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武汉大学程楚远教授发电机励磁系统讲座

'武汉大学程楚远教授发电机励磁系统讲座'
发电机励磁系统讲座 武汉大学 程远楚 教授一. 励磁系统构成  同步发电机的励磁系统励磁系统一般由两部 分构成:  第一部分是励磁功率单元,它向同步发电机 的励磁绕组提供直流励磁电流,以建立直流磁 场;  第二部分是励磁控制部分,这一部分包括励 磁调节器、强行励磁、强行减磁和灭磁等,它 根据发电机的运行状态,自动调节功率单元输 出的励磁电流,以满足发电机运行的要求。整 个自动控制励磁系统是由励磁调节器,励磁功 率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。二. 发电机励磁控制系统的任务 ¨ 1.电压控制  在发电机正常运行工况下,励磁系统应维持发电机端电压(或升压变压器 高压侧电压)在给定水平。¨ 相关指标:¨ 调压精度:是指在自动励磁调节器投入运行,调差单元退出,电压给定 值不进行人工调整的情况下,发电机负载从零变化到视在功率额定值以 及环境温度、频率、电源电压波动等在规定的范围内变化时,所引起的 发电机端电压的最大变化,常用发电机额定电压的百分数表示。¨ 发电机调压静差率:¨ 调压静压率定义为自动励磁调节器的调差单元退出,电压给定值不变, 负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压变化率,它可由下式计算:   U ? U E ? G 0 G ? 100 % U GN二. 发电机励磁控制系统的任务¨ 2. 控制无功功率的分配 当发电机并入电力系统运行时,它输出的有功决定于从原动机输入的功 率,而发电机输出的无功则和励磁电流有关。在发电机并入无穷大电网 运行的情况下,调节励磁电流将改变发电机输出的无功。 实际运行中, 发电机并联运行的母线不会是无穷大母线,这时改变励磁将会使发电机 的端电压和输出无功都发生改变。但一般来说,发电机的端电压变化较 小,而输出的无功却会有较大的变化。保证并联运行的发电机组间合理 的无功分配,是励磁系统的重要功能。¨ 在研究并联运行发电机组间的无功分配问题时所涉及的主要概念之一 是发电机端电压调差率。所谓发电机端电压调差率是指在自动励磁调节 器调差单元投入,电压给定值固定,发电机功率因数为零的情况下,发 电机的无功负载从零变化到额定值时,用发电机端电压百分数表示的发 电机端电压变化率,通常由下式计算: U ?U D(%) ? G0 Gr ?100% U GN二. 发电机励磁控制系统的任务¨ 3.提高同步发电机并列运行的稳定性 ¨ 暂态稳定是指电力系统在受到大扰动,例如高压输电网络中发生短路,或一台主 要发电机被切除,此时系统将发生较强烈的振荡,一些同步发电机也可能失步。 这种情况下的稳定问题,即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作, 称为暂态稳定问题。¨ 扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化,即所谓小干扰。同步发电机在小 干扰下的稳定问题,称为静态稳定问题。 ¨ 动态稳定则是指电力系统受干扰后(包括小干扰和大干扰),在考虑了各种自动 控制装置的作用情况下,长时间的稳定性问题。 (阻尼问题)¨ 励磁调节可有效地提高电力系统的静态稳定性,并 P  在一定程度上改善暂态稳定性(提高强励顶值倍数) 3  ,但可能引入负阻尼,引发低频振荡。 2 P0 1 ? 0 90 ? 0 图3-5 调节励磁对功率特性的影响二. 发电机励磁控制系统的任务¨ 4.提高继电保护动作的灵敏度 当系统处于低负荷运行状态时,发电机的励磁 电流不大,若系统此时发生短路故障,其短路 电流较小,且随时间衰减,以致带时限的继电 保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可以 通过调节发电机励磁对发电机进行强励,不仅 有利于提高电力系统稳定性外,还因加大了电 力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度 得到提高。 二. 发电机励磁控制系统的任务¨ 5.快速灭磁 当发电机或升压变压器(采用单元式接线)内 部故障时,为了降低故障所造成的损害,要求 这时发电机能快速灭磁。此外,当机组甩负荷 时,发电机机端电压会异常升高,对于水轮发 电机尤其如此,当水轮发电机发生甩负荷时, 由于机组惯性时间常数较大,发电机会产生较 严重的过速,对采用同轴励磁机的发电机来说, 它的端电压正比于转速的三次甚至四次方。因 此,甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止 发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度, 也要求励磁系统有快速灭磁能力。 二. 发电机励磁控制系统的任务¨ 6.改善电力系统的运行条件  前面已谈到,维持发电机端电压的恒定有利于维持电 力系统的电压水平。当电力系统由于种种原因,出现 短时低电压时,励磁自动控制系统可以发挥其调节功 能,即大幅度地增加励磁以提高系统电压。从而可以 改善电力系统的运行条件。 (1).改善异步电动机的自起动条件 (2).为发电机异步运行创造条件  (3).减少重负荷合闸时的电压下降  (4).重负荷跳闸时,减少系统电压的上升 三.对励磁系统的基本要求 ¨ 1.对励磁功率单元的要求 ¨ (1).要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定 的调节容量。在电力系统运行中,发电机依靠励磁电 流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此, 励磁功率单元应具备足够的调节容量,并留有一定的 裕量,以适应电力系统中各种运行工况的要求。¨ (2).具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前 面已经提到,从改善电力系统运行条件和提高电力系 统暂态稳定性来说,希望励磁功率单元具有较大的强 励能力和快速的响应能力。因此,在励磁系统中励磁 顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。 三.对励磁系统的基本要求¨ 2.对励磁调节器的要求 ¨ (1)系统正常运行时,励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在 给定水平,并有足够的电压调节范围。 ¨ (2)励磁调节器应能合理分配机组的无功功率,为此,励磁调节器应保证同步发 电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整:半导体型的为±10%;电磁型的 为±5%。并能随系统的要求而改变。¨ (3)对远距离输电的发电机组,为了能在人工稳定区域运行,要求励磁调节器没 有失灵区。¨ (4)励磁调节器应能迅速反应系统故障,具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳 定和改善系统运行条件。¨ (5)具有较小的时间常数,能迅速响应输入信息的变化。¨ (6)励磁调节器应具有高度的可靠性,并且运行稳定。这在电路设计、元件选择 和装配工艺等方面应采取相应的措施。¨ (7)励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。¨ (8)励磁调节器的时间常数应尽可能小,响应速度快。¨ (9)励磁调节器应结构简单、检修方便,并应尽量做到系列化、标准化、通用化。 四. 励磁系统的典型型式 FMK * F L CT¨ 1. 直流励磁机励磁系统 LLQ FLQ   1960年以前,同步发电机励 PT RC 磁系统的励磁功率单元,一般均 自 动 励 磁调 节 采用同轴的直流发电机,称为直 器 流励磁机.励磁控制单元则多采 用机电型或电磁调节器.随着电 图3-7 直流励磁机系统接线原理一 力系统的发展与同步发电机单机 FMK LMK F 容量的增大,这种励磁系统已不 * L CT FL FLQ 能适应现代电力系统和大容量机 PT 组的需要,直流励磁机的励磁功 RC LLQ 自 动励 磁调节 率和响应速度及励磁电压顶值不 器 能满足要求。 图3-8 直流励磁机系统接线原理二四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 直流励磁的换向器是影响安全运行的薄弱环节,也是限制励磁机 容量的主要因数。因此,自六、七十年代开始,较大容量的发电 机都不再采用直流励磁机而改用交流励磁机。¨ 交流励磁机系统与直流励磁机系统一样,根据励磁机的励磁方式 不同,可分为它励和自励交流励磁机系统。按整流是静止或是旋 转、以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同,又可分为下 列四种励磁方式: (1)交流励磁机(磁场旋转式)加静止硅整流器; (2)交流励磁机(磁场旋转式)加静止可控硅; (3)交流励磁机(电枢旋转式)加旋转硅整流器; (4)交流励磁机(电枢旋转式)加旋转可控硅。四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 它励交流励磁机励磁系统 ACFL ACL F * * CT FLQ PT 自励恒 压装置 自动励磁调节器 图3-9 交流励磁机系统接线原理一四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 自励交流励磁机励磁系统(1) ACL F * CT FLQ PT 自动励磁调节器 图3-10 交流励磁机系统接线原理二四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 自励交流励磁机励磁系统(2) ACL F * CT FLQ PT 自励恒压装置 自动励磁调节器 图3-11 交流励磁机系统接线原理三四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 间接自励交流励磁机励磁系统 ACL F * CT FLQ PT 自动励磁调节器 图3-10 交流励磁机系统接线原理二四. 励磁系统的典型型式¨ 2. 交流励磁机励磁系统¨ 无刷励磁系统 PMG ACL F CT FLQ PT 自动励磁调节器 图3-12 无刷励磁系统接线原理四. 励磁系统的典型型式¨ 3. 静止励磁系统¨ 静止励磁系统取消了励磁机,采用变压器作为交流励磁电源,励磁变压 器接在发电机出口或厂用母线上。因励磁电源系取自发电机自身或是发 电机所在的电力系统,故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统,简称 自励系统。与电机式励磁方式相比,在自励系统中,励磁变压器、整流 器等都是静止元件,故自励磁系统又称为静止励磁系统。¨    静止励磁系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器 并联在机端,则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外还有与 发电机定子电流回路串联的励磁变压器(或串联变压器),二者结合起 来,则构成所谓自复励方式。结合的方案有下列四种: (1).直流侧并联自复励方式; (2).直流侧串联自复励方式; (3).交流侧并联自复励方式; (4).交流侧串联自复励方式; 四. 励磁系统的典型型式¨ 3. 静止励磁系统¨ (1)自并励方式 F CT FLQ PT ZB 自动励磁调节器 图3-13 自并激励磁系统接线原理四. 励磁系统的典型型式¨ 3. 静止励磁系统¨ (2)直流侧叠加的自复激方式 F GLH KZ CT FLQ PT ZB GZ 自动励磁调节器 图3-14 自复激励磁系统接线原理一四. 励磁系统的典型型式¨ 3. 静止励磁系统¨ (3)交流侧叠加的自复激方式 (1) F GLH FLQ X ZB GZ 图3-15 自复激励磁系统接线原理二四. 励磁系统的典型型式¨ 3. 静止励磁系统¨ (3)交流侧叠加的自复激方式 (2) F GLH KZ CT FLQ PT ZB 自动励磁调节器 图3-16 自复激励磁系统接线原理三五. 三相全控整流桥整流特性¨ 在励磁系统中,整流电路的主要任务是将从发 电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为 直流电压,供给发电机转子励磁绕组或励磁机 磁场绕组的励磁需要。对于接在发电机转子励 磁回路中的三相全控桥式整流电路,除了将交 流变换成直流的正常任务外,事故时还可以将 储存在转子磁场中的能量,经全控桥迅速反馈 给交流电源,进行将直流变换为交流的逆变灭 磁。这是三相整流电路有源逆变的一种运行方 式,也称可逆整流。 ¨ 根据电路中所用整流元件的不同,分为可控与 不可控整流电路。 根据接线方式的不同,分为 半波整流,全波整流等。五. 三相全控整流桥整流特性 SCR3 (+) SCR1 SCR5 B i¨ 1. 基本电路 a d b Ud c R (a)与整流波形 O SCR4 SCR2 (-) SCR6 e e e e2 d a f b h c 1 3 0 (b) 0 2 4 6 e g i Ug 1 3 5 1 3 5 (c) 6 2 4 6 2 4 e eab ac ebc eba eca ecb eab eac Ud 0 (d) 图2-10 三相桥式可控整流(0)五. 三相全控整流桥整流特性 ea eb ec e2 d f h 1 3 5 0 (a) 0 2 4 6 e g i e e e e e ab ac bc eba ca ecb eab ac Ud 0 (b) 图2-11 三相桥式可控整流(30)五. 三相全控整流桥整流特性 ea eb ec e2 d f h 1 3 5 0 (a) 0 2 4 6 e g i e e e e e ab ac bc eba ca ecb eab ac Ud 0 (b) 图2-12 三相桥式可控整流(60)五. 三相全控整流桥整流特性 SCR3 (+) SCR1 SCR5 B a L id b c Ud R (a) O SCR 4 SCR2 (-) SCR e e 6e e2 d a f b h c 1 3 5 0 (b) 0 2 4 6 e g i e e e e e ab ac bc eba ca ecb eab ac Ud 0 (c) 图2-13 三相桥式可控整流(90)五. 三相全控整流桥整流特性 SCR3 (+) SCR1 SCR5 B i a L d b c Ud R (a) O SCR4 SCR2 (-) SCR e e 6e e2 d a f b h c 1 3 5 0 (b) 0 2 4 6 e g i e e e e e ab ac bc eba ca ecb eab ac Ud 0 (c) 图2-14 三相桥式可控整流(120)五. 三相全控整流桥整流特性 SCR 3 (+) SCR 1 SCR 5 B i a L d b c Ud R (a) O SCR 4 SCR 2 (-) SCR 6 e e e e2 d a f b h c 1 3 0 (b) 0 2 4 6 e g i U g 3 5 1 3 5 1
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