13節(jié)同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)

1、第一節(jié) 概述勵磁電流 空載電動勢圖2-1 勵磁控制系統(tǒng)結構框圖同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)=勵磁功率單元+勵磁調節(jié)器一、同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的任務（一）電壓控制單機運行:式中 發(fā)電機直軸同步電抗圖2-2 同步發(fā)電機感應電動勢和勵磁電流關系(a) 同步發(fā)電機運行原理；(b) 等值電路；(c) 矢量圖式中 與間的相角，即發(fā)電機的功率角；發(fā)電機的無功電流。一般很小，可近似認為，于是，可得簡化的運算式為 上式說明，負荷的無功電流是造成與幅值差的主要原因，發(fā)電機的無功電流越大，兩者之間的差值也越大。圖2-3 同步發(fā)電機的外特性線1：不變勵磁不變曲線2：不變勵磁增加（二）控制無功功率的分配圖2-4 同步發(fā)電機與

2、無限大母線并聯(lián)運行(a) 接線圖；(b) 相量圖；1、同步發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)母線并聯(lián)運行的有關問題：無論勵磁電流如何變化，發(fā)電機的有功功率均為常數(shù)，即常數(shù) 常數(shù) 的端點則沿著虛線變化的端點則沿著虛線變化由此可見，與無限大母線并聯(lián)運行的機組，調節(jié)它的勵磁電流可以改變發(fā)電機無功功率的數(shù)值。2、并聯(lián)運行各發(fā)電機間無功功率的分配圖2-5 并聯(lián)運行發(fā)電機間無功負荷的分配當母線電壓為時：無功負荷增加,母線電壓降到時：顯然：（三）提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性勵磁自動控制系統(tǒng)是通過改變勵磁電流從而改變空載電動勢值來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的。1、 勵磁對靜態(tài)穩(wěn)定的影響圖2-6 單機向無限大母線送電(a) 接線圖；(b

3、) 等值網(wǎng)絡；(c) 相量圖系統(tǒng)總電抗，一般為發(fā)電機，兩變壓器，輸電線電抗之和；發(fā)電機空載電動勢和受端電壓間的相角。圖2-8 發(fā)電機的幾條代表性功率特性功率極限為，即靜態(tài)穩(wěn)定極限功率與發(fā)電機空載電動勢成正比，而值與勵磁電流有關。無自動調節(jié)勵磁時，因勵磁電流恒定，常數(shù)，此時的功角特性稱為內功率特性；若有靈敏和快速的勵磁調節(jié)器，則可視為保持發(fā)電機電壓為恒定。即常數(shù)，由相應一簇不同的的功角特性求得曲線B（稱為外功角特性，見圖2-8）最大值出現(xiàn)在與之間功率角時，即（此時大于）。對于按電壓偏差比例調節(jié)的勵磁控制系統(tǒng)，則近似按常數(shù)求得的功角特性曲線C工作，（此時大于）顯然，它使發(fā)電機能在大于范圍的人工穩(wěn)定

4、區(qū)運行，即可提高發(fā)電機輸送功率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備。勵磁調節(jié)裝置能有效的提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的極限功率。2、 勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響圖2-9 發(fā)電機暫態(tài)功角特性曲線功角特性曲線I：對應于故障前雙回線運行；功角特性曲線II：對應于一回線故障時的運行狀況；功角特性曲線III：對應于故障切除后一回線運行。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，勵磁系統(tǒng)施加的作用是力圖促使發(fā)電機的內電動勢上升而增加電功率輸出，使增加，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，又同時增加了減速面積?？焖夙憫?縮小勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)+提高強行勵磁的倍數(shù)（四）改善電

5、力系統(tǒng)的運行條件1、 改善異步電動機的自起動條件2、 為發(fā)電機異步運行創(chuàng)造條件3、提高繼電保護裝置工作的正確性（五）水輪發(fā)電機組要求強行減磁二、對勵磁系統(tǒng)的基本要求（一） 對勵磁調節(jié)器的要求1、系統(tǒng)正常運行時，勵磁調節(jié)器應能反映發(fā)電機電壓高低以維持發(fā)電機電壓在給定水平。2、勵磁調節(jié)器應能合理分配機組的無功功率，為此，勵磁調節(jié)器應保證同步發(fā)電機端電壓調差系數(shù)可以在10以內進行調整。3、勵磁調節(jié)器應能迅速反應系統(tǒng)故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運行條件。（二） 對勵磁功率單元的要求 （1） 要求勵磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調節(jié)容量（2） 具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上

6、升速度。第二節(jié) 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)同步發(fā)電機的勵磁電源實質上是一個可控的直流電源直流勵磁機換流困難交流勵磁機縮短主軸長度發(fā)電機自并勵無刷勵磁系統(tǒng)去掉滑環(huán)和電刷一、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)（一）自勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)發(fā)電機轉子繞組由專用的直流勵磁機供電調整勵磁機磁場電阻，可改變勵磁機勵磁電流（二）他勵直流勵磁機勵磁系統(tǒng)他勵直流勵磁機的勵磁繞組是由副勵磁機供電的，比自勵多用了一臺副勵磁機二、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)（一） 他勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng)圖2-11 他勵交流勵磁機勵磁系統(tǒng)原理接線（二）、無刷勵磁系統(tǒng)圖2-17 無刷勵磁系統(tǒng)原理接線圖（1）無炭刷和滑環(huán)，維護工作量可大為減少。（2）發(fā)電機勵磁由勵磁機獨立供

7、電，供電可靠性高。并且由于無刷，整個勵磁系統(tǒng)可靠性更高。（3）發(fā)電機勵磁控制是通過調節(jié)交流勵磁機的勵磁實現(xiàn)的，因而勵磁系統(tǒng)的響應速度較慢。為提高其響應速度，除前述勵磁機轉子采用疊片結構外，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)電機勵磁控制策略上還采取相應措施增加勵磁機勵磁繞組頂值電壓，引入轉子電壓深度負反饋以減小勵磁機的等值時間常數(shù)。（4）發(fā)電機轉子及其勵磁電路都隨軸旋轉，因此在轉子回路中不能接入滅磁設備，發(fā)電機轉子回路無法實現(xiàn)直接滅磁，也無法實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的常規(guī)檢測（如轉子電流、電壓，轉子絕緣，熔斷器熔斷信號等），必須采用特殊的測試方法。（5）要求旋轉整流器和快速熔斷器等有良好

8、的機械性能，能承受高速旋轉的離心力。（6）因為沒有接觸部件的磨損，所以也就沒有炭粉和銅末引起的對電機繞組的污染，故電機的絕緣壽命較長。三、靜止勵磁系統(tǒng)（發(fā)電機自并勵系統(tǒng)）圖2-13 靜止勵磁系統(tǒng)接線靜止勵磁方式的主要優(yōu)點是：（1）勵磁系統(tǒng)接線和設備比較簡單，無轉動部分，維護費用省，可靠性高。（2）不需要同軸勵磁機，可縮短主軸長度，這樣可減小基建投資。（3）直接利用晶閘管取得勵磁能量，機端電壓與機組轉速的一次方成正比，故靜止勵磁輸出的勵磁電壓與機組轉速的一次方成比例。而同軸勵磁機勵磁系統(tǒng)輸出的勵磁電壓與轉速的平方成正比。這樣，當機組甩負荷時靜態(tài)勵磁系統(tǒng)機組的過電壓就低。第三節(jié) 勵磁系統(tǒng)中轉子磁場

9、的建立和滅磁建立：在外部事故情況下，轉子勵磁電壓的最大值及其建立的速度，即強勵頂值與響應比滅磁：發(fā)電機繞組內部故障等，使轉子磁場內存儲的大量能量迅速消釋，而不致在發(fā)電機內產(chǎn)生危險的過電壓一、時間常數(shù)（一） 他勵直流勵磁機時間常數(shù)圖2-14 他勵與自勵直流勵磁機時間常數(shù)計算原理圖式中、勵磁機勵磁線圈的電阻和電感是按指數(shù)曲線增長的，其時間常數(shù)為由于勵磁機電勢正比于，也是按指數(shù)曲線增加的。圖2-15 自勵直流發(fā)電機等值特性圖（二） 自勵直流勵磁機時間常數(shù)式中 自勵直流發(fā)電機的殘余電勢值勵磁機的工作電壓值勵磁機的工作電流值k比例常數(shù)對自勵勵磁機的電勢，也有代入，得整理之，得由此得自勵系統(tǒng)的時間常數(shù)（三

10、）自勵系統(tǒng)時間常數(shù)與他勵系統(tǒng)時間常數(shù)的比較>原因就在于他勵系統(tǒng)的電壓的建立過程與本身無關，它完全是由于外加電動勢E的作用，即只與勵磁線圈的時間常數(shù)有關。但自勵系統(tǒng)的建立過程卻是與相互作用的結果。圖2-16 勵磁電壓上升速度的確定二、電壓響應比電壓響應比反映了勵磁機磁場建立速度的快慢。圖2-22 勵磁繞組等值電路圖式中 發(fā)電機勵磁電壓上升曲線；發(fā)電機轉子回路的磁通量；與轉子線圈匝數(shù)及轉子尺寸有關的常數(shù)。轉子磁通增量，正比于勵磁電壓伏秒曲線下的面積增量于是勵磁電壓響應比可以定義為 （1/s）式中 圖中bc段電壓標么值。一般為額定工況下的勵磁電壓，則為強勵倍數(shù)圖2-18 勵磁系統(tǒng)電壓響應時間-

11、額定勵磁電壓；-頂值勵磁電壓勵磁系統(tǒng)電壓響應時間: 指在發(fā)電機勵磁電壓為額定勵磁電壓時，從施加階躍信號起至勵磁電壓達到最大勵磁電壓與額定電壓之差的95所花費的時間勵磁系統(tǒng)電壓響應時間為0.1s或更短的勵磁系統(tǒng)，稱為高初始響應勵磁系統(tǒng)三、勵磁繞組對恒定電阻放電滅磁所謂滅磁就是將發(fā)電機轉子勵磁繞組的磁場盡快的減弱到最小程度圖2-19 滅磁開關接線圖圖2-20 滅磁過程示意圖因為勵磁繞組是一個大電感，用斷開轉子回路的辦法來滅磁是不恰當?shù)摹⑥D子勵磁繞組自動接到放電電阻滅磁的方法是可行的。要求：1滅磁時間短2滅磁過程中轉子電壓不應超過允許值電流：按指數(shù)衰減 時間常數(shù)電阻越大，滅磁過程越快電壓：的最大值為式中的初始值電阻越大，電壓最大值越大四、理想的滅磁過程圖2-21 滅磁過程比較理想的滅磁過程，就是在整個滅磁過程中始終保持轉子線圈GEW的端電壓為最大允許值不變，直至勵磁回路斷開為止。由于（式中：為轉子回路的