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1、第四章 励磁自动控制系统的动态特性 第一节 概述 第二节 励磁控制系统的传递函数 第三节 励磁自动控制系统的稳定性 第四节 励磁自动控制系统对电力系统稳定性的影响 1.概述 励磁控制系统动态特性的指标 上升时间tr 超调量 发电机端电压的最大瞬时 值与稳态值之差对稳态值之比的百 分数。 调整时间ts 输出量与稳态值之差达到并 不再超过某一允许误差范围的时间(通常取 稳态值的5%或2%） 从稳态值10%上升到90% 或从5%上升到95%或从0 到100%的上升时间。 1.概述 大、中型发电机励磁基本技术条件（GB7409-87）规定 1、空载额定电压情况下： 电压给定阶跃响应为10时，超调发电机
2、电压超调量不大 于阶跃量的50，摆动次数不大于3次，调整时间不超过 10s。 2、同步发电机零起升压： 自动电压调节器应保证端电压超调量不得超过额定值的15 、摆动次数不大于3次、调整时间不大于10s。 第二节 励磁控制系统的传递函数 典型励磁系统的结构框图 一、励磁机的传递函数 他励直流励磁机 励磁电流与励磁机电压是非线性关系，通常采用励磁机的饱和特性曲线计 及其饱和影响。气隙特性的斜率是1/G. 饱和函数- 恒速下电压与气隙磁通成正比 漏磁通与气隙磁通成正比 C为常数，(1+c)定义为分散系数，一般假设为常数 他励直流励磁机传递函数框图 他励直流励磁机规格化框图 交流励磁机的传递函数 交流
3、励磁机等效电路 交流励磁机I型模型等效框图 适用于励磁电压响应比较低的励磁系统，强励 时交流机电压的变化比较缓慢。 Te:励磁机不饱和时间 常数 TE:励磁机时间常数，随 励磁机饱和程度变化 SE 不仅考虑空载饱和系数，还包括励磁 机电枢反应和整流换弧压降的效应。 高响应比的励磁系统 应用I型模型不合适，用AC-I模型。 主要区别： 对饱和系数SE、电枢反应KD、整流器换弧压降KC分别考虑，且SE只计及空载 饱和因素。由于SE 、 KD、 KC分别考虑，并引入了发电机励磁电流 IEF,所以能 更恰当地反映交流励磁机的电磁关系。 交流励磁机AC-I 模型框图 二、励磁调节器各单元的传递函数（模拟
4、式） 电压测量比较、综合放大、功率放大等环节构成。 （一）电压测量比较单元的传递函数 考虑延时，用一阶惯性环节来近似描述。 时间参数TR是由滤波电路引起的， 数值一般为0.02s0.06s之间。 （二）综合放大单元的传递函数 传递函数一般可视为放大系数为KA的一阶惯性环节（电 磁型）。对于运算放大器TA可近似为零。 放大器的输出电压有工作范围，故输出有一定限制。 （三）功率放大单元的传递函数 电子型励磁调节器的功率放大单元为晶闸管整流器。 输出与控制信号存在着时滞。 m:整流电路控制的相数 F：电源频率 四、励磁控制系统的传递函数 发电机 测量单元 综合放大单元 励磁机 我国采用较多的励磁系统
5、模型。 1 交流励磁机系统（采用可控功率整流器） 2）、 3）调节器测量滤波部分 4） 综合放大和移相触发部分 5） 限制部分 1）超前滞后网络部分 1 交流励磁机系统（采用不控功率整流器） 2） 3）调节器测量与调差部分 4） 综合放大和移相触发 5） 限制部分 6） 7） 9） 组成他励式励磁机环节 10）功率整流部分 8） 发电机励磁电流软反馈部分 1）超前滞后网络部分 2 静止励磁机系统 与采用可控硅整流器的交流励磁机励磁系统的传递函数基本相同 2）、 3）调节器测量滤波部分 4） 综合放大和移相触发部分 5） 限制部分 1）超前滞后网络部分 第三节 励磁控制系统的稳定性 对任一线性自
6、动控制，求得传递函数后，可根据特征方程 式，按照稳定判据来确定稳定性。 根轨迹是较为有用的方法，能迅速地获取近似的结果。 为了得到高阶系统动态特性的精确结果，可列出状态方程 ，直接求取系统的特征值。 随着计算机技术的发展，这种方法已得到了广泛的应用。 根轨迹法 所谓根轨迹法，就是用图解的方法确定出闭环特 征根的一种方 法。 先在复数平面上画出系统某一参数的全部数值下 的特征方程的所有根，即根轨迹。 然后用图解的方法确定出该参数某一特定数值时 的闭环特征根。从而分析出系 统所具有的性能。 或反之，在根迹上先确定出符合系统性能要求的 闭环特征根。 从而用图解的方法求出相应的系统应具有的参数 值。
7、1 根轨迹连续性、对称性 根轨迹是连续的，并且对称于实轴 2 根轨迹的起点，终点及条数 根轨迹的n条分支从n个开环极点出发，其中m条 最终趋向m个开环零点，另外n-m条趋向远处 3 实轴上有根轨迹的线段 在实轴上的线段上存在根轨迹的条件是，其右边开环 零、极点数目之和为奇数 4 根轨迹渐近线的相角 n-m条渐近线的相角为 5 根轨迹渐近线的交点 n-m条渐近线交点的坐标为 6 根轨迹的分离点 根轨迹的分离点必须满足方程式 7 根轨迹的出射角和入射角 出射角 入射角 8 根轨迹与虚轴的交点 以s=j代入特征方程式求解或利用劳斯判据确定 典型励磁控制系统的稳定计算 根轨迹与与虚轴的 交叉点 根轨迹
8、在实轴上的分离点 根轨迹渐近线与实轴的交点 和傾角 -25 -1.45 -0.12 为三个极点 系统的动态特性不理想，随着闭环回路增益 提高，轨迹变化将趋向转入右半平面。 为改善控制系统稳定性需限制调节器的放大 倍数，这与系统调节精度要求矛盾。要加 校正环节才能适应稳定性要求。 二、励磁控制系统空载稳定性改善 通常用电压速率反馈环节提高励磁控制系统的稳定性。将励磁系统输出电 压微分后，再反馈到综合放大器的输入端。这种并联校正的微分复反馈网络 为励磁系统稳定器。 在发电机转子电压处增加一条电压速率负反馈回路。 开环传递函数的根轨迹图 三、励磁系统稳定器电路 改变电位器R1、R3（同轴且阻值相等）
9、，可改变微分时间常数，改变R5可改变 励磁稳定器的增益。 一级微分放大器 励磁机磁场电流 第4节 励磁自动控制系统对电力系统 稳定的影响 一、 励磁控制对电力系统静态稳定的影响 1）励磁提供负阻尼分析 2）电力系统低频振荡 二、改善电力系统稳定性的措施PSS 1）电力系统稳定器原理 2）电力系统稳定器的实现 一、励磁控制对电力系统静态稳定的影响 1）励磁提供负阻尼分析 同步转矩：由定子绕组和气隙磁通的基波分量在同步转速的情况下相 互作用而产生的转矩。 阻尼转矩：由于定子绕组磁场有了相对运动，产生转速增量，因而在 转子绕组、阻尼绕组中感应电流而产生的转距。 转速超前功角90度 同步转矩与功角同相
10、位 阻尼转矩与转速同相位 励磁系统提供负阻尼的分析 1）定性分析（矢量分析） 2）定量分析 (复转矩系数法） 首先建立系统的传递函数表达式，然后将S用j 代替，重新整理得到传递函数的表达式，含j 为阻尼转矩分量，不含为同步转矩分量，可算出两个分量的大小。 发电机原 同步转矩 2）电力系统低频 在电力系统联系薄弱、重负荷工况，且发电机采用快速高放 大倍数的励磁系统时，电力系统可能发生低频振荡 发电机转子的相对摇摆 振荡频率大约在0.12.5Hz之间 机电振荡 励磁调节器提供负阻尼的原因： 2、改善电力系统稳定性的措施PSS PSS抑制低频振荡原理矢量分析 在未装电力系统稳定器之前，电磁转距位于第
11、四象限，所以发生负阻尼现象，系统不 稳定。如果在励磁系统只输入一个与 同相位的信号，则将产生一个正的几乎与 同 相位的电磁转距。总的电磁转距，在第一象限内，说明负的阻尼转距得到补偿，系统 趋向稳定。 PSS框图 带有电力系统稳定器（PSS）励磁系统发电机联合框图 电力系统稳定器电路简介 机组轴上 的磁阻变 换器产生 比例于轴 转速的电 压信号。 用于无刷励磁系统，它采用转速信号 。 是一分 频器， 将 3000HZ 输入信 号转换 成50HZ 方波 转换成 与转速 偏差成 比例的 稳定信 号 滤波器 将机组 转轴扭 振频率 干扰滤 除 具有两 个可独 立整定 时间的 调节环 节补偿 励磁控 制的时 滞 提供一 可调增 益，满 足增益 选择的 需要 在放大 信号的 同时对 输出信 号进行 限幅， 当超值 时自动 退出 监视保护 装置当输 出超出预 定值且超 设定时间 ，将稳定 器输出信 号切除 保证装 置只在 产生系 统低频 振荡时 工作， 低频振 荡停止 后，辅 助信号 立即停 止工作 。
