发电机励磁系统基础理论教材

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1、发电机励磁系统 基础理论,大唐集团发电机励磁专业培训,本课程主要内容,第一章：发电机励磁系统的任务 第二章：同步发电机励磁系统类型 第三章：励磁系统中转子磁场的建立和灭磁 第四章：励磁控制系统的调节特性和并联机组间的无 功分配 第五章：励磁调节装置原理 第六章：励磁自动控制系统的动态特性,参考教材,电力系统自动装置原理 杨冠城 主编 中国电力出版社 电力系统自动化 李先彬 主编 中国电力出版社,与励磁系统相关的专业知识,电力系统分析 电机学 自动控制原理,第一章 发电机励磁系统的任务,概 述,同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。 励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电

2、流，即励磁电流。 励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。 整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。,概 述,图1.1 励磁系统结构框图,发电机励磁系统的任务,发电机励磁系统的任务,电压控制,等值电路,相量图,GEW,xd,G,发电机励磁系统的任务,一、电压控制,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（IEF对应 Eq）。,同步发电机的外特性（图）,发电机励磁系统的任务,图1.2 同步发电机的外特性,发电机励磁系统的任务,同步发电机的外特性是下降的。当励磁电流IEF一定时，发电机端电压UG

3、随着无功负荷增大而下降。 同步发电机的励磁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。,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,.,改变功角,改变无功,发电机励磁系统的任务,二、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。,发电机励磁系统的任务,二、控制无功功率的分配 在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大母线，母线电压将随着负荷波动而改变。电厂输出无功电流与它的母线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。因此同步发

4、电机的励磁自动控制系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。 讨论：励磁系统是否完全不影响有功调节？,发电机励磁系统的任务,三、提高发电机并联运行的稳定性 静态稳定: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. 暂态稳定: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者恢复到原来运行状态的能力. 动态稳定:电力系统受到小的或大的扰动后,计及自动调节和控制装置作用的长过程的运行稳定稳定称为动态稳定.,发电机励磁系统的任务,三、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,发电机励磁系统的任务,三、提高并联运行的稳定性,

5、a,b,c,图 同步发电机的功角特性,最大可能传输的功率极限为,发电机励磁系统的任务,三、提高并联运行的稳定性,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。另外，当系 统联系较弱时，PSS可以抑制低频振荡。,内功角特性：无自动励磁调节器，Eq为常数。,外功角特性：有自动励磁调节器，恒Ug，Eq变化。,发电机励磁系统的任务,2、励磁对暂态稳定的影响,三、提高并联运行的稳定性,发电机励磁系统的任务,发电机励磁系统的任务,没有励磁调节器的情况下（Eq保持不变）暂态过程： 线路II发生短路（电压降低，输送功率减小） 线路II故障切除（输送功率增加，

6、但仍小于正常情况） 线路I单独供电,发电机励磁系统的任务,三、提高并联运行的稳定性,2、励磁对暂态稳定的影响,图 发电机的暂态稳定等面积法则,发电机励磁系统的任务,如果在摆动过程中故障切除，则跳到曲线III上运行，此时输送的极限功率小于曲线I。 如果励磁系统装设自动调节器，则在故障II短路时增加励磁，这时不但减少了加速面积，而且还增大了减速面积。 当往回摆动时，调节曲线，减少减速面积，减少回程振幅。,发电机励磁系统的任务,三、提高并联运行的稳定性 2、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，同样可以改善电力系统的暂态稳定性。 要求励磁系统首先必须具备

7、快速响应的条件: 一方面缩小励磁系统的时间常数, 另一方面要尽可能提高强行励磁的倍数（同样的时间，曲线更陡）.,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,发电机励磁系统的任务,对励磁系统的基本要求,对励磁调节器的要求 1、对励磁调节器的要求： 1.1、电压静差率，半导体1%。（规程） 1.2、电压调差率，10%。 1.3、连续调节，没有失灵区。 1.4、能迅速反应系统故障，具备强励等功能。 1.5、具有较小的时间常数。 1.6、长期可靠工作。,对励磁系统的基本要求,2、对励磁功率单元的要求 2.1、足够的容量，N-1冗余配置。 2.2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。 强

8、励倍数，励磁电压响应比。 高起始响应励磁系统（励磁电压响应时间为0.1S 或更短的励磁系统，快速励磁系统）。,第二章 同步发电机 励磁系统类型,同步发电机励磁系统类型,励 磁 系 统,同步发电机励磁系统类型,同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源,同步发电机励磁系统类型,一、直流励磁机系统 过去常用的一种励磁方式。靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只用在10万KW以下小容量机组中采用。 （一）、自励直流励磁机系统（见图3.13） 发电机转子由专用的直流励磁机供电，调整励磁机磁场电阻改变励磁机励磁电流。,同步发电机励磁系统类型,（二）、他励直流励磁机励磁系

9、统（见图3.14） 他励直流励磁机励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多了一台励磁机。 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绕组的时间常数，与自励方式相比，时间常数减少了，即提高了励磁系统的电压增长率。,同步发电机励磁系统类型,直流励磁机有电刷、整流子等转动接触部件，运行维护繁杂，从可靠性来说，它又是励磁系统中的薄弱环节。 讨论：IGBT管在励磁系统中的应用。 （整流+IGBT，直流励磁机+IGBT）,同步发电机励磁系统类型,二、交流励磁机励磁系统 交流励磁机系统用在100MW以上机组，同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流器整流后供给发电机转子。

10、交流励磁机频率一般为100HZ或更高（整流波形更好）。 调节器控制不同的可控硅，可控硅容量区别大，但响应时间也差别大！,同步发电机励磁系统类型,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有多种方式。 （一）、他励交流励磁机励磁系统 交流励磁机备有他励电源中频副励磁机或永磁副励磁机。交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可以分为下列两种方式：,同步发电机励磁系统类型,1、交流励磁机静止整流器励磁系统,同步发电机励磁系统类型,特点： 1、交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。 2、交流励磁机时间常数较大

11、，为了提高励磁系统快速响应，励磁机转子采用叠片结构，以减少其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100HZ或150HZ，与相同尺寸的50HZ实心转子相比，励磁机时间常数减少约一半。交流副励磁机励磁机频率为400500HZ（采用转子电压负反馈，并联校正）。,同步发电机励磁系统类型,特点： 3、同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房的长度增加，因此造价较高。 4、仍有转动部件，需要一定的维护工作量。 5、副励磁机一般采用永磁机，可靠性高。,同步发电机励磁系统类型,2、交流励磁机旋转整流器励磁系统（无刷励磁）,同步发电机励磁系统类型,2、交流励磁机旋转整流器励磁系统 （无

12、刷励磁） 永磁副励磁机：磁极旋转，电枢静止。 交流励磁机：磁极静止，电枢旋转。 发电机：磁极旋转，电枢静止。,同步发电机励磁系统类型,同步发电机励磁系统类型,（二）、自励交流励磁机励磁系统 1、自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统（见图 3.17），与图3.15相比励磁机容量要大。 2、自励交流励磁机静止整流器励磁系统 （见 图3.18） 与他励相比励磁电源从本机获得（少了一个励磁机）但时间常数较大。 1、2两种方式可控硅容量和时间常数不一样。,同步发电机励磁系统类型,三、静止励磁系统（发电机自并励系统）,同步发电机励磁系统类型,自并励：Ug=k*V*Efd，Efd=k*V 三机系统： Ef

13、fd=k*V, Efd=k*Effd=k*k*V*V,同步发电机励磁系统类型,（4）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。 讨论：自并励系统的稳定性。 （近端短路，正反馈，阻尼，短路电流等， 转子时间常数，0.5s） 相复励,水电厂优先采用，机轴的问题。,励磁系统的整流电路,整 流 电 路,励磁系统的整流电路,三相桥式不可控整流电路 1、任何时刻都是阳极电压最高和阴极电压最低的两个二极管处于正向电压而导通，其他四个二极管受到反向电压而不能导通。 2、每个二极管导通120度，每对二极管导通60度。 3、在自然自然换相点导通，相当于0度导通。

14、 4、输出电压 Ud=1.35Eab,励磁系统的整流电路,三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路 1、当控制角60度时，如果是电感负载，波形出现负的部分。 3、当控制角90度时，逆变状态，输出电压为负。,励磁系统的整流电路,三相桥式全控整流电路 5、输出电压U=1.35Eabcos 6、因交流回路存在电感，电流不能突变，有换流过程。 7、最小逆变角，=180度时，容易逆变颠覆，晶闸管因连续导通而烧毁。考虑一定裕度，150155度。,第三章 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,磁场建立过程中两个重要的指标： 强励顶值（转子励磁电压的最大值）与响应比（磁场建立的速度

15、）。 一、强励作用及继电强行励磁 1、强励作用：当系统发生短路性故障时。有助于继电保护的正确动作；有利于电动机的自启动。 2、继电强行励磁,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,二、电压响应比 电压响应比反应磁场建立的速度。,图 转子回路图,说明转子磁场的建立与端电压的函数密切相关，电压上升越快，磁场建立越快。,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,图 电压响应比,强励倍数：Ud/Ua，Ua为额定励磁电压。提高励磁顶值电压，增加电压响应比。,快速励磁系统0.5s改为0.1s,二、电压响应比：,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,转子回路的灭磁问题 当发电机发生内部故障，在继电保

16、护动作切断主断路器后，还要求快速地熄灭故障点电弧，故障电弧由磁场旋转切割定子绕组产生，熄灭电弧即要消除励磁电源及磁场储能，对灭磁系统的要求： 安全切断发电机的励磁电源； 快速消耗磁场绕组储存的磁场能量；,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,发电机磁场绕组为典型电感+电阻负载：,稳态时（电流不变时）表现为电阻和磁场储能：,灭磁原理,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,E r,假设没有灭磁电阻，断开励磁回路时，转子绕组能量只能消耗在开关触头之间。此时Er=Ldi/dt。因电流衰减太快，转子绕组承受很高的电压。另外，开关触头承受的电压为Ue+Er。由于Er很高，开关S断弧负担很重，造成触头损坏或灭弧时间延长。,励磁系统中转子磁场的建立和灭磁,R f,灭磁时，先合上灭磁电阻，再断开灭磁开关，转子绕组电流按指数曲线衰减（T=L/R），转子内磁场能量几乎全部变成热能，消耗在Rf上。 灭磁过程中，er=U Rf