第4講 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及特性分析(2)

1、North China Electric Power University第四講 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)及特性分析（2）主講人：李巖松華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院North China Electric Power Universitypage22022-3-7第四章 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)和特性分析 本章講述電力系統(tǒng)的自動調(diào)壓問題，包含發(fā)電機的自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)，也包括和用戶的電壓穩(wěn)定問題。North China Electric Power Universitypage32022-3-7第三節(jié)第三節(jié) 勵磁調(diào)節(jié)器勵磁調(diào)節(jié)器G勵勵磁磁機機baEFIGUEFIEEIGUGI同同步步發(fā)發(fā)電電機機勵

2、勵磁磁功功率率單單元元勵勵磁磁調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器EFIREFUGIGU手手動動自自動動基基準準其其他他信信號號 勵磁調(diào)節(jié)單元（自動調(diào)壓器）的勵磁調(diào)節(jié)單元（自動調(diào)壓器）的最基本部分是一個閉環(huán)比最基本部分是一個閉環(huán)比例調(diào)節(jié)器例調(diào)節(jié)器，它的輸入量是發(fā)電機電壓，輸出量是勵磁機的勵磁，它的輸入量是發(fā)電機電壓，輸出量是勵磁機的勵磁電流或者是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流電流或者是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流他的功能有二：他的功能有二：1、保持發(fā)電機端電壓不變、保持發(fā)電機端電壓不變2、保持并聯(lián)機組間的無功負荷的合理分配、保持并聯(lián)機組間的無功負荷的合理分配North China Electric Power Universitypage42

3、022-3-71 1 勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器 機電型勵磁調(diào)節(jié)器的任務(wù)是調(diào)節(jié)電壓，其調(diào)節(jié)線圈中的電流與機電型勵磁調(diào)節(jié)器的任務(wù)是調(diào)節(jié)電壓，其調(diào)節(jié)線圈中的電流與發(fā)電機電壓成正比，調(diào)節(jié)線圈中產(chǎn)生的磁場力作用于變阻器，從而發(fā)電機電壓成正比，調(diào)節(jié)線圈中產(chǎn)生的磁場力作用于變阻器，從而改變勵磁機磁場電阻以達到調(diào)節(jié)電壓的目的。改變勵磁機磁場電阻以達到調(diào)節(jié)電壓的目的。 由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不靈敏區(qū)由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不靈敏區(qū)North C

4、hina Electric Power Universitypage52022-3-71 1 勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器 電磁型勵磁調(diào)節(jié)器是以磁放大器為基礎(chǔ)，構(gòu)成電磁型電壓調(diào)電磁型勵磁調(diào)節(jié)器是以磁放大器為基礎(chǔ)，構(gòu)成電磁型電壓調(diào)節(jié)器，各個單元均由電磁單元構(gòu)成，時間常數(shù)較大，但是可靠節(jié)器，各個單元均由電磁單元構(gòu)成，時間常數(shù)較大，但是可靠性高，任務(wù)是維持電壓水平和無功功率分配性高，任務(wù)是維持電壓水平和無功功率分配North China Electric Pow

5、er Universitypage62022-3-71 1 勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器 電子型勵磁調(diào)節(jié)器是以電子元件為基礎(chǔ)所構(gòu)成的，沒有時電子型勵磁調(diào)節(jié)器是以電子元件為基礎(chǔ)所構(gòu)成的，沒有時間滯后，綜合放大能力強，發(fā)展成為間滯后，綜合放大能力強，發(fā)展成為“對勵磁系統(tǒng)具有多種綜合對勵磁系統(tǒng)具有多種綜合控制調(diào)節(jié)能力的勵磁調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)能力的勵磁調(diào)節(jié)器”?；旧嫌??；旧嫌伞罢{(diào)差調(diào)差”“”“測量比測量比較較”“”“綜合放大綜合放大”“”“移相觸發(fā)移相觸發(fā)”等單元

6、組成，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無等單元組成，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和無功負荷分配等基本調(diào)節(jié)功能功負荷分配等基本調(diào)節(jié)功能North China Electric Power Universitypage72022-3-71 1 勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程機電型勵磁調(diào)節(jié)器機電型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電磁型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器電子型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器 數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器實質(zhì)上是一臺專用的微型計算機勵磁控制數(shù)字型勵磁調(diào)節(jié)器實質(zhì)上是一臺專用的微型計算機勵磁控制系統(tǒng)，核心是主機，主機通過總線、接口電路與具體的控制對象系統(tǒng)，核心是主機，主機通過總線、接口電路與具體的控制對象的過程通

7、道連接，采集發(fā)電機組的運行狀態(tài)信息，輸出脈沖調(diào)節(jié)的過程通道連接，采集發(fā)電機組的運行狀態(tài)信息，輸出脈沖調(diào)節(jié)勵磁功率單元（晶閘管），實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的綜合調(diào)節(jié)控制。勵磁功率單元（晶閘管），實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的綜合調(diào)節(jié)控制。North China Electric Power Universitypage82022-3-72 2 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成North China Electric Power Universitypage92022-3-72 2 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成North China Electric Power Unive

8、rsitypage102022-3-73 3 勵磁調(diào)節(jié)器的控制算法勵磁調(diào)節(jié)器的控制算法PID調(diào)節(jié)控制的算法方程式：調(diào)節(jié)控制的算法方程式： KjtjTeTdtte00 TKTeKTeTdttde1PID差分變換的離散方程式：差分變換的離散方程式： 00( )( )1( )( )tpidtpdide tYtK e tKe t dtKdtde tKe te t dtTTdt 11kdpjiTTY kKe keje ke kTTNorth China Electric Power Universitypage112022-3-7PIDPID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)KjDIPTKTeKTeTTjTeTTKTeKKTU0

9、位置式位置式增量式增量式 增量式增量式PID調(diào)節(jié)算法與位置式并無本質(zhì)區(qū)別，由于輸出調(diào)節(jié)算法與位置式并無本質(zhì)區(qū)別，由于輸出增量，計算誤差或精度對控制量影響較小，控制作用不會發(fā)增量，計算誤差或精度對控制量影響較小，控制作用不會發(fā)生大幅度的變化，而且輸出只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易生大幅度的變化，而且輸出只與最近幾次采樣值有關(guān)，容易獲得較好的控制效果獲得較好的控制效果 11212pidY kY kK e k e kKe k K e ke ke k North China Electric Power Universitypage122022-3-7第四節(jié)第四節(jié) 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的強勵與滅磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)

10、子的強勵與滅磁GT T1 1T T2 2L L 在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)母線電壓極度降低，系統(tǒng)無功在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)母線電壓極度降低，系統(tǒng)無功缺額很大，需要在很短的時間內(nèi)補足無功缺額以使系統(tǒng)迅速恢缺額很大，需要在很短的時間內(nèi)補足無功缺額以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常，這就要求有關(guān)的復(fù)正常，這就要求有關(guān)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場能夠迅速增強，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場能夠迅速增強，達到盡可能高的數(shù)值達到盡可能高的數(shù)值。 在事故情況下，轉(zhuǎn)子勵磁電壓的最大值及其建立的速度（響在事故情況下，轉(zhuǎn)子勵磁電壓的最大值及其建立的速度（響應(yīng)速度）是兩個十分重要的指標應(yīng)速度）是兩個十分重要的指標 強勵頂值強勵頂值與與響應(yīng)比響應(yīng)比。此外

11、，為了使得發(fā)電機的勵磁效果及時發(fā)揮，需要考慮：此外，為了使得發(fā)電機的勵磁效果及時發(fā)揮，需要考慮：1、勵磁機的響應(yīng)速度要快，勵磁機的時間常數(shù)小、勵磁機的響應(yīng)速度要快，勵磁機的時間常數(shù)小2、發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的建立速度要快。、發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的建立速度要快。轉(zhuǎn)子強勵問題轉(zhuǎn)子強勵問題North China Electric Power Universitypage132022-3-71 1 勵磁機的時間常數(shù)勵磁機的時間常數(shù)G+-DEEFUEEIEEEEREEL他勵型直流勵磁機的時間常數(shù)他勵型直流勵磁機的時間常數(shù)EdtdILRIEEEEEEEEEEEEtRLT EEREEL勵磁機勵磁線圈的電阻勵磁機勵磁線圈

12、的電阻勵磁機勵磁線圈的電感勵磁機勵磁線圈的電感North China Electric Power Universitypage142022-3-71 1 勵磁機的時間常數(shù)勵磁機的時間常數(shù)自勵型直流勵磁機的時間常數(shù)自勵型直流勵磁機的時間常數(shù)GEFIDEEFU+-EFUEEI1EEI0E1UEEEEEEEFkIEIIEUEU010100EdtdILIkREEEEEEEEkRLTEEEEcEdtdILRIEEEEEEEE勵磁機工作電流勵磁機工作電流勵磁機工作電壓勵磁機工作電壓勵磁機殘勵磁機殘余電動勢余電動勢North China Electric Power Universitypage15202

13、2-3-71 1 勵磁機的時間常數(shù)勵磁機的時間常數(shù)1、他勵型勵磁機系統(tǒng)電壓建立過程與自身無關(guān)，完全、他勵型勵磁機系統(tǒng)電壓建立過程與自身無關(guān)，完全由外電勢作用，時間常數(shù)只取決于勵磁線圈由外電勢作用，時間常數(shù)只取決于勵磁線圈2、自勵型勵磁機的電壓建立過程是電壓與勵磁電流相、自勵型勵磁機的電壓建立過程是電壓與勵磁電流相互作用的結(jié)果，勵磁電流的增長過程依賴于勵磁機的電互作用的結(jié)果，勵磁電流的增長過程依賴于勵磁機的電壓，因此其上升過程延長了，時間常數(shù)也就增加了。壓，因此其上升過程延長了，時間常數(shù)也就增加了。3、以上結(jié)論適用于直流勵磁機，也適用于交流勵磁機。、以上結(jié)論適用于直流勵磁機，也適用于交流勵磁機。

14、kRLTEEEEcEEEEtRLT North China Electric Power Universitypage162022-3-72 2 電壓響應(yīng)比電壓響應(yīng)比 電壓響應(yīng)比電壓響應(yīng)比是電機制造廠提供的表明發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場建立過是電機制造廠提供的表明發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場建立過程的參數(shù)，反映了勵磁機程的參數(shù)，反映了勵磁機磁場建立速度的快慢磁場建立速度的快慢。 一般而言，在暫態(tài)穩(wěn)定過程中，發(fā)電機功率角搖擺到第一周一般而言，在暫態(tài)穩(wěn)定過程中，發(fā)電機功率角搖擺到第一周期最大值的時間約為期最大值的時間約為0.40.7s，所以，所以，通常將勵磁電壓在最初通常將勵磁電壓在最初的的0.5s內(nèi)上升的平均速率定義為勵

15、磁電壓響應(yīng)比內(nèi)上升的平均速率定義為勵磁電壓響應(yīng)比。 在暫態(tài)過程中，勵磁功率在暫態(tài)過程中，勵磁功率單元對發(fā)電機運行產(chǎn)生實際影單元對發(fā)電機運行產(chǎn)生實際影響的響的最主要的物理量是轉(zhuǎn)子磁最主要的物理量是轉(zhuǎn)子磁通增量通增量，他，他正比于勵磁電壓伏正比于勵磁電壓伏秒曲線下的面積增量秒曲線下的面積增量North China Electric Power Universitypage172022-3-72 2 電壓響應(yīng)比電壓響應(yīng)比 為了分析曲線下的面積，作一條為了分析曲線下的面積，作一條直線直線ac，使得，使得曲線下的面曲線下的面積積與與直線下的面積直線下的面積相等，則這兩條曲線所表示的轉(zhuǎn)子磁通增量相等，則這

16、兩條曲線所表示的轉(zhuǎn)子磁通增量相等。相等。定義：勵磁電壓響應(yīng)比：定義：勵磁電壓響應(yīng)比：bcabcRUUUUR*25 . 0bc段電壓標幺值段電壓標幺值aU為額定工況下的勵磁電壓為額定工況下的勵磁電壓aEFUUmax.為強勵倍數(shù)為強勵倍數(shù)North China Electric Power Universitypage182022-3-72 2 電壓響應(yīng)比電壓響應(yīng)比 現(xiàn)在，一些大型的發(fā)電機組采用快速勵磁系統(tǒng)，用現(xiàn)在，一些大型的發(fā)電機組采用快速勵磁系統(tǒng)，用響應(yīng)時間響應(yīng)時間作為動態(tài)性能評定指標。作為動態(tài)性能評定指標。 勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間，是指在發(fā)電機勵磁電壓為額定勵磁電壓勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)時間，是指在發(fā)電

17、機勵磁電壓為額定勵磁電壓時。從施加階躍信號起，到勵磁電壓達到最大勵磁電壓與額定電時。從施加階躍信號起，到勵磁電壓達到最大勵磁電壓與額定電壓之差壓之差95%為止所花費的時間。為止所花費的時間。max.EFUEFUNEFU.NEFEFNEFEFUUUU.max.95. 0勵磁系統(tǒng)電勵磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時間壓響應(yīng)時間North China Electric Power Universitypage192022-3-7同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的滅磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場的滅磁轉(zhuǎn)子滅磁問題轉(zhuǎn)子滅磁問題 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場建立起來，由于某種原因（如發(fā)電機繞組內(nèi)部當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場建立起來，由于某種原因（如發(fā)電機繞組內(nèi)部故障）而要求強迫

18、發(fā)電機立即退出運行，在斷開發(fā)電機出口故障）而要求強迫發(fā)電機立即退出運行，在斷開發(fā)電機出口斷路器的同時，斷路器的同時，必須使發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場盡快消失必須使發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場盡快消失，否則，否則，就會使得發(fā)電機因過勵磁而產(chǎn)生過電壓而危及絕緣安全，或就會使得發(fā)電機因過勵磁而產(chǎn)生過電壓而危及絕緣安全，或者，會使定子繞組內(nèi)部故障繼續(xù)擴大。者，會使定子繞組內(nèi)部故障繼續(xù)擴大。 如何在很短時間內(nèi)使發(fā)電如何在很短時間內(nèi)使發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場內(nèi)部存儲的大量能機轉(zhuǎn)子磁場內(nèi)部存儲的大量能量迅速消失，而不至于在發(fā)電量迅速消失，而不至于在發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生危險的過電壓，這機內(nèi)部產(chǎn)生危險的過電壓，這就是就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子滅磁問題滅磁問題。Nor

19、th China Electric Power Universitypage202022-3-73 3 同步發(fā)電機的滅磁同步發(fā)電機的滅磁 所謂所謂滅磁滅磁，就是將發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的磁場盡快地減弱為就是將發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的磁場盡快地減弱為最小程度。最小程度。 如果突然斷開轉(zhuǎn)子回路，勵磁繞組是個大電感，勵磁電流如果突然斷開轉(zhuǎn)子回路，勵磁繞組是個大電感，勵磁電流不能突變，必然會產(chǎn)生很高的過電壓，會危及到轉(zhuǎn)子繞組的絕不能突變，必然會產(chǎn)生很高的過電壓，會危及到轉(zhuǎn)子繞組的絕緣，因此，緣，因此，不能采用斷開轉(zhuǎn)子回路的辦法來滅磁不能采用斷開轉(zhuǎn)子回路的辦法來滅磁。對于滅磁的要求對于滅磁的要求：（1）在滅磁裝

20、置動作后，應(yīng)使發(fā)電機最終的剩余電壓低于能）在滅磁裝置動作后，應(yīng)使發(fā)電機最終的剩余電壓低于能維持短路點電弧的數(shù)值。維持短路點電弧的數(shù)值。（2）在滅磁過程中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組所承受的滅磁反）在滅磁過程中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組所承受的滅磁反電壓不應(yīng)超過規(guī)定的數(shù)值。電壓不應(yīng)超過規(guī)定的數(shù)值。（3）滅磁時間應(yīng)盡可能短。）滅磁時間應(yīng)盡可能短。（4）滅磁裝置的電路和結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單可靠。）滅磁裝置的電路和結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單可靠。North China Electric Power Universitypage212022-3-74 4 勵磁繞組對恒定電阻放電滅磁勵磁繞組對恒定電阻放電滅磁直直流流勵勵磁磁機機GGEWQF

21、MKRGEWetiReemGEW在滅磁過程中，轉(zhuǎn)子繞組的端電壓可以被控制在滅磁過程中，轉(zhuǎn)子繞組的端電壓可以被控制 R越大，轉(zhuǎn)子繞組端電壓衰減越快，越大，轉(zhuǎn)子繞組端電壓衰減越快，滅磁過程也就快，但是，轉(zhuǎn)子繞組端滅磁過程也就快，但是，轉(zhuǎn)子繞組端電壓也就越大電壓也就越大 R越小，轉(zhuǎn)子繞組端電壓也就越小，越小，轉(zhuǎn)子繞組端電壓也就越小，但是，轉(zhuǎn)子繞組端電壓衰減越慢，滅但是，轉(zhuǎn)子繞組端電壓衰減越慢，滅磁過程也就慢磁過程也就慢North China Electric Power Universitypage222022-3-75 5 理想滅磁過程理想滅磁過程GEWet12 理想的滅磁過程理想的滅磁過程就是整

22、個滅磁過程中始終保持轉(zhuǎn)子繞組就是整個滅磁過程中始終保持轉(zhuǎn)子繞組GEW的端電壓為最大允許值不變，直至勵磁回路斷開為止的端電壓為最大允許值不變，直至勵磁回路斷開為止 在滅磁過程中，轉(zhuǎn)子回路的在滅磁過程中，轉(zhuǎn)子回路的電流始終以電流始終以等速減少等速減少，而不再，而不再以指數(shù)曲線減少，直至為零。以指數(shù)曲線減少，直至為零。曲線曲線1滅磁，滅磁速度滅磁，滅磁速度越來越慢越來越慢。曲線曲線2滅磁，勵磁電流滅磁，勵磁電流等速減少等速減少，在在t時刻降為零，過程中端電壓時刻降為零，過程中端電壓始終為額定值。始終為額定值。North China Electric Power Universitypage23202

23、2-3-76 6 交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法（1）具有短弧滅弧柵片的滅磁系統(tǒng)）具有短弧滅弧柵片的滅磁系統(tǒng)12R利用短弧特性將弧電阻作為利用短弧特性將弧電阻作為非線性滅磁電阻。非線性滅磁電阻。l 發(fā)電機的勵磁電流流過發(fā)電機的勵磁電流流過這個并聯(lián)滅弧柵回路，電弧這個并聯(lián)滅弧柵回路，電弧在滅弧柵片中受軸向磁場作在滅弧柵片中受軸向磁場作用不斷地旋轉(zhuǎn)，其釋放的熱用不斷地旋轉(zhuǎn)，其釋放的熱能被銅柵片所吸收，直到電能被銅柵片所吸收，直到電弧熄滅弧熄滅并聯(lián)滅磁柵回路中串聯(lián)了一個限流電阻并聯(lián)滅磁柵回路中串聯(lián)了一個限流電阻RNorth China Electric Power Universi

24、typage242022-3-76 6 交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法（2）利用線性電阻的滅磁系統(tǒng)）利用線性電阻的滅磁系統(tǒng)S0S1R1R2S2采用耐高溫的線性電阻作為滅磁電阻采用耐高溫的線性電阻作為滅磁電阻采用分級線性電阻以改善滅磁的快速性。采用分級線性電阻以改善滅磁的快速性。l 轉(zhuǎn)子過電壓倍數(shù)不超過轉(zhuǎn)子過電壓倍數(shù)不超過5 5倍發(fā)電機額定勵磁電壓值倍發(fā)電機額定勵磁電壓值North China Electric Power Universitypage252022-3-76 6 交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法交流勵磁機系統(tǒng)的滅磁方法（3）利用非線性電阻的滅磁系統(tǒng)）利用非線性電阻的滅磁系統(tǒng)S0S1R電阻電阻選