第三章 同步发电机励磁自动调节

ea eb ec
V1
+
V3 V5 Rf
V4 e ea eb
V6 ec
V2 -
t
u
ab ac bc ba ca cb ab ac bc 16 12 32 34 54 56 16 12 32
t
电力系统 自动装置原理
2 输出电压
U
6 2
e
2 6

a
eb dt dt
电力系统 自动装置原理
1 他励交流励磁机静止整流器励磁系统
交流副励磁机
交流励磁机
交流发电机 G

起励 电源

VSR
滑环
自 励 恒 压 调 节 器
励磁调节器 触发器 可控整流器
电力系统 自动装置原理
放大器
电压检测
调差
2 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)
永磁副励磁机
旋转元件
N S
交流发电机 G
电力系统 自动装置原理
IG IEF
G
UG IG Eq Eq UG
Eq U G jI G X d

IQ UG

IP UG
Eq cos U G I Q X d Eq U G I Q X d
IG
负荷中的无功电流是造成Eq 和UG幅值差的主要原因。
UGe UG2 IEF2 IEF1 IQ1 IQ2 IQ
第三章 同步发电机 励磁自动控制系统
总 述
励磁系统的任务
励磁系统的类型 励磁系统的整流电路 并联机组间无功分配 励磁装置的原理
电力系统 自动装置原理
第一节 概述
同步发电机的运行特性
同步发电机的空载电动势的大小
发电机的励磁电流 励磁自动控制系统构成 G 发电机 励磁调节器
控制同步发 电机的励磁
励磁功率单元
三 最小逆变角
电力系统 自动装置原理
三相桥式不可控整流电路
1 工作原理
共阴极连接的二极 管，在t=30-150 之间是V1 导通，V3、 V5 承受反压而关断； 在t=150-270之间 是V3导通；在 t=270-390 之间 是V5 导通。 共阳极连接的二极 管，在t=90-210 之间是V2 导通，V4、 V6 承受反压而关断； 在t=210-330之间 是V4 导通；在 t=330-450 之间 是V6 导通。
电力系统 自动装置原理
第二节 同步发电机励磁系统类型
励 磁 系 统
直流励磁 机
交流励磁 机
静止励 磁
电力系统 自动装置原理
第二节 同步发电机励磁系统
励磁系统的历史 直流励磁机励磁系统
机械整流子在换流方面遇到了困难，且大 功率半导体整流元件制造工艺的日益成熟。 交流励磁机励磁系统(交流发电机和半导体整流元件组成 ) 为了缩短主轴长度，降低造价，减少环 节。 静止励磁系统 (发电机自并励系统) 几种常用的励磁系统简要介绍（重点分析励磁功率单元）
U(%)
120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30
t(s)
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
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
（五）水轮发电机强行减磁
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。
j IQ xd
.
xd IG
IQ IG
. .
等值电路
Eq
.
.
UG
相量图
Eq U G jI G X d
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
电压控制
E q cos G U G I Q X d
Eq U G I Q X d
同步发电机的励磁自动控制系统就是通过不断地调节 励磁电流来维持机端电压为给定水平的。
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 电力系统 端电压在给定水平的。
自动装置原理
发电机励磁系统的任务
（二）控制无功功率的分配
设单机无穷大系统：
.
UG = 常数
G
.
IG
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
控制无功功率的分配
由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁 电流的大小无关。
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
提高并联运行的稳定性
1 励磁对静态稳定的影响
发电机的输出功率为
PG E qU X sin
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
提高并联运行的稳定性
c
a b
最大可能传输的功率极限为
Pm
同步发电机的功角特性
E qU X
电力系统 自动装置原理
电力系统 自动装置原理
2 对励磁功率单元的要求
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。 在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电 压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够 的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。
具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。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。
电力系统 自动装置原理
二、对励磁系统的基本要求
维持电压水平和无功的合理分配
控制能力和调节范围
快速反应能力
高度的可靠性 快速性
结构简单，易于维护
足够的阻尼能力
电力系统 自动装置原理
三 对励磁系统的基本要求 励磁调节器: 检测和综合系统运行状态的信息, 以产生相应 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。 其基本要求 励磁功率单元: 受励磁调节器控制，并向同步发电机转子 提供励磁电流。 其基本要求
电力系统 自动装置原理
t
脉冲控制角=60° e VS1 VS3 VS5 ea eb ec V4 V6 V2
t
ug V Rf
t
uL
电力系统 自动装置原理
t
脉冲控制角=120° e VS1 VS3 VS5 ea eb ec V4 V6 V2 uL
1 Ud 2 3
t
V Rf ug
t
电力系统 自动装置原理
电力系统的稳定
静态稳定 暂态稳定
电力系统静态稳定是指电力系统在正常运行状态下，经受微小 扰动后恢复到原来运行状态的能力。
电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭 受大扰动后，能否过渡 到一个新的稳定运行状态、或者恢复到 原来运行状态的能力。 电力系统受到小的或大的干扰后，计及自动调节和控制装置作 用的长过程的运行稳定问题称为动态稳定。
Te=0.8S
0.50
0.35 0
0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
Te(s)
0.35 0 1 2 3 4
电力系统 自动装置原理
K
发电机励磁系统的任务
（四）强行励磁以改善电力系统运行条件
改善异步电动机的自启动
1 2 3
为异步发电机运行创造条件
提高继电保护工作的准确性
电力系统 自动装置原理
1．改善异步电动机的自起动条件
电力系统 自动装置原理
一 直流励磁机励磁系统（100MW以下） 自励直流励磁机励磁系统
他励直流励磁机励磁系统
按励磁机的励磁绕 组供电方式的不同
电力系统 自动装置原理
1 自励直流励磁机励磁系统
IEE
IR
R
DE
=
IE
G
IAVR
励磁调节器
电力系统 自动装置原理
2 他励直流励磁机励磁系统
IR
PE
发电机励磁系统的任务
提高并联运行的稳定性
Pm Eq，而Eq值与励磁无关，若调节励磁，则有外功率特性

它使发电机能在大于90度范围的人工稳 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。
电力系统 自动装置原理
发电机励磁系统的任务
提高并联运行的稳定性
2 励磁对暂态稳定的影响

7 6
ea ec dt
6
1 cos 1 cos 2.34E 1.35El 2 2
电力系统 自动装置原理
t
脉冲控制角=180° e
VS1 VS3 VS5
ea ug V Rf V6 V2 uL
t
eb ec
V4
三相桥式半控整流电路
1 工作原理
ea VS1 eb ec V4
VS3
VS5
V
V6 V2
Rf
电力系统 自动装置原理
脉冲控制角=0 e
1
ea
3
eb
5
ec
t
ug
u
ab ac bc ba ca cb ab ac bc 16 12 32 34 54 56 16 12 32
t
t
电力系统 自动装置原理
t
电力系统 自动装置原理
t
2 输出电压与控制角关系
1 cos 1 cos U d 2.34E 1.35El 2 2
电力系统 自动装置原理
3 失控现象和续流二极管的作用
VS1 VS3 VS5
e ea
eb ec
V4
V Rf
t
ug
6 2


2
6
2 2 E a sin t E a sin t 3

2
6 2 2 E a cost cos t 2 3 2.34E a 1.35E ab
6
电力系统 自动装置原理
VS G
滑环
电压起 励元件
励磁调节器
起励电源
电力系统 自动装置原理
励磁系统的整流电路
整 流 电 路
三相桥式 不可控
三相桥式 半控
三相桥式 全控
电力系统 自动装置原理
第三节 励磁系统中的整流电路 一 三个基本整流电路 三相桥式不可控整流电路 三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路
二 整流电路的换流压降及外特性
脉冲控制角=30° e VS1 VS3 VS5
ea eb ec
V4 V6 V2
t
V Rf ug
t
uL
5 1 2 6 ea ec dt Ud ea eb dt 2 6 2 3
1 cos 1 cos 2.34E 1.35El 2 2


晶闸管整流器
励磁调节器
电力系统 自动装置原理
1 自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统
AE
VS
G
滑环
电压起 励元件
自动恒 压元件
AVR
起励电源
电力系统 自动装置原理
2 自励交流励磁机静止整流器励磁系统
AE
VS
G
滑环
电压起 励元件
励磁调节器
起励电源
电力系统 自动装置原理
三 静止励磁系统 (发电机自并励系统)
电力系统
同步发电机的励磁系统
电力系统 自动装置原理
一、同步发电机励磁控制系统的任务
电 压 控 制
无 功 分 配
提 高 稳 定
强 行 励 磁
强 行 减 磁
电力系统 自动装置原理
一 发电机励磁系统的任务
（一）电压控制
.
.
UEF GEW UG IG Eq
φ
.
IEF
. .
δ φ
G
. .
IP
G
.
UG
.
电力系统 自动装置原理
1 对励磁调节器的要求 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；静差率 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率； 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； 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； 具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变 化。
V6
V2
+ (-) ea ec V2 VS1 V - (+)
uL
t3 t4 t5
t
电力系统 自动装置原理
t
三相桥式全控整流电路
ea VS1 eb ec VS4
Hale Waihona Puke Baidu
发电机的暂态稳定等面积法则
电力系统 自动装置原理
要使励磁系统在短暂过程中完成符合要求的控制必须要求励 磁系统具备快速响应的条件。为此，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。
PGmax*
0.75
0.70 0.65
PGmax*
Te=0.1S
0.75
K=4 K=2 K=1
0.70 0.65
=
IAVR
IEE
DE
=
IE
G
励磁调节器
电力系统 自动装置原理
二、交流励磁机励磁系统（100MW以上） 交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器 状态的不同可分为以下几种。 他励交流励磁机静止整流器励磁 他励交流励磁机励磁系统 系统 他励交流励磁机旋转整流器励磁 系统(无刷励磁) 自励交流励磁机静止可控整流器 励磁系统 自励交流励磁机励磁系统 自励交流励磁机静止整流器励磁 系统