第13次課第4章(1節(jié))

1、電力系統(tǒng)自動裝置原理 水電學院電力系 楊國清4.1 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及穩(wěn)定性 4.1.1 概述概述4.1.2 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性4.1.1 概述概述（1）勵磁自動控制系統(tǒng)是由發(fā)電機、勵磁調(diào)節(jié)器（控制器）以）勵磁自動控制系統(tǒng)是由發(fā)電機、勵磁調(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）勵磁自動控制系統(tǒng)的特性：）勵磁自動控制系統(tǒng)的特性：靜態(tài)特性，靜態(tài)特性，P72，電壓控制過程。電壓控制過程。動態(tài)特性：指在較小的或隨機的干擾下，勵磁自動控制系動態(tài)特性：指

2、在較小的或隨機的干擾下，勵磁自動控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性。動態(tài)響應(yīng)指標統(tǒng)的時間響應(yīng)特性。動態(tài)響應(yīng)指標。4.1.1 概述概述（3）勵磁控制系統(tǒng)的典型動態(tài)響應(yīng)曲線：發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速）勵磁控制系統(tǒng)的典型動態(tài)響應(yīng)曲線：發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速下，突然起勵，使機端電壓升至額定電壓過程的時間響下，突然起勵，使機端電壓升至額定電壓過程的時間響應(yīng)曲線。應(yīng)曲線。4.1.1 概述概述（4）勵磁控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線的典型指標：）勵磁控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線的典型指標：超調(diào)量：響應(yīng)曲線超過穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值（標幺值）超調(diào)量：響應(yīng)曲線超過穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值（標幺值）上升時間：自上升時間：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、值時間。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值時間。調(diào)節(jié)時間：輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差達到并且不再超過某一允許誤調(diào)節(jié)時間：輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差達到并且不再超過某一允許誤差（差（5，2）所需的時間。）所需的時間。GBT7409.3-1997 同步電機勵磁系統(tǒng) 大中型同步勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求4.1.1 概述概述相關(guān)國標 GBT7409.3-1997 同步電機勵磁系統(tǒng) 大中型同步勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求 GBT7409.2-1997 同步電機勵磁系統(tǒng) 電力系統(tǒng)研究用模型 GBT7409.1-1997 同步電機勵磁系統(tǒng)定義 GB10585-1989 中小型同步電機勵磁系統(tǒng)基本技術(shù)要求 DLT650-1998 大型汽輪發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件

4、 DLT583-1995 大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件 DLT491-1999 大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置運行檢修規(guī)程 DL490-1992 大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置的安裝驗收規(guī)程 DL489-1992 大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置的試驗規(guī)程.doc4.1.1 概述概述（5）國標要求值：）國標要求值： GBT7409.3-1997GBT7409.3-1997同步電機勵磁系統(tǒng)同步電機勵磁系統(tǒng) 大中型同步勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求大中型同步勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求a.a.空載額定電壓空載額定電壓1010擾動時：擾動時：超調(diào)量小于超調(diào)量小于50% 調(diào)節(jié)時間小于調(diào)節(jié)

5、時間小于10 s 振蕩次數(shù)少于振蕩次數(shù)少于3次次b.b.零起升壓時零起升壓時 超調(diào)量小于超調(diào)量小于15% 調(diào)節(jié)時間小于調(diào)節(jié)時間小于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）強行勵磁時的響應(yīng)曲線）強行勵磁時的響應(yīng)曲線4.1.2 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（1）概述）概述 a. 動態(tài)特性的分析方法：動態(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 勵磁控制系統(tǒng)的

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

7、1.2 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)b. 勵磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)勵磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)電壓測量比較、綜合放大、功率放大等單元組成電壓測量比較、綜合放大、功率放大等單元組成電壓測量比較：電壓測量比較：電壓測量比較單元由測量變壓器、整流濾波電路及測量電壓測量比較單元由測量變壓器、整流濾波電路及測量比較電路組成。比較電路組成。測量、整流環(huán)節(jié)可用一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)要取決測量、整流環(huán)節(jié)可用一階慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(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。比較電路忽略時間常數(shù)。比較電路忽略時間常數(shù)。4.1.2 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(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)單元當作一個慣性環(huán)節(jié)。放大綜合放大單元、移相觸發(fā)單元當作一個慣性環(huán)節(jié)。放大倍數(shù)為倍數(shù)為KA、時間常數(shù)為時間常數(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 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(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)器控制電壓信號滯后于觸發(fā)器控制電壓信號uSM。滯后時間為滯后時間為Tz。 在分析中，這樣一個延遲在分析中，這樣一個延遲 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 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)c. 發(fā)電機傳遞函數(shù)發(fā)電機傳遞函數(shù)發(fā)電機端電壓的穩(wěn)態(tài)幅值被認為與其轉(zhuǎn)子勵磁電壓成正發(fā)電機端電壓的穩(wěn)態(tài)幅值被認為與其轉(zhuǎn)子勵磁電壓成正比。比。 其次，認為發(fā)電機的動態(tài)響應(yīng)可以簡化為用一階慣性元其次，認為發(fā)電機的動態(tài)響應(yīng)可以簡化為用一階慣性元件的特性來表示。件的特性來表示。4.1.2 勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（3）勵磁控制系統(tǒng)合成傳遞函數(shù)）勵磁控制系統(tǒng)合成傳遞函數(shù)勵磁機：直流勵磁機勵磁機：直流勵磁機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 勵磁

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

11、條精確穩(wěn)定性分析：計算機求解狀態(tài)方程的方法，比對穩(wěn)定邊界條件。件。 定性分析：根軌跡（開環(huán)零極點）、乃魁斯特曲線（開環(huán)頻率特定性分析：根軌跡（開環(huán)零極點）、乃魁斯特曲線（開環(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)（開環(huán)傳遞函數(shù)階數(shù)）根軌跡的分支數(shù)（開環(huán)傳遞函數(shù)階數(shù)） 開環(huán)傳遞函數(shù)的零點和極點開環(huán)傳遞函數(shù)的零點和極點 根軌跡與實軸的交點及漸近線根軌跡與實軸的交點及漸近線 根軌跡在實軸上的分離點根軌跡在實軸上的分離點 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根軌跡與虛軸的交點4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性（一）典型勵磁控制系統(tǒng)的

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

13、速率反饋：加入勵磁電壓微分負反饋信號具有轉(zhuǎn)子電壓速率反饋：加入勵磁電壓微分負反饋信號典型補償系統(tǒng)的框圖典型補償系統(tǒng)的框圖4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(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磁系統(tǒng)框圖勵磁系統(tǒng)框圖的簡化的簡化4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 增加了電壓速率反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)就有四個極點，三增加了電壓速率反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)就有四個極點，三個零點。個零點。4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性求開還傳遞函數(shù)的零點，方程可寫為求開還傳遞函數(shù)的零點，方程可寫為: :零點位置隨零點位置隨T TF F、K KF F而變：而變：4.

14、1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可視為開環(huán)傳遞函數(shù)：可視為開環(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，其根軌跡的每一點都是上式的根。的每一點都是上式的根。)(sG)(sH4.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性零點的確切位置與零點的確切位置與TFTF、KFKF的值有關(guān)的值有關(guān)當當K K值給定后，即可確定值給定后，即可確定的零點。的零點。其位置如圖中其位置如圖中z1z1、z2z2、z3z34.1.3 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性引入電壓速率反饋后，勵引入電壓速率反饋后，勵磁控制系統(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，由于增加了一對零點，把勵于增加了一對零點，把勵磁系統(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 勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性結(jié)論：結(jié)論：在發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)中，一般都附有勵磁控制系在發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)中，一般都附有勵磁控制系統(tǒng)穩(wěn)定器，作為改善發(fā)電機空載