第3章水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

1、3.1 水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù)和基本要求同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與其空載電動(dòng)勢(shì)Eq的大小有關(guān)，而Eq為勵(lì)磁電流IE的函數(shù)，改變勵(lì)磁電流就可以直接影響同步發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行性能。因此，勵(lì)磁控制是對(duì)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的主要內(nèi)容之一。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的分配。當(dāng)電力系統(tǒng)故障時(shí)，要求迅速改變勵(lì)磁電流，以維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性?？梢?jiàn)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制在保證電能質(zhì)量、無(wú)功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行等方面都具有十分重要的作用。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)由測(cè)量單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁功率單元組成，如圖3.1。勵(lì)磁功率

2、單元向同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供直流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)控制規(guī)律控制勵(lì)磁功率單元的輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的目的。整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)是由測(cè)量單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。圖3.1勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖3.1.1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù)在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或事故運(yùn)行中，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)起著重要的作用，優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，提供合格電能，而且還能改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。1. 調(diào)節(jié)電壓 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷是隨機(jī)波動(dòng)的。隨著負(fù)荷的波動(dòng)，需要對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持機(jī)端或系統(tǒng)中某點(diǎn)電壓在給定水平，所以勵(lì)磁系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著維

3、持電壓水平的任務(wù)。為便于分析，下面用最簡(jiǎn)單的單機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分析，如圖3.2所示。圖3.2（a）是同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖，圖中GEW是勵(lì)磁繞組，為機(jī)端電壓，為發(fā)電機(jī)定子電流，為勵(lì)磁電流，為勵(lì)磁電壓。正常情況下，勵(lì)磁電流流過(guò)GEW并建立磁場(chǎng)，從而使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，改變的大小，的值就相應(yīng)改變。與的關(guān)系可用等值電路圖3.2（b）表示，其關(guān)系式為 （3.1）式中，發(fā)電機(jī)直軸電抗。圖3.2（c）是式（3.1）的相量圖。圖3.2（c）說(shuō)明，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與端電壓有如下關(guān)系。（3.2）式中 與間的相角，即發(fā)電機(jī)的功率角；IQ發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，一般是相當(dāng)小的，即，于是，得到

4、一個(gè)簡(jiǎn)化的關(guān)系式 （3.3）式（3.3）說(shuō)明；負(fù)荷的無(wú)功電流是造成Eq和UG差值的主要原因。在勵(lì)磁電流不變（即Eq大小不變）時(shí)，發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)荷愈大，其端電壓的降落就愈大。由式（3.2）可以看出同步發(fā)電機(jī)的外特性是下降的，如圖3.3。當(dāng)勵(lì)磁電流IE為定值時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓UG會(huì)隨著無(wú)功電流的增大而下降，但是，電能質(zhì)量要求發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本不變，這個(gè)矛盾只能用調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的方法來(lái)解決。圖3.3說(shuō)明，當(dāng)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流IQ1時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓為額定值UGN，勵(lì)磁電流為IE1；當(dāng)無(wú)功電流增大到IQ2時(shí)，如果勵(lì)磁電流不變，則端電壓降至UG2，可能滿足不了運(yùn)行的要求，必須將勵(lì)磁電流增大到IE2才能維持

5、端電壓為額定值UGN。同理，無(wú)功電流減小時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)上升，必須減小勵(lì)磁電流。綜上所述，對(duì)于單機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，引起機(jī)端電壓變化的主要原因是無(wú)功負(fù)荷的變化，要保持機(jī)端電壓不變，必須相應(yīng)的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。2. 控制無(wú)功功率的合理分配當(dāng)發(fā)電機(jī)與無(wú)限大容量母線并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的端電壓是恒定的，不隨負(fù)荷大小變化，系統(tǒng)等值電抗為零，圖3.4是上述情況的原理接線圖和相量圖。發(fā)電機(jī)的有功功率只受調(diào)速器控制，與勵(lì)磁電流的大小無(wú)關(guān)，故發(fā)電機(jī)的有功功率為常數(shù)，即（3.4）式中功率因數(shù)角。當(dāng)不考慮定子電阻和凸極效應(yīng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功功率又可表示為（3.5）式中發(fā)電機(jī)的功率角。式（3.4）和式（3.5）說(shuō)

6、明當(dāng)勵(lì)磁電流變化時(shí)，由圖3.4（b）中的相量關(guān)系可以看到，當(dāng)勵(lì)磁電流變化時(shí)，終端變化軌跡為平行于的AA虛線，相應(yīng)定子電流的變化軌跡為BB虛線。勵(lì)磁電流增大，電勢(shì)增大為，相應(yīng)定子電流 增大為，無(wú)功電流增大為。反之亦然。可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)并于無(wú)窮大容量電網(wǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流，只是改變了其輸出的無(wú)功功率和功率角。勵(lì)磁電流過(guò)小，發(fā)電機(jī)將從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率。在實(shí)際運(yùn)行中，與發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的母線并不是無(wú)限大容量母線，即系統(tǒng)的等值電抗并不等于零，母線的電壓將隨負(fù)荷波動(dòng)而變化。發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功電流與它的母線電壓水平有關(guān)，改變其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不但影響其本身的電壓和無(wú)功功率，而且也影響與其并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功

7、功率。所以，勵(lì)磁控制系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著合理分配并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的任務(wù)。3. 提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行是保證電力系統(tǒng)可靠供電的首要條件，電力系統(tǒng)在運(yùn)行中隨時(shí)都可能受到各種干擾，在這些擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)組能夠恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)，或者過(guò)渡到另一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其主要標(biāo)志是暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，同步發(fā)電機(jī)能維持或恢復(fù)同步運(yùn)行。通常把電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題分為三類：靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，遭受微小擾動(dòng)后恢復(fù)到原來(lái)運(yùn)行狀態(tài)的能力。它與自動(dòng)控制理論中穩(wěn)定性的概念一致，可用微分方程建立該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某一正常

8、運(yùn)行方式下突然遭受大擾動(dòng)后，能否過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、或者恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)運(yùn)行的能力（通常指保持第一或第二個(gè)搖擺周期不失步）。這里所謂大的擾動(dòng)是指電力系統(tǒng)發(fā)生某種事故，如高壓電網(wǎng)發(fā)生短路或發(fā)電機(jī)被切除。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受小的或大的擾動(dòng)后，在自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和附加控制的作用下，保持較長(zhǎng)過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行的能力（通常指不發(fā)生周期性振蕩失步）。在分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，在數(shù)學(xué)模型中總包含有發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)Eq，而Eq與勵(lì)磁電流有關(guān)。所以，勵(lì)磁控制系統(tǒng)是通過(guò)改變勵(lì)磁電流從而改變來(lái)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的。下面我們分別討論勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的影響。（1）對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響圖3.5（a）所示為一簡(jiǎn)單

9、的電力系統(tǒng)原理接線圖，同步發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器、輸電線路和降壓變壓器與受端系統(tǒng)連接。設(shè)受端系統(tǒng)母線電壓U電壓恒定不變。系統(tǒng)的等值網(wǎng)絡(luò)和相量圖如圖3.5（b）、（c）所示。發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送的有功率P表示為（3-6）式中Eq發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)；U受端系統(tǒng)母線電壓；發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)與受端系統(tǒng)母線電壓間的相角，即功率角；X系統(tǒng)總電抗，一般為發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線路電抗之和，。對(duì)應(yīng)于某一固定空載電動(dòng)勢(shì)Eq時(shí)，P是的函數(shù)，關(guān)系曲線如圖3.6所示，稱為同步發(fā)電機(jī)的功角特性或同步發(fā)電機(jī)的功率特性。眾所周知，當(dāng)<90°時(shí)（如圖3.6中的a點(diǎn)），發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。當(dāng)>90°時(shí)（如

10、圖3.6中的b點(diǎn)），發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。=90°為穩(wěn)定的極限情況，最大可能傳輸?shù)墓β蕵O限為Pm，即（3.7）實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了可靠起見(jiàn)留有一定的裕度，運(yùn)行點(diǎn)往往比功率極限低一些。如果勵(lì)磁系統(tǒng)具有按電壓偏差調(diào)節(jié)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，并設(shè)發(fā)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行于在功率曲線的a點(diǎn)，如圖3.7所示。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí)，為保持機(jī)端電壓不變，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器必將增加勵(lì)磁電流，使Eq增加，運(yùn)行點(diǎn)將過(guò)渡到波幅較高的另一功率特性曲線上，依此類推。這樣，具有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)，由波幅連續(xù)增高的一簇功率特性曲線上的各運(yùn)行點(diǎn)構(gòu)成了一條新的功率特性曲線，如圖3.7所示的曲線A。顯然，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)發(fā)電機(jī)功率角能在大于90°范圍的人工

11、穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，即可以提高傳輸?shù)墓β蕵O限或系統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)備。（2）對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響隨著繼電保護(hù)與斷路器動(dòng)作速度的提高，一般的勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響沒(méi)有對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定那么顯著，但在一定條件下，仍然可以看出它的明顯作用。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于提高暫態(tài)穩(wěn)定而言，主要表現(xiàn)在快速勵(lì)磁和強(qiáng)勵(lì)的作用上?，F(xiàn)以單機(jī)到無(wú)窮大系統(tǒng)為例，設(shè)在正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)輸出功率為P0，在功率特性的a 點(diǎn)運(yùn)行，如圖3.8所示。當(dāng)突然受到某種擾動(dòng)后，運(yùn)行點(diǎn)由曲線上的a點(diǎn)突然變到曲線上的b點(diǎn)。由于原動(dòng)力部分存在慣性，輸入功率為仍P0，而所需功率減小，于是發(fā)電機(jī)軸上將出現(xiàn)過(guò)剩轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子加速，運(yùn)行點(diǎn)由b沿曲線向F點(diǎn)移動(dòng)。過(guò)了F點(diǎn)后，發(fā)電機(jī)輸出功率

12、大于P0，發(fā)電機(jī)軸上將出現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子減速。發(fā)電機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行取決于曲線與P0直線間所形成的上下兩塊面積（如圖3.8中陰影部分）是否相等，即所謂的等面積法則。在上述過(guò)程中，發(fā)電機(jī)如能強(qiáng)行增加勵(lì)磁，使受到擾動(dòng)后的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)移動(dòng)到功率特性上運(yùn)行，這樣不僅減小了加速面積，也增大了減速面積，從而使發(fā)電機(jī)第一擺時(shí)功角幅值減小，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性。4. 改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因，出現(xiàn)短時(shí)低壓時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)功能，即大幅度地提高勵(lì)磁電流以提高系統(tǒng)電壓。這在下述情況下可以改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件。（1）改善異步電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)條件電網(wǎng)發(fā)生短路等故障時(shí)，電壓下降，使大多數(shù)用

13、戶的電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。電力系統(tǒng)故障切除后，由于用戶電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)吸收大量的無(wú)功功率，系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)功缺額，以致延緩了電網(wǎng)電壓的回復(fù)過(guò)程。發(fā)電機(jī)的強(qiáng)行勵(lì)磁可以加速電網(wǎng)電壓的回復(fù)過(guò)程，從而有效地改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和自啟動(dòng)條件。（2）為發(fā)電機(jī)的異步運(yùn)行創(chuàng)造條件同步發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁時(shí)，需要從系統(tǒng)中吸收大量的無(wú)功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅下降嚴(yán)重時(shí)危及系統(tǒng)安全運(yùn)行。在這種情況下，如果系統(tǒng)中的其它發(fā)電機(jī)組能提供足夠的無(wú)功功率維持系統(tǒng)電壓水平，則失磁的發(fā)電機(jī)還可以在一定的時(shí)間內(nèi)以異步運(yùn)行方式維持運(yùn)行，這不但可以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行而且有利于熱力設(shè)備的運(yùn)行。（3）調(diào)高繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏度當(dāng)系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的

14、勵(lì)磁電流較小，若此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生短路故障，其短路電流較小，且隨時(shí)間衰減，以致帶時(shí)限的繼電保護(hù)不能正確動(dòng)作。勵(lì)磁控制系統(tǒng)可通過(guò)增加勵(lì)磁以增大短路電流，使繼電保護(hù)正確動(dòng)作。5. 根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)行強(qiáng)行減磁當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障突然跳閘時(shí)，由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較大的慣性，導(dǎo)葉不能迅速關(guān)閉，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升。如果不采取措施迅速降低勵(lì)磁電流，則發(fā)電機(jī)電壓有可能升高到威脅定子絕緣的程度。所以，在這種情況下，要求勵(lì)磁控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁。3.1.2 對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本要求1. 對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是檢測(cè)和綜合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)放大后控制勵(lì)磁功率單

15、元的輸出，以得到所需要的勵(lì)磁電流。對(duì)其的要求是：（1）自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)保證能在發(fā)電機(jī)空載額定電壓的70%110%范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定、平滑地調(diào)節(jié)。通常勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓靜差率不大于±1%。勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證在發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行情況下，頻率值每變化1%時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓的變化值不大于額定值的±0.25%。勵(lì)磁系統(tǒng)的手動(dòng)控制單元，應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流能在空載勵(lì)磁電流的20%到額定勵(lì)磁電流110%范圍內(nèi)穩(wěn)定地平滑調(diào)節(jié)。（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組間的無(wú)功功率，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率的整定范圍不小于±15%。（3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反映系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行

16、勵(lì)磁、快速滅磁等功能，以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、改善系統(tǒng)的運(yùn)行條件以及保障發(fā)電機(jī)的安全。（4）對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)組，為了能在人工穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)無(wú)失靈區(qū)。（5）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，反應(yīng)速度快，運(yùn)行維護(hù)方便。2. 對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求（1）勵(lì)磁功率單元應(yīng)有足夠的調(diào)節(jié)容量，以適應(yīng)各種運(yùn)行工況的要求。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓和電流不超過(guò)其額定勵(lì)磁電壓和電流的1.1倍時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)保證能連續(xù)運(yùn)行。（2）勵(lì)磁功率單元應(yīng)具有足夠勵(lì)磁頂值電壓。勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓（UP）是指在規(guī)定條件下，勵(lì)磁系統(tǒng)能夠提供的最大直流電壓。勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓與額定勵(lì)磁電壓之比稱為頂值電壓倍數(shù)（強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)）。通常要求：；50M

17、W及以上水輪發(fā)電機(jī)一般不低于2；勵(lì)磁系統(tǒng)允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間應(yīng)不小于10s。（3）勵(lì)磁功率單元應(yīng)具有足夠的勵(lì)磁響應(yīng)速度勵(lì)磁電壓響應(yīng)比是電機(jī)制造廠提供的說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)建立過(guò)程的粗略參數(shù)。反映了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)建立的速度。一般地說(shuō)，0.7s，所以，定義勵(lì)磁電壓在最初0.5s內(nèi)上升的平均速率為勵(lì)磁電壓響應(yīng)比。如圖3.9所示。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是一個(gè)電感性負(fù)載，在忽略轉(zhuǎn)子電阻和定子回路對(duì)它影響的條件下，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方程可簡(jiǎn)化為（3.7）式中UE（t）勵(lì)磁電壓增量的時(shí)間響應(yīng)；G轉(zhuǎn)子磁通增量；K與轉(zhuǎn)子參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。在暫態(tài)過(guò)程中勵(lì)磁功率單元對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生實(shí)際影響的最主要的物理量是轉(zhuǎn)子磁通增量G，它的值如式（3.7）所示,

18、正比于勵(lì)磁電壓伏秒曲線下的面積增量。所以在圖3.9中，在起始電壓處作一水平線ab，再作一斜線ac，使它在最初0.5s所覆蓋的面積等于電壓伏秒曲線ad在同一時(shí)間所覆蓋的面積。圖中UE0為強(qiáng)行勵(lì)磁初始值，取等于額定工況下的勵(lì)磁電壓值UEN，于是勵(lì)磁電壓響應(yīng)比可定義為 （3.8）式中 圖3.9中bc段電壓標(biāo)幺值。另外，現(xiàn)在一般大容量機(jī)組往往采用快速勵(lì)磁系統(tǒng)，用響應(yīng)時(shí)間作為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間定義為：在規(guī)定條件下，勵(lì)磁系統(tǒng)達(dá)到頂值電壓與額定負(fù)載磁場(chǎng)電壓之差的95%所需時(shí)間的秒數(shù)，該上升時(shí)間等于或小于0.1s的勵(lì)磁系統(tǒng)稱為高起始響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)。3.1.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo) 1.勵(lì)磁控制系

19、統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間發(fā)電機(jī)在空載額定工況下，突然改變電壓給定值，使同步發(fā)電機(jī)端電壓初始值由U01變?yōu)閁02，初始階躍量U02U01=10%初始值。發(fā)電機(jī)端電壓的最大值與穩(wěn)態(tài)值之差與階躍量之比的百分?jǐn)?shù)為超調(diào)量。從階躍信號(hào)開(kāi)始到發(fā)電機(jī)端電壓與新的穩(wěn)態(tài)值的差值對(duì)階躍量之比不超過(guò)2%時(shí)，所需時(shí)間為調(diào)節(jié)時(shí)間。 如圖3.10所示?？蛰d額定電壓情況下，當(dāng)電壓給定階躍響應(yīng)為±10%時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量應(yīng)不大于階躍量的50%。擺動(dòng)次數(shù)不超過(guò)3次，調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)10s。 2. 勵(lì)磁控制系統(tǒng)零起升壓時(shí)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，突然投入勵(lì)磁系統(tǒng)，使同步發(fā)電機(jī)端電壓從零變?yōu)轭~定值時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓的

20、最大值與穩(wěn)態(tài)值之差對(duì)穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)為零起升壓時(shí)的超調(diào)量，從給定信號(hào)到發(fā)電機(jī)端電壓與穩(wěn)態(tài)值之差值不超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的2%所需時(shí)間為調(diào)節(jié)時(shí)間。如圖3.11所示。對(duì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間（ts）的起點(diǎn)，從發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)值的30%計(jì)算起。 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)突然零起升壓時(shí)，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)保證其端電壓超調(diào)量不得超過(guò)額定值的15%，調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)不大于10s，電壓擺動(dòng)次數(shù)不大于3次。在額定功率因數(shù)下，當(dāng)發(fā)電機(jī)突然甩掉額定負(fù)載后，發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)量不大于15%額定值，振蕩次數(shù)不超過(guò)3次，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于10s。3.2 水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要型式在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，同步發(fā)電機(jī)的容量不大，勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電

21、機(jī)供給，即所謂的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。隨著發(fā)電機(jī)容量的提高，所需勵(lì)磁電流也相應(yīng)地增大，機(jī)械換流子在換流方面遇到了困難，而大功率半導(dǎo)體整流元件制造工藝卻日益成熟，于是大容量的勵(lì)磁功率單元就采用了交流發(fā)電機(jī)和半導(dǎo)體整流元件組成的交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。不論是直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)還是交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁機(jī)一般與主機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。為了縮短主軸長(zhǎng)度、降低造價(jià)、減少環(huán)節(jié)，又出現(xiàn)用發(fā)電機(jī)自身作為勵(lì)磁電源的發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)，又稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。下面對(duì)常用的勵(lì)磁系統(tǒng)作簡(jiǎn)要的介紹。3.2.1 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是過(guò)去常用的一種勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電流由與發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。由于直流勵(lì)磁機(jī)有電刷、整流

22、子等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸部件，運(yùn)行維護(hù)工作量大，當(dāng)勵(lì)磁電流過(guò)大時(shí)換向困難，所以這種方式只能用在100MW以下的中、小容量發(fā)電機(jī)中。按照勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組供電方式的不同，可分為自勵(lì)式和他勵(lì)式兩種。1. 自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)圖3.12為自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線圖。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組由同軸的直流勵(lì)磁機(jī)（直流發(fā)電機(jī)）DE供電，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組除勵(lì)磁機(jī)DE通過(guò)磁場(chǎng)電阻RC供給自勵(lì)電流IRC外，還有勵(lì)磁調(diào)節(jié)勵(lì)磁器供給的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電流IAVR。前者可通過(guò)RC人工調(diào)整，后者根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓按預(yù)定要求自動(dòng)調(diào)整。2. 他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)圖3.13為他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁機(jī)DE的勵(lì)磁電流除可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的IAVR外

23、，還有與發(fā)電機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)DE 同軸旋轉(zhuǎn)的副勵(lì)磁機(jī)PE供給的他勵(lì)電流，后者可通過(guò)手動(dòng)調(diào)整磁場(chǎng)電阻RC來(lái)改變。他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，一般用于水輪發(fā)電機(jī)上。3.2.2 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，所需勵(lì)磁電流也相應(yīng)增大，直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)已無(wú)法滿足勵(lì)磁容量的要求，所以大容量發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率單元就采用了交流勵(lì)磁機(jī)和半導(dǎo)體整流元件組成的交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。按照整流器的類型，可以分為以下兩種。1交流勵(lì)磁機(jī)帶靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)帶靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)可分為自勵(lì)與他勵(lì)兩類。他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是指交流勵(lì)磁機(jī)備有他勵(lì)電源中頻副勵(lì)磁機(jī)或永磁副勵(lì)磁機(jī)。自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的交流勵(lì)磁電

24、源取自交流勵(lì)磁機(jī)本身，采用可控整流器維持其端電壓恒定。如圖3.14所示的他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)主軸同軸的交流勵(lì)磁機(jī)、中頻副勵(lì)磁機(jī)和調(diào)節(jié)器等組成。在該系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由頻率為100Hz的交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)硅整流器供給，交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由晶閘管可控整流器供給，其電源由交流副勵(lì)磁機(jī)提供。副勵(lì)磁機(jī)是自勵(lì)式中頻交流發(fā)電機(jī)，用自勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)器保持其端電壓恒定。由于副勵(lì)磁機(jī)的起勵(lì)電壓較高，不能像直流勵(lì)磁機(jī)那樣依靠剩磁起勵(lì)，必須在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)外加起勵(lì)電源，直到副勵(lì)磁機(jī)輸出電壓足以使自勵(lì)恒壓調(diào)節(jié)器正常工作時(shí)，起勵(lì)電源方可退出。在此種勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制晶閘管的控制角，調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，達(dá)到控制發(fā)

25、電機(jī)勵(lì)磁的目的。這種勵(lì)磁系統(tǒng)采用獨(dú)立勵(lì)磁電源，可靠性高；勵(lì)磁控制通過(guò)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)，時(shí)間常數(shù)大（轉(zhuǎn)子用疊片結(jié)構(gòu)、頻率選100Hz可以減小時(shí)間常數(shù)）；發(fā)電機(jī)主軸長(zhǎng)，使廠房高度（長(zhǎng)度）增加，造價(jià)高；有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，需一定的維護(hù)量。圖3.15所示為自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁電流由交流勵(lì)磁機(jī)AE經(jīng)晶閘管整流裝置VS供給，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器直接控制晶閘管整流裝置。交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁一般采用晶閘管自勵(lì)恒壓方式，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)需要專門的起勵(lì)電源。這種系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小，但由于交流勵(lì)磁機(jī)的額定電壓必須滿足強(qiáng)勵(lì)的要求，勵(lì)磁機(jī)的容量相對(duì)較大。2. 交流勵(lì)磁機(jī)帶旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)（無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)）在上述靜止硅整流

26、勵(lì)磁系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流必須通過(guò)轉(zhuǎn)子滑環(huán)與炭刷引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，滑環(huán)是一種滑動(dòng)接觸元件，隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，勵(lì)磁電流也相應(yīng)增大，這給滑環(huán)的正常運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了困難。為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，就必須設(shè)法取消滑環(huán)，使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)滑動(dòng)接觸元件，即所謂無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。圖3.16是無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的原理接線圖。圖中副勵(lì)磁即使永磁發(fā)電機(jī)，其磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是靜止的，而交流勵(lì)磁機(jī)正好相反，交流勵(lì)磁機(jī)電樞、硅整流元件、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都在同一根軸上旋轉(zhuǎn)，所以它們之間不需要任何滑環(huán)與炭刷等接觸元件，這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷勵(lì)磁。該系統(tǒng)中勵(lì)磁調(diào)節(jié)要通過(guò)時(shí)滯較大的交流主勵(lì)磁機(jī)AE，其勵(lì)磁響應(yīng)速度與圖3.14所示系統(tǒng)相

27、當(dāng)。無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)滑環(huán)與炭刷等滑動(dòng)接觸元件，勵(lì)磁電流不再受接觸部件技術(shù)條件的限制，特別適合于大容量發(fā)電機(jī)組。這種勵(lì)磁系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)為：（1） 無(wú)炭刷和滑環(huán)，維護(hù)工作量少，無(wú)炭粉等污染，電機(jī)絕緣壽命長(zhǎng)；（2） 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁由勵(lì)磁機(jī)獨(dú)立供電，可靠性高；（3） 勵(lì)磁控制通過(guò)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)，因而勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢；（4） 發(fā)電機(jī)主軸長(zhǎng)，使廠房高度（長(zhǎng)度）增加，造價(jià)高；（5） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其勵(lì)磁電路都隨軸旋轉(zhuǎn)，因此在轉(zhuǎn)子回路中不能接入滅磁設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接滅磁，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的常規(guī)檢測(cè)（勵(lì)磁電壓、電流、轉(zhuǎn)子絕緣等），必須采用特殊的測(cè)試方法；（6） 要求旋轉(zhuǎn)整流器和快速熔斷器等有良好的機(jī)

28、械性能，能承受離心力。3.2.3 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)）靜止勵(lì)磁系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)）中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源不用勵(lì)磁機(jī)，而通過(guò)連接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器經(jīng)過(guò)整流電路取得勵(lì)磁電流。這類勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故稱靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。由于勵(lì)磁電源是由發(fā)電機(jī)本身提供，又稱為發(fā)電機(jī)自并勵(lì)系統(tǒng)。目前，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)組，特別是水輪發(fā)電機(jī)組。1. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)原理靜止勵(lì)磁系統(tǒng)原理接線如圖3.17所示，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源接于發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器TR，TR的輸出經(jīng)可控整流器直接控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。2. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題對(duì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，人們?cè)岢鰞牲c(diǎn)疑慮：第一，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值電壓

29、受發(fā)電機(jī)端和系統(tǒng)側(cè)故障的影響，在發(fā)電機(jī)近端發(fā)生三相短路而切除時(shí)間又較長(zhǎng)的情況下，不能提供足夠的勵(lì)磁，以致影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定；第二，由于短路電流的迅速衰減，帶時(shí)限繼電保護(hù)是否能正確動(dòng)作。（1）靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)能力發(fā)電機(jī)近端發(fā)生短路時(shí)，由于端電壓大幅下降，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)能否滿足強(qiáng)勵(lì)要求，保證機(jī)組不會(huì)失磁，是靜止勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中曾出現(xiàn)的疑慮。由于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)大都采用單元式接線，且采用封閉母線，機(jī)端三相短路的機(jī)會(huì)很少，而機(jī)端短路在差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，這時(shí)不進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，對(duì)保護(hù)發(fā)電機(jī)有利。對(duì)同樣很少發(fā)生的變壓器高壓側(cè)三相短路，因這時(shí)機(jī)端仍有30%40%的額定電壓，具備一定的強(qiáng)勵(lì)能力，僅需要對(duì)發(fā)電機(jī)的后備

30、保護(hù)采取措施。（2）靜止勵(lì)磁系統(tǒng)給繼電保護(hù)帶來(lái)的問(wèn)題對(duì)于大中容量的機(jī)組，由于其勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)較大，勵(lì)磁電流要在短路0.5s后才顯著衰減，因此，在短路剛開(kāi)始的0.5s內(nèi)，自并勵(lì)方式與他勵(lì)方式的勵(lì)磁電流是很接近的，只有在短路0.5s后，才有明顯差異。高壓電網(wǎng)中重要設(shè)備的主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間都在0.1s之內(nèi)，且都設(shè)有雙重保護(hù)，沒(méi)有必要擔(dān)心。對(duì)于接在地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)，由于短路電流衰減快，其機(jī)電保護(hù)要采取一定的措施以保證其正確動(dòng)作。（3）關(guān)于起勵(lì)自并勵(lì)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓為殘壓，其值約為額定電壓的1%2%，不能滿足自勵(lì)條件，必須供給初始勵(lì)磁電流，即起勵(lì)。起勵(lì)電源一般取自直流蓄電池組（廠用直流電源），或

31、廠用交流電加整流器。3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）勵(lì)磁系統(tǒng)接線和設(shè)備比較簡(jiǎn)單，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高。（2）取消了勵(lì)磁機(jī)，可縮短主軸長(zhǎng)度，減小基建投資。（3）有晶閘管直接控制勵(lì)磁電壓，可以獲得較快的響應(yīng)速度。（4）由發(fā)電機(jī)機(jī)端獲取勵(lì)磁能量，由于機(jī)端電壓與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，而同軸勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的勵(lì)磁電壓與轉(zhuǎn)速的二次方成比例，因此，甩負(fù)荷時(shí)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)組的過(guò)電壓低。3.3 勵(lì)磁系統(tǒng)中的整流電路同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中整流電路的主要任務(wù)就是將交流電壓變換為直流電壓供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組或勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組。本節(jié)主要介紹勵(lì)磁系統(tǒng)常用的三相橋式不可

32、控和全控整流電路的工作原理。有關(guān)整流電路方面更詳細(xì)的內(nèi)容，可參閱有關(guān)專著。3.3.1 三相橋式不可控整流電路如圖3.18（a）所示，三相橋式不可控整流電路由三相變壓器的二次側(cè)（或交流勵(lì)磁機(jī)電樞繞組）供電，整流二極管V1、V3、V5組成共陰極組，V2、V4、V6組成共陽(yáng)極組，直流側(cè)負(fù)載R可以是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組或勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組等。由二極管的單向?qū)щ娦钥芍谌魏螘r(shí)刻，共陰極組中只有陽(yáng)極電位最高的那一只二極管導(dǎo)通，共陽(yáng)極組中只有陰極電位最低的那一只二極管導(dǎo)通，其余四個(gè)二極管均因承受反向電壓而截止。在t0t1期間，a相位為最高，b相電位最低，故二極管V1、V6導(dǎo)通，則形成的電流通路為：交流電源的a相V

33、1RV6回到電源b相，整流橋的輸出電壓為線電壓eab。如果忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則共陰極點(diǎn)的電位為ea，這時(shí)由于V3、V5的陽(yáng)極電位eb、ec小于ea，承受反向電壓不能導(dǎo)通；共陰極點(diǎn)的電位為eb，V2、V4的陰極電位ec、ea大于eb，亦承受反向電壓不能導(dǎo)通。在t1t2期間，a相位為最高，而c相電位最低，故二極管V1、V2導(dǎo)通，形成的電流通路為：交流電源的a相V1RV2回到電源b相，整流橋的輸出電壓為線電壓eac。同理，在t2t3、t3t4、t4t5、t5t6期間，輸出電壓分別為ebc、eba、eca、ecb。以后重復(fù)上述過(guò)程。由此可見(jiàn)，三相橋式不可控整流電路，在任一瞬間總有兩個(gè)元件導(dǎo)通，其中

34、一只為共陰極組中與相電位最高的一相電源連接的二極管，另一只為共陽(yáng)極組中與相電位最低的一相電源連接的二極管。每1/6周期換流一次，每只元件在一個(gè)周期中連續(xù)導(dǎo)通1/3周期，換流點(diǎn)為三相相電壓幅值相等的點(diǎn)（三相電壓波形的交點(diǎn)），也稱為自然換流點(diǎn)，如圖3.18（b）中的a、b、c、d、e、f。一個(gè)周期有六個(gè)換流點(diǎn)。整流輸出直流電壓的波形如圖3.18（b）中的ud，為線電壓的正半周的包絡(luò)線。從波形圖中可以看出，整流輸出直流電壓ud在一個(gè)周期有六個(gè)均勻的脈波。整流輸出直流電壓的平均值為 （3.9）式中 El變壓器二次側(cè)線電壓有效值；E2變壓器二次側(cè)相電壓有效值；二極管V1在不導(dǎo)通的期間承受的反向電壓圖3.

35、18（b）中點(diǎn)劃線所示，二極管承受的反向電壓為線電壓，其最大值為（3.10）3.3.2 三相橋式全控整流電路如圖3.19所示，三相橋式全控整流電路的六個(gè)整流元件全都采用晶閘管，VS1、VS3、VS5為共陰極連接，VS2、VS4、VS6為共陽(yáng)極連接。元件均須在其陽(yáng)極承受正向電壓，并且在其控制極施加觸發(fā)脈沖時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，元件靠觸發(fā)換流，而不是在自然換流點(diǎn)換流。通常將自然換流點(diǎn)至觸發(fā)脈沖到來(lái)瞬間之間的電角度稱為控制角，又稱為移相角，三相橋式全控整流電路要求控制角必須相同。為了使全控橋正常工作，形成電流通路，必須使共陰極組和共陽(yáng)極組各有一只晶閘管導(dǎo)通（在換流期間則有三只元件導(dǎo)通，其中兩只處于換流狀態(tài)）。

36、為此，觸發(fā)脈沖必須適應(yīng)三相橋式全控整流電路的要求。一般有兩種觸發(fā)方式：采用雙窄脈沖觸發(fā)，即同時(shí)發(fā)出兩個(gè)觸發(fā)脈沖，例如在給VS1脈沖時(shí)也給VS6補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖。這樣，在整流橋剛投入工作時(shí)就能形成最初的電流通路，以后便進(jìn)入正常工作狀態(tài)。因此，用雙窄脈沖觸發(fā)，在一個(gè)周期中每只晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖中間的間隔為60°，脈沖寬度一般為20°30°；采用寬脈沖觸發(fā)，即要求觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于60°，但小于1200，一般取80°100°。這樣才能保證整流電路剛投入之際，如果共陰極組的某一元件被觸發(fā)，則共陽(yáng)極組的前一元件的觸發(fā)信號(hào)依然存在，共

37、陰極組與共陽(yáng)極組各有一元件同時(shí)處在被觸發(fā)狀態(tài)，才能構(gòu)成電流的通路。雙脈沖觸發(fā)電路較復(fù)雜些，但它可以減小觸發(fā)裝置的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵芯體積，因而應(yīng)用較多。在三相橋式全控整流電路中，晶閘管導(dǎo)通的條件都是其陽(yáng)極承受正向電壓期間在控制極上加觸發(fā)脈沖。三相橋式全控整流電路的工作特點(diǎn)是既可工作于整流狀態(tài)，將交流轉(zhuǎn)變成直流，以供給同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁；也可工作于逆變狀態(tài)，將直流轉(zhuǎn)變成交流，在發(fā)電機(jī)滅磁時(shí)，利用逆變將存儲(chǔ)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中的能量轉(zhuǎn)換成交流電能并饋回電網(wǎng)。下面說(shuō)明這兩種工作狀態(tài)。1. 整流工作狀態(tài)在三相橋式全控整流電路中，計(jì)算控制角的起點(diǎn)為自然換流點(diǎn)。（1）控制角=00的情況，參看圖

38、3.20。在t0t1期間，a相的電位最高，b相的電位最低。若在t0時(shí)刻同時(shí)發(fā)出兩個(gè)觸發(fā)脈沖（雙窄脈沖觸發(fā)）分別加于共陽(yáng)極組的VS6和共陰極的VS1兩元件，此時(shí)VS6與VS1承受正向電壓，故VS6與VS1導(dǎo)通，形成的電流通路為：交流電源的a相VS1LRVS6回到電源b相，整流橋的輸出電壓為線電壓eab。此后只要按順序每隔600給各橋臂元件以觸發(fā)脈沖，就可依次換流。例如在t1t2期間，c相電位最低，此前共陽(yáng)極點(diǎn)的電位為b相電位，晶閘管VS2承受正向電壓，在t1時(shí)刻向VS2輸入觸發(fā)脈沖ug2，共陽(yáng)極組的VS2即導(dǎo)通，同組的VS6因承受反向電壓而截止。電流的通路換成aVS1LRVS2c。輸出電壓為線電

39、壓eac。依次類推，每隔600依次向共陰極組或共陽(yáng)極組的晶閘管元件以觸發(fā)脈沖，則每隔600有一個(gè)臂的元件觸發(fā)換流，每周期內(nèi)每臂元件導(dǎo)電1200。元件的導(dǎo)通順序和整流橋輸出直流電壓波形ud 如圖3.20所示，ud的波形與三相橋式不可控整流電路的輸出波形完全相同。這時(shí)三相橋式全控整流電路輸出電壓的平均值最大，為Udo 。（2）控制角=300的情況，參看圖3.21。當(dāng)00時(shí)，晶閘管將不在自然換流點(diǎn)換流，而是滯后一個(gè)角。在t1時(shí)刻，觸發(fā)脈沖ug1與ug6分別加于晶閘管VS1與VS6上，同時(shí)a相電位最高，b相電位最低，晶閘管VS1與VS6承受正向電壓而導(dǎo)通，形成的電流通路為：交流電源的a相VS1LRVS

40、6回到電源b相，整流橋的輸出電壓為線電壓eab。在t1t2期間，雖然經(jīng)過(guò)自然換流點(diǎn)b，c相電位開(kāi)始低于a相電位，VS2開(kāi)始承受正向電壓，但因其觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)，故不能觸發(fā)導(dǎo)通，VS6繼續(xù)導(dǎo)通。這是與三相橋式不可控整流電路的根本區(qū)別之處。在t2時(shí)刻，c相電位最低，VS2承受正向電壓，觸發(fā)脈沖ug2加于晶閘管VS2上，共陽(yáng)極組的VS2導(dǎo)通，同組的VS6因承受反向電壓而截止。輸出電壓為線電壓eac。依次類推?？刂平?300時(shí)，整流橋輸出直流電壓波形ud 如圖3.21所示，ud的波形是由線電壓eab、eac、ebc、eba、eca、ecb的相應(yīng)部分組成。在一個(gè)周期內(nèi)有六個(gè)相同的波頭，每個(gè)元件均導(dǎo)通12

41、00，在六個(gè)觸發(fā)換流點(diǎn)處各有一個(gè)缺口，整流橋輸出直流電壓較控制角=00時(shí)小。（3）控制角=600的情況，參看圖3.22。輸出電壓ud的波形已處于臨界連續(xù)狀態(tài)，每個(gè)周期只有六個(gè)連續(xù)的波頭，平均值明顯小于=30°時(shí)的值。在控制角600的情況下，共陰極組輸出的陰極電位在每一瞬間都高于共陽(yáng)極組的陽(yáng)極電位，故輸出電壓ud的瞬時(shí)值都大于零，且波形是連續(xù)的。（4）在600，當(dāng)線電壓由零轉(zhuǎn)為負(fù)值時(shí)，由于電感負(fù)載產(chǎn)生的反電勢(shì)的作用，導(dǎo)通的晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓ud的瞬時(shí)值將出現(xiàn)負(fù)的部分。如圖3.23為電感負(fù)載、=900時(shí)的情況。設(shè)t1時(shí)刻，觸發(fā)脈沖ug1與ug6分別加于晶閘管VS1與VS6上，此時(shí)a

42、相電位高于b相電位，晶閘管VS1與VS6承受正向電壓而導(dǎo)通，整流橋的輸出電壓為線電壓eab。到自然換流點(diǎn)c當(dāng)線電壓eab將由0變負(fù)時(shí)，輸出負(fù)載電流id有減小的趨勢(shì)。負(fù)載電感L中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)eL企圖阻止id的減小，其方向與id的流向一致，維持id的繼續(xù)流通。在自然換流點(diǎn)c以后，雖然b相電位高于a相電位，即eab0，但電感L上的感應(yīng)電勢(shì)eL的絕對(duì)值高于eab的絕對(duì)值，實(shí)際加在VS1與VS6元件上的陽(yáng)極電壓仍然為正，維持原來(lái)電流id的通路，輸出電壓仍是eab，但為負(fù)值。到t2時(shí)刻，VS2接收到觸發(fā)脈沖，此時(shí)c相電位最低，晶閘管VS2承受正向電壓而導(dǎo)通，VS6因承受反向電壓而截止，電流從VS6換流到

43、VS2。電流在VS1與VS2構(gòu)成的回路中流通，輸出電壓為eac。以后的過(guò)程以此類推。由圖3.23可以看出，整流橋輸出電壓的波形出現(xiàn)正負(fù)交替，正的部分表示交流電源向勵(lì)磁繞組供電，負(fù)的部分表示將原來(lái)存儲(chǔ)在勵(lì)磁繞組部分磁場(chǎng)能量饋回電網(wǎng)，在電流連續(xù)的情況下，=900時(shí)輸出電壓波形正負(fù)兩部分面積相等，輸出電壓平均值為零。三相橋式全控整流電路在電感負(fù)載時(shí)，輸出電壓ud的波形在一個(gè)周期內(nèi)為均稱的六段，計(jì)算輸出平均電壓時(shí)，可計(jì)算任意1/6周期的平均值（以控制角30°為例計(jì)算）。（3.11）式中 Ud0控制角=90°時(shí)的最大輸出平均電壓。對(duì)電阻負(fù)載，在60°時(shí)輸出電壓波形連續(xù)，平均

44、電壓仍用式（3.11）計(jì)算。當(dāng)60°時(shí)輸出電壓波形出現(xiàn)間斷，這時(shí)輸出平均電壓為（以控制角90 °為例計(jì)算） （3.12）由式（3.12）可見(jiàn)，當(dāng)=120°時(shí)，Ud=0，所以電阻負(fù)載的最大移相范圍為0°120°。流過(guò)晶閘管的平均電流為 （3.13）晶閘管承受的最大反向電壓為 （3.14）2逆變工作狀態(tài)在90°時(shí)，輸出平均電壓Ud則為負(fù)值，三相橋式全控整流電路工作在逆變狀態(tài)，將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鳌Ｔ谕桨l(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置中，如采用三相橋式全控整流電路，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)能進(jìn)行逆變滅磁，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)原來(lái)儲(chǔ)存的能量迅速反饋給交流電源，實(shí)現(xiàn)快速

45、滅磁，以減輕發(fā)電機(jī)損壞的程度。此外，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生過(guò)電壓，亦可調(diào)節(jié)控制角（使90°），使整流電路進(jìn)入逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速減磁。圖3.24表示由60°轉(zhuǎn)至150°時(shí)的輸出電壓的波形?，F(xiàn)說(shuō)明它們的工作情況。設(shè)原來(lái)三相橋式整流電路工作在整流狀態(tài)，負(fù)載電流id流經(jīng)勵(lì)磁繞組而儲(chǔ)存有一定的磁場(chǎng)能量。在t0時(shí)刻控制角突然后退到150°，在t1時(shí)刻前，VS5與VS6導(dǎo)通（在自然換流點(diǎn)b后 ecb 為負(fù)，但自感電動(dòng)勢(shì)作用下VS5、VS6繼續(xù)其導(dǎo)通），在t1時(shí)刻，VS1接到觸發(fā)脈沖，這時(shí)eab雖然過(guò)零開(kāi)始變負(fù)，但由于電感L上電流id減小產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)L較大，使eL-ab仍

46、為正，故VS1與VS6仍承受正向陽(yáng)極電壓，VS1導(dǎo)通，而元件VS5則因承受反向電壓而關(guān)斷。這時(shí)電感線圈上的自感電勢(shì)L與電流id的方向一致，直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值ab與電流id的方向相反，交流側(cè)吸收功率，將能量送回交流電網(wǎng)。到t2時(shí)刻，對(duì)c相的VS2輸入觸發(fā)脈沖，這時(shí)ac雖然進(jìn)入負(fù)半周，但電感電勢(shì)L仍足夠大，可以維持VS1與VS2的導(dǎo)通，繼續(xù)向交流側(cè)反饋能量。這樣一直進(jìn)行到電感線圈原儲(chǔ)存的能量釋放完畢，逆變過(guò)程才結(jié)束。從波形可以看到，六個(gè)橋臂上的晶閘管元件，每個(gè)元件都是連續(xù)導(dǎo)電120°，每隔60°有一個(gè)晶閘管元件換流。每個(gè)元件在一周期內(nèi)導(dǎo)電的角度是固定的，與角的大小無(wú)關(guān)。在三相橋

47、式全控整流電路中常將=180°-叫作逆變角。由于90°才進(jìn)入逆變狀態(tài)，故逆變角總是小于90°的?？捎孟率奖硎救鄻蚴饺卣麟娐吩谀孀児ぷ鳡顟B(tài)時(shí)的反向直流平均電壓，即（3.15）在逆變工作狀態(tài)，不導(dǎo)通的晶閘管承受的主要是正向電壓，而其在整流狀態(tài)承受的主要是反向電壓，但最大值是相同的，即 （3.16）3逆變失敗與最小逆變角由三相橋式全控整流電路工作特點(diǎn)可知，>90°是逆變區(qū)，全控橋輸出直流平均電壓為負(fù)，當(dāng)=180°時(shí)負(fù)值最大。負(fù)電壓值越大，表示能量返送電網(wǎng)的速度越快。但實(shí)際上全控橋不能工作在=180°工況，必須留出一定的裕度角，否

48、則會(huì)造成逆變失敗或顛覆?，F(xiàn)以圖3.25中=0°的假想情況來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。在t0時(shí)刻前，=0°，c相的VS5與b相VS6加有觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，輸出為線電壓ecb。在t0時(shí)刻后，使控制角=180°、逆變角=0°。在t1時(shí)刻，給a相的VS1加以觸發(fā)脈沖ug1，應(yīng)該將電流通路從VS5換至VS1。由于晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷均需要時(shí)間，不能瞬時(shí)完成，但在t1以后c相電位高于a相電位，VS1在反向電壓作用下無(wú)法開(kāi)通，仍由VS5和VS6導(dǎo)通，即后一應(yīng)開(kāi)通的元件VS1不能導(dǎo)通，前一應(yīng)關(guān)斷的元件VS5反而繼續(xù)導(dǎo)通，一直到t2時(shí)刻均由LRVS6b cVS5L構(gòu)成通路。在t1t2時(shí)間內(nèi)

49、直流側(cè)向交流側(cè)輸送電能，整流電路處于逆變狀態(tài)。在t2時(shí)刻，觸發(fā)脈沖ug2加在VS2上，應(yīng)該將電流通路從VS6換至VS2。但c相電位高于b相電位，VS2承受反向電壓無(wú)法開(kāi)通，故仍由VS5和VS6導(dǎo)通，這時(shí)整流電路進(jìn)入整流狀態(tài)。由此可知，全控整流電路在=180°時(shí)，因換流不能完成而造成逆變失敗，導(dǎo)致晶閘管因連續(xù)導(dǎo)通過(guò)熱而損壞或使快速熔斷器熔絲熔斷。如果不是在t1時(shí)刻，而是提前一段時(shí)間，即相應(yīng)提前min角（約取30°左右）去觸發(fā)c相的VS1，在這段時(shí)間內(nèi)a相電位高，c相電位低，VS5承受反向電壓的作用易于關(guān)斷，VS1在正向電壓作用下易于開(kāi)通，使逆變電流的通路順利地從VS5換流到V

50、S1，實(shí)現(xiàn)逆變工作狀態(tài)。在工程實(shí)際中不允許將控制角調(diào)至180°，即必須限制逆變角不小于極小值min，也就是說(shuō)控制角不能大于180°-min。最小逆變角可由下式?jīng)Q定：min+ （3.17）式中 代表?yè)Q流時(shí)的換流角，或稱換相重迭角，一般為15°20°；代表可控硅關(guān)斷時(shí)間相對(duì)應(yīng)的電角度，一般約4°5°。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)min=30°35°。因此，當(dāng)需要發(fā)電機(jī)快速滅磁時(shí)，要把控制角限制在=145°150°范圍，以確保逆變成功。三相橋式全控整流電路輸出特性Ud=f（）如圖3.26所示。圖中曲線1為三相橋式半控整流

51、電路輸出特性，限于篇幅，這里未對(duì)三相橋式半控整流電路介紹。3.3.3 整流電路的換流壓降及外特性在前面分析整流電壓過(guò)程中，忽略了各相交流電路中的電感，認(rèn)為晶閘管在換流過(guò)程中其電流能突變。但實(shí)際上整流電路各相交流回路中存在電感，因此相間換流不是瞬間突變完成的，存在著前一相的電流從Id逐漸降至零，后一相的電流從零逐漸上升到Id的相間換流過(guò)程。這段換流期間對(duì)應(yīng)的電角度稱為換流角。只要小于60°，整流橋總是處于兩臂導(dǎo)通與三臂導(dǎo)通的交替工作狀態(tài)，簡(jiǎn)稱2-3工作狀態(tài)。在換流過(guò)程中相鄰兩相的電流是變化的，因此該變化的電流就會(huì)在相應(yīng)回路的電抗上引起電壓降，從而造成輸出電壓ud的波形出現(xiàn)新的缺口，導(dǎo)致

52、輸出電壓平均值Ud減少?，F(xiàn)以圖3.27為例來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題。在t1以前VS1與VS2導(dǎo)通，輸出電壓的瞬時(shí)值為eac，在t1時(shí)刻，觸發(fā)脈沖ug3到來(lái)，VS3被觸發(fā)導(dǎo)通。由于交流回路電抗的存在，ib不能從0突然增加到Id，ia不能從Id突然下降到0，而有一個(gè)換流過(guò)程。在換流過(guò)程中，ib逐漸從0增加到Id，ia逐漸從Id下降到0，即完成從原來(lái)流經(jīng)VS1的a相電流ia，逐漸換流到流經(jīng)VS3的b相電流ib。至t2時(shí)刻換流過(guò)程結(jié)束。t1t2期間所對(duì)應(yīng)的電角度即為換流角。在換流期間，由于VS1和VS3同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于a、c兩相短接。此時(shí)輸出負(fù)載電流仍為Id，而a、b兩相回路則存在（參見(jiàn)圖3.28）一個(gè)環(huán)流i（

53、由eb-ea引起）。各電流之間的關(guān)系為 （3.18）由圖3.28有回路方程 （3.19）整理得 （3.20）由圖3.28可以看出，共陰極點(diǎn)的電位 （3.21）可見(jiàn)共陰極點(diǎn)的電位為a相b相電位之和的平均值。選a、b相自然換流點(diǎn)為時(shí)間基準(zhǔn)，則a、b的相電壓表達(dá)式為 （3.22） （3.23）這里E2為電源相電壓有效值。換流過(guò)程引起的電壓降為 （3.24）在換流期間電壓下降缺口的面積 ，即圖3.27中的陰影部分為 （3.25）對(duì)三相橋式全控整流電路，每個(gè)周期有六個(gè)電壓下降缺口，故一個(gè)周期電壓降落的平均值為 （3.26）由式（3.20）和（3.24）可以得出 （3.27）因此換流結(jié)束時(shí)的電流 （3.2

54、8）從而得到換流角 （3.29）它說(shuō)明換流角 的大小與換相電抗XK、負(fù)載電流Id、交流電源電壓及控制角有關(guān)。將式（3.29）代入式（3.26）可得換相壓降為 （3.30）在前面介紹三相橋式全控整流電路時(shí)，忽略了交流回路電抗的存在，認(rèn)為換流時(shí)瞬時(shí)完成的，故有三相橋式全控整流電路輸出電壓的平均值為 （3.31）考慮交流回路電抗XK引起的換相電壓損失時(shí)，三相橋式全控整流電路輸出電壓的平均值為 （3.32）式中換相電抗與整流裝置供電電源有關(guān)。當(dāng)變壓器供電時(shí) （3.33）式中 XT為變壓器短路電抗。當(dāng)整流裝置供電電源為交流勵(lì)磁機(jī)時(shí)，則（3.34）式中 交流勵(lì)磁機(jī)次暫態(tài)電抗；X2交流勵(lì)磁機(jī)負(fù)序電抗。根據(jù)式

55、（3.32）可作出如圖3.29（a）所示的等值電路。它表示三相橋式全控整流電路帶電感負(fù)載時(shí)的情況，相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)勢(shì)Ud0cos、內(nèi)阻的可變直流電源帶負(fù)載R的情況。如果考慮每個(gè)橋壁元件導(dǎo)通時(shí)的正向壓降、回路電阻壓降及炭刷通過(guò)集電環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子的壓降，三相橋式全控整流電路輸出電壓的平均值進(jìn)一步修正為 （3.35）式中 回路電阻與整流元件正向壓降之和，一般每個(gè)整流元件的正向壓降小于1.2V；炭刷通過(guò)集電環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子的壓降，一般為2V。在交流電源電壓和控制角一定的情況下，式（3.35）的第一項(xiàng)為確定的值，因而Ud將隨負(fù)載電流Id的變化而變化。Ud=f（Id）稱為三相橋式全控整流電路的外特性，如圖3.29（b

56、）中的直線1或2所示。圖中曲線3代表負(fù)載電阻的伏安特性，它與整流橋外特性的交點(diǎn)為該工況的運(yùn)行點(diǎn)。當(dāng)控制角為1時(shí)，輸出的平均電流為Id1，負(fù)載電壓為Ud1；若將控制角減小為2時(shí)，則輸出的平均電流增至為Id2，負(fù)載電壓也提高到Ud2。以上討論中均假設(shè)換流角小于60°，當(dāng)交流回路中電抗較大，且直流負(fù)載電流較大時(shí)，換流角也會(huì)增大。當(dāng)換流角大于60°換流過(guò)程會(huì)發(fā)生變化，以上結(jié)論不能適用。3.4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作原理隨著自動(dòng)裝置元器件的不斷更新，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了機(jī)電型、電磁型及電子型等發(fā)展階段。至20世紀(jì)末，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的成熟，數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器逐漸替代了模擬式調(diào)節(jié)器，并已普遍推廣采用。3.4.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的組成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)就是根據(jù)檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)電壓、電流及其它狀態(tài)信號(hào)，按照給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元的輸出，從而維持發(fā)電機(jī)端電壓和實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)組間無(wú)功功率的合理分配。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原理框圖如圖3.30所示，主要包括測(cè)量單元、調(diào)差單元、控制算法及功率放大、同步和移相觸發(fā)單元。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件框圖如圖3.31所示，其實(shí)它也是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通用的框圖模式。主要由主控單元、模擬量輸入單元、開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元、脈沖放大、人機(jī)界面和穩(wěn)壓電源等部分組成。主控單元由CPU、存儲(chǔ)器及總線接