发电机励磁调节器原理

jIaXd
Ug
jIrXd
则得：
Ed cosδ = U g + Ir X d
由于在正常时δ很小，cosδ≈1，则有 Ed≈Ug+IrXd
上式表明，无功电流是造成机端电压下降的主要原因，且机端电压与 无功电流成反比。
Ug Igs.ex1 < Igs.ex2
Ug.n Ug
Igs.ex2 Igs.ex1
Ir1
发电机 T2
GS
TA
T1
TV
自动励磁 调节器
以直流或交流励磁机供电的他励方式是过去几十年中主要的励磁方式， 使用和维护比较困难，技术含量低且成本也高。
目前，无励磁机的自励静止励磁方式在计算机技术和可控硅技术发展的 推动下得到了广泛的应用。
2 水轮发电机的有关特性和调节励磁电流的方法
由于电力系统电能质量和无功功率的要求，水轮发电 机的励磁电流在运行中需要经常进行调节。为了说明调节 励磁电流的必要性和实现调节励磁电流的自动调节装置的 任务，先作如下讨论： 1）水轮发电机的有关特性
流，经整流后供发电机励磁。
发电机
GSes GS
整流变
自动励磁 调节器
优点：设备少、结构简单、维护方便；
缺点：在发电机或系统发生短路时，由于电压的大幅下降或消失，导 致励磁电流的下降或消失，而此时本应大大增加励磁（即强行励磁）来 维持电压的。
考虑到现代大型电网多采用封闭母线，且高压电网一般都装有快速保 护，认为有足够的可靠性，故采用自并励的机组较多。
调节励磁电流是为了实现电压和无功功率的调节：
¾ 电压的调节（单机运行） 下图为同步发电机的原理图和等值电路图。
Igs,ex
Ig
Uex
GSes GS
Ug Ed
Xd
Ug
Ig
同步发电机的原理图
同步发电机的等值电路图。
Xd — 发电机的纵轴同步电抗；
Xq — 发电机的横轴同步电抗，且设Xd = Xq ；
Igs.ex — 励磁电流；
P = EdU sys sin δ
Xd + Xc
式中：Xc为变压器和线路阻抗； δ为Ed与Usys间的相位差，称为功角。
由上式可见，当Ed、Usys和Xc不变时，P与δ有关。而通过改变水轮机 导叶开度τ可改变δ角的大小，也就改变了发电机的输出功率P。
当δ=π/2时，P→Pmax，称为极限功率，即：
发电机励磁调节原理
水轮发电机励磁的自动调节
1 水轮发电机的励磁方式 同步发电机将旋转的机械能转换成为电能，在转换中需要有一
个直流磁场。而产生这个磁场的直流电流称为励磁电流。 励磁方式是指发电机获得励磁电流的方式：
¾ 从其它电源获得励磁电流的发电机称为他励发电机； ¾ 从发电机本身获得励磁电流的发电机称为自励发电机。
Ir2
Ir
从上图可知，当励磁电流Igs.ex不变时，发电机的端电压Ug随无功电流 Ir的增大而降低。显然，当发电机的无功电流变化时，调节发电机的励磁 电流Igs.es，可以维持Ug的不变。
¾ 无功电流的调节（发电机与系统并列时） 在发电机并列运行时，由于单台发电机的容量有限，此时改变励磁电
流Igs.ex将不会引起母线电压Usys的变化。 设导叶开度τ=const，且Xd=Xq，则发电机的有功功率满足：
发电机失去稳定后，若不及时减小导叶开度τ，则转速将升至很高，可 使发电机遭到破坏。同时，由于fG与fsys不同，发电机的定子中将出现很大 电流，同样会导致发电机破坏。此外，并列运行的发电机失去稳定，还会 给电力系统带来严重事故。
反之，若在b点运行时，扰动使δ角减小Δδ，则发电机输出功率增大， 出现负的剩余功率。此时，机组将减速，δ继续减小，一直到a点。经过一 系列振荡后达到新的平衡状态而稳定下来。
Ug
Usys1 Usys2
GS1
ΔIr2
GS2
ΔIr1
Ir1.1 Ir2.1
Ir2.2 Ir1.2
Ir
当Ug=Usys1时，Ir1.1<Ir2.1；随着无功负荷的增加，Ug降至 Usys2，则Ir1.1增大到Ir1.2，Ir2.1增大到Ir2.2，但Ir1.2>Ir2.2。总 无功：Ir=Ir1.2+Ir2.2。
发电机的两种励磁方式：
G
他励发电机
GS
自动励磁 调节器
自励发电机
GS T
自动励磁 调节器
1） 由直流发电机供电的励磁方式
这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机。其中直流发电 机称为励磁机（发电机属于他励方式）。励磁机与发电机同轴， 发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获 得直流电流。原理如下：
¾ 无功负荷的分配（发电机与系统并列时） 如图所示的两台并列运行的发电机：
Ir
Ir1 GS1
Usys Ir2
GS2
Ir1 -- 发电机GS1的无功电流；Ir2 -- 发电机GS2的无功电流； Ir -- 负荷的总无功电流； Usys -- 系统电压。
显然，Ir=Ir1+Ir2。即Ir1和Ir2的大小（反映了两台机组的无功分配） 取决于各自的电压特性（如下图所示）。
直流励磁机 定子电流
直流 副励磁机
自励
励磁
直流 励磁机
励磁
他励
他励
同步
源自文库
励磁
发电机
2） 由交流励磁机供电的励磁方式 这种励磁方式的发电机（GS）采用交流励磁机（G1）提供励磁电流。
G1与GS同轴，它输出的交流电流经整流后供GS励磁，因此属于他励方 式。
若G1的励磁电流由自身提供，则G1为自励方式； 若G1的励磁电流由另外一台励磁机（称为交流副励磁机G2）提供， 则G1为他励方式。而G2可以是具有自动恒压装置的交流发电机，并且 G2输出的交流电流经整流后供G1励磁。
为了实现上述要求，从制造上做文章，使各台发电机的电压调节特性相 同是不可能的。但是，可以通过自动调节励磁装置来实现。
自动励磁调节装置既可通过改变发电机的励磁电流维持其端电压不变，也 可对发电机调节特性的斜率进行调整，以实现无功的合理分配。
综上所述，无论是单机还是并列运行，为了保持发电机的端电压不变，调 节无功以及实现无功的合理分配，都要求对发电机的励磁电流进行调节。 ¾ 功角特性和电力系统的稳定
由于发电机时刻在小的扰动下运行，因此发电机不可能在b点稳定运行。
若发电机工作在a点（功角为δ1），则微小扰动使δ增加Δδ时，发电 机的输出功率将增大，而出现负的剩余功率。这样，机组将减速，使δ角 减小，最后仍回到a点运行；若扰动使δ1减少Δδ，则情况相反，但最后 也仍回复到a点运行。
由上述分析可知，在发电机励磁电流和导叶开度不变的条件下，虽然功 角特性上有两个对应于输入功率Pn的运行点，但只有其中的a点dP/dδ>0是 可以稳定运行的。
GS
TA
T1
TV
自动励磁 调节器
除上述直流侧并联的自复励外，还有交流侧并联的自复励。
B. 串联自复励 交流侧串联的自复励如图所示。
由电压源和电流源共用一 组可控硅装置，在整流以前 先串联起来，即加在可控硅 上的电压是串联和并联变压 器二次电压的向量之和。
除上述交流侧串联的自复 励外，还有直流侧串联的自 复励。
式中，K1与K2均为常数。
下图说明了当Igs.ex变化时，发电机Ed，δ及φ变化的情况。
K1
δ
φ
Ia
Ed1 jIg1Xd
Ug
Ed2 jIg2Xd
Ir1 Ig1
Ir2
Ig2
K2
改变励磁电流时，Ed和Ig虽跟随变化，但是Edsinδ=K1和Igcosφ=K2 为常数，此时发电机无功电流Ir也随之变化。这表明，发电机并网运行 时，为了改变发电机输出的无功，必须调节励磁电流。
A
Gex
G
GSex GS
B
Rm
GS — 同步发电机；GSex — 发电机的励磁绕组； G — 直流励磁机电枢；Gex — 励磁机的励磁绕组； Rm — 磁场调节电阻；A,B — 滑环和电刷。
在上图中，发电机属于他励，而励磁机则属于自励。 若励磁机的励磁电流由另外一台励磁机提供，则励磁机的励磁方式属 于他励，而给励磁机提供励磁电流的直流发电机称为副励磁机。
¾ 自复励方式 为了克服自并励方式在发生短路时不能提供较大的励磁缺点，发电机
还可采用自复励方式。与自并励方式相比，自复励方式除设有整流变压 器外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器（亦称串联变 压器）。其原理是，当短路故障发生时电压降低，但电流却巨增，则串 联变压器的作用是将该电流转换成为励磁电流。因此，这种励磁方式具 有两种励磁电流，即整流变和励磁变的励磁电流。
也可采用可控硅整流装设在励磁机的输出回路。
3） 无励磁机的励磁方式 这种励磁方式没有专门的励磁机，而是从发电机本身获取励磁电流，
经整流后再供发电机励磁，因此又称为自励式静止励磁。 自励式静止励磁又可分为自并励和自复励两种方式。
¾ 自并励方式 通过接在发电机出口的整流变压器（亦称为并联变压器T）取得励磁电
永 磁 机
他励
励
交流
磁
副励磁机
他励
励
交流
磁
励磁机
他励
励
同步
磁
发电机
交流励磁机供电的励磁方式原理：
G2
副励磁机
G1es G1
励磁机
GSes GS
发电机 自动励磁 调节器
GS — 同步发电机；G1 — 交流励磁机；G2 — 交流副励磁机； GSex — 同步发电机的励磁绕组，非可控硅励磁； G1ex — 励磁机的励磁绕组，可控硅励磁；
虽然ΔIr1>ΔIr2，说明GS1由原来承担较小的无功负荷，变为承担较 大的无功负荷；而GS2有原来承担较大的无功负荷，变为承担较小的无 功负荷。
为了合理分配无功，通常要求并列运行的发电机根据各自的额定容量， 按比例进行无功电流的分配，即：
大容量的发电机承担较多无功负荷；小容量的发电机承担较少无功负荷。
Ed — 发电机定子绕组的感应电势；
Ug — 发电机端电压；
Ig — 发电机负载电流。
根据等值电路图可得：
•
•
•
Ed =Ug+ j Ig Xd
设：δ为Ed与Ug间的相位差；φ为Ug与Ig的相位差；Ia为发电机的有 功电流；Ir为发电机的无功电流。则，其相应的向量图为：
δ
φ
Ia
Ir
Ig
Ed jIgXd
有三类电力系统的稳定问题：静态稳定问题、暂态稳定问题和动态稳 定问题。 A）静态稳定问题
指电力系统遭受微小扰动后，运行参数离开正常平衡工作状态后，能 够自动恢复到原来运行状态的能力。
保证静态稳定是水电站和电力系统安全运行的前提。静态稳定有两个 条件： dP/dδ>0；
自复励又可分为串联自复励和并联自复励两种： A. 并联自复励
直流侧并联的自复励如图所示。
电压源和电流源分别经可控硅 和不可控硅整流后在直流侧并 联起来，共同供发电机励磁。
发电机空载时，由电压源提供 励磁电流。电流源则主要提供 带负载时需增加的励磁电流和 短路时的励磁电流（具有反馈 作用）。
发电机 T2
⎧ ⎪P ⎨
= U g Ia
=
EdU g Xd
sin δ
=
const
⎪⎩ P = U g Ia = U g I g cosϕ = const
由于Ug=Usys=const，即并网运行时，发电机端电压等于系统电压， 不随发电机的励磁电流的变化而变化。因此，改变励磁Igs.es时，有
Ed sin δ = K1 ; I g cosϕ = K2
若以发电机各自的额定容量作为基准值。则各台发电机承担的无功电流标 幺值应相等，即：
I
* r1
=
I
* r2
=
I
* r
;
I
* r
=
Ir I rn
为了达到上述目的，则要求并列运行发电机的电压调节特性相同:
U g1
=
f
(
I
* r1
)
=
U
g
2
=
f
(
I
* r2
)
由于两台发电机的电压调节特性相同，所以无功电流增大时，各台发电 机电流增加的标幺值相等，若GS1与GS2的容量不同，则较大容量的发电机 增加的无功就多。反之亦然。
励磁电流的调节还可以起到改善电力系统稳定的作用。为了说明这一 点，首先介绍功角特性：
Usys=const
GS
Xc
在上图所示系统中，发电机经变压器和双回输电线路与无穷大容量 系统相连接。设：
发电机横轴同步电抗与纵轴同步电抗相等，Xd=Xq ； 发电机励磁电流不变，即发电机定子感应电势Ed恒定。 在不计各元件电阻和导纳的条件下，发电机的输出功率满足：
Pmax
=
EdU sys Xd + Xc
P
由发电机输出功率P的表达 式，可作出功角特性曲线。 Pmax
当输入功率为Pn时，在曲 线的a点或b点均可保持发电
a Pn
机的输出功率与之平衡。
δ1
π/2
b δ2 π δ
但是，若发电机工作在b点（功角为δ2），则不能维持稳定运行。此 时，若系统受到微小扰动使功角δ离开平衡状态δ2而增大Δδ，则发 电机的输出功率将减小，从而出现剩余功率并导致发电机加速，结果 Δδ不断增大，转速越来越高，运动状态无法回到平衡状态b点（转速 越大，功角δ也越大），最后失去同步（或称为失去稳定）。