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1、第三章同步发电机励磁自动控制系统1第一节 概述同步发电机的励磁系统励磁功率单元励磁调节器G发电机电力系统一 励磁自动控制系统构成 控制同步发电机的励磁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2二 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3GIEFUG IGEqIGUGIEF1UGUG2UGeIQIEF2IQ2IQ1EqUGjIGXdIGIQIP负荷中的无功电流是造成Eq和UG幅值差的主要原因。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
2、端电压在给定水平的。1 电压控制GEW4G IGUG =ConstantEqUGjIGXdIGIQIP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。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。2 控制无功功率的分配5静态稳定暂态稳定 电力系统的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。3 提高
3、同步发电机并列运行的稳定性6PP1 ） 励磁对静态稳定的影响内功率特性外功率特性72） 励磁对暂态稳定的影响PPG0bacdF1238PGmax*0.750.700.650.500.3500.20.40.60.8Te(s)K=4K=1K=2PGmax*0.750.700.650.500.3501234KTe=0.1STe=0.8S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。K=191）改善异步电动机的自起动条件 1201008060402000102030t(s)U(%)4 改善电力系统的运
4、行条件3）提高继电保护装置工作的正确性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。 2）为发电机异步运行创造条件5 水轮发电机组要求实行强行励磁10三三 对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求 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 对励磁调节器的要求1）系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电
5、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。 112 对励磁功率单元的要求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 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
6、值。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1.62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12第二节 同步发电机励磁系统一 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）静止励磁系统 (发电机自并励系统)为缩短主轴长度，降低造价，减少环节。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
7、响应速度13二 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 1 自励直流励磁机励磁系统 =G励磁调节器IAVRIEEIRIE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DER142 他励直流励磁机励磁系统G励磁调节器IEEIR=IE=IAVRPEDE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15三三 交流励磁机励磁系统（交流励磁机励磁系统（100100MWMW以上）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
8、磁机励磁系统v他励交流励磁机静止整流器励磁系统v他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁) 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 2）自励交流励磁机励磁系统161 他励交流励磁机静止整流器励磁系统G自励恒压调节器放大器触发器电压检测调差励磁调节器交流发电机交流励磁机交流副励磁机可控整流器滑环起励电源VSR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。AE172 他励交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁) G励磁调节器交流发电机旋转元件永磁副励磁机晶闸管整流器NS它的副励磁机是永磁发
9、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。AE183自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统G AVR 滑环自动恒压元件电压起励元件VSAE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。TRTV194自励交流励磁机静止硅整流器励磁系统G 励磁调节器滑环电压起励元件VAE起励电源VS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
10、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20四 静止励磁系统 (发电机自并励系统)G 励磁调节器滑环电压起励元件VS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。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。21第三节 励磁系统中的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 一一 三个基本整流电路三个基本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
11、或励磁机的励磁绕组。 一一 ） 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路+-RfeaebecV1V3V5V4V6V2HL22eaecebteabac bc ba ca cbab acbc16 12 32 34 54 56 16 12 32ut1 1 工作原理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。1351
12、2462232 2 输出电压输出电压负载电压时线电压波形的包络线，以2/6为其脉动周期，输出空载电压平均值24RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V二）三相桥式半控整流电路二）三相桥式半控整流电路1 1 工作原理工作原理如图所示，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。25eaecebteugabacbcbacacbabacbc16 123234545616
13、1232tut1）脉冲控制角=0135ug1ug3ug5113355113622446622t0t1t2246326RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V2）脉冲控制角=30euguLttt1 13 35 5=30eaebecug1ug3ug5t0 t127RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V3）脉冲控制角=60uguLtteteaebec=60ug1ug3ug51 13 35 5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。VS5VS1VS3VS5V6V2V4V6t0t228RfeaebecVS1VS3VS5V4V
14、6V2V4)脉冲控制角=120uguLtteteaebec=120ug1ug3ug5ug5输出电压波形不连续，各整流元件导通时间小于120。 1 13 35 52 24 46 6VS5VS1VS3V6V2V4t0t3t429RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2V5)脉冲控制角=180uguLtteteaebec1 13 35 5=180ug1ug3ug5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。302 2 输出电压与控制角关系输出电压与控制角关系时，输出波形连续，周期为2/3时，输出波形不连续，周期为2/3三相半控整流电路输出电压与控制角的
15、关系式为：结论：1）2）313 3 失控现象和续流二极管的作用失控现象和续流二极管的作用uguLttett3 t4 t5RfeaebecVS1VS3VS5V4V6V2VeaecVS1V2V+(-)-(+)ug5ug1ug3ug51 13 35 5VS5VS1VS3V6V2V432二二 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L1 1 工作原理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。上、下两组晶闸管必须各有一只晶闸管同时导通电路
16、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 33若把上面的双窄脉冲连成一个宽脉冲，电路当然也可正常工作，这种触发方式称之为“宽脉冲触发” 2 2 三相桥式全控整流电路触发脉冲的形式三相桥式全控整流电路触发脉冲的形式在晶闸管需导通的区域仅用初始的一个窄脉冲去触发的方式称“单窄脉冲触发” 每个元件除了在各自的换流点处有一个脉冲之外，还在60度电角度之后的下一个导通元件的导通时刻补了一个脉冲。所补的脉冲在电流连续的稳态工作时并不起任何作用，但它却是电路启动及在电流断续时使电路正常工作所不可缺少的，这种触发方式称之为“双窄脉冲触发”。 34euLugttt
17、ugtReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L1 1）脉冲控制角）脉冲控制角 =0 =0 各晶闸管的触发脉冲在它们对应自然换向点时刻发出，输出电压波形与不可控桥的一样，各元件每周导通持续120 。 eaebecug1ug3ug5ug2ug4ug61 13 35 52 24 46 635ReaebecVS1VS3VS5VS4VS6VS2L2 2）脉冲控制角）脉冲控制角 =60 =60 euLugtttugtug1ug3ug5ug2ug4ug62各相正、负侧晶闸管的触发脉冲滞后于自然换相点60 出现eaebec当控制角 60 时，当线电压瞬时值为零并转负值时，由于电感的作用，导通着的晶
18、闸管继续导通，整流输出为负的电压波形，从而使整流电压的平均值降低383 输出电压与控制角关系电感性负载逆变角=180-在 90 时，输出平均电压Ud为正,三相全控桥工作在整流状态，将交流转为直流.90 90是逆变区，负载输出直流平均电压为负值。当180时，负载输出直流平均电压为负最大值。逆变角总小于90 实际上全控桥不能工作在180工况，须留出一定裕度角，否则会造成逆变失控或颠复=180eaebec44第四节 励磁系统调节特性和并联机组间的无功分配 励磁调节器同步发电机励磁功率单元自动手动其它信号UIIE基准励磁系统一 励磁调节器的概念励磁调节器是一个闭环比例调节器。输入量：发电机电压UG输出
19、量：励磁机的励磁电流或转子电流励磁调节器功能：1）保持发电机的端电压不变；2）保持并联机组无功电流的合理分配45IEF=IEEG二 励磁调节器的基本特性1 人工改变Rc值调节励磁电流（以维持其端电压不变）2 比例式励磁调节器G励磁机UGIEEabIEEIEFUG励磁调节器(无自动励磁调节器，人工调节）(有自动励磁调节器，自动调节）RC46基准电压前置放大功率放大测量元件调差元件手动控制励磁机发电机电源电源电源+-励磁调节器励磁调节器手控手控励励磁机磁机发电机发电机3 自动励磁控制系统的构成环节47三三 励磁调节器静态工作特性励磁调节器静态工作特性 1 1 励磁调节器静态工作特性的合成励磁调节器
20、静态工作特性的合成综合放大K2移相触发K3测量比较K1可控整流K4UGUAVRUdeUSMUREF励磁调节器的静态工作特性UdeUGUSMUAVRUGUSMUAVRUde调节器的放大倍数48UGUG1UG2=UGeUG3UG3UG2 UG1IEFIQ0发电机转子电流与无功负荷电流的关系(额定电压附近)2 2 发电机励磁控制系统静态特性发电机励磁控制系统静态特性IQIEE(IEF)ab发电机无功调节特性曲线 IQ49UGIQIQeUG2UG1调差系数励磁调节器中的调差单元可设定不同的调差系数调差系数表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化左边曲线说明发电机带自动励磁调节器后无功电流I
21、Q变动时。电压UG基本维持不变。调节特性稍有下倾。503 3 发电机调整特性的三种类型发电机调整特性的三种类型 UGIQ0当0为正调差系数，其调节特性下倾，发电机端电压随无功电流增大而降低当0为负调差特性，其调节特性上翘，发电机端电压随无功电流增大而上升当=0为无差特性，发电机端电压为恒值。4 励磁控制系统静态特性调整的目的励磁控制系统静态特性调整的目的1)发电机投入和退出运行时，能平稳地改变无功负荷，不致发生无功功率的冲击 2) 保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配。 51123IQ1IQ2IQUG退出运行投入运行移动发电机调节特性的操作是通过改变励磁调节器的整定值来实现的。发电机退出
22、运行：无功电流从IQ1减小到IQ2,调节特性从1平移到2、若继续平移到3，则它的无功电流将减小到0,不会发生无功功率的突变。发电机投入运行：调节特性从3的位置向上移动，使无功电流逐渐增加到运行的要求值。5 5 发电机调节特性的平移发电机调节特性的平移52四四 并联运行机组间无功功率的分配并联运行机组间无功功率的分配1 一台无差调节特性的机组与正有差调节特性机组的并联运行UGIQU1U212IQ2一台无差调节特性的发电机可以和多台正调差特性的发电机组并联运行。但在实际运行中，由于具有无差调节特性的发电机将承担无功功率的全部增量，机组间无功功率的分配很不合理，这种运行方式很少采用。（一） 无差调节
23、特性1）移动第二台发电机特性曲线，可改变发电机之间无功负荷的分配2）如果需要改变母线电压，可移动第一台机组特性曲线53UGIQ不能稳定运行（二）一台无差调节特性的机组与负有差调节特性机组的并联运行具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的54UGIQU2U1（三） 两台无差调节特性的机组并联运行不能并联运行55（四） 正调差特性的发电机组的并列运行UG2 UG1 IQB1IQA1IQB2IQA2ABUGIQ机组A和机组B分别承担一部分增加的无功负荷，机组间无功电流的分配取决于各自的调差系数56UG2UG0IQeUG UG NIQIQ2U IUG2 UG1 IQB1IQA1IQB2IQA
24、2AB当母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比，而与电压整定值无关 57结论UGIQUGIQUGIQU1U2与正调差调节特性的机组的并列运行与负调差调节特性的机组的并列运行1)一台无差调节特性的机组与有差调节特性机组的并联运行不能很少采用具有负调差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行不能2)两台无差调节特性的机组的并联运行例题分析见例题分析见72-7358机电型电压(励磁)调节器电磁型励磁调节器半导体励磁调节器数字式电压调节器按调节原理来划分励磁调节器反馈型励磁调节器：按被调量与给定量的偏差进行调节，使被调量接近于给定值，因此能较好地维持电压水平。 补偿型励磁
25、调节器：补偿某些因素所引起被调量的变动，使被调量维持在所要求的定值附近。 第五节 励磁调节装置原理一一 励磁调节器的发展及分类励磁调节器的发展及分类 59（一）测量比较单元（一）测量比较单元电压测量环节原理图作用：测量发电机电压并变换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。测量比较单元由电压测量、比较整定环节组成。1 1 电压测量电压测量电压测量是将机端三相合成电压降压、整流、滤波后转换成一正比于发电机电压 的直流电压 602 2 比较整定电路比较整定电路直流电压 与来自电压整定器 的给定电压进行比较，取得偏差信号 ，送综合放大单元。 加法器输入量： 其中: 是取自稳压管VZ的
26、恒定负电压 是可变的整定电压 比较整定电路(a)原理电路；(b)输出特性61设 则： 其中 特性为所示。设 则：其中 特性向右平移，如图中虚线所示。因此调节电位器 可改变发电机整定电压的作用。 将各通道增益进行归算：其中 可见，整定电压 随 而变化 623 3 比较整定电路的整定比较整定电路的整定当整定电压 随 变化时，而固定电压 与调节器最小整定电压值有关。具体调节为： 电位器R5用作最小电压整定（改变 ），其阻值减小，发电机运行电压下限降低；阻值增加，电压下限升高。整定时，只有固定部分经R9输入运放，变动部分无输入（端子19接0V），模拟输入机端电压为预定下限电压，调节R5使AJ输出（端子
27、16）为0V。电位器R8用作电压调节范围整定，其阻值减小，电压调节范围增加；其阻值增加，电压调节范围减小。当最小电压整定后，调节范围的大小便决定了发电机运行电压的上限。整定时（设最小电压整定电位器R5已整定完毕），置给定电压为最大值（端子19和20短接），模拟输入机端电压为预定上限电压，调节R6使AJ的输出为0V。 电位器R14用作运算放大器AJ的增益系数的调整.增益范围为110倍。63（二）综合放大单元（二）综合放大单元输入控制信号：1 被调量控制量： （正常情况） 2 反馈控制量： 励磁系统稳定信号、电力系统稳定信号（正常情况）3 限制控制量：最大、最小励磁限制信号（异常情况）综合放大单元
28、的输入信号控制信号综合放大单元原理接线图由正竞比电路、负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成。 （1）正竞比电路。它由VT1 、V1V2、R11R13所组成 输入信号正值竞比：V1测量比较电路输出信号：V2低励限制信号 64控制信号综合放大单元原理接线1 在正常情况下： 为正V1导通 2 励磁电流小于最小励磁限制单元起动值时， 由小于零变为正电平,且 这时V2导通V1受反向电压而阻断，将 信号闭锁，励磁控制由 决定. 65（2）负竞比电路 由VT2、V5V7、V3、V8、R5、R6、R10组成输入信号负值竞比（都属限制信号）：V6:最大励磁限制信号 V7:瞬时过电流限制信 V5:电压/
29、频率限制器信号 1正常情况，这些限制信号都处正电平，V5、V6、V7均阻断 2、只要其中有一个限制信号动作，由正电平变为负电平，相应二极管导通，就使B点电位变负。正竞比门输出就被封锁，即V3受反压阻断，使正竞比门所有输入信号都被闭锁住。3、显然负竞比门所有限制信号级别高于正竞比门的控制信号。66（3）信号综合（运算）放大。R14R17输入有关辅助控制信号，如励磁系统稳定器信号，电力系统稳定器信号，其它补偿和校正信号等。它们的综合比例可通过适当选择输入电阻R14R17的数值来取得，一般情况下其增益为1。在运算放大器的输出端有： 图中VZ1和VZ2是对运放输出双向限幅 当运放输出电压 时，VZ1击
30、穿，输出正向被限幅。 同理，当 时 ,VZ2击穿，使输出负向被限幅。67（4）互补输出电路 由VT3、VT4、R18、R19组成互补推挽射极跟随器，提高与下一级负载阻抗的匹配能力。 R18和R19为限流电阻。射极跟随器输出的电压 下一级移相触发电路的控制电压。综合运放的输出特性如图所示。 综合运放的输出特性（三）移相触发单元（三）移相触发单元移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单元送来的综合控制信号 的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变可控整流柜的输出，达到调节发电机励磁的目的。 681.同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，以保证在晶闸管每次承受正向阳极电
31、压时，向其控制极发出脉冲，使晶闸管可靠导通。触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步。 2. 同步变压器和同步移相器，主要用来作为同步信号发生器，以提供具有合适幅值和合适相位的交流同步信号。3.脉冲发生器则根据综合放大单元送来的综合控制信号 与同步信号比较，产生与主回路同步且相位可控的触发脉冲，并加以放大，最后输出具有合适电压幅值、合适脉冲宽度和足够驱动能力的触发脉冲，送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管整流桥。 4.脉冲给定基准器用来平移综合控制电压 与控制角 的关系（即移相特性），以使运行中的控制电压 在合适的范围内，而不致产生饱和失控。 69（四）自动手动的自动切换（四）自动手动的自动切
32、换励磁调节器由自动励磁（AC）调节器和手动励磁（DC）调节器组成，为双通道结构。 1.正常运行时，AC调节器工作，DC调节器作AC调节器的备用。2.当AC调节器故障时，由AC-DC自动切换装置控制，将DC调节器投入运行。3.为了防止AC调节器向DC调节器切换引起冲击，在励磁调节器中还设有DC调节器自动跟踪AC调节器的自动跟随器，可确保切换冲击最小。4.当采用手控方式(DC)时，装置中只有测量、放大单元退出工作，而脉冲触发单元则继续工作。即用手控方式给出的控制信号 相当于自动控制(AC)时综合放大单元输出的控制信号 705. 时，两种方式的切换才能平滑的进行。 平衡电压 为 与 之差。这一电压经滤波器后接平衡电压表，供手动切换时观测平衡电压用。平衡电路71GDAVRIEFIGUG二 数字式自动电压调节器硬件软件1)主机2)接口电路3)模拟量输入通道4)数字量输入输出通道5)脉冲输出通道1 概述2 数字式自动电压调节器的组成 DAVR数字式自动电压调节器72数字式自动电压调节器框图CPU脉冲输出通道ROMRAM接口监控模拟量输入数字量I/O模拟量输入通道数字输入/输出通道数字/脉冲UG IG IEF同步电压73
