第四章 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制

第四章

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制§4-1對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的基本要求1.在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下供給同步發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁電流。2.使并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)之間無功功率合理分配。3.勵(lì)磁裝置應(yīng)動(dòng)作快速，調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，沒有失靈區(qū)，以利于提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。4.當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或其他故障使系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降使能對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速?gòu)?qiáng)行勵(lì)磁，以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。5.有可能引入按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差對(duì)勵(lì)磁進(jìn)行校正以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。6.當(dāng)發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)實(shí)行強(qiáng)行減磁，以限制發(fā)電機(jī)端電壓的速度升高。7.當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)行滅磁，以減小故障的破壞程度?！?-2它勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)1.直流機(jī)勵(lì)磁方式

用直流機(jī)勵(lì)磁是同步發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)勵(lì)磁方式。最簡(jiǎn)單是用直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)作勵(lì)磁機(jī)，利用手動(dòng)或自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路中的等效電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。直流勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，反應(yīng)速度較慢，且易產(chǎn)生火花。極限容量小，最大只能做到500~600千瓦，不能滿足大型汽輪發(fā)電機(jī)的要求。最簡(jiǎn)單的他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，將被短接，勵(lì)磁電壓上升，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流加大。強(qiáng)勵(lì)過程受勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)的限制，電壓上升速度不快，對(duì)于低速大容量水輪發(fā)電機(jī)，難以達(dá)到要求。帶有副勵(lì)磁機(jī)的他勵(lì)系統(tǒng)該系統(tǒng)有兩臺(tái)勵(lì)磁機(jī)，短接電阻，可迅速提高，使主勵(lì)磁機(jī)的端電壓得到較高的上升速度。由于有兩臺(tái)勵(lì)磁機(jī)，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，影響廠房設(shè)計(jì)。2.交流勵(lì)磁機(jī)方式

對(duì)電機(jī)容量較大，采用直流機(jī)勵(lì)磁有困難或要求快速性較高的場(chǎng)合，可采用交流勵(lì)磁機(jī)再經(jīng)過半導(dǎo)體整流后作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源。根據(jù)半導(dǎo)體整流配套方式的不同可分為：配靜止半導(dǎo)體整流器的交流勵(lì)磁機(jī)方式配置旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體的交流勵(lì)磁機(jī)無刷勵(lì)磁(1)配靜止半導(dǎo)體整流器的交流勵(lì)磁機(jī)方式

該方式的原理圖如下圖所示。它包括一臺(tái)交流勵(lì)磁機(jī)L，一臺(tái)交流副勵(lì)磁機(jī)FL和三臺(tái)整流裝置。系統(tǒng)說明為了提高可靠性，兩臺(tái)交流勵(lì)磁機(jī)都是同軸的。為了減小勵(lì)磁電流的紋波機(jī)勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，交流勵(lì)磁機(jī)一般采用100赫茲以上的高頻。其輸出的電流經(jīng)整流后由滑環(huán)送如主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。交流副勵(lì)磁機(jī)一般采用500赫茲中頻，現(xiàn)多用永磁式，也可采用自勵(lì)。晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

晶閘管自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是交流機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它一般由測(cè)量比較，綜合放大，移相控制和功率輸出（可控整流橋）等幾個(gè)部分組成。下面著重說明其測(cè)量調(diào)差部分，它是由電流調(diào)差環(huán)節(jié)和電壓測(cè)量環(huán)節(jié)組成。原理圖如下圖所示：a.電流調(diào)差環(huán)節(jié)

（a）調(diào)差系數(shù)（靜差度）式中——發(fā)電機(jī)的空載電壓——額定無功電流下發(fā)電機(jī)的端電壓。（b）輸入輸出關(guān)系：調(diào)節(jié)器對(duì)有功電流的變化不敏感調(diào)節(jié)器對(duì)無功電流比較敏感電壓測(cè)量環(huán)節(jié)主要作用是迅速、準(zhǔn)確可靠地將電流調(diào)差環(huán)節(jié)的三相輸出電壓變換成適合的直流信號(hào)電壓，以便與給定值相比較。由電壓測(cè)量環(huán)節(jié)計(jì)及調(diào)差系數(shù)的電壓反饋信號(hào)與給定信號(hào)相比較后經(jīng)綜合放大器去控制可控整流橋，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，綜合放大器除了作為電壓調(diào)節(jié)器外，它同時(shí)還可接受其他保護(hù)信號(hào)，也可接受電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的控制。(2)配置旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體的交流勵(lì)磁機(jī)無

刷勵(lì)磁方式交流勵(lì)磁機(jī)為轉(zhuǎn)樞式，整流器的直流輸出直接接到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組而省去碳刷和滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，變成無刷、無接觸式。無刷勵(lì)磁方式與靜止半導(dǎo)體交流勵(lì)磁方式的電氣性能相似，其主要優(yōu)點(diǎn)是取消了碳刷和滑環(huán)，減小了維修工作量，但卻增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性?！?-3自勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)概述：

自勵(lì)式半導(dǎo)體勵(lì)磁方式與交流機(jī)勵(lì)磁方式的差別主要在于勵(lì)磁功率不是來自專門的勵(lì)磁機(jī)，而是直接從主發(fā)電機(jī)所發(fā)出的功率中取得，采用自勵(lì)式可以省去勵(lì)磁機(jī)，簡(jiǎn)化設(shè)備，但一般不能作到恒壓，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)為保持恒壓，需要靠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.自并勵(lì)方式勵(lì)磁過程：

主發(fā)電機(jī)1的勵(lì)磁功率由發(fā)電機(jī)端的勵(lì)磁變壓器2經(jīng)過可控整流器3整流后供給，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器4通過改變可控整流橋的輸出來實(shí)現(xiàn)。發(fā)電機(jī)剛開始時(shí)，由起勵(lì)磁裝置5建立起始電壓。說明當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)供電電壓將嚴(yán)重下降，一般不能保持自勵(lì)。不能進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，而且有失磁的趨向。此方式可應(yīng)用于某些大中型電機(jī)中。為使機(jī)端電壓嚴(yán)重下降時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)仍能工作，調(diào)節(jié)器應(yīng)具有低壓出發(fā)單元。2.自復(fù)勵(lì)方式

為了克服自并勵(lì)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，一般中小容量發(fā)電機(jī)中常用下圖所示的自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)有兩套并聯(lián)工作的整流裝置：一套是利用發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓經(jīng)過勵(lì)磁變壓器向可控硅整流裝置供電，另一套是利用發(fā)電機(jī)的輸出電流經(jīng)復(fù)勵(lì)變壓器（實(shí)為有一定功率輸出的電流互感器）通過二極管整流裝置供電。兩套整流橋的直流側(cè)并接在勵(lì)磁繞組的兩端，聯(lián)合供給勵(lì)磁電流。工作過程在發(fā)電機(jī)空載時(shí)輸出電流為零，復(fù)勵(lì)部分不工作，勵(lì)磁電流有勵(lì)磁變壓器單獨(dú)供給。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由勵(lì)磁變壓器和復(fù)勵(lì)變流器共同供給勵(lì)磁電流。復(fù)勵(lì)部分在一定程度上起到補(bǔ)償電樞反應(yīng)，維持電壓的作用，但調(diào)壓主要還是靠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來完成。維持自勵(lì)條件當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，在短路最初瞬間轉(zhuǎn)子非周期分量突增為，在勵(lì)磁繞組上產(chǎn)生的壓降為在發(fā)生短路的同時(shí)，勵(lì)磁繞組的平衡關(guān)系為自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能維持自勵(lì)的條件是

3.三次諧波勵(lì)磁方式

這是利用同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)內(nèi)固有三次及三的奇倍數(shù)次諧波磁場(chǎng)在定子輔助繞組（諧波繞組）中感生的諧波電勢(shì)，經(jīng)整流后作為勵(lì)磁電源的一種自勵(lì)方式，無論是凸極或隱極式同步電機(jī)均可采用，下面以凸極同步發(fā)電機(jī)為例加以說明。不考慮飽和時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的表達(dá)式式中x均以基波電角度來度量不計(jì)飽和時(shí)氣隙磁場(chǎng)波形分解圖三次諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的外特性結(jié)論

從上圖及表達(dá)式可見，滯后的電樞電流所產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)是去磁的，它回使發(fā)電機(jī)的端電壓下降；可是它的三次諧波卻是助磁的，它使氣隙中的三次諧波磁場(chǎng)加強(qiáng)，所以如果同步發(fā)電機(jī)的定子槽中單獨(dú)嵌一套三次諧波繞組，它們的節(jié)距取，并且通過適當(dāng)?shù)木€圈聯(lián)接使其總電動(dòng)勢(shì)只有三次及三次的奇倍數(shù)次諧波那么可以利用這個(gè)諧波繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源，經(jīng)整流后對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電,使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁能隨感應(yīng)電樞電流的增加而增加,以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用?！?-4相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

1.相復(fù)勵(lì)的原理:勵(lì)磁磁勢(shì)中包括兩個(gè)分量:和夾角為如果找得到一種交流電源,它能滿足:提供兩個(gè)電流分量，且它們之間的夾角也為，則將它們的合成值經(jīng)整流后輸入勵(lì)磁繞組，即為此工況下所需的勵(lì)磁電流。相復(fù)勵(lì)的典型接線方式相復(fù)勵(lì)的典型接線方式如圖4—18a)所示。圖4—18b)為忽略互感器勵(lì)磁支路和內(nèi)阻抗后的等效電路。圖中發(fā)電機(jī)端接有電流互感器()和電壓互感器().當(dāng)忽略電流互感器的激磁電流時(shí),其副邊電流與負(fù)載電流的關(guān)系為電壓互感器的副邊電壓與發(fā)電機(jī)的端電壓的關(guān)系為,兩互感器的副邊電流迭加后為勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)的總電流.即忽略互感器的勵(lì)磁支路,利用迭加原理計(jì)算可得:如果以為時(shí)間參考軸;取,則:

且

由此可見,超前于的相位角為,很接近于圖4—17中的。因此按圖4—18a)的接線方式可得到符合于相位補(bǔ)償關(guān)系的復(fù)式勵(lì)磁作用（見圖4—19）。2.相復(fù)勵(lì)實(shí)現(xiàn)恒壓的條件若要求不論發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流情況如何，發(fā)電機(jī)端電壓均恒定，則需滿足由此可得相復(fù)勵(lì)得恒壓條件為：3.相復(fù)勵(lì)的接線型式

以下是三種常用的接線方式，習(xí)慣上稱為電抗移相式系統(tǒng)：諧振式復(fù)相勵(lì)磁系統(tǒng)小結(jié)

相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，在不加專門電壓調(diào)節(jié)器裝置的情況下能自動(dòng)的適應(yīng)負(fù)載的變化，保持發(fā)電機(jī)端電壓的基本恒定，在中小型同步發(fā)電機(jī)中得到廣泛的運(yùn)用。但是由于這種發(fā)電機(jī)的外特性的固定的，有時(shí)在不同發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，會(huì)遇到困難，為了解決它們的并聯(lián)運(yùn)行問題，有時(shí)需要對(duì)相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的移相電抗器進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)?！?-5交流勵(lì)磁發(fā)電交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線型異步電動(dòng)機(jī)，但轉(zhuǎn)子上通常有4個(gè)或6個(gè)滑環(huán)，以便把轉(zhuǎn)子相繞組中點(diǎn)引出。饋電方式則和雙饋電機(jī)或異步電機(jī)超同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)相似，即定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由變頻器供電。他控式交流勵(lì)磁電機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一般的雙饋電機(jī)，既具有同步電機(jī)的特點(diǎn)，又可通過改變轉(zhuǎn)子輸入電流的頻率來變化電機(jī)的運(yùn)行速度。自控式交流勵(lì)磁電機(jī)的變頻器的輸出頻率受與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測(cè)器的控制，始終等于轉(zhuǎn)差頻率，從而保證勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能始終和定子電流所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)保持同步。

電磁轉(zhuǎn)矩的討論設(shè)定子電壓為，當(dāng)轉(zhuǎn)差為s時(shí)，轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)，其軸線的空間位置可表示為。轉(zhuǎn)子繞組中由變頻器供給的轉(zhuǎn)差頻率電壓為：

則，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為：

其中：式中：——定子全自感，——轉(zhuǎn)子全自感，——電機(jī)的功率角，由以上各式可以看出，交流勵(lì)磁條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將大體由三部分組成：

為由定子磁場(chǎng)以的速度切割轉(zhuǎn)子繞組時(shí)，感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)；為由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以的速度切割定子繞組時(shí)，感生的定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它與轉(zhuǎn)差率s無關(guān)；為定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩，它隨功率角而變化。當(dāng)忽略定、轉(zhuǎn)子電阻時(shí)，可簡(jiǎn)化為：在交流勵(lì)磁條件下，功率角，它既決定于轉(zhuǎn)子軸線的位置，又與轉(zhuǎn)子電壓的相位有關(guān)。這樣當(dāng)運(yùn)行條件引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，就可以通過及時(shí)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子輸入電壓的相位來補(bǔ)償轉(zhuǎn)子速度波動(dòng)的影響，以抑制電機(jī)功率的波動(dòng)，從而提高發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。定子磁場(chǎng)定向控制交流勵(lì)磁系統(tǒng)系統(tǒng)說明

發(fā)電機(jī)定子輸出接電網(wǎng)，并采用電壓互感器PT、電流互感器CT分別對(duì)定子電壓定子電流采樣，以實(shí)現(xiàn)輸出有功功率P、無功功率Q的分析。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)由交—交變頻器供電作交流勵(lì)磁，也采用CT對(duì)轉(zhuǎn)子電流采樣，以實(shí)現(xiàn)電流反饋控制。關(guān)于定子磁場(chǎng)定向的討論

由于電機(jī)定子始終運(yùn)行與50Hz工頻，因此定子繞組電阻與電抗相比總是可以忽略的，這樣定子磁通矢量與定子電壓矢量之間相差90°，如圖4—24所示。按照矢量控制的原理將M—T坐標(biāo)的M軸與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾蠒r(shí)，電機(jī)端電壓矢量將在負(fù)T軸方向，此時(shí)：定子磁場(chǎng)定向矢量圖由上式可知電機(jī)端有功功率P與成正比，無功功率與成正比，所以在定子磁場(chǎng)定向控制下，電機(jī)有功、無功的調(diào)節(jié)也就成了定子電流分量和的調(diào)節(jié)。在交流勵(lì)磁方式下，這又是通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流分量的控制實(shí)現(xiàn)的。定、轉(zhuǎn)子電流間的關(guān)系