同步发电机励磁自动控制系统

3 提高同步发电机并列运行的稳定性 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。
VS5 VS1
V6
V2
ug3
ug5
VS3
VS5
t
V4
V6
t
4) 脉冲控制角=120° VS1 VS3 VS5
e
ea
eb
ec
1
3
5
ea
eb
ec
V Rf
ug
V4
V6
V2
7
Ud
1
2
6
ea
ecdt
uL
6
3
2.3E 41c2os1.3E 5l1c2os
输出电压波形不连续，各整流元件导通时间小 于120。
t
Ea
sin
t
2 3
d
t
62 2
E a
cos
t
cos
t
2 3
2
6
2.34 E a
1.35 E ab
二）三相桥式半控整流电路
ea
VS1
eb ec
V4
VS3
VS5
V6
V2
V
Rf
1 工作原理
如图所示，整流二极管V2、V4、V6共阳极连接，晶闸管VS1、VS3、VS5共阴极连接，V为续流二 极管。在电路中仅在桥的一侧用可控的晶闸管，故称为半控整流桥。 三个晶闸管的导通顺序与三相电源相序的顺序相同为VS1、VS3、VS5。因为是三相电源，所以触发 脉冲间相位也依次相差120。
1 他励交流励磁机静止整流器励磁系统
交流副励磁机
起励 电源
交流励磁机
交流发电机
AE
G
VSR 滑环
自
励
恒
压
调
触发器
节
器
可控整流器
励磁调节器
放大器
电压检测
调差
发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流器VSR供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整 流器供给，其电源由副励磁机提供。
2 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)
e
ea
eb
ec
1
3
5
1
t
2
4
u
6
2
t ab ac bc ba ca cb ab ac bc
16 12 32 34 54 56 16 12 32
2 输出电压 负载电压时线电压波形的包络线，以2π/6为其脉动周期，输出空载电压平均值
U 6
2
2
ea
eb
d t
6
6
2
2 6
2 E a
sin
上、下两组晶闸管必须各有一只晶闸管同时导通电路才能工作，六只晶闸管的导通顺序应为1，2， 3，4，5，6。它们的触发脉冲相位依次相差60
AE VS
G
滑环
TR
TV
AVR
电压起励 元件
自动恒压 元件
起励电源
发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁一般采用晶闸 管自励恒压方式。励磁调节器AVR直接控制晶闸管整流装置。
4 自励交流励磁机静止硅整流器励磁系统
AE V
G
滑环 VS
电压起励 元件
励磁调节器
起励电源
PGmax*
0.75
0.70
K=4
0.65
K=2
0.50 K=1
0.35
K=1
0 0.2 0.4 0.6 0.8
PGmax*
Te=0.1S 0.75
0.70
0.65
Te=0.8S
0.50
Te(s)
0.35
K
01234
4 改善电力系统的运行条件
U(%)
1）改善异步电动机的自起动条件 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
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 同步发电机的空载电动势的大小
发电机的励磁电流 一 励磁自动控制系统构成
励磁功率单元 励磁调节器
控制同步发电机的 励磁
G 发电机
电力系统
同步发电机的励磁系统
二 同步发电机励磁控制系统的任务
1. 电压控制 2. 控制无功功率的分配 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 5. 对水轮发电机组实行强行减磁
这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机 本身提供，故又称为发电机自并励系统。
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 组或励磁机的励磁绕组。
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
1 ） 励磁对静态稳定的影响
GG
升压变压器
Eq
输电线
Xd
UG
XT
降压变压器
系统
U
U
PG
EqU X
sin
P
P
PG
UGU X
sin
内功率特性
外功率特性
2） 励磁对暂态稳定的影响 P
c
a
d
PG0
F
31
2
b
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。
1） 脉冲控制角=0
e
ea
eb
ec
1
3
5
3
t
2
4
6
ug
ug1
ug3
ug5
t0 t1 t2
t
ab ac bc ba ca cb ab ac bc
u
16 12 32 34 54 56 16 12 32
1 1 33 5 5 1 1 3
6 2 24 4 6 6 2 2
t
2）脉冲控制角=30° VS1 VS3 VS5
三 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。
1）他励交流励磁机励磁系统
❖ 他励交流励磁机静止整流器励磁系统 ❖ 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)
2）自励交流励磁机励磁系统
✓ 自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统 ✓ 自励交流励磁机静止整流器励磁系统
5 水轮发电机组要求实行强行励磁
120 100 80 60 40 20 0
t(s)
0 10 20 30
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。
行条件； 5）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 6）要求能长期可靠地工作。
2 对励磁功率单元的要求 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
1）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。 2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度
励磁顶值电压：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。
一 ） 三相桥式不可控整流电路
V1 ea eb ec
V3
V5
V4
V6
V2
H+
Rf
L -
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。
2 输出电压与控制角关系
结论：
1） 2 6
时，输出波形连续，周期为2π/3
2） 2 时，输出波形不连续，周期为2π/3
6
三相半控整流电路输出电压与控制角α的关系式为：
U d2 .3E 4 1c 2o s 1 .3E 5 l 1c 2o s
3 失控现象和续流二极管的作用
强励倍数：励磁顶值电压与额定励磁电压之比称为强励倍数。 或励磁顶值电流与额定励磁电流之比。一般取1.6~2
励磁电压上升速度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标 励磁电压响应比：通常将励磁电压在最初0.5S内上升的平均速度定义为励磁电压响应比。它粗略反映 励磁系统的动态指标
第二节 同步发电机励磁系统 同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源，为满足正常运行要求，发电机励磁电源必须具备 足够的调节容量，且有一定的强励倍数和励磁电压响应速度
一 励磁系统的历史 直流励磁机励磁系统 换流困难
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)
二 直流励磁机励磁系统（100MW以下）
按励磁机的励磁绕组供电方式 的不同
➢ 自励直流励磁机励磁系统 ➢ 他励直流励磁机励磁系统
2
4
=120°
ug5
ug1
t0 t3 t4
VS5
VS
1
V6
V2
t 6
ug3
ug5
t VS 3
V4
t
5) 脉冲控制角=180° VS1 VS3 VS5
ea eb ec
V4
V6
V2
V Rf
e
ea
eb
ec
1
3
5
t
=180° ug
ug5
ug1
ug3
t
uL t
各相触发脉冲都在负侧自然换相点出现，晶闸管因正向电压为零而不能导通，输出平均电压为零。
eb
ec
V Rf
e
ea
eb
ec
1
3
5
t
V4
V6
V2
ug
U d21 6 56 eaebdt5 5 6 6 eaecdt
3
2.3E 41c2os1.3E 5l1c2os
uL
电路受触发的晶闸管和最低电压相的二极管导通。 各元件持续导通时间仍为120，输出电压仍以2/3 为周期。
=60°
ug1
t0 t2
1 电压控制
GEW
UG IG
IEF
G
Eq
IP
UG
IQ
IG
UG
IG
Eq
UG
Eq UG jIG X d
Eq cos UG IQ X d
Eq UG IQ X d
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
IQ
IQ1
IQ2
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。
永磁副励磁机
旋转元件
N
S
AE
交流发电机 G
晶闸管整流器
励磁调节器
它的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。
3 自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统
1 自励直流励磁机励磁系统
IEE
IR
DE =
IE
G
IAVR
R
励磁调节器
发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻R可改变励磁机励磁电流
2 他励直流励磁机励磁系统
IR
PE =
IAVR
IEE
DE =
IE
G
励磁调节器 他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机
发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置V供给，半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS， 以达到调节发电机励磁的目的。增加了交流励磁机自励回路环节
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四 静止励磁系统 (发电机自并励系统) VS G
滑环
电压起励 元件
励磁调节器
起励电源
静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装 置。
e
ea
eb
ec
1
3
5
t ea
eb ec
V4
V6
V2
V Rf
ug
=30°
ug1
ug3
ug5
t0 t1
t
VS5
VS1
VS3
VS5
uL
V6
V2
V4
V6
U d21 6 2eaebdt2 56 eaecdt
3
2.3E 41c2os1.3E 5l1c2os
t
3）脉冲控制角=60° VS1 VS3 VS5
ea
VS1 VS3 VS5
ea eb ec
V4
V6
V2
V Rf
+ (-)
ea
VS1
ec
V
- (+)
V2
e
1
3
5
ug ug5
ug1
ug3
t3 t4 t5
VS5
VS
VS
uL
1
3
V6
V2
V4
t ug5
t
t
二 三相桥式全控整流电路
ea
VS1
VS3
VS5
L eb
ec
R
VS4
VS6
VS2
1 工作原理
六个整流元件全部采用晶闸管，VS1、VS3、VS5为共阴极组连接，VS2、VS4、VS6为共阳极连 接。共阴极组、共阳极组的晶闸管皆需由触发脉冲控制换流。
2 控制无功功率的分配
IG G
UG =Constant Eq
IP
UG
IQ
IG
PG UGIG cos constant
PG
EqUG Xd
sin
constant
发电机励磁电流的变化改变了机组的无功功率 和功率角的大小。
IG cos constant
Eq sin constant
调节与无限大母线并联运行的机组的励磁电流可以改 变发电机无功功率的数值。
三 对励磁系统的基本要求
1 对励磁调节器的要求
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：
1）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； 2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率； 3）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； 4）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