第13次課第4章(1節(jié))

1、電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理 水電學(xué)院電力系 楊國(guó)清4.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及穩(wěn)定性 4.1.1 概述概述4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.1.1 概述概述（1）勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（控制器）以）勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（控制器）以及功率單元組成的反饋控制系統(tǒng)及功率單元組成的反饋控制系統(tǒng)（2）勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性：）勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性：靜態(tài)特性，靜態(tài)特性，P72，電壓控制過(guò)程。電壓控制過(guò)程。動(dòng)態(tài)特性：指在較小的或隨機(jī)的干擾下，勵(lì)磁自動(dòng)控制系動(dòng)態(tài)特性：指

2、在較小的或隨機(jī)的干擾下，勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。4.1.1 概述概述（3）勵(lì)磁控制系統(tǒng)的典型動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）勵(lì)磁控制系統(tǒng)的典型動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，突然起勵(lì)，使機(jī)端電壓升至額定電壓過(guò)程的時(shí)間響下，突然起勵(lì)，使機(jī)端電壓升至額定電壓過(guò)程的時(shí)間響應(yīng)曲線。應(yīng)曲線。4.1.1 概述概述（4）勵(lì)磁控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的典型指標(biāo)：）勵(lì)磁控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的典型指標(biāo)：超調(diào)量：響應(yīng)曲線超過(guò)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值（標(biāo)幺值）超調(diào)量：響應(yīng)曲線超過(guò)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值（標(biāo)幺值）上升時(shí)間：自上升時(shí)間：自10%穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值上升到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值上升到90%穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

3、值時(shí)間。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間：輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到并且不再超過(guò)某一允許誤調(diào)節(jié)時(shí)間：輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到并且不再超過(guò)某一允許誤差（差（5，2）所需的時(shí)間。）所需的時(shí)間。GBT7409.3-1997 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求4.1.1 概述概述相關(guān)國(guó)標(biāo) GBT7409.3-1997 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求 GBT7409.2-1997 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 電力系統(tǒng)研究用模型 GBT7409.1-1997 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)定義 GB10585-1989 中小型同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)基本技術(shù)要求 DLT650-1998 大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件

4、 DLT583-1995 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件 DLT491-1999 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置運(yùn)行檢修規(guī)程 DL490-1992 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置的安裝驗(yàn)收規(guī)程 DL489-1992 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置的試驗(yàn)規(guī)程.doc4.1.1 概述概述（5）國(guó)標(biāo)要求值：）國(guó)標(biāo)要求值： GBT7409.3-1997GBT7409.3-1997同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求大中型同步勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求a.a.空載額定電壓空載額定電壓1010擾動(dòng)時(shí)：擾動(dòng)時(shí)：超調(diào)量小于超調(diào)量小于50% 調(diào)節(jié)時(shí)間小于調(diào)節(jié)

5、時(shí)間小于10 s 振蕩次數(shù)少于振蕩次數(shù)少于3次次b.b.零起升壓時(shí)零起升壓時(shí) 超調(diào)量小于超調(diào)量小于15% 調(diào)節(jié)時(shí)間小于調(diào)節(jié)時(shí)間小于10 s 調(diào)壓精度優(yōu)于調(diào)壓精度優(yōu)于0.5% 振蕩次數(shù)少于振蕩次數(shù)少于3次次4.1.1 概述概述（6）強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)的響應(yīng)曲線）強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)的響應(yīng)曲線4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（1）概述）概述 a. 動(dòng)態(tài)特性的分析方法：動(dòng)態(tài)特性的分析方法：經(jīng)典的傳遞函數(shù)法、現(xiàn)代的狀態(tài)變量法兩種。經(jīng)典的傳遞函數(shù)法、現(xiàn)代的狀態(tài)變量法兩種。b. 傳遞函數(shù)法：傳遞函數(shù)法：根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，分析其穩(wěn)定性根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，分析其穩(wěn)定性4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的

6、傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（2）勵(lì)磁控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)）勵(lì)磁控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)a. 勵(lì)磁機(jī)：直流勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁機(jī)：直流勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、自并勵(lì)可控硅直流勵(lì)磁機(jī)：直流勵(lì)磁機(jī)：4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁機(jī)的飽和特性曲線勵(lì)磁機(jī)的飽和特性曲線EEEEESGuGuIBBAEIIISEEEEEEuSKsTu14.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)EEEEEEuSKsTu14.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)交流勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)dtduTSuuEEEEEE)1 (EsT1ES1EEu)(deEEu4.

7、1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)b. 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)電壓測(cè)量比較、綜合放大、功率放大等單元組成電壓測(cè)量比較、綜合放大、功率放大等單元組成電壓測(cè)量比較：電壓測(cè)量比較：電壓測(cè)量比較單元由測(cè)量變壓器、整流濾波電路及測(cè)量電壓測(cè)量比較單元由測(cè)量變壓器、整流濾波電路及測(cè)量比較電路組成。比較電路組成。測(cè)量、整流環(huán)節(jié)可用一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)要取決測(cè)量、整流環(huán)節(jié)可用一階慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)要取決于濾波電路的參數(shù)。數(shù)值通常在于濾波電路的參數(shù)。數(shù)值通常在0.020.06之間。之間。比較電路忽略時(shí)間常數(shù)。比較電路忽略時(shí)間常數(shù)。4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

8、的傳遞函數(shù)綜合放大單元綜合放大單元傳遞函數(shù)綜合放大單元、移相觸發(fā)單元當(dāng)作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。放大綜合放大單元、移相觸發(fā)單元當(dāng)作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。放大倍數(shù)為倍數(shù)為KA、時(shí)間常數(shù)為時(shí)間常數(shù)為TA。它們的合成傳遞函數(shù)是：它們的合成傳遞函數(shù)是： 4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)功率單元功率單元傳遞函數(shù)：功率放大單元是晶閘管整流器，工作是斷續(xù)的，有可能功率放大單元是晶閘管整流器，工作是斷續(xù)的，有可能造成輸出平均電壓造成輸出平均電壓ud滯后于觸發(fā)器控制電壓信號(hào)滯后于觸發(fā)器控制電壓信號(hào)uSM。滯后時(shí)間為滯后時(shí)間為Tz。 在分析中，這樣一個(gè)延遲在分析中，這樣一個(gè)延遲 環(huán)節(jié)可近似為環(huán)節(jié)可近似為一慣

9、性環(huán)節(jié)。一慣性環(huán)節(jié)。 4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)c. 發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)態(tài)幅值被認(rèn)為與其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓成正發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)態(tài)幅值被認(rèn)為與其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓成正比。比。 其次，認(rèn)為發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以簡(jiǎn)化為用一階慣性元其次，認(rèn)為發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以簡(jiǎn)化為用一階慣性元件的特性來(lái)表示。件的特性來(lái)表示。4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（3）勵(lì)磁控制系統(tǒng)合成傳遞函數(shù)）勵(lì)磁控制系統(tǒng)合成傳遞函數(shù)勵(lì)磁機(jī)：直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)：直流勵(lì)磁機(jī)G(s )表示前向傳遞函數(shù)，表示前向傳遞函數(shù)，H (s )表示反饋傳遞函數(shù)表示反饋傳遞函數(shù)4.1.2 勵(lì)磁

10、控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)忽略勵(lì)磁機(jī)的飽和特性和放大器的飽和限制忽略勵(lì)磁機(jī)的飽和特性和放大器的飽和限制上圖可得：上圖可得：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)合成的閉環(huán)傳遞函數(shù)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)合成的閉環(huán)傳遞函數(shù) 4.1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)交流勵(lì)磁機(jī)及自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)：交流勵(lì)磁機(jī)及自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)：RsT11AAsTk1BCsTsT11GCGCIjXUUGUGICUfUrefUP SSU4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性空載，勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的方法：空載，勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的方法： 精確穩(wěn)定性分析：計(jì)算機(jī)求解狀態(tài)方程的方法，比對(duì)穩(wěn)定邊界

11、條精確穩(wěn)定性分析：計(jì)算機(jī)求解狀態(tài)方程的方法，比對(duì)穩(wěn)定邊界條件。件。 定性分析：根軌跡（開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)）、乃魁斯特曲線（開(kāi)環(huán)頻率特定性分析：根軌跡（開(kāi)環(huán)零極點(diǎn)）、乃魁斯特曲線（開(kāi)環(huán)頻率特性）性）繪制根軌跡的步驟繪制根軌跡的步驟 根軌跡的分支數(shù)（開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)階數(shù)）根軌跡的分支數(shù)（開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)階數(shù)） 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn) 根軌跡與實(shí)軸的交點(diǎn)及漸近線根軌跡與實(shí)軸的交點(diǎn)及漸近線 根軌跡在實(shí)軸上的分離點(diǎn)根軌跡在實(shí)軸上的分離點(diǎn) 根軌跡的出射角和入射角根軌跡的出射角和入射角 根軌跡與虛軸的交點(diǎn)根軌跡與虛軸的交點(diǎn)4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（一）典型勵(lì)磁控制系統(tǒng)的

12、穩(wěn)定計(jì)算（一）典型勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算設(shè)某勵(lì)磁控制系統(tǒng)的參數(shù)如下：設(shè)某勵(lì)磁控制系統(tǒng)的參數(shù)如下：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（2 2）根軌跡在實(shí)軸上的分離點(diǎn)）根軌跡在實(shí)軸上的分離點(diǎn) 4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（3 3）在）在jj軸交叉點(diǎn)的放大系數(shù)：軸交叉點(diǎn)的放大系數(shù)： 4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（二）勵(lì)磁控制系統(tǒng)空載穩(wěn)定性的改善（二）勵(lì)磁控制系統(tǒng)空載穩(wěn)定性的改善4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有轉(zhuǎn)子電壓

13、速率反饋：加入勵(lì)磁電壓微分負(fù)反饋信號(hào)具有轉(zhuǎn)子電壓速率反饋：加入勵(lì)磁電壓微分負(fù)反饋信號(hào)典型補(bǔ)償系統(tǒng)的框圖典型補(bǔ)償系統(tǒng)的框圖4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 具有轉(zhuǎn)子電具有轉(zhuǎn)子電壓速率反饋的壓速率反饋的勵(lì)磁系統(tǒng)框圖勵(lì)磁系統(tǒng)框圖的簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)化4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 增加了電壓速率反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)就有四個(gè)極點(diǎn)，三增加了電壓速率反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)就有四個(gè)極點(diǎn)，三個(gè)零點(diǎn)。個(gè)零點(diǎn)。4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性求開(kāi)還傳遞函數(shù)的零點(diǎn)，方程可寫為求開(kāi)還傳遞函數(shù)的零點(diǎn)，方程可寫為: :零點(diǎn)位置隨零點(diǎn)位置隨T TF F、K KF F而變：而變：4.

14、1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可視為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：可視為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：的閉環(huán)系統(tǒng)特征方程，作出的閉環(huán)系統(tǒng)特征方程，作出G G( (s s) )H H( (s s) )的根軌跡，其根軌跡的根軌跡，其根軌跡的每一點(diǎn)都是上式的根。的每一點(diǎn)都是上式的根。)(sG)(sH4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性零點(diǎn)的確切位置與零點(diǎn)的確切位置與TFTF、KFKF的值有關(guān)的值有關(guān)當(dāng)當(dāng)K K值給定后，即可確定值給定后，即可確定的零點(diǎn)。的零點(diǎn)。其位置如圖中其位置如圖中z1z1、z2z2、z3z34.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性引入電壓速率反饋后，勵(lì)引入電壓速率反饋后，勵(lì)磁控制系統(tǒng)的根軌跡圖磁控制系統(tǒng)的根軌跡圖引入電壓速率反饋后，由引入電壓速率反饋后，由于增加了一對(duì)零點(diǎn)，把勵(lì)于增加了一對(duì)零點(diǎn)，把勵(lì)磁系統(tǒng)的根軌跡引向左半磁系統(tǒng)的根軌跡引向左半平面，從而使控制系統(tǒng)的平面，從而使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性大為改善。穩(wěn)定性大為改善。4.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性結(jié)論：結(jié)論：在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，一般都附有勵(lì)磁控制系在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，一般都附有勵(lì)磁控制系統(tǒng)穩(wěn)定器，作為改善發(fā)電機(jī)空載