第二章 励磁控制系统

同步发电机励磁自动控制系统

（Automatic Control Excitation System of Synchronous Generator)

制作人：雷霞

主要内容

•重点：同步发电机几种不同励磁系统的结构和特点

•难点：励磁系统的结构和特点，励磁调节系统的工作原理•概述•同步发电机的励磁系统•励磁系统中转子磁场的建立与灭磁•自动调压器概述第一节概述

•同步发电机：在一个直流磁场中将旋转的机械功率转换成三相交流电功率的机械设备。•励磁电流(field current)：产生直流磁场的直流电流，又称转子电流。

空载电动势(no-load electromotive force)

Eqf(IEF)电压水平励磁电流功率分配并联运行机组间的无功第一节概述

励磁自动控制系统构成框图

概述一、同步发电机励磁控概述制系统的任务

•(一)电压控制

同步发电机矢量图

gjIgxdEdEdcosUgIrxdcos1EdUgIrxdU一、同步发电机励磁控制系统的任务

概述EdUg同步发电机的外特性(external characteristic)

Irxd概述一、同步发电机励磁控制系统的任务

•(二)控制无功功率的分配

•1、同步发电机与无穷大母线并联运行的有关问题

PEdUbusxsinconstdPUbusIgcosconstEdsinconstIgcosconst同步发电机与无穷大母线并联

概述一、同步发电机励磁控制系统的任务

•(二)控制无功功率的分配

•2、并联运行发电机间无功负荷的分配并联运行发电机间无功负荷的分配

概述一、同步发电机励磁控制系统的任务

•(三)提高同步发电机并联运行的可靠性•1、励磁对静态稳定的影响

单机向无穷大母线送电

一、同步发电机励磁控制系统的任务

PG内功率特性

概述EqUXsin外功率特性同步发电机的功率特性

发电机的几条代表性功率特性一、同步发电机励磁控制系统的任务

•2、励磁对暂态稳定的影响

发电机的暂态稳定等面积法则

概述一、同步发电机励磁控制系统的任务

•(四)改善电力系统的运行条件•1、改善异步电机的自启动条件•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•

(五)水轮发电机组要求强行减磁

概述二、对励磁调节器的基本要求

•1capacity)

、有足够的调整容量(regulating •2response)

、有很快的响应速度(speed of •3operation)

、有很高的运行可靠性(reliability of 概述第二节同步发电机的励磁同步发电机的励磁系统系统

•一、直流励磁机系统(DC exciter •system)•小容量机组1剩磁

•excitation)

、自励直流励磁机系统(DC self-2excitation)

、他励直流励磁机系统(DC separated 同步发电机的励磁系统一、直流励磁机系统

自励直流励磁机原理接线图

他励直流励磁机原理接线图同步发电机的励磁系统一、直流励磁机系统

•3、励磁机的时间常数

他励与自励直流励磁机时间常数计算原理图

TLEEtRTLEEseRk二、交流励磁机系统exciter system)

(AC •(一)他励交流励磁机系统

•中频副励磁机(medium frequency subexciter)

•永磁副励磁机(permanent magnet subexciter)

同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•(一)他励交流励磁机系统•1、他励静止硅整流励磁系统

他励式交流励磁机系统原理接线图

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•特点：

•(1)交流励磁机和副励磁机与发电机同轴，是的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。

•(2)交流励磁机时间常数大，为了提高励磁系统快速响应，励磁机转子采用叠片结构。

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•(3)同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加，造价较高。

•(4)仍有转动部分，需要一定的维护。•(5)一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁。采用永磁发电机作为副励磁机。

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

永磁式副励磁机系统图

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•2、他励旋转硅整流励磁系统(无刷励磁brushless excitation)

无刷励磁系统

无刷励磁系统原理示意图同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

••无刷励磁系统的特点

•(1)•

(2)无炭刷和滑环，维护工作量小。(3)供电可靠性高。

值电压，引入转子电压深度负反馈。励磁响应速度慢，叠片结构，增加顶•(4)机转子回路无法实现直接灭磁，也无法转子回路中不能接入灭磁设备，发电实现对励磁系统的常规检测。

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•(5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。

•(6)因为没有接触部件的磨损，也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•(二)自励交流励磁机系统

•1、自励交流励磁机静止可控硅整流器励磁系统

•时间常数很小，励磁机的容量较大

同步发电机的励磁系统二、交流励磁机系统

•2、自励交流励磁机静止硅整流器励磁系统•响应速度较慢

三、静止励磁系统(发电机自同步发电机的励磁系统并励系统excitation system

)Bus Fed Static 同步发电机的励磁系统三、静止励磁系统

•优点：

•1)励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。

•2)不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，减小基建投资。

•3)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。

同步发电机的励磁系统三、静止励磁系统

•4)由发电机端取得励磁能量。静止励磁系统输出的励磁电压与机组转速成正比，而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静止励磁机组的过电压低。

第三节励磁系统中转子磁场的建立与灭磁

•磁场建立的指标：

磁场的建立与灭磁•强励顶值(Ceiling voltage)：转子励磁电压的最大值。

•电压响应比(voltage response time)：磁场建立的速度。

•灭磁

一、强励作用及继电强行磁场的建立与灭磁励磁

•1、强励作用

•2、继电强行励磁

继电强行励磁原理接线图

二、电压响应比

•说明磁场建立过程的粗略参数

磁场的建立与灭磁三、转子回路的灭磁问题(直流励磁机系统)

•1、灭磁(de-excitation)原理

灭磁开关接线图

磁场的建立与灭磁三、转子回路的灭磁问题磁场的建立与灭磁(直流励磁机系统)

•2、理想灭磁和快速灭磁开关

•理想灭磁：在灭磁的整个过程中始终保持端电压为最大允许值不变。

eLdirLrLdt三、转子回路的灭磁问题磁场的建立与灭磁(直流励磁机系统)

•SD型快速灭磁开关：带有灭弧栅，利用串联短弧的端电压不变的特性控制灭弧过程，使它接近于理想灭弧。

磁场的建立与灭磁四、直流励磁系统举例

自励直流励磁机系统接线全图

四、交流励磁机系统的逆变灭磁

•1、全可控硅整流电路

三相桥式全控整流电路

磁场的建立与灭磁四、交流励磁机系统的逆磁场的建立与灭磁变灭磁

全控桥的整流(rectification)与逆变(inversion)波形

四、交流励磁机系统的逆变灭磁

•2、过电压保护电路

磁场的建立与灭磁自动调压器第四节自动调压器

•一、自动调压器的基本特性

自动调压器的特性曲线

自动调压器一、自动调压器的基本特性自动调压系统基本原理框图

二、自动调压器的发展及自动调压器分类

•按构成分类：

•机电型、电磁型、半导体型、微机型•按原理分类：•

反馈型、补偿型

自动调压三、可控硅主回路的工作原理

三相半控桥整流电路可控硅半控桥的电压波形U1cosd1.35U~2器三、可控硅主回路的工作原理

0整流输出最大，晶闸管处

于全开放状态

180整流输出为0，晶闸管处

于全关闭状态

触发角与输出电压的关系曲线

自动调压器自动调压四、微机型自动调压器原理

•1、测量单元

测量单元结构框图

器自动调压器四、微机型自动调压器原理•(1)电路隔离•(2)滤波电路

Г型滤波

П型滤波

自动调压器四、微机型自动调压器原理滤波电路

R1R2Z3Z4UR2ouRRUin24自动调压四、微机型自动调压器原理•(3)A/D转换器

–分辨率-量程-转换时间–转换精度

-控制电路和数据缓冲电路

A/D典型接口

器四、微机型自动调压器原理•2、主控制单元

主控制单元的结构框图

自动调压器自动调压器四、微机型自动调压器原理•3、移相触发单元

•同步：可控整流电路要求在晶闸管每次承受正向电压的某一时刻，向它的门极送出触发脉冲，使晶闸管导通，且各相的控制角相同。

自动调压器四、微机型自动调压器原理•对移相触发单元的要求有：

•1)触发脉冲移相范围要符合相应可控整流电路的要求；

•2)触发脉冲顺序具有足够的功率（对电压、电流幅度有要求）使晶闸管元件可靠导通；

自动调压器四、微机型自动调压器原理•3)触发脉冲前沿要陡，触发脉冲要有一定的宽度；

•4)触发单元与主电路互相隔离以保证安全；

•5)在整个移相范围应保证各相的触发脉冲控制角一致。

自动调压器四、微机型自动调压器原理移相触发单元结构框图

自动调压器四、微机型自动调压器原理•4、人机接口•1)程序调试；

•2)参数设定与维护；•

3)运行操作。

四、微机型自动调压器原理•5、微机调压的原理程序

自动调压器自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

•1、测量单元

•作用：测量发电机电压并变换成直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号。

•1)测量变压器及整流电路•2)滤波电路

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

•3)测量桥

U1UzU2U1U1UzU2U12Uz测量桥及其特性曲线

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

•2、综合放大单元

•任务：根据励磁调节装置的功能，能线性地综合测量、反馈及等各种信号，并将其放大，以得到适应移相触发单元所需要的控制电压，即有综合和放大两个作用。

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

•3、移相触发单元

•任务：产生触发脉冲，其相位可以改变，用来改变整流桥中可控硅元件的控制角，使其输出电压随控制电压的大小而改变，从而达到调节励磁的目的。

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

•I.单稳态触发电路

单稳态触发电路框图

五、模拟元件调压器的工作原理

•1)同步回路

单稳触发器同步回路接线图

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理

(a)同步信号；(b)削波信号；(c)同步脉冲

自动调压器五、模拟元件调压器的工作原理•2)移相控制环节自动调压器E0-E0自动调压五、模拟元件调压器的工作原理

•3)控制电压uK与触发脉冲移相的关系单稳触发元件放电原理图(a)原理接线图(b)放电过程曲线图

器五、模拟元件调压器的工作原理

•4)脉冲输出

自动调压器五、模拟元件调压器的自动调压器工作原理

•II.单结晶体管触发电路

•简单，温度补偿性能稳定；输出脉冲较窄，功率较小，线性度差

自动调压器六、模拟元件自动励磁调节装置(ZTL-1型)举例

•1、装置的组成

•调差、测量、放大、触发、同步、稳压、手动

•(1)同步电压信号的相位问题•(2)稳压电源•(3)手控单元

自动调压六、模拟元件自动励磁调节装置(ZTL-1型)举例

•2、ZTL-1型自动励磁调节装置的工作特性调差系数

%U1U2U100%fe器七、模拟元件励磁调节器静态特性的调整

000负调差系数无差调节

正调差系数七、模拟元件励磁调节器静态特性的调整

•1、调差系数的调整

两相式正调差原理接线图

自动调压器自动调压七、模拟元件励磁调节器静态特性的调整

正调差接线矢量图

器七、模拟元件励磁调节器静态特性的调整

•2、励磁调节器工作特性的平移

发电机外特性的平移

自动调压器