第二章(1-3節(jié))同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)教案

1、第二章 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)第一節(jié)概述勵(lì)磁電流I ef空載電動(dòng)勢(shì)Eq同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)=勵(lì)磁功率單元+勵(lì)磁調(diào)節(jié)器勵(lì)磁功 率單元?jiǎng)?lì)磁調(diào)節(jié)器電 力 系 統(tǒng)圖2-1勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖一、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù)（一）電壓控制單機(jī)運(yùn)行：Ug jlGXd式中發(fā)電機(jī)直軸同步電抗(a)Eq(b)圖2-2同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電流關(guān)系（a）同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理；（b）等值電路；（c）矢量圖EqCOS G Ug iQXd式中G - Eq與UG間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角;?Q發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流。很小，可近似認(rèn)為cos G1,于是，可得簡(jiǎn)化的運(yùn)算式為Eq Ug IQXd上式說(shuō)明，負(fù)荷的無(wú)功電流是造成與

2、幅值差的主要原因， 發(fā)電機(jī)的無(wú) 功電流越大，兩者之間的差值也越大。1 J a us I u u * i u sb l u rn-rvrnrvunrnsyrurii-rrn-n-irrt-irjnrirn-nrsrtru-rn-n-ni-r-i圖2-3同步發(fā)電機(jī)的外特性Q線1 ： I EF 1不變UGe, I Q1勵(lì)磁不變UG2 ,IQ2曲線2: IEF2不變UGe, I Q1勵(lì)磁增加UGe, I Q2（二）控制無(wú)功功率的分配1、Ki圖2-4同步發(fā)電機(jī)與無(wú)限大母線并聯(lián)運(yùn)行無(wú)論勵(lì)磁電流如何變化，發(fā)電機(jī)的有功功率 PG均為常數(shù)，即Pg U g I g COS 常數(shù)I g coski?Ig的端點(diǎn)則沿著

3、BB虛線變化?一 、- .,Eq的端點(diǎn)則沿著AA虛線變化PgEqUG . SinXd常數(shù)EqSinK2由此可見(jiàn)，與無(wú)限大母線并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組，調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流可以改i-»-xnrir?rTrvTrFWiis-irTffli a u 1 u 1 u ( "rrflrrru u a J t-neu a1 ) (s u j r u vrrHrBTrnrMr»v-irr-rnrrTrna-iinrflrvn變發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的數(shù)值。2、并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率的分配IQ(b)圖2-5并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無(wú)功負(fù)荷的分配當(dāng)母線電壓為Umi時(shí)：I Q I Q1 I Q2IQ2無(wú)功負(fù)荷

4、增加，母線電壓降到UM2時(shí)：I / I /Q Q1顯然:I Q1 I Q2（三）提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)改變勵(lì)磁電流I EF從而改變空載電動(dòng)勢(shì)Eq值來(lái)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的。1、勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響圖2-6單機(jī)向無(wú)限大母線送電（a）接線圖；（b）等值網(wǎng)絡(luò)；（c）相量圖EqU .Pg -sinXX 一系統(tǒng)總電抗，一般為發(fā)電機(jī)，兩變壓器，輸電線電抗之和;一發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)Eq和受端電壓U間的相角。功率極限為Pm,即PjlPmEqUX靜態(tài)穩(wěn)定極限功率pm與發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)Eq成正比，而Eq值與勵(lì)磁電流有關(guān)。BPo無(wú)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)，因勵(lì)磁電流恒定，Eq=常數(shù)，此時(shí)的功角特性稱為內(nèi)

5、功率特性；若有靈敏和快速的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，則可視為保持發(fā)電機(jī)電壓為恒定。即 UG=常數(shù)，由相應(yīng)一簇不同的E?q的功角特性求得曲線B （稱為外功, 一4、1角特性，見(jiàn)圖2-8）最大值出現(xiàn)在ug與uN間功率角90時(shí)，即Pm UGUsin ' （ X XT 此時(shí) / 大于 90 ）。X對(duì)于按電壓偏差比例調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，則近似按 曰=常數(shù)求得的 功角特性曲線C工作，（此時(shí)”大于90）顯然，它使發(fā)電機(jī)能在大于 90范圍的人工穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，即可提高發(fā)電機(jī)輸送功率極限或提高系 統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)備。勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置能有效的提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的極限功率。2、 勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響（b）圖2-9發(fā)電機(jī)暫態(tài)功角特性曲線功

6、角特性曲線I：對(duì)應(yīng)于故障前雙回線運(yùn)行；功角特性曲線II：對(duì)應(yīng)于一回線故障時(shí)的運(yùn)行狀況;功角特性曲線III ：對(duì)應(yīng)于故障切除后一回線運(yùn)行。加速面積abce小于減速面積defg,系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的故障期間和故障切除后，勵(lì)磁系統(tǒng)施加的作用是力圖促使發(fā)電機(jī)的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)Eq上升而增加電功率輸出，使Pmax增加，功角特性曲線II和功角特性曲線III 幅值增加，既減小了加速面積，又同時(shí)增加了減速面積?？焖夙憫?yīng)=縮小勵(lì)磁系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)+提高強(qiáng)行勵(lì)磁的倍數(shù)（四）改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件1、 改善異步電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)條件2、 為發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行創(chuàng)造條件3、提高繼電保護(hù)裝置工作的正確性（五）水輪發(fā)電機(jī)組要求強(qiáng)行減磁二、對(duì)勵(lì)磁

7、系統(tǒng)的基本要求（1） 對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求1、 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映發(fā)電機(jī)電壓高低以維持發(fā)電機(jī)電壓在給定水平。2、 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組的無(wú)功功率，為此， 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差系數(shù)可以在10以內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。3、 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。（2） 對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求（ 1） 要 求勵(lì)磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量（2）具有足夠的勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度。第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可控的直流電源發(fā)電機(jī)自并勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)換流困難|交流勵(lì)磁機(jī)縮短主軸長(zhǎng)度y無(wú)刷勵(lì)磁

8、系去掉滑環(huán)和電刷一、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（一）自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組由專用的直流勵(lì)磁機(jī)供電調(diào)整勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)電阻，可改變勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流（二）他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組是由副勵(lì)磁機(jī)供電的，比自勵(lì)多用了一臺(tái)副勵(lì)磁機(jī)二、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（一）他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)電源可控整流器自勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)器(二)、無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī) 一:二S一 勵(lì)磁開(kāi)It.有產(chǎn)劃可控硅整流器圖2-17無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖(1)無(wú)炭刷和滑環(huán)，維護(hù)工作量可大為減少。(2)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁由勵(lì)磁機(jī)獨(dú)立供電，供電可靠性高。并且由于無(wú) 刷，整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性更高。(3)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是通過(guò)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)

9、磁實(shí)現(xiàn)的，因而勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。為提高其響應(yīng)速度，除前述勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子采 用疊片結(jié)構(gòu)外，還采用減小繞組電感取消極面阻尼繞組等措施。 另外, 在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略上還采取相應(yīng)措施一一增加勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組頂 值電壓，引入轉(zhuǎn)子電壓深度負(fù)反饋以減小勵(lì)磁機(jī)的等值時(shí)間常數(shù)。(4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其勵(lì)磁電路都隨軸旋轉(zhuǎn)， 因此在轉(zhuǎn)子回路中不 能接入滅磁設(shè)備，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接滅磁，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì) 勵(lì)磁系統(tǒng)的常規(guī)檢測(cè)(如轉(zhuǎn)子電流、電壓，轉(zhuǎn)子絕緣，熔斷器熔斷信 號(hào)等)，必須采用特殊的測(cè)試方法。(5)要求旋轉(zhuǎn)整流器和快速熔斷器等有良好的機(jī)械性能， 能承受 高速旋轉(zhuǎn)的離心力。(6)因?yàn)闆](méi)有接觸部件的磨損，所以也就沒(méi)

10、有炭粉和銅末引起的對(duì)電機(jī)繞組的污染，故電機(jī)的絕緣壽命較長(zhǎng)。三、靜止勵(lì)磁系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng))靜止勵(lì)磁方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)勵(lì)磁系統(tǒng)接線和設(shè)備比較簡(jiǎn)單, 無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，維護(hù)費(fèi)用省，可靠性高。(2)不需要同軸勵(lì)磁機(jī)，可縮短主 軸長(zhǎng)度，這樣可減小基建投資。工起勵(lì)元件VS固H卷滑環(huán)tRS TV勵(lì)磁調(diào)節(jié)器卜起勵(lì)電源圖2-13靜止勵(lì)磁系統(tǒng)接線(3)直接利用晶閘管取得勵(lì)磁能量,機(jī)端電壓與機(jī)組轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故靜止勵(lì)磁輸出的勵(lì)磁電壓與機(jī)組轉(zhuǎn)速的一次方成比例 而同軸勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比。這樣, 當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)組的過(guò)電壓就低。第三節(jié) 勵(lì)磁系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的建立和滅磁建立

11、：在外部事故情況下，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的最大值及其建立的速度，即強(qiáng)勵(lì)頂值與響應(yīng)比滅磁：發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部故障等，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)內(nèi)存儲(chǔ)的大量能量迅速消釋，而不致在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓一、時(shí)間常數(shù)（1） 他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)圖2-14他勵(lì)與自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)計(jì)算原理d I EEI ee Ree LeeEdt式中Ree、lee勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁線圈的電阻和電感IEE是按指數(shù)曲線增長(zhǎng)的，其時(shí)間常數(shù)為T(mén)tL EERee由于勵(lì)磁機(jī)電勢(shì)Uef正比于Iee, Uef也是按指數(shù)曲線增加的（2） 自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)圖2-15自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)等值特性圖I EEU EF E0 I EE E0 kI EEIEE.1式中Eo 自勵(lì)

12、直流發(fā)電機(jī)的殘余電勢(shì)值Ui勵(lì)磁機(jī)的工作電壓值IEE1 勵(lì)磁機(jī)的工作電流值k比例常數(shù)對(duì)自勵(lì)勵(lì)磁機(jī)的電勢(shì)Uef ,也有IEEREELEEd UEF代入，得整理之，得I EEREE LEEdIEE"dTUEF Eo k I EERee kI EEd I EELeeEodt由此得自勵(lì)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)TcRee kLee(三)自勵(lì)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)Tc與他勵(lì)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)Tt的比較Tc>Tt原因就在于他勵(lì)系統(tǒng)的電壓Uef的建立過(guò)程與Uef本身無(wú)關(guān)，它完全 是由于外加電動(dòng)勢(shì)E的作用，即只與勵(lì)磁線圈的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。但自 勵(lì)系統(tǒng)U ef的建立過(guò)程卻是U EF與I EE相互作用的結(jié)果。二、電壓響應(yīng)比電壓響

13、應(yīng)比反映了勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)建立速度的快慢。UEF(t)d GK G dtU EF (V)U EFqbUefo|*I0.5* t(s)t0 UEF(t)dt圖2-16勵(lì)磁電壓上升速度的確定式中UEF(t)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓上升曲線;G一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的磁通量;K 一與轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)及轉(zhuǎn)子尺寸有關(guān)的常數(shù)組等值電路圖轉(zhuǎn)子磁通增量G,正比于勵(lì)磁電壓伏秒曲線下的面積增量于是勵(lì)磁電壓響應(yīng)比可以定義為U c U bRr/ 0-5 2 U *bc (1/s)Ua式中U*bc圖中bc段電壓標(biāo)么值。般U a為額定工況下的勵(lì)磁電壓，則差的95%所花費(fèi)的時(shí)間) .e圖2-18勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間U EF e-額定勵(lì)磁電壓；U E

14、F max -頂值勵(lì)磁電壓 .為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間為 0.1s或更短的勵(lì)磁系統(tǒng)，稱為高初始響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng) 三、勵(lì)磁繞組對(duì)恒定電阻放電滅磁所謂滅磁就是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)盡快的減弱到最小程度因?yàn)閯?lì)磁繞組是一個(gè)大電感，用斷開(kāi)轉(zhuǎn)子回路的辦法來(lái)滅磁是不恰當(dāng)?shù)?。將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組自動(dòng)接到放電電阻滅磁的方法是可行的 要求：1滅磁時(shí)間短2滅磁過(guò)程中轉(zhuǎn)子電壓不應(yīng)超過(guò)允許值電流：按指數(shù)衰減 時(shí)間常數(shù)T LGE電阻Rm越大，滅磁過(guò)程越快Rm電壓：eGEW em iRmeGEW的最大值為Qgew,0 ioRm式中i0 i的初始值電阻Rm越大，電壓最大值越大四、理想的滅磁過(guò)程圖2-21滅磁過(guò)程比較理想的滅磁過(guò)程，就是在整個(gè)滅磁過(guò)程中始 終保持轉(zhuǎn)子線圈GEW的端電壓為最大允許值 不變，直至勵(lì)磁回路斷開(kāi)