chap2-1同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)-概述

1、第二章第二章 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成、基本任務(wù)和要求同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成、基本任務(wù)和要求直流、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)直流、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)磁場的建立過程、滅磁原理、理想的滅磁過程磁場的建立過程、滅磁原理、理想的滅磁過程勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作原理、工作特性勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作原理、工作特性靜態(tài)特性定義、調(diào)差系數(shù)和調(diào)差單元靜態(tài)特性定義、調(diào)差系數(shù)和調(diào)差單元?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)和穩(wěn)定性分析勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)和穩(wěn)定性分析勵(lì)磁調(diào)節(jié)器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，微機(jī)勵(lì)磁勵(lì)磁調(diào)節(jié)器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件框圖通過本章學(xué)習(xí)，

2、要求：通過本章學(xué)習(xí)，要求：掌握掌握 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成、主要任務(wù)主要任務(wù);了解了解勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求;熟悉熟悉同步發(fā)電機(jī)的各種勵(lì)磁方式；同步發(fā)電機(jī)的各種勵(lì)磁方式； 掌握掌握比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理比例式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理;掌握掌握同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性；同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性；了解了解同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理和同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理和工作特性，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作特性，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。特性。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述同步發(fā)電機(jī)是將旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械功率同步發(fā)電機(jī)是

3、將旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成三相交流電功率特定的機(jī)械設(shè)轉(zhuǎn)換成三相交流電功率特定的機(jī)械設(shè)備。為了完成這一轉(zhuǎn)換，它本身需要備。為了完成這一轉(zhuǎn)換，它本身需要一個(gè)一個(gè)直流磁場直流磁場，產(chǎn)生這個(gè)磁場的直流，產(chǎn)生這個(gè)磁場的直流電流稱為同步發(fā)電機(jī)的電流稱為同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流，又，又稱轉(zhuǎn)子電流，與勵(lì)磁電流有關(guān)的元件稱轉(zhuǎn)子電流，與勵(lì)磁電流有關(guān)的元件和設(shè)備統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。和設(shè)備統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成圖同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成圖圖圖2-1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖一、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù)一、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù)（一）、控制電壓（針對(duì)單機(jī)帶

4、負(fù)荷）（一）、控制電壓（針對(duì)單機(jī)帶負(fù)荷） 電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的波動(dòng)，電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的波動(dòng)，電壓就會(huì)發(fā)生變化，為了維持電壓在某一允電壓就會(huì)發(fā)生變化，為了維持電壓在某一允許值范圍，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行自許值范圍，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以維持發(fā)電機(jī)的端電壓為給定值。動(dòng)調(diào)節(jié)，以維持發(fā)電機(jī)的端電壓為給定值。下面用圖下面用圖2-2來說明勵(lì)磁控制系統(tǒng)的電壓來說明勵(lì)磁控制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)作用。 圖圖2-2 同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢和勵(lì)磁電流關(guān)系同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢和勵(lì)磁電流關(guān)系（a）同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖；）同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖； （b）等值電路圖；（）等值電

5、路圖；（c）相量圖）相量圖在正常情況下，流經(jīng)在正常情況下，流經(jīng)GEW的的IEF在同步在同步發(fā)電機(jī)內(nèi)建立磁場，使定子繞組產(chǎn)生發(fā)電機(jī)內(nèi)建立磁場，使定子繞組產(chǎn)生相應(yīng)的空載感應(yīng)電勢相應(yīng)的空載感應(yīng)電勢Eq，改變，改變IEF的大的大小，就可使小，就可使Eq發(fā)生相應(yīng)的變化。即發(fā)生相應(yīng)的變化。即勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流 I EF 空載電動(dòng)勢空載電動(dòng)勢 E q 由等值電路圖（由等值電路圖（b），得），得圖圖c為向量圖為向量圖G發(fā)電機(jī)的功率角發(fā)電機(jī)的功率角發(fā)電機(jī)的功率因素角發(fā)電機(jī)的功率因素角IQ和和IP發(fā)電機(jī)的無功和有功電流分量發(fā)電機(jī)的無功和有功電流分量根據(jù)向量圖，可得根據(jù)向量圖，可得EqIEF IEF不變不變Eq不變，

6、不變，IQ變化變化UG變化變化即：發(fā)電機(jī)單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即：發(fā)電機(jī)單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電壓的變化主要是由定子電流的電壓的變化主要是由定子電流的無功分量無功分量IQ的變化引起的。勵(lì)磁的變化引起的。勵(lì)磁控制系統(tǒng)便依據(jù)控制系統(tǒng)便依據(jù)IQ的變化，相應(yīng)的變化，相應(yīng)地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流IEFEq使使UG恒定恒定圖圖2-3 同步發(fā)電機(jī)的外特性同步發(fā)電機(jī)的外特性（二）（二） 控制無功功率的分配控制無功功率的分配圖圖2-4 同步發(fā)電機(jī)與無限大母線并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)與無限大母線并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)發(fā)出的發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率有功功率受受調(diào)速器調(diào)速器控制，調(diào)控制，調(diào)速器是根據(jù)速器是根據(jù)頻率頻率的變化動(dòng)作的，而調(diào)節(jié)的

7、變化動(dòng)作的，而調(diào)節(jié)無功功率不會(huì)引起頻率變化，因此機(jī)組無功功率不會(huì)引起頻率變化，因此機(jī)組發(fā)出的無功功率變化時(shí)，發(fā)出的有功功發(fā)出的無功功率變化時(shí)，發(fā)出的有功功率率P PG G為常數(shù)。這樣根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可以為常數(shù)。這樣根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可以做出圖做出圖2-42-4，并寫出下列表達(dá)式：，并寫出下列表達(dá)式：圖2-5 并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無功負(fù)荷的分配（a）原理圖； （b）G1和G2不同的外特性結(jié)論結(jié)論: 并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間無功無功負(fù)荷分配負(fù)荷分配取決于機(jī)組的取決于機(jī)組的外特性外特性曲線。曲線越曲線。曲線越平坦平坦的機(jī)組，的機(jī)組，無功無功電流的增量就電流的增量就越越大大：即發(fā)電機(jī)外特性曲線斜率越

8、小，：即發(fā)電機(jī)外特性曲線斜率越小，IIQ Q越大。越大。自動(dòng)調(diào)壓器（自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）不但自動(dòng)調(diào)壓器（自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）不但能維持各發(fā)電機(jī)的端電壓基本不變，能維持各發(fā)電機(jī)的端電壓基本不變，而且能對(duì)其外特性曲線的斜率任意而且能對(duì)其外特性曲線的斜率任意進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到機(jī)組間無功負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到機(jī)組間無功負(fù)荷的合理分配的目的。的合理分配的目的。例例2-1 某電廠有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在公共母線上并聯(lián)運(yùn)行，某電廠有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在公共母線上并聯(lián)運(yùn)行，一號(hào)機(jī)的額定功率為一號(hào)機(jī)的額定功率為25MW25MW，二號(hào)機(jī)的額定功率為，二號(hào)機(jī)的額定功率為50MW50MW。兩臺(tái)機(jī)組的額定功率因數(shù)都是。兩臺(tái)機(jī)組的額定功率因數(shù)都是0.

9、850.85，外特，外特性曲線斜率為性曲線斜率為0.050.05。如果系統(tǒng)無功負(fù)荷使電廠無。如果系統(tǒng)無功負(fù)荷使電廠無功功率的增量為它們總無功容量的功功率的增量為它們總無功容量的20%20%，問各機(jī)，問各機(jī)組承擔(dān)的無功負(fù)荷增量是多少？母線上的電壓波組承擔(dān)的無功負(fù)荷增量是多少？母線上的電壓波動(dòng)是多少？動(dòng)是多少？ 例例2-1解：解：一號(hào)機(jī)額定無功功率為一號(hào)機(jī)額定無功功率為QG1=PG1tg1=25tg(arccos0.85)=15.49(Mvar)二號(hào)機(jī)額定無功功率為二號(hào)機(jī)額定無功功率為QG2=PG2tg2=50tg(arccos0.85)=30.99(Mvar)因?yàn)閮膳_(tái)機(jī)的外特性曲線斜率均為因?yàn)閮?/p>

10、臺(tái)機(jī)的外特性曲線斜率均為0.05，所以公共，所以公共母線上等值機(jī)的外特性曲線斜率母線上等值機(jī)的外特性曲線斜率Kadj也為也為0.05。母線電壓波動(dòng)為母線電壓波動(dòng)為 U*=-KadjQ *=-0.050.2= -0.01例例2-1解（續(xù)）：解（續(xù)）：各機(jī)組無功負(fù)荷波動(dòng)量各機(jī)組無功負(fù)荷波動(dòng)量:Q1*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q1=Q1*QG1=0.215.49=3.10(Mvar)Q2*= -U* / Kadj=-( -0.01 / 0.05)=0.2Q2= Q2*QG2=0.230.99=6.20(Mvar) 一號(hào)機(jī)組無功負(fù)荷增加一號(hào)機(jī)組無功負(fù)荷增加3.1

11、0M var, 二號(hào)機(jī)組的二號(hào)機(jī)組的無功負(fù)增加無功負(fù)增加6.20M var。因?yàn)橥馓匦郧€斜率相等，。因?yàn)橥馓匦郧€斜率相等，無功負(fù)荷的波動(dòng)量與它們的容量成正比。無功負(fù)荷的波動(dòng)量與它們的容量成正比。例例2-2 在例在例2-12-1中，若一號(hào)機(jī)的外特性曲線斜中，若一號(hào)機(jī)的外特性曲線斜率率0.040.04，二號(hào)機(jī)外特性曲線斜率仍為，二號(hào)機(jī)外特性曲線斜率仍為0.050.05。當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)仍使電廠總無功增當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)仍使電廠總無功增加加20%20%，問各機(jī)組的無功負(fù)荷增量是多少？，問各機(jī)組的無功負(fù)荷增量是多少？母線上的電壓波動(dòng)是多少？母線上的電壓波動(dòng)是多少？例例2-2 解解adjadj

12、GadjGGGadjGadjGGGGGKUKQKQQQUQQKQKQUQQQQQQQ/)/()(221121212211212211046. 005. 099.3004. 049.1599.3049.15)(221121adjGadjGadjKQKQQQK 母線電壓波動(dòng)為母線電壓波動(dòng)為 0092. 02 . 0046. 0QKUadj各機(jī)組的無功增量各機(jī)組的無功增量 23. 004. 0/0092. 0/11adjKUQ185. 005. 0/0092. 0/22adjKUQ56. 349.1523. 0111GQQQ(Mvar)73. 599.30185. 0222GQQQ(Mvar)一號(hào)機(jī)

13、組的無功負(fù)荷增加一號(hào)機(jī)組的無功負(fù)荷增加3.56M var，二號(hào)機(jī)組的無功負(fù)荷增加二號(hào)機(jī)組的無功負(fù)荷增加5.73M var。外特性曲線斜率小的機(jī)承擔(dān)的無功負(fù)荷增量較大。外特性曲線斜率小的機(jī)承擔(dān)的無功負(fù)荷增量較大。 例例2-2 解（續(xù)）解（續(xù)）(三三)提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性1、勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響、勵(lì)磁對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定的影響（1）電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定）電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定:指電力系指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，受微小擾統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，受微小擾動(dòng)后恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)的能力動(dòng)后恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)的能力。（2）同步發(fā)電機(jī)的功率特性或功）同步發(fā)電機(jī)的功率特性或功角特性角特性,簡單

14、電力系統(tǒng)的功率方程簡單電力系統(tǒng)的功率方程式為：式為：當(dāng)當(dāng)90。時(shí)，發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行；時(shí)，發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)當(dāng) =90。時(shí)，發(fā)電機(jī)為穩(wěn)定的極限情況時(shí)，發(fā)電機(jī)為穩(wěn)定的極限情況。圖圖2-6 發(fā)電機(jī)的幾條代表性功率特性發(fā)電機(jī)的幾條代表性功率特性無自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，無自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，Eq為常數(shù)，功率極限為常數(shù)，功率極限出現(xiàn)在出現(xiàn)在=90。時(shí)；若有靈敏和快速的勵(lì)時(shí)；若有靈敏和快速的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，則由一簇不同的磁調(diào)節(jié)器，則由一簇不同的Eq相應(yīng)的功相應(yīng)的功角特性求出的曲線，如圖曲線角特性求出的曲線，如圖曲線B，最大值，最大值出現(xiàn)在出現(xiàn)在90。時(shí)，對(duì)于按電壓偏差比例時(shí)，對(duì)于按電壓偏差比例調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，功

15、角特性曲線為調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，功角特性曲線為C，最大值出現(xiàn)在最大值出現(xiàn)在90。時(shí)。時(shí)。因此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置可提高發(fā)電機(jī)輸送功因此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置可提高發(fā)電機(jī)輸送功率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)備。率極限或提高系統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)備。2、勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響、勵(lì)磁對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響（1）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定：）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)在某一正常指電力系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行方式下突然遭受大擾動(dòng)后，能否過渡到一運(yùn)行方式下突然遭受大擾動(dòng)后，能否過渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、或者恢復(fù)到原來運(yùn)行狀個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、或者恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)的能力。態(tài)的能力。圖圖2-7 發(fā)電機(jī)暫態(tài)功角特性曲線（發(fā)電機(jī)暫態(tài)功角特性曲線（a）接線圖；）

16、接線圖； （b） 功角特性功角特性k發(fā)生短路瞬間，功率特性立即下降為發(fā)生短路瞬間，功率特性立即下降為，但由，但由于轉(zhuǎn)子的慣性，其角度不會(huì)立即變化，與無于轉(zhuǎn)子的慣性，其角度不會(huì)立即變化，與無限大系統(tǒng)母線限大系統(tǒng)母線U的角度的角度0仍保持不變，發(fā)電仍保持不變，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)突變到點(diǎn)突變到b點(diǎn)（點(diǎn)（PbPT）,轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)子減速，但仍大于但仍大于0，由于轉(zhuǎn)子慣性，由于轉(zhuǎn)子慣性， 增大，運(yùn)行增大，運(yùn)行點(diǎn)到點(diǎn)到達(dá)達(dá)g點(diǎn)，回到同步轉(zhuǎn)速，點(diǎn)，回到同步轉(zhuǎn)速， 達(dá)到最大值。達(dá)到最大值。（PgPT）轉(zhuǎn)子減速，）轉(zhuǎn)子減速， 減小，運(yùn)行點(diǎn)由減小，運(yùn)行點(diǎn)由g點(diǎn)向點(diǎn)向d，k點(diǎn)移動(dòng)（點(diǎn)移動(dòng)（k點(diǎn)為點(diǎn)為與虛

17、線左面與虛線左面的交點(diǎn)的交點(diǎn)），發(fā)電機(jī)在），發(fā)電機(jī)在k點(diǎn)附近振蕩，由于點(diǎn)附近振蕩，由于阻尼作用，最后穩(wěn)定在阻尼作用，最后穩(wěn)定在k點(diǎn)。點(diǎn)。當(dāng)加速面積當(dāng)加速面積abce=減速面積減速面積defg，達(dá)到暫，達(dá)到暫態(tài)穩(wěn)定極限；態(tài)穩(wěn)定極限；當(dāng)加速面積當(dāng)加速面積abcd減速面減速面積積defg，暫態(tài)穩(wěn)定，暫態(tài)穩(wěn)定.如圖如圖2-7中，當(dāng)加速面積中，當(dāng)加速面積abce能夠小于等于能夠小于等于減速面積減速面積defg，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的，否，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的，否則暫態(tài)不穩(wěn)定則暫態(tài)不穩(wěn)定。因此，故障期間和故障切除后，勵(lì)磁系統(tǒng)因此，故障期間和故障切除后，勵(lì)磁系統(tǒng)施加的作用是力圖促使發(fā)電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢施加的作用是力圖促使發(fā)

18、電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢Eq上升而使上升而使Pmax增加，這樣既減小了增加，這樣既減小了加速面積又同時(shí)增加了減速面積，有助加速面積又同時(shí)增加了減速面積，有助于暫態(tài)穩(wěn)定。于暫態(tài)穩(wěn)定。(四四)改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件（五）水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁，（五）水輪發(fā)電機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁，防止水輪發(fā)電機(jī)過電壓防止水輪發(fā)電機(jī)過電壓 二、對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求二、對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求（一）專業(yè)術(shù)語（一）專業(yè)術(shù)語1、 額定勵(lì)磁電流額定勵(lì)磁電流：指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定：指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定電壓、電流、功率因素與轉(zhuǎn)速下磁場電壓、電流、功率因素與轉(zhuǎn)速下磁場繞組中的直流電流。繞組中的直流電流。2、 額定勵(lì)磁電壓額定勵(lì)磁電壓：指在磁場繞組上產(chǎn)生：指在磁場繞組上產(chǎn)生額定勵(lì)磁電流所需要的發(fā)電機(jī)磁場繞額定勵(lì)磁電流所需要的