【正文】 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)講座 武漢大學(xué) 程遠(yuǎn)楚 教授 第一節(jié) 勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成 勵(lì) 磁 調(diào)節(jié) 器勵(lì) 磁 功 率單 元發(fā) 電 機(jī)輸 入 信 號(hào)電 力 系 統(tǒng)勵(lì) 磁 系 統(tǒng) ? 供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。 ? 它分為勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)主要部分。 ? 勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流；而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。 第一章 概述 ? 勵(lì)磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的作用為： ? 根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值。 ? 控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率分配。 ? 提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性。 ? 提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性。 ? 在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度。 ? 提高繼電保護(hù)的靈敏度。 ? 根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵(lì)磁限制及最小勵(lì)磁限制。 ? 改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件。 第二節(jié) 勵(lì)磁系統(tǒng)的作用 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ? 1．電壓控制 在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行工況下，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)維持發(fā)電機(jī)端電壓（或升壓變壓器高壓側(cè)電壓）在給定水平。 ? 相關(guān)指標(biāo)： ? 調(diào)壓精度：是指在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，調(diào)差單元退出，電壓給定值不進(jìn)行人工調(diào)整的情況下，發(fā)電機(jī)負(fù)載從零變化到視在功率額定值以及環(huán)境溫度、頻率、電源電壓波動(dòng)等在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)，所引起的發(fā)電機(jī)端電壓的最大變化，常用發(fā)電機(jī)額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。 ? 發(fā)電機(jī)調(diào)壓靜差率： ? 調(diào)壓靜壓率定義為自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差單元退出 ， 電壓給定值不變 ，負(fù)載從額定視在功率減小到零時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓變化率 ， 它可由下式計(jì)算： %1000 ???GNGGU UUE發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ? 2. 控制無(wú)功功率的分配 當(dāng)發(fā)電機(jī)并入電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，它輸出的有功決定于從原動(dòng)機(jī)輸入的功率，而發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功則和勵(lì)磁電流有關(guān) 。 在發(fā)電機(jī)并入無(wú)窮大電網(wǎng)運(yùn)行的情況下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流將改變發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功。 實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的母線不會(huì)是無(wú)窮大母線，這時(shí)改變勵(lì)磁將會(huì)使發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出無(wú)功都發(fā)生改變。但一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)的端電壓變化較小，而輸出的無(wú)功卻會(huì)有較大的變化。保證并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組間合理的無(wú)功分配，是勵(lì)磁系統(tǒng)的重要功能。 ? 在研究并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組間的無(wú)功分配問(wèn)題時(shí)所涉及的主要概念之一是發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率 。 所謂發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率是指在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)差單元投入 ， 電壓給定值固定 ， 發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為零的情況下 ， 發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)載從零變化到額定值時(shí) ， 用發(fā)電機(jī)端電壓百分?jǐn)?shù)表示的發(fā)電機(jī)端電壓變化率 ， 通常由下式計(jì)算： %100( % ) 0 ???GNGrGUUUD發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ? 3．提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性 ? 暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在受到大擾動(dòng)，例如高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路，或一臺(tái)主要發(fā)電機(jī)被切除，此時(shí)系統(tǒng)將發(fā)生較強(qiáng)烈的振蕩，一些同步發(fā)電機(jī)也可能失步。這種情況下的穩(wěn)定問(wèn)題，即在大干擾作用后系統(tǒng)能否在新的平衡狀況下穩(wěn)定工作，稱為暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。 ? 擾動(dòng)的另一種形式是負(fù)荷隨機(jī)地發(fā)生小的變化，即所謂小干擾。同步發(fā)電機(jī)在小干擾下的穩(wěn)定問(wèn)題 ,稱為靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。 ? 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定則是指電力系統(tǒng)受干擾后（包括小干擾和大干擾），在考慮了各種自動(dòng)控制裝置的作用情況下，長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性問(wèn)題。 （阻尼問(wèn)題） ? 勵(lì)磁調(diào)節(jié)可有效地提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，并 在一定程度上改善暫態(tài)穩(wěn)定性（提高強(qiáng)勵(lì)頂值倍數(shù)） ，但可能引入負(fù)阻尼，引發(fā)低頻振蕩。 PP0312090?0?圖3 5 調(diào)節(jié)勵(lì)磁對(duì)功率特性的影響發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ? 4． 提高繼電保護(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)的勵(lì)磁電流不大，若系統(tǒng)此時(shí)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)不能正確工作。勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，不僅有利于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性外，還因加大了電力系統(tǒng)的短路電流而使繼電保護(hù)的動(dòng)作靈敏度得到提高。 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ? 5． 快速滅磁 當(dāng)發(fā)電機(jī)或升壓變壓器（采用單元式接線）內(nèi)部故障時(shí)，為了降低故障所造成的損害，要求這時(shí)發(fā)電機(jī)能快速滅磁。此外，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓會(huì)異常升高，對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)尤其如此，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，由于機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)較大，發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的過(guò)速，對(duì)采用同軸勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，它的端電壓正比于轉(zhuǎn)速的三次甚至四次方。因此，甩負(fù)荷可能造成發(fā)電機(jī)嚴(yán)重過(guò)壓。為防止發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓過(guò)份升高危及定子絕緣的程度，也要求勵(lì)磁系統(tǒng)有快速滅磁能力。 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的任務(wù) ?6．改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件 前面已談到，維持發(fā)電機(jī)端電壓的恒定有利于維持電力系統(tǒng)的電壓水平。當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因，出現(xiàn)短時(shí)低電壓時(shí)，勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)功能，即大幅度地增加勵(lì)磁以提高系統(tǒng)電壓。從而可以改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件。 （ 1）．改善異步電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)條件 （ 2）．為發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行創(chuàng)造條件 （ 3）．減少重負(fù)荷合閘時(shí)的電壓下降 （ 4）．重負(fù)荷跳閘時(shí)，減少系統(tǒng)電壓的上升 第三節(jié) 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 ?1．對(duì)勵(lì)磁功率單元的要求 ? （ 1） ． 要求勵(lì)磁功率單元有足夠的可靠性并具有一定的調(diào)節(jié)容量 。 在電力系統(tǒng)運(yùn)行中 ， 發(fā)電機(jī)依靠勵(lì)磁電流的變化進(jìn)行系統(tǒng)電壓和本身無(wú)功功率的控制 。 因此 ，勵(lì)磁功率單元應(yīng)具備足夠的調(diào)節(jié)容量 ， 并留有一定的裕量 ， 以適應(yīng)電力系統(tǒng)中各種運(yùn)行工況的要求 。 ? （ 2） ． 具有足夠的勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度。前面已經(jīng)提到，從改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，希望勵(lì)磁功率單元具有較大的強(qiáng)勵(lì)能力和快速的響應(yīng)能力。因此，在勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度是兩項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。 第三節(jié) 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 ? 2．對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的要求 ? （ 1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映發(fā)電機(jī)電壓高低以維持發(fā)電機(jī)電壓在給定水平，并有足夠的電壓調(diào)節(jié)范圍。 ? （ 2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組的無(wú)功功率，為此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率可以在下列范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整：半導(dǎo)體型的為177。 10％；電磁型的為177。 5％。并能隨系統(tǒng)的要求而改變。 ? （ 3） 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)器沒(méi)有失靈區(qū) 。 ? （ 4） 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障 ， 具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件 。 ? （ 5） 具有較小的時(shí)間常數(shù) ， 能迅速響應(yīng)輸入信息的變化 。 ? （ 6） 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)具有高度的可靠性 ， 并且運(yùn)行穩(wěn)定 。 這在電路設(shè)計(jì) 、 元件選擇和裝配工藝等方面應(yīng)采取相應(yīng)的措施 。 ? （ 7） 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 。 ? （ 8） 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能小 ， 響應(yīng)速度快 。 ? （ 9）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修方便，并應(yīng)盡量做到系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 勵(lì) 磁 系 統(tǒng)他 勵(lì) 式 勵(lì) 磁 系 統(tǒng)自 勵(lì) 式 勵(lì) 磁 系 統(tǒng)直 流 電 機(jī) 勵(lì) 磁 系統(tǒng) ( 直 流 勵(lì) 磁 機(jī) )整 流 器 勵(lì) 磁 系 統(tǒng) 交 流 勵(lì) 磁 機(jī) 自 并 勵(lì) 系統(tǒng)自 復(fù) 勵(lì) 系統(tǒng)諧 波 勵(lì) 磁系 統(tǒng)靜 止 整 流 器 勵(lì) 磁系 統(tǒng)旋 轉(zhuǎn) 整 流 器 勵(lì) 磁系 統(tǒng)交 流 側(cè) 復(fù) 合 的 自復(fù) 勵(lì) 系 統(tǒng)直 流 側(cè) 復(fù) 合 的 自復(fù) 勵(lì) 系 統(tǒng) 按 整 流 器 是 否 旋 轉(zhuǎn) 分 按 供 電 方 式 分 按 整 流 器 是 否 旋 轉(zhuǎn) 分 按 功 率 引 取 方 式 分 按 復(fù) 合 位 置 分 第三節(jié) 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類 勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ? 1. 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 1960年以前，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁功率單元，一般均采用同軸的直流發(fā)電機(jī)，稱為直流勵(lì)磁機(jī)．勵(lì)磁控制單元?jiǎng)t多采用機(jī)電型或電磁調(diào)節(jié)器．隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展與同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大，這種勵(lì)磁系統(tǒng)已不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)和大容量機(jī)組的需要，直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁功率和響應(yīng)速度及勵(lì)磁電壓頂值不能滿足要求。 自 動(dòng)勵(lì) 磁調(diào)節(jié)器*LLQRCLFMKFLQFCTPT圖3－7 直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理一自 動(dòng)勵(lì) 磁調(diào)節(jié)器*LLQRCLFMKFLQFCTPT圖3 －8 直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理二FLLMK勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 直流勵(lì)磁的換向器是影響安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié) ， 也是限制勵(lì)磁機(jī)容量的主要因數(shù) 。 因此 ， 自六 、 七十年代開(kāi)始 ， 較大容量的發(fā)電機(jī)都不再采用直流勵(lì)磁機(jī)而改用交流勵(lì)磁機(jī) 。 ? 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)與直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)一樣 ， 根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式不同 ， 可分為它勵(lì)和自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) 。 按整流是靜止或是旋轉(zhuǎn) 、 以及交流勵(lì)磁機(jī)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)或電樞旋轉(zhuǎn)的不同 ， 又可分為下列四種勵(lì)磁方式： （ 1） 交流勵(lì)磁機(jī) （ 磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式 ） 加靜止硅整流器； （ 2） 交流勵(lì)磁機(jī) （ 磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式 ） 加靜止可控硅； （ 3） 交流勵(lì)磁機(jī) （ 電樞旋轉(zhuǎn)式 ） 加旋轉(zhuǎn)硅整流器； （ 4） 交流勵(lì)磁機(jī) （ 電樞旋轉(zhuǎn)式 ） 加旋轉(zhuǎn)可控硅 。 勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器*ACFL ACLFLQFCTPT圖3 －9 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理一*自勵(lì)恒壓裝置勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（ 1） 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器*ACLFLQFCTPT圖3 －1 0 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理二勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（ 2） 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器*ACLFLQFCTPT圖3 －1 1 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理三自勵(lì)恒壓裝置勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 間接自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器*ACLFLQFCTPT圖3 －1 0 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理二勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?2. 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ? 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器ACLFLQFCTPT圖3 －1 2 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理PMG勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ? 3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ? 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)取消了勵(lì)磁機(jī) ， 采用變壓器作為交流勵(lì)磁電源 ， 勵(lì)磁變壓器接在發(fā)電機(jī)出口或廠用母線上 。 因勵(lì)磁電源系取自發(fā)電機(jī)自身或是發(fā)電機(jī)所在的電力系統(tǒng) ， 故這種勵(lì)磁方式稱為自勵(lì)整流器勵(lì)磁系統(tǒng) ， 簡(jiǎn)稱自勵(lì)系統(tǒng) 。 與電機(jī)式勵(lì)磁方式相比 ， 在自勵(lì)系統(tǒng)中 ， 勵(lì)磁變壓器 、 整流器等都是靜止元件 ， 故自勵(lì)磁系統(tǒng)又稱為靜止勵(lì)磁系統(tǒng) 。 ? 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)也有幾種不同的勵(lì)磁方式 。 如果只用一臺(tái)勵(lì)磁變壓器并聯(lián)在機(jī)端 ， 則稱為自并勵(lì)方式 。 如果除了并聯(lián)的勵(lì)磁變壓器外還有與發(fā)電機(jī)定子電流回路串聯(lián)的勵(lì)磁變壓器 （ 或串聯(lián)變壓器 ） ， 二者結(jié)合起來(lái) ， 則構(gòu)成所謂自復(fù)勵(lì)方式 。 結(jié)合的方案有下列四種： （ 1） ． 直流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式； （ 2） ． 直流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式； （ 3） ． 交流側(cè)并聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式； （ 4） ． 交流側(cè)串聯(lián)自復(fù)勵(lì)方式； 勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ?（ 1） 自并勵(lì)方式 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器FLQFCTPT圖3 1 3 自并激勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理ZB勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ?（ 2）直流側(cè)疊加的自復(fù)激方式 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器FLQGLHCTPT圖3 －1 4 自復(fù)激勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理一ZBFGZKZ勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ?（ 3）交流側(cè)疊加的自復(fù)激方式 （ 1） FLQGLH圖3 －1 5 自復(fù)激勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理二ZBFGZX勵(lì)磁系統(tǒng)的典型型式 ?3. 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ?（ 3）交流側(cè)疊加的自復(fù)激方式 （ 2） 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器FLQGLHCTPT圖3 －1 6 自復(fù)激勵(lì)磁系統(tǒng)接線原理三ZBFKZ 第二章 靜止勵(lì)磁系統(tǒng) ? 發(fā)電機(jī)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)可控硅整流橋控制勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功功率的目的。 ? 其主要分為四個(gè)部分： ① 勵(lì)磁變壓器； ② 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（ AVR）； ③ 可控硅整流器； ④ 起勵(lì)和滅磁單元；