第二章(1-3節(jié))同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)教案

1、第二章 同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)第一節(jié)概述勵磁電流I ef空載電動勢Eq同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)=勵磁功率單元+勵磁調(diào)節(jié)器勵磁功 率單元勵磁調(diào)節(jié)器電 力 系 統(tǒng)圖2-1勵磁控制系統(tǒng)結構框圖一、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：Ug jlGXd式中發(fā)電機直軸同步電抗(a)Eq(b)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EqCOS G Ug iQXd式中G - Eq與UG間的相角，即發(fā)電機的功率角;?Q發(fā)電機的無功電流。很小，可近似認為cos G1,于是，可得簡化的運算式為Eq Ug IQXd上式說明，負荷的無功電流是造成與

2、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。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)電機的外特性Q線1 ： I EF 1不變UGe, I Q1勵磁不變UG2 ,IQ2曲線2: IEF2不變UGe, I Q1勵磁增加UGe, I Q2（二）控制無功功率的分配1、Ki圖2-4同步發(fā)電機與無限大母線并聯(lián)運行無論勵磁電流如何變化，發(fā)電機的有功功率 PG均為常數(shù)，即Pg U g I g COS 常數(shù)I g coski?Ig的端點則沿著

3、BB虛線變化?一 、- .,Eq的端點則沿著AA虛線變化PgEqUG . SinXd常數(shù)EqSinK2由此可見，與無限大母線并聯(lián)運行的機組，調(diào)節(jié)它的勵磁電流可以改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IQ(b)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Umi時：I Q I Q1 I Q2IQ2無功負荷

4、增加，母線電壓降到UM2時：I / I /Q Q1顯然:I Q1 I Q2（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I EF從而改變空載電動勢Eq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）等值網(wǎng)絡；（c）相量圖EqU .Pg -sinXX 一系統(tǒng)總電抗，一般為發(fā)電機，兩變壓器，輸電線電抗之和;一發(fā)電機空載電動勢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)電機空載電動勢Eq成正比，而Eq值與勵磁電流有關。BPo無自動調(diào)節(jié)勵磁時，因勵磁電流恒定，Eq=常數(shù)，此時的功角特性稱為內(nèi)

5、功率特性；若有靈敏和快速的勵磁調(diào)節(jié)器，則可視為保持發(fā)電機電壓為恒定。即 UG=常數(shù)，由相應一簇不同的E?q的功角特性求得曲線B （稱為外功, 一4、1角特性，見圖2-8）最大值出現(xiàn)在ug與uN間功率角90時，即Pm UGUsin ' （ X XT 此時 / 大于 90 ）。X對于按電壓偏差比例調(diào)節(jié)的勵磁控制系統(tǒng)，則近似按 曰=常數(shù)求得的 功角特性曲線C工作，（此時”大于90）顯然，它使發(fā)電機能在大于 90范圍的人工穩(wěn)定區(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(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、 勵磁對暫態(tài)穩(wěn)定的影響（b）圖2-9發(fā)電機暫態(tài)功角特性曲線功

6、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(nèi)電動勢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

7、系統(tǒng)的基本要求（1） 對勵磁調(diào)節(jié)器的要求1、 系統(tǒng)正常運行時，勵磁調(diào)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(diào)節(jié)器應能合理分配機組的無功功率，為此， 勵磁調(diào)節(jié)器應保證同步發(fā)電機端電壓調(diào)差系數(shù)可以在10以內(nèi)進行調(diào)整。3、 勵磁調(diào)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。（2） 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(diào)節(jié)容量（2）具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。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(zhì)上是一個可控的直流電源發(fā)電機自并勵直流勵磁機換流困難|交流勵磁機縮短主軸長度y無刷勵磁

8、系去掉滑環(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(diào)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)起勵電源可控整流器自勵恒壓調(diào)節(jié)器(二)、無刷勵磁系統(tǒng)永磁發(fā)電機 一:二S一 勵磁開It.有產(chǎn)劃可控硅整流器圖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(diào)節(jié)交流勵磁機的勵

9、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一一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

10、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))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。工起勵元件VS固H卷滑環(huán)tRS TV勵磁調(diào)節(jié)器卜起勵電源圖2-13靜止勵磁系統(tǒng)接線(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)中轉子磁場的建立和滅磁建立

11、：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(nèi)部故障等，使轉子磁場內(nèi)存儲的大量能量迅速消釋，而不致在發(fā)電機內(nèi)產(chǎn)生危險的過電壓一、時間常數(shù)（1） 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d I EEI ee Ree LeeEdt式中Ree、lee勵磁機勵磁線圈的電阻和電感IEE是按指數(shù)曲線增長的，其時間常數(shù)為TtL EERee由于勵磁機電勢Uef正比于Iee, Uef也是按指數(shù)曲線增加的（2） 自勵直流勵磁機時間常數(shù)圖2-15自勵直流發(fā)電機等值特性圖I EEU EF E0 I EE E0 kI EEIEE.1式中Eo 自勵

12、直流發(fā)電機的殘余電勢值Ui勵磁機的工作電壓值IEE1 勵磁機的工作電流值k比例常數(shù)對自勵勵磁機的電勢Uef ,也有IEEREELEEd UEF代入，得整理之，得I EEREE LEEdIEE"dTUEF Eo k I EERee kI EEd I EELeeEodt由此得自勵系統(tǒng)的時間常數(shù)TcRee kLee(三)自勵系統(tǒng)時間常數(shù)Tc與他勵系統(tǒng)時間常數(shù)Tt的比較Tc>Tt原因就在于他勵系統(tǒng)的電壓Uef的建立過程與Uef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)U ef的建立過程卻是U EF與I EE相互作用的結果。二、電壓響應比電壓響

13、應比反映了勵磁機磁場建立速度的快慢。UEF(t)d GK G dtU EF (V)U EFqbUefo|*I0.5* t(s)t0 UEF(t)dt圖2-16勵磁電壓上升速度的確定式中UEF(t)發(fā)電機勵磁電壓上升曲線;G一發(fā)電機轉子回路的磁通量;K 一與轉子線圈匝數(shù)及轉子尺寸有關的常數(shù)組等值電路圖轉子磁通增量G,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U c U bRr/ 0-5 2 U *bc (1/s)Ua式中U*bc圖中bc段電壓標么值。般U a為額定工況下的勵磁電壓，則差的95%所花費的時間) .e圖2-18勵磁系統(tǒng)電壓響應時間U EF e-額定勵磁電壓；U E

14、F max -頂值勵磁電壓 .為強勵倍數(shù)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)?。將轉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)T LGE電阻Rm越大，滅磁過程越快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