转子电压, 可以获得较快地励磁电压响应速度；由发电机机端获取励磁能量, 与同轴励磁机励磁系统相比,发电机组甩负荷时,机组地过电压也低一些.其缺点是：发电机出口近端短路而故障切除时间较长时, 缺乏足够地强行励磁能力对电力系统稳定地影响不如其它励磁方式有利. 由于以上特点, 使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组地励磁系统中受到相当重视. jLBHrnAILg （2）它励式半导体励磁系统它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL 和一台交流副励磁机FL,三套整流装置. 两台交流励磁机都和同步发电机同轴,主励磁机为100HZ中频三相交流发电机, 它地输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流. 副励磁机为500HZ中频三相交流发电机, 它地输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机地励磁电流,另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要地励磁电流. 自动调励地装置也是根据发电机地电压和电流来改变可控硅地控制角, 以改变励磁机地励磁电流进行自动调压. xHAQX74J0X 它励式半导体励磁系统地优点是：系统容量可以做得很大, 励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态地影响. 缺点是：接线复杂, 有旋转地主励磁机和副励磁机,启动时还需要另外地直流电源向副励磁机供给励磁电流. 这种励磁系统多用于10万千瓦左右地大容量同步发电机. LDAYtRyKfE1.2.2.2旋转式半导体励磁系统在它励和自励半导体励磁系统中, 发电机地励磁电流全部由可控硅＜或二极管）供给, 而可控硅＜或二极管）是静止地故称为静止励磁.在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转地发电机转子提供励磁电流. 滑环是一种转动接触元件随着发电机容量地快速增大,巨型机组地出现, 转子电流大大增加, 转子滑环中通过如此大地电流, 滑环地数量就要增加很多. 为了防止机组运行当中个别滑环过热,每个滑环必须分担同样大小地电流. 为了提高励磁系统地可靠性取消滑环这一薄弱环节, 使整个励磁系统都无转动接触地元件,就产生了无刷励磁系统, 如图4 所示. Zzz6ZB2Ltk副励磁机FL是一个永磁式中频发电机, 其永磁部分画在旋转部分地虚线框内.为实现无刷励磁, 主励磁机与一般地同步发电机地工作原理基本相同,只是电枢是旋转地.其发出地三相交流电经过二极管整流后, 直接送到发电机地转子回路作励磁电源,因为励磁机地电枢与发电机地转子同轴旋转, 所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件,这就实现了无刷励磁. 主励磁机地励磁绕组JLLQ是静止地, 即主励磁机是一个磁极静止, 电枢旋转地同步发电机. 静止地励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流地控制, 以维持发电机端电压保持恒定. 无刷励磁系统地优点是：取消了滑环和碳刷等转动接触部分.缺点是：在监视与维修上有其不方便之处. 由于与转子回路直接连接地元件都是旋转地, 因而转子回路地电压电流都不能用普通地直流电压表、直流电流表直接进行监视, 转子绕组地绝缘情况也不便监视, 二极管与可控硅地运行状况,接线是否开脱, 熔丝是否熔断等等都不便监视,因而在运行维护上不太方便. dvzfvkwMI1 1.3同步发电机励磁系统地发展史由于电力系统运行稳定性地破坏事故, 会造成大面积停电, 使国民经济遭受重大损失,给人民生活带来重大影响,因此, 改善与提高电力系统运行地稳定性意义重大.早在20世纪40 年代,有电力系统专家就强调指出了同步发电机励磁地调节对提高电力系统稳定性地重要作用, 随后这方面地研究工作一直受到重视. 研究主要集中在2 个方面: 一是励磁方式地改进, 二是励磁控制方式地改进. rqyn14ZNXI在励磁方式方面, 世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁方式, 因为这种无旋转励磁机地可控硅自并励方式具有结构简单、可靠性高及造价低廉等优点。
第三章 同步发电机励磁自动控制系统
第三章同步发电机励磁自动控制系统在现代电力系统中，同步发电机扮演着至关重要的角色，而励磁自动控制系统则是确保其稳定运行和高效发电的关键组件。
首先，让我们来了解一下什么是同步发电机的励磁。
简单来说，励磁就是给同步发电机的转子绕组提供直流电流，从而产生磁场。
这个磁场与定子绕组中的磁场相互作用，实现了电能的转换和传输。
那么，为什么需要一个自动控制系统来管理励磁呢？这是因为在电力系统的运行中，各种因素会导致系统的电压和无功功率发生变化。
例如，负载的突然增加或减少、电网故障等。
如果没有有效的励磁控制，发电机的输出电压可能会不稳定，无功功率分配也会不合理，这将对整个电力系统的运行造成不良影响。
同步发电机励磁自动控制系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两大部分组成。
励磁功率单元负责向转子绕组提供直流励磁电流，它的性能直接影响到励磁系统的输出能力和可靠性。
而励磁调节器则是根据测量到的发电机运行参数，如端电压、无功功率等，按照预定的控制规律来调节励磁功率单元的输出，以实现对发电机励磁的自动控制。
在实际运行中，励磁自动控制系统具有多种功能。
其一，它能够维持发电机端电压在给定水平。
当电力系统中的负载变化时，通过及时调整励磁电流，使发电机的输出电压保持稳定，从而保证电力设备的正常运行和电能质量。
其二，合理分配并列运行机组之间的无功功率。
在多台发电机并联运行的情况下，励磁系统可以根据各机组的容量和运行状态，自动分配无功功率，提高电力系统的运行效率和稳定性。
其三，提高电力系统的静态和动态稳定性。
通过快速响应系统的变化，励磁系统可以增强系统抵御干扰的能力，减少电压波动和功率振荡的发生。
为了实现这些功能，励磁调节器通常采用不同的控制规律和算法。
常见的有比例积分微分（PID）控制、模糊控制、自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制方法，它具有结构简单、易于实现的优点，但对于复杂的系统可能效果不够理想。
模糊控制则能够处理一些不确定性和模糊性的问题，具有较强的鲁棒性。
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析
浅谈同步发电机励磁系统及常见故障分析
同步发电机是一种常见的发电机，其工作原理是通过励磁系统激励电机产生磁场，使电机在旋转时产生电能。
同步发电机的励磁系统是至关重要的组成部分，它能够帮助电机工作更加稳定、高效。
同步发电机的励磁系统主要包括励磁电源、励磁转换装置、励磁调速器、控制电路和接地电阻。
其中励磁电源提供励磁电流，励磁转换装置将励磁电流调整成适合电机运行的电流，励磁调速器控制励磁电流的大小和方向，控制电路将控制信号传输到励磁调速器，而接地电阻则是为了防止涡流损失和电压浪涌。
同步发电机的故障会给电力系统带来很大的影响，以下是常见的同步发电机故障及其分析：
1. 励磁断路器故障
励磁断路器是励磁系统中最关键的元件之一，如果励磁断路器出现故障，整个励磁系统将无法正常工作。
故障原因可能包括接触不良、烧毁或机械故障。
励磁控制器主要用于控制励磁电流和电场强度大小，如果励磁控制器出现故障，电机可能无法正常运行或励磁过强导致电机过热。
故障原因包括电子元件故障、线路问题或者不恰当的调整参数。
3. 励磁转换装置故障
励磁转换装置主要用于将直流电源转换为交流电源，并将电流调整到合适的大小。
如果励磁转换装置出现故障，可能会导致励磁电流过强或过弱，从而影响电机的稳定性。
4. 接地电阻故障
接地电阻主要用于限制电机电流和电压的增长率，防止涡流损失和电压浪涌。
如果接地电阻出现故障，将会使电机运行不稳定，甚至可能导致电机损坏。
故障原因也可能是接触不良或损坏。
总结来说，同步发电机励磁系统的故障由于涉及到电子元件、线路、机械构造等多个方面，因此必须对励磁系统进行定期检查和维护，以确保其长期稳定运行。
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第二节 同步发电机的励磁控制系统
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
300MW及以上机组励磁系统一般采用
发电机
无刷励磁和自并励方式。
TA
IEF
G ~
静止励磁系统(发电机自并励系统)中
一、直流励磁机系统
采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机电 流，从而改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功 的目的。
主要问题： （1）直流励磁机受换向器所限，其制造容量不大。 （2）整流子、电刷及滑环磨损，降低绝缘水平，运行维护麻烦。 （3）励磁调节速度慢，可靠性低。 按照励磁机励磁绕组的供电方式不同，可分为自励式和他励式两种。
负荷的无功电流是造成 E 与U 数值差的主要原因，
q
G
发电机的无功电流越大 ，差值越大。
第一节 概述
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，必须通过不断的调节励磁电流来维持机端电压维持在给 定水平。
第一节 概述
(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问题
第二节 同步发电机的励磁控制系统
同步发电机励磁控制系统的分类：
（1）直流励磁机系统：自励式直流励磁机系统、他励式直 流励磁机系统。 （2）交流励磁机系统：他励可控整流式交流励磁机系统、 自励式交流励磁机系统、具有副励磁机交流励磁机系统、 无刷励磁系统； （3）静止励磁系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第四章 同步发电机励磁控制系统及特性分析
第一节：概 述:励磁控制系统的作用（重点） 第二节：同步发电机的励磁控制系统 第三节：励磁调节器 第四节：同步发电转子磁场的强励与灭磁
第五节：励磁控制系统的调节特性（重点、难 点）
励磁控制系统的概念
发电机是将旋转形式的机械能量转换成三相交流电能量的设备， 为了完成这一转换并满足电力系统运行要求，除了需要原动机（汽 轮机或者水轮机）供给动能外，它本身还需要有可调的直流磁场， 以适应运行工况的变化。产生这个可调磁场的直流励磁电流称为发 电机的励磁电流，为发电机提供可调励磁电流的设备构成了发电机 励磁系统。励磁系统及其控制对象共同组成的闭环反馈控制系统称 为励磁控制系统。
由于励磁机与主发电机同轴，其电源不受发电机电压的影响，可以说是 保证和提高电力系统稳定性的理想系统。不过这种系统造价较高。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
2、自励式交流励磁机系统
是由励磁机本身的电 枢经可控整流器VS供 电，励磁调节器通过 控制VS来控制励磁机 的励磁电流。
这种系统不使用副励磁机，简化了系统，但是，为了使发电机在这 个运行方式下，自励系统都能正常工作，所以控制系统比较复杂。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
副励磁机
滑环 主励磁机
电
刷
自动调节器
电流互感器
电压互感器
由于同轴上有发电机-励磁机-副励磁机。称为三机系统，目前在 300MW的大容量汽轮机发电机组上采用较为广泛。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
交流副励磁机本身的励磁通常有两种方式，一种是感应或交流副励磁机， 另一种是采用永磁式发电机。目前大型汽轮发电机系统多采用永磁式副 励磁机。
交流励磁机的励磁绕组安装在定子上，其输出所连接的二级管整流器 固定在发电机转轴上，与转子一同旋转，其输出的直流电流可以直接 接入发电机转子而不需要滑环及电刷。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
静止励磁系统中，副励磁机是永磁发电机其磁极是旋转的，电枢是静 止的。而交流励磁机正好相反，交流励磁机电枢、硅整流元件、发电 机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与 电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。
他励与自励的区别在于他励比自励多用了一台副励磁机。由于他励方 式取消了励磁机的自并励，励磁单元的时间常数就是励磁机励磁绕组的 时间常数，与自励方式相比，时间常数减小了，即提高了励磁系统的电 压增长速率。
他励直流励磁机励磁系统一般用于水轮发电机组。 直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，是励磁 系统中的薄弱环节。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
二、交流励磁机励磁系统
交流励磁机系统的核心设备是交流励磁机。由于励磁机容量相对 较小，只占同步发电机容量的0.3%~0.5%，但要求其响应速度快， 所以现在用作大型机组的交流励磁机系统一般都采用他励的方式， 有交流主励磁机也有交流副励磁机，其频率都大于50Hz，一般主 励磁机为100Hz或更高。
励磁电流的变化，只是改变了机组无功功率和功角的大小。
第一节 概述
2.并联运行各发电机组间无功功率分配 为合理利用发电机组容量，各发 电机应按其额定容量大小成比例 分配无功负荷。 只要并联发电机特性完全一致时， 才能使无功电流在并联机组间进 行合理的分配。
将并联运行且容量不同发电机组 做成相同的特性是不可能的。
(七)在不同运行工况下适当采用辅助励磁控制
第二章 同步发电机励磁自动控制系统
二、对励磁系统的基本要求
(一)对励磁调节器的要求
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，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。
(1)有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 (2)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。在调差装置不投入的情况下，励磁控制 系统的自然调差系数一般在1%以内。 (3)励磁调节器应能合理分配机组无功功率。为此，励磁调节器应 保证发电机端电压调差系数可以在±10%以内进行调整。 (4)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。 (5)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。
有励磁调节器时，能使发电机在大于功角90度范围的人工稳定区 运行，提高发电机输出功率极限或提高系统的稳定储备。
3.励磁对暂态稳定的影响 在一定的条件下，励磁自动控制系统如果能按照要求进行某种适 当的控制，可改善电力系统的暂态稳定性。
第一节 概述
4、励磁对动态稳定性的影响
电力系统的动态稳定问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励磁 控制系统中的自动调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱的最重要原 因之一。在维持发电机电压恒定的同时，也将产生负的阻尼作用。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
(4)转子及其励磁电路都随主轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设 备，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)没有接触部件的磨损，所以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。
(五)在发电机突然解列甩负荷时实现强行减磁
当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，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。所以，在这种情况下，要求励磁自动控制系 统能实现强行减磁。
(六)在发电机内部发生短路故障时快速灭磁
励磁系统 手动调节 励磁功率单元
发电机
IEF
G ~
TA
IG
TV
自动励磁调节器
给定电压 辅助控制信号
励磁功率单元：向发电机的励磁绕组提供直流励磁电流。 励磁调节器：自动调节励磁单元输出的励磁电流的大小。
第一节 概述
一、励磁系统的作用
（一）根据发电所带负荷的情况调整励磁电流，以维持发电机机端电压在 给定水平。
交流副励磁机性能和特点：
（1）独立励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。 （2）交流励磁机时间常数大。 （3）造价较高。 （4）需要一定的维护工作量。 （5）一旦副励磁机发生故障，可导致发电机组失磁，如果采用永磁 式发电机，则可靠性将提高。
第二节 同步发电机的励磁控制系统
4、无刷励磁系统
他励交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。它有一 个薄弱环节—滑环。滑环是一种滑动接触元件。随着发电机容量的增 大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。 为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统 都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。
第二章 同步发电机励磁自动控制系统
(二)对励磁功率单元的要求 发电机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。 (1) 有足够的可靠性并具有一定的调节容量。以适应电力系统中 各种运行工况的要求。 (2)具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前面已经提到， 从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励 磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁 系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。 励磁顶值电压UEFP，是励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最 高输出电压值，该值与额定工况下励磁电压UEFN之比称为强励倍数。 其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般取1.6~2。
（1）降低调压精度要求，减少励磁控制系统的开环增益。 （2）电压调节通道中，增加一个动态增益衰减环节。 （3）增加附加励磁控制通道。 （4）采用线性和非线性励磁控制方法改善励磁系统的动态品质。
第一章 概述
(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
发电机励磁调节系统中有一个形 成发电机外特性的环节—调差环 节，通过它可以改变发电机外特 性，很容易地做到使并联运行发 电机组的外特性都一致，从而达 到并联机组间无功负荷合理分配 的目的。