第三章--同步发电机励磁自动控制系统

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1、第三章第三章 同步发电机同步发电机 励磁自动控制系统励磁自动控制系统 第三章第三章 同步发电机同步发电机 励磁自动控制系统励磁自动控制系统 武汉大学 电气工程学院 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 总总 述述 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 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 一一 同步发电机励磁系统的任务同步发电机励磁系统的任务 电 压 控 电 压 控 制制 无 功 分 无 功 分 配配 提 高 稳 提 高 稳 定定 改 善 运 改 善

2、运 行 条 行 条 件件 强 行 减 强 行 减 磁磁 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 一 电压控制 一 电压控制 qGGd EUjI X 等值电路 相量图 G GEW UEF IEF UG IG xd Eq UG IG IP UG IQ IG j IG xd Eq G j IQ xd 运行原理 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 电压控制电压控制 隐极发电机隐极发电机 dQGGq XIUE cos dQGq XIUE 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

3、端电压为给定水平的 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 二 控制无功功率的分配 1 同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 无论励磁电流如何变化 发电机的有功功率均为常数 即 由此可见 与无限大母线并联运行的机组 调节它的励磁 电流可以改变发电机无功功率的数值 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务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

4、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 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 2 并联运行各发电机间无功功率的分配 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 当母线电压为UM1时 IQ IQ1 IQ2 无功负荷增加 母线电压降到UM2时 I Q I Q1 I Q2 显然 IQ1 IQ2 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务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 sin X UE P q G 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理

5、发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 三 提高同步发电机并联运行的稳定性 励磁自动控制系统是通过改变励磁电流IEF从而改变空载电动势Eq 值来改善系统稳定性的 1 励磁对静态稳定的影响 X 系统总电抗 一般为发电机 两变压器 输电线电抗之和 发电机空载电动势Eq和受端电压U间的相角 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机的输出功率 sin sin LG Ld qq G XX UE X UE P 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 提

6、高并联运行的稳定性 ab c 同步发电机的功角特性 最大可能传输的功率极限为 X UE P q m 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 1 无自动励磁调节时 励磁电流恒定 此时 的功角特性称为内功率特性 按图中曲线A运行 2 如发电机具有灵敏快速和调节准则 能使机端电压恒 定 发电机的功率特性可表示为 称为外功率特性 功率极限 发电机功角 按图中曲线B运行 3 如发电机具有快速按电压偏差比例调节的励磁调节器 时 则发电机的功率特性近似按 传输功率极限 为 按图中曲线C运行 常数 q E L L G G X U

7、U P sin L G m X UU P 9090 G 常数 E X UE Pm 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 2 励磁对暂态稳定的影响 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 功角特性曲线I 对应于故障前双回线运行 功角特性曲线II 对应于一回线故障时的运行状况 功角特性曲线III 对应于故障切除后一回线运行 加速面积abce小于减速面积defg 系统是暂态稳定的 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第一节第一节 概概 述述 故障期间和故障切除后 励磁系统施加的作用是力图 促使发电机的内电动势Eq上升而

8、增加电功率输出 使 Pmax增加 功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增 加 既减小了加速面积 又同时增加了减速面积 快速响应 缩小励磁系统的时间常数 提高强行励磁的 倍数 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 强行励磁以改善电力系统运行条件 1 1 改善异步电动机的自启动改善异步电动机的自启动 2 2 为异步发电机运行创造条件为异步发电机运行创造条件 3 3 提高继电保护工作的准确性提高继电保护工作的准确性 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 发电机励磁系统的任务发电机励磁系统的任务 水轮发电机强行减磁水轮发电机强行减磁 当

9、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 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 对励磁系统的要求对励磁系统的要求 二 对励磁系统的基本要求二 对励磁系统的基本要求 一 对励磁调节器的要求 一 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 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率 为此 励 磁调节器应保证同步发电机端电压调差

10、系数可以在10 以内进行调整 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 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 对励磁系统的要求对励磁系统的要求 二 对励磁功率单元的要求 二 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 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求 二 电压响应比二 电压响应比 电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢 通 常将励磁电压在 电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢 通 常将励磁电压在最初最初0

11、5秒内上升的平均速率秒内上升的平均速率定义 为 定义 为励磁电压响应比励磁电压响应比 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 转子磁通增量 转子磁通增量 G 正比于励磁电压伏秒曲线下 的面积增量 励磁电压响应比励磁电压响应比可以定义为 式中 U bc 图中bc段电压标么值标么值 一般Ua为额定工况下的励磁电压 则 为 强励倍数强励倍数 maxEF a U U 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 励磁系统电压响应时间 励磁系统电压响应时间 指在发

12、电机励磁电压为 额定励磁电压时 从施 加阶跃信号起至励磁电压 达到最大励磁电压与额定 电压之差的95 所花费的 时间 励磁系统电压响应 时间为0 1s或更短的励磁 系统 称为高初始响应励 磁系统 高初始响应励 磁系统 对励磁功率单元的要求对励磁功率单元的要求 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 对励磁系统的要求对励磁系统的要求 维持电压水平和无功的合理分配维持电压水平和无功的合理分配 控制能力和调节范围控制能力和调节范围 快速反应能力快速反应能力 高度的可靠性高度的可靠性高度的可靠性高度的可靠性 快速性快速性快速性快速性 结构简单 易于维护结构简单 易于维护 足够的阻尼能力足够的阻

13、尼能力 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 同步发电机励磁系统类型同步发电机励磁系统类型 励励 磁磁 系系 统统 励励励励 磁磁磁磁 系系系系 统统统统 直流励磁直流励磁直流励磁直流励磁 机机机机 交流励磁交流励磁交流励磁交流励磁 机机机机 静止励静止励静止励静止励 磁磁磁磁 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第二节第二节 同步发电机励磁系统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同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源直流电源 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统 一 直流励磁机励

14、磁系统一 直流励磁机励磁系统 一 自励直流励磁机励磁系统 一 自励直流励磁机励磁系统 发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电 调整励磁机磁场电阻 可改变励磁机励磁电流 二 他励直流励磁机励磁系统 二 他励直流励磁机励磁系统 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 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统 1 自励直流励磁机励磁系统 自励直流励磁机励磁系统 IEE IRC IAVR 从IRC的角度看 属自励方式 IEE中IAVR只占一部 分 使励磁调节器的容量得到减小 特别适合功 率放大系数较小 由电磁元件组

15、成的励磁调节器 励磁调节器 EW DE EEW TV IEE IAVR IRC RC励磁机磁场 电阻 G Rc 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 2 他励直流励磁机励磁系统 PE DE和G同轴 励磁单元的时间常数仅为励 磁机励磁绕组 EEW 的时间常数 与自励方式 相比 时间常数减小了 即提高了励磁系统的电 压增长速度 这种方式一般用于水轮发电机组 励磁调节器 EW DE EEW TV IEE IRC RC PE IAVR G 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 二 交流励磁机励磁系统二 交流励磁机励磁系统 因直流励磁机有电刷 整流环 容量不能制造得很大 故 近代10

16、0MW的发电机都采用交流励磁机系统都采用交流励磁机系统 交流励磁机的容量相对较小 只占发电机容量的0 3 0 5 交流励磁机一般采用他励方式他励方式 有交流主励磁机和交流副 励磁机 其频率都大于100HZ 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 二 交流励磁机励磁系统二 交流励磁机励磁系统 一 他励交流励磁机静止整流器励磁系统 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 AE起励电压较高 依靠剩磁无法起励 须外加起励电源 直至AE的 输出电压足以使自励恒压元件正常工作时 起励电源方可退出 AE的励磁采用可控硅自励恒压方式 它总是工作于顶值电压 因而AE 容量较大 AVR为半导体励磁调节器 时间常数很小 响应速度快 缺点 加长了发电机主轴长度 副励磁机和自励恒压调节器的故障均 可使发电机组失磁 解决办法之一 副励磁机以永磁发电机充当 当发电机容量增大后 转子电流相应增大 给滑环的正常运行和维护 带来困难 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动装置原理 第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统 二 无刷励磁系统 二 无刷励磁系统 电力系统 自动装置原理 电力系统 自动