自动装置讲稿15（学生用） - 图文

电力系统 自动控制技术

讲 稿

专业:电气工程及其自动化08级

主讲：王 进

2011年3月

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绪 论

一、我国电力工业的发展概况

1.装机容量

回顾100多年电力工业的发展，中国电力装机从1882年的11.76kW 经过67年发展，到1949年达到185万kW;而从1949年到2002年的3.53亿kW。2005年已突破5亿kW，2006年底突破6亿kW，在不到一年时间里，2007年12月，国电泰州发电有限公司1号发电机组为全国7亿千瓦“标志性机组”。自2002年至2007年的五年间，中国新增发电装机规模约3.5亿千瓦，相当于建国后50多年的总和。2009年10月，中电投拉西瓦水电站6号机成为8亿千瓦“标志性机组”.。2010年中期，中广核岭澳核电站二期工程1号机组成为9亿千瓦“标志性机组”.。50多年持续以年均10%以上的速度发展，在世界电力发展历史上都是罕见的。我国连续跃过法国、英国、加拿大、德国、俄国、日本，从1996年开始就稳居世界第二，基本上扭转了长期困扰我国经济发展和人民生活需要的电力严重短缺局面。特别是9亿千瓦装机容量的突破，是电力发展史上一个重要里程碑，标志着电力工业发展实现了新跨越。b

2.电力弹性系数（概念）

2002年的电力生产弹性系数和电力消费弹性系数分别为1.43和1.45。（www.sp.com.cn）预计2020年中国发电总装机容量预计达到11.86亿千瓦，将超过美国跃居世界第一位。 3.发电厂：大容量，高参数，环保型

（1）火电：30万KW及以上火电机组占火电总装机从十一五初期的43.37%增加为67.11%，高效清洁

机组为燃煤发电主力。

（2）水电装机：从十一五初期的1.17亿KW增加为1.97亿KW，2010年8月突破2亿KW，居世界

第一。

（3）风电装机：2010年底，4182.7万KW，首次超美，居世界第一。

24个省市建设了风电场，东海大桥海上风电场于2010年在上海投入运行，除欧洲外

最大海上风电场。

（4）核电：在建基地达到23个，2540万KW，全球在建核电规模最大的国家。 4.电网互联发展

系统的发展―――发电厂、变电所实现了自动化(各种类型的发电厂根据区域资源颁布的特点加紧建设，随着大容量机组的出现，交流输电最高电压等级已达到500KV)―――远动通信、计算机技术的发展促使系统朝着自动监视、控制和调度的方向发展―――促进系统自动控制技术的不断发展 向家坝—上海，+—800KV特高压直流输电示范工程，首个电压等级最高，输送距离最远，输送容量最大，技术水平最先进。

二、电力系统及其运行

1.电力系统运行的任务：

使许多相距遥远、大小不等的分散的发电机电源，经过错踪复杂的输、配电网络，相互联结起来，并进行有功功率与无功功率的传输与分配，使分散的用户都能及时得到合格的电能供应。 2.电力系统的主要组成部分和作用 如Fig.0-1：

功率平衡―――系统是一个有机的整体

调度控制中心的任务：合理地调度（AGC，水火电的调度）所属各发电厂的出力、制定运行方式、及

时处理电力系统运行中所发生的问题，确保系统的安全经济运行。

发电厂的任务：电源，发电厂的类型。安全经济地完成给予的发电任务。

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常规和新能源发电，集中型供电和分布式发电

配电网的任务：直接向用户供电的地区电网。从电源到用户，电压等级经历了升高和降低的过程，为

了远距离输送电能必要提高电压，为了给用户供电又必须降低电压分配给不同配电电压的用户。

高压配电网、中压配电网、低压配电网

三、电力系统自动控制的划分

典型自动控制系统的基本原理：Fig 0-2 电力系统自动化的概念：

广义的理解是，根据电力系统本身特有的规律，应用自动控制原理，采用自动控制装置来自动地实现电力生产的安全可靠运行。电能的生产过程是一个有机的整体，复杂而庞大的系统如果没有一系列的安全自动装置系统为它服务，那么这个系统是一刻也不能运行的。

具体来说，电力系统自动化是自动化的一种具体形式，是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，通过信号系统和数据传输系统对系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、调节和控制，保证系统安全经济运行和具有合格的电能质量。 根据电力系统的运行和组成特点，系统中的自动控制大致划分为如下： 1． 电力系统自动监视和控制

任务：控制系统的运行方式，提高电力系统的安全、经济运行水平。

系统运行状态

发电厂、变电所 远动终端装置(RTU) 调度控制中心 的实时信息

(分析系统的运行状态)

控制方案(计算结果、决策命令) 2． 电厂动力机械自动控制

电厂控制的主要组成部分，随电厂类型不同而有差别。200MW以上的需配置专用计算机进行监控。 火电厂：锅炉、汽轮机等设备。

水电厂：水轮机、调速器及励磁自动控制系统 3． 电力系统自动装置

直接为系统服务的基础自动化设备。主要指发电机组的自动控制装置，如发电机组的自动并列装置，自动励磁，自动解列，发电厂变电所主接线操作和运行的自动并列装置，以及电力系统的安全自动控制装置如低频减载、自动重合闸，继保装置等。这是本课程的主要学习内容。 同步发电机：如Fig.0-3所示，

动力元素：负荷变化时，引起有功失衡，频率偏移，通过执行机构（）调速器）调节动力元素――

蒸汽流量的大小来改变输出有功，使频率恢复正常值。

励磁电流：负荷变化――机端电压偏差――励磁电流改变，以调节电压和控制无功的分配 电气设备的操作类型：正常操作（如正常并列操作）和反事故操作（防止事故进一步扩大的紧急操作） 安全自动控制装置：防止系统的系统性事故采取相应对策的自动操作装置。 电气设备操作的自动化是电力系统自动化的基础。 4． 电力安全装置

为保障系统运行人员的人身安全的监护装置。在进一步发展，暂不列入课程的学习内容。

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四、本课程的主要内容

自动装置的两种类型：自动调节装置和自动操作装置

（一）本课程的重点：根据系统的运行特点，在实施其自动控制时所遵循的规律和自动装置的组成及运行要求等方面进行阐述。围绕电压和频率两个指标，对励磁自动控制和频率自动控制进行深入介绍。并列操作是电气设备正常运行操作的重要内容，是学习的重点。 按章节内容如下：

1． 同步发电机的自动并列：第二章，是电气自动控制装置典型的例子。

2． 同步发电机励磁自动控制系统及其动静态特性：第三、四章，是发电机自动调节系统的一个典型应

用。

3． 频率－有功功率自动控制：第五章，就频率特性和调频问题展开讨论，侧重阐述控制系统特性和功

率分配等问题。

4． 系统自动低频减载及其他安全自动控制装置：第六章，重点介绍按频率自动减载装置，是事故情况

下典型的防系统性事故的安全自动控制装置。

（二）本课程的考核方式：出勤，课堂提问，课堂测验，作业，考试

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第一章 自动装置及其数据的采集处理

一、自动装置的首要任务

系统运行的主要参数是连续的模拟量，将连续的模拟信号采集并转换成离散的数字信号后进入计算机，即数据采集和模拟信号的数字化。

二、自动装置的基本组成

1．硬件：电力系统自动装置的结构形式主要有微型计算机系统、工业控制机系统、集散控制系统（DCS）

和现场总线系统（FCS）三种。 各自的适用范围如下表： 硬件结构形式 微型计算机系统 工业控制机系统 结构特点 结构简单，易实现，对环境要求不高，能在恶劣环境下工作。价格低，降低系统投资。 功能较微型完善，可靠性和实时性较微型大为提高，配有实时操作系统，过程中断系统，具有丰富的I/O功能和软件系统。有众多选配件，软件支持。 DCS，FCS 适应性强，系统的规模可以根据实际情况建设。由于系统具有分散性，单一站的故障不会影响到整个系统，可DCS 靠性提高。系统各站为并行结构，可解决大型、高速、动态系统需要，实时性好，需要进行集中数据处理，对上位机有一定技术要求。 全数字开放系统，具有可互操作性和可互用性（同类总线不同厂家产品可FCS 替代），全分布控制系统，可形成更大系统，其现场设备具有高智能化和自治性，控制能力强。 2．软件：

基本的内容如下：

信号采集与处理软件：采集的是数字信号可直接进入计算机存储。而模拟信号须经过模拟信号采集

与处理程序经过采集、标度变换、滤波处理及二次数据计算，并进行保存。

运行参数设置程序：设置系统的运行参数。

系统管理(主控制)程序：将各个功能模块组织成一个程序系统，并管理和调用各个功能模块，同时管

理数据文件的存储和输出。

通信程序：完成上位机与各个站之间的数据传递工作，或用来完成主节点与从节点之间的数据传递。

一般通信程序为DCS或FCS所有。

软件部分视具体的系统，具体的应用有不同的划分，规模、功能和所采用的技术也不相同。

分散的多对象的成套监测控制装置 发电厂变电所一些远动装置以及热电厂机炉集控系统等 适用范围 控制功能单一的自动装置：采集的电气量不多 控制功能要求较高，软件开发任务繁重的系统 发电机励磁自动调节系统 应用实例 自动并列装置 第二节 采样、量化与编码(略)

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第二章 同步发电机的自动并列

第一节 概述

本节内容：并列操作的意义；并列操作应遵循的原则；准同期并列的理想条件与实际条件；并列操作

时不满足理想条件时引起的后果；滑差、滑差频率与滑差周期的关系；自同期并列的原理及特点。

一、 并列操作的意义（用Fig.2-1进行说明）

1． 母线电压的状态量表示

任一母线电压瞬时值可表示为：

u?Umsin(?t??)

?）的状态量 其中Um、?、?为运行母线电压（U2． 并列操作的概念和意义：如Fig.2-1所示，

概念：发电机的电压uG在投入系统运行之前，与并列母线电压uX的状态量不等，须适当调整待并发电机组的状态量，使之符合并列条件后才允许断路器QF合闸作并网运行。这一系列操作称为并列操作.

意义：负荷的变化而引起发电机运行的台数经常改变，因此发电机组的投切是系统运行中的一项频繁操作（正常操作），随着系统的容量和单机的容量日益增大，不恰当的并列操作将导致严重后果。因此提高并列操作的准确度和可靠性对系统的可靠运行是很重要的。 3． 机组并列时应遵循的原则

(1) QF合闸时的冲击电流应尽可能小：瞬时最大值一般不超过额定电流的1-2倍。 (2) 机组并入电网后，应迅速进入同步运行状态，缩短暂态过程，减小对系统的扰动。 4． 并列方法：

准同期并列：广泛采用。一般在系统正常运行情况下采用。这是学习的重点内容。

自同期并列：很少采用。这是过去当系统发生事故时为迅速投入水轮发电机组而曾经采取的一种方法。随着自动控制技术的进步，微机型数字式自动并列方法日渐成熟，现在也可用准同期法快速投运水轮发电机组，因此只作简单介绍。

二、 准同期并列

1．基本过程： Fig.2-1（a），QF为并列断路器，其两侧电压发电机端电压和电网电压在合闸前一般不

??U??U?。其值由Fig.2-1（b）的电压相量求得。Fig.2-1?是计算准同期并列相等，其相量差为UsGx时冲击电流的等值电路图。发电机电压的角频率为?G，电网电压的角频率为?X。

电网参数一定

? 冲击电流（合闸瞬间尽可能小） Us理想的：，0 0（同时并列后顺利进入同步运行状态，对电网无扰动） 2．定义：发电机在并列合闸前已加励磁，当uG与uX的状态量相等时，将发电机断路器合闸，完成并

列操作。

?和U?完全重合并且同步旋转。可表3．理想条件：断路器两则电源电压的三个状态量全部相等。UGx达为：

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(1)

?G??x或fG?fx(即频率相等) ?e?0(即相角差为零)

闸后对待并发电机和电网运行的影响较小，发电机应能迅速进入同步运行，暂态过程要短，不致引起任何不良后果。可表达为：

(2) UG?Ux(即电压幅值相等) (3)

4．实际条件：实际很难满足同时上述三个条件，只要求合闸时冲击电流较小，不危及电气设备，合

(1) 频率差<=额定频率的(0.2%-0.5%) (2) 电压幅值差＜＝额定电压的（5%－10%）

(3) 相角差<=5°-10°（冲击电流为额定电流的0.5倍） 5．不满足理想条件时引起的后果： 1)

电压幅值差：如图2-29a)所示，满足(1)和(3)，不满足(2) 此时，冲击电流的有效值为

''Ih?UG?UX （2－3） ''Xd?XX''式中，UG、UX－发电机电压、电网电压有效值；Xd －发电机次暂态电抗

XX－电力系统等值电抗 冲击电流最大瞬时值的计算式为

'''' （2－4） ihm?1.82Ih（图）影响：电压幅值差引起的冲击电流主要为无功电流分量，引起定子绕组发热和在定子端部产生冲击力矩。相当于发电机的突然短路，损坏电气设备，须限制在1-2倍额定电流以下为宜。 2)

合闸相角差：如图2-2(b)所示，满足(1)和(2)，合闸瞬间不满足(3)

此时发电机为空载情况，电动势为端电压，和电网电压相等。冲击电流的有效值为

''2EqI?''''hX?Xx''''qsin?e2 （2－5）

式中，Xq －发电机交轴次暂态电抗；Eq －发电机交轴次暂态电动势

（图）影响：相位不一致产生的冲击电流可能达到额定电流的20-30倍。当相角差较小时，电压的相位差产生的冲击电流主要为有功电流分量，在发电机的机轴上产生冲击力矩，非但不能把待并发电机拉入同步，还可能使其它并列运行的发电机失去同步。参照式(2-4)可求出冲击电流最大瞬时值。

幅值差和相角差同时存在时的冲击电流综合1)和2)进行分析。 3)

频率不相等：满足(2)，不满足(1) a.分析

如图2-3(a)所示，断路器两侧间电压差uS为脉动电压，可描述为：

us?UmGsin(?Gt??1)?Umxsin(?xt??2)

设初始角?1＝?2＝0，则

us?2UmGsin(

?G??x2t)cos(?G??x2t) （2－6）

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令Us?2UmGsin(?G??x2t)为脉动电压的幅值，则

us?Uscos(?G??x2t) （2－7）

可知us可以看成是幅值为Us、频率接近于工频的交流波形。

又?s??G??x为滑差角频率，如图2-3，两电压相量间的相角差为

?e??St （2－8）

于是

Us?2UmGsin?St2＝2UmGsin?e2?2Umxsin?e2 （2－9）

uS:正弦脉动波，最大幅值为2UmG(2UmX),脉动电压、相量图及其瞬时值波形如图2-3(a)(b)所示。 b.影响：频率差影响发电机进入同步运行的过程：

如果发电机在只存在频差的情况下合闸，那么并列合闸在一定时间内，发电机电压和系统电压相量的相位关系将发生改变，用以下简化相量图分析。

UG UX UX UX UG

US=0,δe=0 UG US=0,δe=360度 US=max, δe=180度

设系统电压固定，待并发电机的电压以恒定滑差角频率对系统电压转动。当相角差从0到180度变动时US的幅值从0变到最大值2UmG。当相角差从180度到360度(重合)变动时, US的幅值从最大值2UmG回到0.。转动一圈的时间为脉动周期ＴＳ。因此产生具有振荡性质的周期性变化的冲击电流，影响发电机进入同步的过程。 c.

?S,fS,TS的关系

?S?2?fS （2－10）

由于

所以脉动周期为

TS?用标么值表示时，有

12? （2－11） ?fS?S?S*??S （2－12） 2?fN关于滑差(滑差角频率)的概念：均可用来表示待并发电机的频率与电网频率之间或两并列电网频

率之间相差的程度。

滑差频率fS即频率差；

滑差ωs可以反映频率差，两者是2π倍数关系；

滑差周期Ts是滑差频率的倒数，因此也可以反映频率差，滑差周期小则频率差大。

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由式（2－8）可知，相角差?e是时间的函数，所以并列时合闸相角差?e与发出合闸信号的时间有关，如果发出合闸信号的时间恰当，有可能在两电压重合的时间合闸，使冲击电流为零。 d.频率差过大时发电机可能并列不成功：不恰当，可能在

?e较大时合闸，可能引起较大冲击电流

注意：如果并列时频差较大，即使合闸时的相角差?e很小，满足要求，但这时待并发电机需经历一个很长的暂态过程才能进入同步运行状态，严重时甚至失步，因而也是不允许的。（用Fig 2-4说明： 频差较小，滑差周期长，经过从发电机状态－电动机状态来回摆动的振荡过程，可缩短发电机并列 后的暂态过程，尽快拉入同步运行，并列成功。但如果频差过大，滑差周期短，经历较长时间才能进入同步，如图2-4所示，可能导致发电机失步，造成并列失败。)一般实际操作时，调整发电机频率略高于系统频率，这样当拉入同步并列后立即带上部分负荷，频率会适当降低，接近系统频率。

三、 自同期并列

1.定义：

将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角频率不超过允许值，且在机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器，再合上励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。 2.冲击电流的计算

未加励磁时拉入电网，相当于电网经过很小的电抗而短路，产生的冲击电流的周期分量由下式求得：

''Ih?UX （2－13） ''Xd?XX式中，UX－归算到发电机端的电网电压；XX－归算后的电网等值电抗

发电机母线电压UG为

UG?UX'' （2－14） Xd''Xd?XX机组一定时，自同期并列的冲击电流主要决定于系统的情况，发电机的端电压值与冲击电流成正比。

四、两种方式的特点和适用性比较

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并列方式 准同期并列 并列时冲击电流小，不会引起系统电压降低。并列条件检测及产生的冲击电流 特点 较小冲击电流是允许的，在“自整步作用”下，能将发电机拉入同步。 需对发电机电压、频率并列时间，操作过程 进行调整，并列时间长，且操作复杂。 不存在电压和频率调整问题，并列时间短，不需选择并列合闸时机，且操作简单。限于当时技术水平，曾作为水轮机组处理系统事故的重要措施之一。 过去适用于故障情况下发电机适用于正常和故障情况下的并列。 适用性 的紧急并列。（对应于特点１和２）但由于产生较大冲击电流，非正常情况下采用时也受到限制。现在基本趋于淘汰。 适用于发电机并入系统，两系统之间的并列（变电所采用的方式）。 自动准同期：正常情况下的同期并列。手动准同期：自动的备用方式。 不能用于两系统间的并列操作。 未加励磁，并列时从系统吸收无功，造成电压下降，同时引起较大冲击电流。 自同期并列 本节作业题：2-5，2-7，3-1，5-1，6-1，7，9

思考题：

1．什么是同步发电机自动准同步并列？有什么特点？适用什么场合？为什么？ 2．滑差，滑差频率，滑差周期

3．电力系统中，同步发电机并列操作应满足什么要求？为什么？ 4．准同期并列和自同期并列有什么不同？ 作业题：

1．为什么准同步并列产生的冲击电流小？

2．同步发电机准同步并列的理想条件是什么？实际条件是什么？ 3．同步发电机准同步并列时，不满足并列条件会产生什么后果？为什么？ 4．为什么存在频率差影响发电机进入同步运行的过程？用相量图加以说明。

思考题

1-1．并列操作 2-1．准同步 2-2．自同步

2-4．电力系统中，同步发电机并列操作可以采用什么方法？

2-5．什么是同步发电机自动准同步并列？有什么特点？适用什么场合？为什么？ 2-6．什么是同步发电机自同步并列？有什么特点？适用什么场合？为什么？ 2-7．为什么准同步并列产生的冲击电流小？ 2-8．为什么自同步产生很大的冲击电流？ 3-1．滑差：

滑差频率： 滑差周期：

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3．滑差、滑差频率、滑差周期有什么关系？ 4．在发电厂，哪些断路器可以作为同步点？ 发电机CB、母联断路器CB、三绕组变的三侧CB

5-1．电力系统中，同步发电机并列操作应满足什么要求？为什么？ . 6-1．同步发电机准同步并列的理想条件是什么？实际条件是什么？

7．同步发电机准同步并列时，不满足并列条件会产生什么后果？为什么？

8．说明同步发电机采用自动准同步方式并列时，产生冲击电流的原因，为什么要检查并列合闸时的

滑差？

9．为什么存在频率差影响发电机进入同步运行的过程？

第二节 准同期并列的基本原理

本节重点：脉动电压的概念；准同期并列装置的组成单元；两种提前量信号的概念。 准同期并列：系统运行中的主要并列方式。

并列断路器主触头闭合瞬间所出现的冲击电流以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电

?值和滑差角频率?。 压USs?和?进行检测和控制，? 准同期并列的任务：对U并选择一合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的USss值在允许值以内。

?进行检测并提取信息，当提取信息表明并列条件满足，即检测的信息：QF两侧的电压，主要针对Us选择合适的时间合闸，完成并列。 一、脉动电压

有两种情况：

(1) 断路器两侧电压幅值相等

?与U?的幅值相等，???，令两电压相量重合瞬间为起始点，这时U的表达式由(2-7) 设UGXsGX和(2-9)得

us?Uscos(Us?2UmGsin?G??x2t) ?2Umxsin?St2＝2UmGsin?e2?e2

?St?0 US?0，?St?? US?2UmG

脉动电压波形如Fig.2-6所示，为正弦脉动波形。

(2) 断路器两侧电压幅值不相等，Us的表达式如(2-15)式所示。

?St?0 US?UmG?UmX，?St?? US?UmG?UmX脉动电压波形如Fig.2-7所示。

以上两种情况中，Fig.(2-6)和Fig.(2-7)表明，在脉动电压波形中载有准同期并列所需检测的信息―――电压幅值差，频率差以及相角差随时间的变化规律，因而并列两侧电压为自动并列装置提供并列条件信息，供选择合适的合闸信号发出时间等。具体讨论如下： 1、 电压幅值差

由Fig.(2-7)可得脉动电压波形的最小幅值即两电压的幅值差。

USmin?UmG?Umx

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即使合闸时机掌握得好，相角差为零，并列点两侧有电压幅值差存在时仍会导致冲击电流，为限制并网合闸时的冲击电流，设定电压幅值差限制，作为并列条件之一。 2、 频率差

?与U?间的频率差即脉动电压幅值U的频率f，它与滑差角频率?的关系如式(2-10)所示。UssSGX?S?2?fS

要求?S小于某一允许值 脉动电压周期TS大于某一给定值，实际操作中，可以通过测量TS来检测待并发电机组与电网间的滑差角频率的大小，即频率差的大小。 例：.要求?S?0.2%?N，即?S?0.2? TS?2?fS?0.2?(rad/s) 1002??S?10(s)

上述分析是基于fG、fx为恒定的前提下的，但对于要求快速并网的机组，这一前提未必成立，因此自动并列装置应能实时检测?S和相角差加速度3、 合闸相角差的控制

考虑到断路器操作机构和合闸回路控制电器的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量。 提前量的类型：

(1) 恒定越前相角：在两相量重合之前恒定角度?YJ发出合闸信号的。

(2) 恒定越前时间; 在两相量重合之前恒定时间tYJ发出合闸信号的。一般并列合闸回路有固定动

作时间，这一装置得以广泛采用。

二、准同期并列装置

1． 控制单元

为使待并发电机组满足并列条件，准同期并列装置主要由三个单元组成。 (1) 频率差控制单元

任务：检测两电压相量间的滑差角频率?S。

实现：调节待并发电机组的转速，使其频率接近于系统频率。 (2) 电压差控制单元

任务：检测两电压相量间的电压差。

实现：调节发电机电压，使其与电网电压间的电压差值小于规定允许值，促使并列条件的形成。 (3) 合闸信号控制单元

任务：检查并列条件中的(1)和(2)是否满足。

实现：当待并机组的频率和电压满足并列条件时，该单元就选择合适的时间发出合闸信号，使

并列断路器的主触头接通时，相角差?e接近于零或控制在允许范围以内。

2． 自动化程度分类

准同期开列装置主要组成部件如Fig.2-8表达。 按自动化程度可分为： (1) 半自动并列装置

d?S等值，以利于快速并网的实施。 dt 第 12 页

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特点：无频差和压差控制单元，只有合闸信号控制单元。

实现：并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压满足条件时，

并列装置在合适的时间发出合闸信号

与手动并列的区别：合闸信号由该装置判断后自动发出，不是由运行人员手动发出。 (2) 自动并列装置

组成部分如Fig.2-8所示。 有人值斑的发电厂：

发电机的电压由运行人员直接操作控制，并列装置中不需配置压差控制单元，简化了结构。 无人值班的发电厂：

并列装置需设置压差控制单元。发电机并列时，发电机的频率和电压由并列装置自动调节，当它与电网频率、电压的差值满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号，整个过程无须运行人员参与。

三、准同期并列合闸信号的控制逻辑

并列装置的核心部件：合闸信号控制单元，其控制原则是当频率和电压都满足并列条件的情况下，在 两电压相量重合之前发出合闸信号。

如Fig.2-9所示，频率和电压条件和提前量信号是与门的三个输入端，三个条件同时满足就发出合闸信号。 (一)

恒定越前相角准同期并列

越前相角：相对于δ=0°提前(导前)的相角。

恒定越前相角：相对于δ=0°提前(导前)的相角，且这一相角不随频差(或滑差)、压差变化。 ２．原理分析

在脉动电压到达合闸相角差为零之前的?YJ相角差时发出合闸信号。 设UG?UX=额定值

由式（2-9）得：US?2Umxsin１． 定义

?e2，如图2-10，设?YJ对应的US为UA，

设断路器合闸时间为tQF，如越前相角满足?S??sy0＝

?YJtQF，即在某一恒定滑差?S下，越前

相角―――越前时间tQF，则合闸相角差为零。最佳滑差角频率，对应图2-10中?S2。 ?S=?sy0：在图2-10中，?S1??sy0，提前时间t?tQF，断路器完全合闸的时间点过了两电压相量的重合点。

?S3??sy0提前时间t?tQF，离两电压相量的重合点还差一定时间。

3．结论：tQF近乎恒定，合闸相角差?e与?S有关。只有?S在允许范围内可保证合闸冲击电流在允

许值以内，?S可由发电机参数计算得到。

(二)

恒定越前时间准同期并列

导前时间：相对于δ=0°提前(导前)的时间。

恒定导前时间：相对于δ=0°提前(导前)的时间，且这一时间不随频差(或滑差)、压差变化。 ２．原理说明

１．定义

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(1) 为什么需要恒定越前时间呢？

断路器有合闸时间，对应断路器接收合闸命令到接通一次系统的时间。因此合闸命令即合闸脉冲应有提前量，即越前时间。考虑到断路器合闸时间是确定的，所以越前时间也是恒定的，与压差和频差无关，即恒定越前时间。 (2) 怎样考虑越前时间?

在脉动电压到达两电压相量重合（?=0）之前tYJ发出合闸信号，一般取tYJ等于并列装置合闸出口继电器动作时间tC和断路器的合闸时间tQF之和，因此这种方法理论上可使合闸相角差等于零。但实际上由于各种装置的合闸时间存在着分散性，难免存在误差。

四、 恒定越前时间并列装置的整定计算

需要整定的参数如下： 1．越前时间tYJ

令 tYJ=tC+tQF 2．允许电压差

UG 与 UX 允许电压差一般定为(0.1-0.15)UN. 3． 允许滑差角频率―――按冲击电流条件得到

设δ

ey为发电机组的允许合闸相角，最大允许滑差为

tYJ主要取决于tQF，装置中的tYJ应便于整定，以适应不同断路器的需要。

?sy??ey?tc??tQF (2-17)

式中，?tc、?tQF――自动并列装置、断路器的动作误差时间

'',可由下式求得 ?ey决定于发电机的允许最大冲击电流值ihm?ey?2ardsin''''ihm(Xq?Xx)2?1.82E''q (rad) (2-18)

例2-1 (1) 求?ey (2) 求?Sy (3) 求TS、

注意：在准同期并列计算中，应包括稳定性校验，即根据稳定性条件来确定最大允许滑差。从校验结

果看，按冲击电流得到?Sy远小于按稳定条件求得的滑差，因此一般不须校验，如果待并机组与系统间的联系较弱，还应进行稳定性校验，以确定允许滑差值。 思考题：

1．合闸脉冲为什么需要考虑提前量的选择？

2．解释导前相角，恒定导前相角，恒定导前相角式自动准同步装置。 3．准同期装置的主要组成部分有哪些？哪个单元是核心部分？ 作业题：

1．解释导前时间，恒定导前时间，恒定导前时间式自动准同步装置。 2．断路器合闸脉冲的导前时间应怎么考虑？为什么是恒定导前时间？

思考题

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1．导前时间、恒定导前时间、恒定导前时间式自动准同步装置 2．导前相角、恒定导前相角、恒定导前相角式自动准同步装置 6．合闸脉冲为什么需要导前时间？

7．断路器合闸脉冲的导前时间应怎么考虑？为什么是恒定导前时间？

第三节 自动并列装置的工作原理

本节内容：并列装置的工作原理（装置的控制逻辑，获得并列所需检测信号的方式，并列合闸控制原理） 一、 装置的控制逻辑

以恒定越前时间准同期并列装置进行说明，其中的合闸信号控制单元包括： 滑差角频率检测、电压差检测和越前时间信号

如Fig.2-12(a)所示为并列装置的控制原理图.。只有在滑差角频率和电压差均符合条件，在tYJ发出合闸信号，越前时间信号才能通过与门成为合闸信号输出。

如图2-12(b)，在一个脉动周期内，必须在越前时间信号到达之前完成频率差和电压差的检测任务，作出是否允许并列合闸的判断。否则进入下一个滑差周期检测并列，当电压差和频率差都符合条件时，就在tYJ发出合闸信号，从而完成并列操作的合闸控制任务。模拟型或微机数字式的自动并列装置都得遵循上述基本原理所阐述的控制逻辑来制订软件框图。

二、 并列的检测信号

前述准同期并列原理时，主要分析了脉动电压的变化规律，阐明了在脉动电压中载有电压差和频率差的信息，并在一定条件下反映相角差的变化规律，可为自动并列装置检测和控制提供所需的信息。脉动电压可由断路器两侧电压互感器二次侧电压测得。 (一) 整步电压：模拟式装置产生检测信号的方式。

定义：含有同步条件信息的电压，可以用来检查发电机并列时是否满足同步条件。

特点：整步电压含有频差信息、相位差信息和压差信息，整步电压的周期就是滑差周期，可用于

检测频差的大小。

作用：实现同步条件检查和产生合闸脉冲。 分类(产生整步电压的方法)： 1．正弦型整步电压：

早期准同期并列装置所采用的测量信号。包络线是正弦型的，称为正弦整步电压。

分析Fig.2-13，电压互感器二次侧电压经整流后直流侧的电压波形如Fig2-13(c),所测得直流电压反映了脉动电压的幅值。

正弦整步电压的最小值是电压差（如第二节所述）。正弦整步电压随时间变化过程对应相位差的变化过程。

最小值-----电压差 周期检测-------频率差 随时间变化过程确定合闸时刻---相位差 利用正弦整步电压的最小值检测是否满足电压差条件，利用正弦整步电压的周期检测是否满足频率差的条件，利用正弦整步电压随时间变化过程确定合闸时刻，使相位差满足条件。

当UG?UX，正弦型整步电压如公式（2-19）所示：

USZ?2UXKZsin?St2?2UXKZsin?e2 （2-19）

UG?UX，USZ的波形图和图2-7相似。表明：整步电压---------相角差，电压差，使得检测时

引入了电压的影响，容易造成越前时间信号的时间误差，从而引起合闸误差。因此被线性整步电

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压的方法代替。 2．线性整步电压

线性整步电压含有频率差、相位差的信息，但不含有电压差的信息。

周期检测-------频率差 随时间变化过程确定合闸时刻---相位差 另设专门电路检测压差

利用线性整步电压的周期检测是否满足频率差的条件，利用线性整步电压随时间变化过程确定合闸时刻，使相位差满足条件，但需利用其他方法检查电压差是否满足并列条件，压差检测另设专门电路完成。

结合逻辑框图、电路图和各点波形图理解。

(1) 半波线性整步电压 a.形成

如Fig.2-15：电路图的原理省略。从逻辑框图(b)图中可看出，UG，UX经方波变换后在a点电位(反映两电压相量差)的波形如Fig2-15所示，是一系列幅值一定而宽度与相角差有关的矩形波。

相角差=180时，矩形最宽。相角差为0或360时，矩形宽度为0。 0-180，宽度渐增，180-360，宽度渐减。

可见，一系列矩形波宽度的变化，反映了两电压相量相角差δe的变化，为并列装置判别相角差提供了检测信息。

b.在模拟式自动并列装置中的实现： 图2-16

RC滤波 双Ｔ形滤波

矩形波---------锯齿三角波----------理想三角波 （a） (b) (c)

如Fig.2-16(c)所示为线性整步电压与相角差之间的关系可用两个直线方程表示如公式(2-20)所示。常称为三角波整步电压。

USL?USLm??e 0??e??

USL?2USLm?USLm??e ???e?2?

USL和t成线性关系------相角差特性，与压差无关，提高了并列装置的控制性能，被模拟式自

动并列装置广泛使用。

Fig2-16(c)是在完全理想的情况下获得的，实际情况偏离理想化直线，使控制合闸时间引入误差。

(2)全波线性整步电压：

a.形成

结合图2-17，2-18分析。 控制逻辑图如图2-17(b)

方波变换 LC滤波

原始交流电压波形---------------两电压方波-----------Y点矩形波-------------理想平滑三角波形原理和半波整步电压类似，最大值是半波的2倍，多了一倍矩形脉冲，可通过适当减小滤波器时间常数来改善性能。多用这种。Fig.2-17――Fig.2-18。数学表达式如公式(2-21)所示。

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b.?G??X，?e??St，当?S不同时，三角波整步电压波形如图2-19所示，可用来检测

?S及tyJ。

(二) 相角差δe(t)的实时检测：数字式装置产生检测信号的方式。

上述线性整步电压δe的对应关系从宽度不等的矩形波经滤波处理后获得的。

结论：矩形波的宽度与并列电源波形的相角差δe相对应，记录矩形波的宽度即记录相角差的运动轨

迹δe（t），其中载有除电压幅值外的并列条件信息。作用与整步电压相似，数字式装置充分利用δe（t）随时间变化规律的信息，提高了并列装置的合闸控制技术水平。

δe的测量方案，利用Fig2-20相角差测量的逻辑图可得到一系列宽度不等的矩形波。如Fig2-21.所示。通过分析波形可获得并列所需检测信息，和全波逻辑图不同的是，全波是利用滤波器电路获得矩形波形的，而这里是通过CPU计数方式来检测的。 两种类型的装置：实时响应性（并列速度）、准确性（合闸误差）

三、 并列合闸控制

(一) 恒定越前时间

电子模拟式自动并列装置，用电阻电容作为运算器件，实际电路偏离理想化假设条件，在实际应用中难免引入误差。

采用微机型数字式自动并列装置利用较严密的数学模型计算越前时间，符合脉动电压的实际规律，相当准确。 1．数学模型，求?yJ

2．求出当前计算点的合闸相角差，利用(2???i)??yJ??条件进行判断 3．δe（t）轨迹

4．错过合闸时机的应对措施。 (二) 频率差检测 实施检测的方法：

(1)在恒定越前时间之前完成的检测任务，用来判别是否符合并列条件。在数字式装置中，利用相角差的轨迹中含有滑差角频率的信息进行检测，符合机组和系统的实际运行情况。

(2)直接测量两并列电压频率，求得频率差值以及频率高、低的信息。数字电路测量频率的方法是测量交流信号的周期T。

只有在频率差允许的条件下，才进行恒定越前时间的计算。 (三) 电压差检测

在频差和相角差检测电路中，不载有并列点两侧电压幅值的信息，需设置专门电压差检测电路。，同时也必须在恒定越前时间之前作出电压幅值差是否符合并列条件的判断。

检测方法： (1) (2)

直接读入两电压值，然后作计算比较。用传感器实现较为简单。 先直接比较两电压相量的幅值大小，再读入比较结果。

思考题

1．整步电压、正弦整步电压、线性整步电压

6．自动准同步装置一般由哪几部分组成？各部分的主要作用是什么？

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7．利用正弦整步电压如何检测发电机是否满足准同步并列条件？ 8．利用线性整步电压如何检测发电机是否满足准同步并列条件？

作业题：

1．利用正弦型和线性整步电压如何检测发电机是否满足准同步并列条件？

第四节 频率差与电压差的调整

本节内容：频差和压差的调整方法 一．频率差调整

任务：发电压频率接近系统频率，使频率差满足允许的范围，促成并列的实现。 方法：升速/减速 1．频率差测量

参照第三节数字式频率测量的方法，直接测量两并列电压的频率，判别频差大小。 在允许范围--------不发调速脉冲，进行越前时间合闸控制计算。

超出允许范围------发调速脉冲，不进行越前时间合闸控制计算--------确定发升速或减速脉冲。 2．调节量控制

发电机的转速按照比例调节准则，调节脉冲时间与频率差值成比例。比例关系随机组特性而异。 二．电压差调整

任务：调节发电机电压值，使电压差符合并列条件，实施原则与频差调整相似，直接测量两电压相量的幅值再进行判别。

在允许范围--------不进入电压调整控制程序 超出范围---------进行电压调整控制程序。

第五节 微机型（数字型）并列装置的组成

一、概述

1、模拟式并列装置存在的主要问题

模拟式并列装置是认为ωs是匀速的，但实际上是多变的，如系统频率不很稳定或发电机转速是变化的，都会有不同程度的加速度。特别是对合闸时间较长的断路器，合闸瞬间相角差会很大，引起很大的冲击电流。或为了获得稳定的ωs，把并列过程拉得很长。另外，由于装置元件老化或因温度变化引起的参数变化，也将使导前时间产生误差。 2、数字式并列装置定义及主要特点

定义：借助于微处理器的高速处理信息能力，利用编制的程序，在硬件配合下实现发电机并列操作。 主要特点：由于利用微处理器具有高速运算功能和逻辑判断能力，使对机组的调节更加快速，更加精确，在频差满足要求后，随时确定理想导前相角，使合闸瞬间冲击电流更小，同期过程缩短。 3. 主要区别：

（1）检测并列条件是否满足的方式不同：模拟型采用不同类型的整步电压来获取相关信息进行检测，采用方波-矩形波-整步电压波形方式记录δe（t），微机型采用方波-CPU计数方式来记录δe（t）。 （2）所采用的元件类型不同：微机型采用大规模集成电路中央处理器等器件构成，CPU具有高速运算和逻辑判断能力，其指令周期以微秒计，故有足够充裕时间进行相角差δe（t）和滑差角频率近乎瞬时值的运算，并按照频率差值的大小和方向，电压差值的大小和方向，确定相应的调节量，对机组进行调节。

（3）实现方式不同：一般模拟式并列装置为了简化电路，在一个滑差周期内，把滑差角频率假设为

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恒定的，数字式则采用较为严密的公式，计及考虑相角差可能具有加速运动等问题，按δe（t）当时的变化规律，选择最佳越前时间发出合闸信号。

二、硬件电路

专用计算机控制系统，以CPU为核心的数字式并列装置。

按计算机控制系统的组成原则，基本配置为：主机、I/O接口、I/O过程通道。 （一） 主机

CPU、RAM、ROM―――主机 RAM：控制对象运行变量的采样输入 ROM：固定的系数和设定值，编制程序

EEPROM：既能固定存储，又便于设置和修改的整定值。

（二） I/O接口

I/O过程通道的信息与主机总线相连的媒介。 有并行、串行、管理接口、A/D、D/A转换。 （三） I/O过程通道

信息的传递和变换设备。接口电路和控制对象之间传递信号的媒介。 1. 输入通道 2. 输出通道

调速信号、调压信号、合闸脉冲控制信号

（四） 人－机联系

键盘、显示器、数码和发光二极管显示指示

三、软件：

1. 主程序：管理和调用

2. 并列条件检测程序：按前述越前时间的数学模型进行程序编制。

第五节思考题：

1．微机型装置和模拟型装置的主要区别。 2．微机型装置的主要组成部分。

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第三章 同步发电机励磁自动控制系统

前面第二章的内容是针对同步发电机自动并列的工作原理，实现方法等方面来进行学习的，这是电力系统自动控制技术在系统运行中的一个方面的应用，今天我们要开始学习第三章，这一章节和接下来的第四章两个部分的内容是自动控制技术的又一个方面的重要应用，研究的对象是同步发电机励磁自动控制系统，第三章主要是结合励磁控制系统的静态工作特性理解正常运行时自动励磁调节的作用，而第四章在结合励磁控制系统的动态特性理解事故运行时自动励磁调节的作用。下面开始学习的第一节概述相当于是第三章和第四章两个章节内容的一个绪论部分的介绍。

第一节 概述

主要内容：励磁系统和励磁自动控制系统；同步发电机励磁控制系统的任务；对励磁系统的要求。

一、励磁系统和励磁自动控制系统：反馈系统

1．励磁系统

结合电机学课程所学过的有关同步发电机的基本工作原理，理解同步发电机为了完成将机械功率转 换为三相交流电功率，就必须给发电机的转子输入一定量的励磁电流。

同步发电机是电力系统的主要设备，它将旋转的机械功率转换成三相交流电磁功率。为完成这一转换，必须在发电机内建立一个磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流，又称转子电流。 具体是在发电机的转子绕组（又称励磁绕组）中通于直流电流，产生相对转子静止的磁场，转子在原动机拖动下旋转，形成旋转磁场。磁场与定子导体之间有了相对运动，在定子绕组中就会感应交流电动势，从而在发电机内部实现机-电之间的转换。励磁电流的大小决定了发电机空载电动势的大小，直接影响发电机的运行性能。因此，控制发电机的励磁是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。

直流电流 励磁 系统 转子绕组 静止磁场 旋转磁场 定子绕组中产生感应电动势（板书） （励磁电流） GEW 原动机拖动转子

专门为同步发电机供应励磁电流的有关设备，即与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。都属于同步发电机的励磁系统。 2．励磁自动控制系统

具体说来，如Fig.3-1所示的构成框图:

Fig.3-1 励磁自动控制系统构成框图

励磁系统＝励磁功率单元＋励磁调节器

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直流电流

(1)励磁功率单元 发电机转子

励磁系统

(2)励磁调节器：根据机端电压的变化和给定 （控制装置） 励磁控制系统

调节准则，调节励磁功率单元的输出， （或同步发电机的自动调节励磁系统） 以满足系统正常运行或事故下的需求。 （3）发电机：被控制对象 反馈控制系统的工作过程。

二、同步发电机励磁控制系统的任务(一，二部分详讲，三、四部分略讲)

励磁控制系统的任务实质是励磁调节在正常情况和事故情况下对同步发电机运行的影响。

其中正常运行时根据同步发电机与电力系统的连接方式，即两种不同的运行方式，指单机运行的同步发电机和与无穷大系统并联运行的同步发电机两种来进行说明。

下面首先分析了同步发电机的单机运行时励磁调节的作用，进而分析了当同步发电机与无穷大系统并联运行时，调节励磁电流的原因及其影响。从而综合得出，在正常运行情况下同步发电机与一般系统并联运行时，励磁调节的作用。

(一) 电压控制（单机运行时，励磁调节对同步发电机运行的影响表现为对发电机端电压的控制） 负荷的波动 机端电压波动 通过调节励磁电流维持机端电压

上述调节过程的原理用最简单的单机运行系统来进行分析：

(a)

(b)

(c)

Fig. 3-2 同步发电机感应电动势与励磁电流关系 (a) 同步发电机运行原理； (b) 等值电路； (c) 相量图

(口述)GEW：励磁绕组 UG：机端电压 IG：电流

IEF：流经GEW的励磁电流 Eq：由IEF建立的磁场使定子产生的空载感应电动势

?与U?之间的关系用??jI?x?E?,相量图如Fig.3?2(c)所示。 EFig.3?2(b)表示，关系式为：UqGGGdq相量图中， Eq与UG的幅值关系为 Eqcos?G?UG?IQXd( ?G―功率角，IQ――发电机的无功电流)

正常运行时，?G很小，cos?G约等于1，Eq?UG?IQXd（IEF不变，Eq不变） 可见，IQ――Eq、UG存在幅值差

UG?Eq?IQXd――同步发电机的外特性，如Fig.3-3所示：UG?f(IQ) IEF不变（时，造成端电压下降的原因是（无功负荷电流）增大。

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Fig.3-3 同步发电机的外特性

分析Fig.3-3：通过同步发电机的外特性图来分析单机运行时，调节励磁电流的作用。（结合前述框图说明）

IEF一定时，UG随IQ增大而减小。

由Fig.3－3可看出，IQ?IQ1时 UG?UGN,IEF?IEF1

IQ1升高到IQ2时 UG?UG2?UGN，须增加IEF到IEF?IEF2，外特性向上平移，使UG?UGN

IQ?IQ2时 UG?UGN,IEF?IEF2

IQ2下降到IQ1时 UG?UG1?UGN，须减小IEF到IEF?IEF1，外特性向下平移，使UG?UGN

上述分析过程说明，负荷波动时，励磁系统通过不断地调节IEF来维持UG?UGN 调整励磁电流IEF

无功负荷IQ变化 UG变化 UG?UGN

即当无功负荷变化时，调节发电机的励磁电流，可以保持发电机的机端电压恒定。所以励磁电流的调整装置是同步发电机励磁系统中的重要设备 。

(二) 控制无功功率的分配

总结：对于单独运行的同步发电机，引起机端电压变化的主要原因是无功负荷的变化。

Fig.3-4 同步发电机与无穷大母线并联运行

设同步发电机与无穷大母线直接并联运行，把系统看成是无穷大电源时，系统等值电抗为零，母线的电压不会因某台发电机励磁电流的改变而浮动。是一恒定值，。UG＝const。 此时，对发电机励磁电流的改变，可作如下分析。由于调速器并未使发电机的输出功率发生变化，所以发电机的有功功率PG恒定：即受调速器控制，与IEF无关，当IEF变化时，PG?UGIGcos??const 不考虑定子电阻和凸极效应时，PG?EqUGXdsin?＝const

计及UG＝const ，电抗不变时，IEF变化时, 上述两式可写为：IGcos??K1，Eqsin??K2 （对照相量图加以说明）如Fig.3－4所示，

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Eq的端点只能沿AA’虚线变化，保持K2不变。 IG的端点只能沿BB’虚线变化，保持K1不变。

励磁电流增大时，空载电动势增大，无功电流增大；励磁电流减小，空载电动势减小，无功电流减小。可见励磁电流变化时，由于无穷大母线的电压恒定，UG＝Ｃ，所以调整的结果只是改变了发电机发出的无功功率（无功电流*端电压）。IEF的变化只是改变了机组的无功和δ。

结论：与无限大母线并联(并网运行)的机组，通过改变励磁电流IEF，只能改变无功功率QG。励磁电流过小时，发电机将从系统中吸收无功功率。

但实际系统并不能看成是无穷大系统，因此UG随负荷的变化而变化的，UG与Q相关。

改变其中一台发电机的励磁电流不仅影响着它本身的电压UG和无功功率QG，也影响着与其并联运行机组的无功功率，所以同步发电机的自动励磁调节系统担负着并联(间)运行机组的无功功率分配任务。

根据前述分析的结果不难综合得出，

同步发电机与一般系统并联运行时，调节发电机的励磁电流，既可以改变发电机的端电压，又可以改变发电机输出的无功功率的大小。

前面(一)和(二)两个方面实质是针对电力系统正常运行时同步发电机励磁自动调节的作用：维持发电机或系统某点电压水平；在并列运行发电机之间，合理分配机组间的无功负荷。下面(三)和(四)部分是从事故运行的角度，从保证电力系统的静稳定和动稳定两方面去考虑励磁自动调节的作用：提高发电机的静 稳定极限；系统事故时，加快系统电压的恢复，改善电动机的自起动条件；发电机故障或发电机-变压器组单元接线的变压器故障时，对发电机实行快速灭磁，以降低故障的损坏程度。 (三) 提高同步发电机并联运行的稳定性 （扰动下） 稳定―――可靠供电的首要条件

系统是稳定的――暂态过程结束后，发电机维持或恢复同步运行 系统的稳定性分为：

静态稳定性(小扰动)：系统在小扰动下是否恢复原来稳定运行状态的能力。（负荷波动） 和暂态稳定性(大扰动)：系统在大扰动下是否过渡到新的稳定运行状态的能力。（系统故障） 两种稳定性，数学表达式都含有Eq，其中空载电动势与励磁电流有关，励磁控制系统通过改变励磁电流来改变空载电动势值从而改善系统稳定性的。

1．励磁对静态稳定的影响(直接引出Fig.3-6进行说明，推导过程略)

发电机的输出功率：PG?EqUX?sin? ―――发电机的功角特性（功率特性）

Eq＝const时，PG＝f(δ)

如Fig.3－6(同步发电机的功率特性图)所示，功率特性图

结论：δ＜90°（a点）――静态稳定的

δ＞90°（b点）――静态不稳定的

δ=90° 极限(裕度：实际运行点总略低于极限值) 最大传输功率极限Pm?EqUX? 表明Pm?Eq（与IEF有关）

内功率特性：无自动调节励磁时，IEF＝const, Eq=const, PG=f(δ)（上述分析）

外功角特性：实际系统中，负荷变动，机端电压变化。为维持UG＝C，需要调节励磁电流，形成一簇不同

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的功率特性，将其不同的运行点连接起来，得到有励磁调节器时，一组不同Eq值的功角特性，即励磁电流调节后新的功角特性曲线B，如Fig.3-7外功角特性图所示。 具备励磁调节器后对静稳定性能的改善： （1）极限输送功率增加；最大值出现在PG?提高系统的稳定储备

（2）使发电机在δ＞90°的范围的人工稳定区运行，稳定运行区域扩大。扩大的部分为人工稳定运行区。 因此要求所有运行发电机均装设励磁调节器。 2．励磁对暂态稳定的影响 以无限大系统为例：

等面积 初始运行点：I曲线的a点受到扰动―――曲线II的b点―――惯性，PG0＝PGa， 出现过剩转矩，法则原 发电机输送功率PGb<输入转矩PG0，转子加速―――到F点，发电机输出功率 ＞PG0，出现制动转理分析 矩，转子减速――――加速面积＝？减速面积，决定系统能否稳定运行

强行励磁 上述过程中，强行励磁，a点受扰动到b点移到曲线III中的e点运行―――减小加速面积， 对上述过程 增大减速面积―――使发电机第一次摇摆时（加速过渡到减速时）δ减小――改善了暂态稳定 程的影响 性，如能在回摆时从IIIC点回到IID点，减小回程振幅，对稳定更有利。

强励的定义：电力系统短路故障母线电压降低时，为提高电力系统的稳定性，迅速将发电机励磁增加到最大值。

示例说明，励磁系统如能按照要求进行适当控制，可改善系统的暂态稳定性，须同时满足下列两个条件： （1）缩小励磁系统的时间常数，具有快速响应特性。 （2）提高强行励磁的倍数（附图说明）

Te、K与PGmax的关系：K：强励倍数 Te：励磁系统时间常数。

如Fig.3－10，Te<=0.3s，K增大――暂态稳定极限提高，Te较大时，效果不明显

(四) 改善电力系统的运行条件(具体过程略讲)

系统出现短时低电压时――励磁系统大幅度增加励磁来提高系统电压，具体改善的方面如下; 1.改善异步电动机的自启动条件：

电网短路时―――电网电压降低―――电动机大都制动

故障切除时―――电动机自启动需吸收无功，延缓了电网电压的恢复 强行励磁―――加速电网电压的恢复―――改善电动机的运行条件 2．为发电机异步运行创造条件

某台发电机失磁后―――吸收大量无功―――造成系统电压迅速下降，危及系统的安全运行 其他机组通过调节励磁提供足够的无功―――维持系统电压水平―――失磁的发电机以异步运行方式维持

运行―――系统安全运行 3．提高继电保护装置工作的正确性

低负荷运行时―――发电机的励磁电流不大―――此时发生短路故障，短路电流较小，衰减―――带

时限的继保不能正确动作，无法感应到短路的发生―――调节励磁增大短路电流―――提高继保工作

UGUsin?'，最大值出现点对应功角高于不考虑励磁调节时。'X?

继保装置的快速动作――励磁对暂态稳定不如对静态稳定的影响那样显著

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的正确性

（五）水轮发电机组要求实行强行减磁。

水轮机组故障突然跳闸时，由于调速系统的较大惯性不能迅速关闭导水叶，使转速急剧上升，必

须强行减磁，否则，发电机电压升到危及定子绝缘的程度。

三、对励磁系统的基本要求(自学)

为了励磁自动控制系统能实现其功能，对其中各部件提出如下要求： (一) 对励磁调节器的要求(略讲)

调节器的任务：检测和综合系统运行状态的信息，产生控制信号，放大后控制功率单元得到要求的

励磁电流。

(1)能反映发电机电压高低，保证同步发电机端电压调差率；

(2)能合理分配机组的无功功率，保证电压调差率在下述范围内调整，半导体型的正负10%，电磁型的正

负5% (3)没有失灵区

(4)能迅速反应系统故障，具备强行励磁 (5)较小的时间常数，迅速响应输入信息的变化。 (6)能长期可靠工作。 （二）对励磁功率单元的要求 受调节器的控制，要求如下： (1)足够可靠性并有一定的调节容量。

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的控制，应具有足够的调节容量

以适应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：涉及到系统的结构和造价，实际选择时应综合考虑。 励磁顶值电压UEFq：励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压值。强励倍数，1.6－2 Ua：额定工况下的励磁电压。

励磁电压响应比：励磁电压在最初0.5S内上升的平均速率。如式(3－7)

RR?(UEFqUQ?UEFqUEFN UEFq/Ua:

UC?Ub)/0.5?2?U*bc(1/s) (3-7) Ua思考题

7．励磁系统 8．发电机外特性 9．强励

10．同步发电机励磁自动调节的作用是什么？ 11．同步发电机的励磁系统通常包含哪两部分？ 12．对同步发电机励磁功率单元的基本要求是什么？

第二节 同步发电机励磁系统

本节内容：同步发电机的励磁方式及特点（几种主要励磁系统的原理及特点）。 同步发电机的励磁方式

定义：供给发电机励磁电源的方式。同步发电机所需的励磁电流是直流电流，因此供给发电机励磁的电源

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方式就是如何产生直流电流的方式。

分类：自励(励磁功率由发电机本身发出的交流电经整流后供给的励磁方式)和他励(励磁功率由独立于发电

机以外的专设电源供给的励磁方式)两种。

我国是一个快速发展中的大国，地域广阔，而发展又不够平衡，于是在电力设施上，既有近代的大功率机组，也保留不少曾在历史上为国宝工业化作出不少贡献，而且还在继续生产的中小型机组。它们在励磁系统方面的差别却很大。本节对两类都作介绍，既介绍用于中小型机组的直流励磁机系统，也介绍正在发展改进过程的多种用于大型机组的交流励磁机系统和静止励磁系统。 发展历史：

系统发展初期，发电机容量小，采用直流励磁机励磁系统（与发电机同轴的直流发电机）提供励磁电流 发电机容量逐渐提高，所需励磁电流增加，机械整流的换流出现困难

随着大功率半导体整流元件制造工艺日渐成熟，逐渐采用交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机系统作为大容量大发电机组的励磁功率单元 直流或交流励磁机：均与主机同轴旋转

不降低造价，减少环节，出现了用发电机自身作为励磁电源的发电机自并励系统（静止励磁系统）在水轮发电机中尤为适用。

直流励磁机系统：他励，自励

励磁功率单元 专用的励磁机 交流励磁机系统：旋转、静止

发电机自并励系统(静止励磁系统)：没有设置专用的励磁机 (简单介绍各种类型励磁系统的特点) 一、直流励磁机励磁系统：

原理：通常最简单的一种方法是直接通过一台直流发电机作为励磁机供给发电机所需的励磁电流。这

就得出了同步发电机的第一种励磁方式：直流励磁机(发电机)供电的励磁方式。 分类：按供给励磁机励磁绕组电源方式的不同，直流励磁机的励磁方式分自励式和他励式两种。 (一)自励式：励磁机的励磁电流是由励磁机本身提供的(自并励)。 1．原理接线：Fig.3-13

2．励磁电流的调节过程：调节磁场电阻RC――IRC变化――IEF调节 3．IEF＝IAVR＋IRC，特点：可减小励磁调节器的容量

(二)他励式：励磁机的励磁电流是由另外电源(副励磁机)提供。 1．原理接线：Fig.3-14

DE：G的励磁机 PE：DE的副励磁机 2．和自励式的区别：

(1) 区别是针对励磁机的励磁方式而言。他励多用在水轮发电机上。

(2) 比自励多用了一台副励磁机，设备增加了，但提高了电压增长速率，减小时间常数。 总结：直流励磁机的特点：

(1)系统简单，但含电刷，整流子等转动接触部件，运行维护繁杂。 (2)采用电磁型调节器，反应速度较慢，但工作较可靠。

(3) 受机械整流子换向的限制，容量不能过大，不能用于大量同步发电机上。仅在10万KW以下中

小容量机组中使用。

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二、交流励磁机励磁系统(PN>=100MW)10万KW以上

原理：以交流同步发电机作为励磁机，输出电压经大功率整流器后变换为直流励磁电流供发电机转子。 分类：根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同分为： (一)他励式

特点：交流励磁机用他励电源－中频或永磁副励磁机 过程：励磁机经硅整流器供给发电机励磁。 分类：根据硅整流器的类型分为：

1．交流励磁机静止整流器励磁系统：Fig.3-15 组成：交流励磁机、中频副励磁机、调节器 自励式中频

交流发电机 晶闸管 硅整流器V

实现过程：启励电源―――副 励 磁 机-----------交流励磁机AE ----------交流发电机------ (含自励恒压调节器) 可控整流器 他励式 f=100HZ 控制角

调节器控制晶闸管元件的控制角来改变AE的励磁电流。 性能特点：

(1) 励磁机、副励磁机与发电机同轴是独立的励磁电源，不受电网干扰，可靠性高。

(2) 为解决交流励磁机时间常数较大和提高响应速度，励磁机转子采用叠片结构，减小时间常数和

因整流器换机引起的涡流损耗。F采用100HZ或150HZ，比50HZ的时间常数减小一半。副励磁机：f=400-500HZ。

(3) 同轴，加长了发电机主轴的长度，提高了造价。 (4) 有转动部件，需要维护。

(5) 如副励磁机或自励恒压调节器故障，可导致发电机失磁。

若采用永磁发电机作为副励磁机，可简化调节设备，提高了可靠性。

2．旋转整流器励磁系统(无刷励磁)：Fig.3-16

无刷励磁系统的定义：励磁系统的整流器为旋转工作状态，取消了转子滑环后，无滑动接触元件

的励磁系统。

Fig.3-15中，滑环：滑动接触元件，随着发电机容量的增大，加大了正常运行和维护的困难。

方法：取消滑环，采用无刷励磁系统，提高励磁系统的可靠性。 原理接线：

特点：用永磁发电机作副励磁机，磁极旋转，电枢静止。

主励磁机的电枢是旋转的，它发出的三相交流电，经二极管整流桥后，直接送至发电机的转子回路作励磁电源。因为励磁机的电枢与发电机的转子在同一轴上旋转，不需要任何滑环与电刷，实现了无刷励磁。因此，转子电流不再受接触部件技术条件的限制，适合于大容量发电机组。

(1) 无炭刷和滑环，减小了维护工作量。

(2) 发电机由励磁机独立供电，可靠性高，无刷的特点提高了励磁系统的可靠性。

(3) 提高励磁系统的响应速度，可采用：转子用叠片结构，减小绕组电感、取消极面阻尼绕组等

励磁调节器 第 27 页

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方法。还可采用：增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机等值时间常数。

(4) 同轴，不能接入灭磁设备，无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测，须采用

特殊的测试方法。（待查）

(5) 要求旋转整流器和快速熔断器有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。 (6) 没有接触部件的磨损，没有炭粉和铜末引起的绕组污染，电机的绝缘寿命较长。 (7) 由于其特殊的结构，在运行维护上有些不方便之处，另外也不便于实现某些稳定运行的措

施。将来的发展趋势有待运行经验的进一步积累。

(二) 自励式：励磁机在供给发电机励磁电流的同时，给本身提供励磁电流。

和自励式直流励磁机的区别：直流：用磁场电阻进行电压调整。

交流：改用可控整流元件来维持端电压恒定（交流电流经可控整流后

输送给发电机转子）

根据整流器的类型分为：

1．自励式交流励磁机静止可控整流器励磁系统： Fig.3-17：

启励电源――电压启励元件――交流励磁机AE――晶闸管整流装置VS――发电机------ (晶闸管自励恒压元件)

电子AVR 特点：

(1)采用电子励磁调节器及晶闸管整流装置，电子AVR直接控制晶闸管整流装置时间常数很小，响应速度快。

(2)晶闸管励磁的励磁机的容量比硅整流励磁（Fig.3-15）的大，前者额定工作电压满足强励顶值电

压的要求，后者的额定工作电压远小于顶值电压，只有在强励情况下才短时达到顶值电压。

2．自励式交流励磁机静止整流器

Fig.3-18：

启励电源――电压启励元件――交流励磁机AE――硅整流器装置V――发电机

电子型励磁调节器

特点：

(1)励磁调节器控制晶闸管整流VS，达到调节励磁的目的。

(2)与第一种方式相比，增加了交流励磁机自励回路环节，响应速度较慢。发电机的主轴长度长，造价高。

(3)自并励方式简化了励磁系统结构，常用于汽轮发电机。

三、静止励磁系统(发电机自并励系统):发电机励磁电源由发电机本身提供，无励磁机。

原理接线：Fig.3－19 原理：

1. 不用励磁机作励磁电源，由发电机本身机端励磁变供电给整流器电源，经三相全控整流桥直接控制发

电机的励磁，称发电机自并励系统。

晶闸管整流装置VS

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2．采用大功率晶闸管元件，除掉转子本体及其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采

用机械转动或机械接触类元件的，无同轴转动部分，又称静止式励磁系统，用于大型发电机组，尤其是水轮发电机组。 特点：

1．接线和设备简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。简化了结构，常用于汽轮发电机组。 2．不需同轴励磁机，缩短主轴长度，减小投资。 3．直接用晶闸管控制转子电压，励磁电压响应速度快。

4．由发电机端取得励磁能量，静止系统输出的励磁电压 正比于 转速。 同轴系统输出的励磁电压 正比于 转速的平方。 当机组甩负荷时静止励磁系统机组的过电压就低。

5．在发电机近端短路而切除时间又较长的情况，缺乏足够的强行励磁能力，对电力系统

稳定的影响不如其他励磁方式有利。

6．上述特点使得该励磁系统受到相当重视，例如在发电机与系统间有升压变压器的单元接线和抽水蓄

能机组等励磁系统中得到不少应用。

思考题

1．励磁方式 2．无刷励磁系统 3．励磁调节方式

4．同步发电机的励磁方式有哪几种？各有何特点？ 10．比较他励、自励直流励磁系统的区别。

11．他励交流励磁机两种类型励磁系统的性能及特点。 作业题：

1．同步发电机的两种励磁方式是什么？有什么区别？具体有哪些类型？ 思考题：

1．励磁方式，励磁方式分类

2．各种类型励磁系统的基本组成，实现方式的区别。

第三节 励磁系统中的整流电路

本节内容：励磁系统中可控整流电路的作用、工作原理及工作特性。

本节的学习路线：在理解励磁系统中可控整流电路的作用的基础上，进而分析励磁系统中常用的三相半控

桥式整流电路和三相全控桥式整流电路的工作原理和工作特性。

整流电路的作用：

将交流电压整流成直流电压，提供给发电机或励磁机的励磁绕组。 整流电路的分类：

三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路 具体采用的类型：

大型发电机的转子励磁回路(EW) 发电机自并励

三相桥式不可控 三相桥式全控 三相桥式半控或全控

励磁机励磁回路(EEW)

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一、三相桥式不可控整流电路

三相变压器的二次侧――整流元件――直流侧负载Rf

(交流励磁机电枢绕组) (二极管) (发电机转子线圈、励磁机励磁绕组) Fig.3-20：组成：六个二极管 共阴极组――V1,V5,V3 共阳极组――V2,V6,V4

负载电压ud0是线电压波形的包络线，以

2?为脉动周期，输出空载电压平均值为 6ud0

6?2????(e26a?eb)dwt?2.34Ea?1.35Eab (3-8)

二、三相桥式半控整流电路

Fig.3-21：组成：三个二极管、三个晶闸管 共阴极组：VS1,VS3,VS% 共阳极组：V2,V4,V6

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1． 励磁系统中可控整流电路的作用是什么？

2． 在三相半控桥式整流电路中，对晶闸管的触发脉冲有何要求？ 3． 在三相全控桥式整流电路中，对晶闸管的触发脉冲有何要求？ 4． 三相不可控、半控、全控整流电路各由哪些主要电子元件组成？ 5． 三相全控桥式整流电路的三种工作状态是什么？

第四节 励磁控制系统调节特性和并联机组间的无功分配

本节内容：对励磁调节器静特性调整的基本要求和内容；具有自动励磁调节器的发电机外特性及其影响因

素；为保证并联运行的发电机机组间稳定运行和无功功率的合理分配；对各种不同外特性机组并联运行的分析。

一、励磁调节器的基本特性与框图

励磁控制系统组成：同步发电机、励磁功率单元、励磁调节器

图 3-31 励磁控制系统框图

1．作用：

检测发电机电压、电流或其他状态量，按指定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号。 以比例式励磁调节器进行说明。

主要输入量：端电压UG，输出：IEE控制励磁功率单元的输出IEF。 2.人工调节的过程

对比Fig.3.3.2和Fig.3-13(无调节器时)： 如Fig.3-32所示：

如没有自动调节器，人工改变直接励磁机的RC来调整端电压。

如UG偏高――增大RC――减小IEE――UE下降――IEF下降――UG下降（根据发电机的外特性） 如UG偏低――减小RC――增大IEE――UE增大――IEF增大――UG增大 测量 判断(人工调节) 执行 3．比例式励磁调节器的基本工作特性：基本调节特性。

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Fig 3-33 比例式励磁调节器的调节特性

实现过程：

UG升高――调节器――IEE下降――UG减小

UG减小――调节器――IEE升高――UG升高 4. 比例式励磁调节器的闭环控制示意图

励磁调节器与励磁机配合组成闭环控制回路，控制发电机的转子电流，实现对发电机端电压的自动调节。各种类型比例式AVR具有的调节特性，负斜率调节特性，才能稳定运行。

Fig 3-34 比例式励磁调节器闭环控制示意图

5.模拟式自动励磁调节器的构成环节：

Fig.3-35为各个环节的具体电路及工作特性，不同类型有较大差异，但构成环节大致相同。 (1)调差单元：调整调差系数

(2)测量比较元件：测量发电机的电压，与整定值比较。按Fig.3－33所示特性进行调节 UG下降――调节器增加IEE――IEF升高――Eq升高――UG升高 (3)综合放大单元：将比较的结果与其他合成、放大。 (4)移相触发单元：发出触发脉冲。

二、励磁调节器的静态工作特性：以模拟式AVR为例

调整发电机励磁调节器静特性的原因是为了改变发电机的外特性；当发电机加装自动励磁调节器后，发电机的外特性与励磁调节器的静态工作特性和发电机的调整特性有关，由于同步发电机在电力系统运行中情况各异，对发电机的外特性作出了不同的要求，所以要求发电机的外特性是可调的，即要求励磁调节器

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的静特性是可调的。

(一) 静态工作特性的合成

模拟式：硬件组成静态特性。数字式：软件算法实现。先分析模拟型，简化框图。 UG UREF Ude

USM

α

测量K1 综合放大K2 移相触发K3

1．测量单元

可控整流K4 UAVR

Ude?K1(UG?UREF) (3-28)

UREF－发电机电压的整定值

2．放大单元

USM?K2Ude (3-29)

3．三相桥式全控整流电路：线性特性的触发电路

UAVR?K3K4USM (3-30)

4．UAVR?f(UG)：静态工作特性(综合特性) （1）特性综合： Fig.3-37：(a)-(d)

(a) Ude?f(UG) (b) USM?f(Ude) (c) UAVR?f(USM) 合成为(d) UAVR?f(UG) （2）特性分析

如图（d），线段ab为励磁调节器的工作区，

UG??UAVR?? UG??UAVR??，ab内发电机电压变化极小，可达到维持机端电压目的。

（3）特性平移：

测量工作特性?UREF?C ，当UREF变化时，图a移动?图d移动

5．调节器的性能指标： 放大倍数：K??UAVR (3-31)

UG?UREF?UAVR?Udc?USM???UAVR????

UG?UREFUG?UREF?Udc?USM??K与各单元增益的关系为：K? ?K1K2K3K4 (3-32)

整定值的改变-------实现特性曲线的左右移动(在工作点附近移动) 陡度：

(二)发电机励磁自动控制系统静态特性

励磁系统＋发电机

以他励交流励磁机系统为例，说明励磁控制系统调节特性的形成。

1．发电机的无功调节特性的形成：励磁控制系统的运行特性（带自动励磁调节功能的发电机的无功调节特性）

Fig.3-38(1)IEF?f(IQ) ：发电机的调节特性 (2)UG?f(IEF)：励磁调节器的调节特性

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综合成(3)

UG?f(IQ)――带自动励磁调节功能的发电机的无功调节特性

可以通过改变(2)来调整(3)，IQ变动时，通过调节励磁可以使发电机电压UG基本不变。

发电机的无功调节特性（无功电流和电压的关系）

发电机带励磁调节器后，IQ变化后，UG基本不变，稍有下倾。

2．调差系数：表征发电机励磁控制系统运行特性的重要参数之一――表示IQ从0到IQN时UG的相对变化。用无功调节特性图进行说明。

??UG1?UG2UG1UG2???UG1*?UG2* (3-33)

UGNUGNUGNUG1－空载运行时的发电机电压 UG2――额定无功电流时的发电机电压

3. 调差率：

?%?UG1?UG2?100%

UGN意义：δ越小，IQ变化时UG变化越小。表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。

?的大小通过调差单元来调节。

4. 总结：

励磁调节器的静特性对发电机无功调节特性的调整的具体内容及实现：

调差曲线上下平移(励磁调节器对发电机外特性的调整)――—调整励磁调节器的特性—调整发电机的外特性（实现方法：改变调整测量单元的电压整定电位器(整定值)）上下平移位置由电压整定值决定。整定值?，曲线上移。整定值 ?，曲线下移。 曲线的斜率由?决定。（实现方法：在调差单元中设置） 5．同步发电机的运行情况对调差系数提出的要求：

(1)自然调差系数δ0：调差单元退出工作时，固有无功调节特性的下倾程度，随放

大倍数增大而减小。对于按电压偏差进行比例调节的励磁控制系统，一般放大倍数是足够大的，自然调差系数一般都小于1%，这种特性不利于发电机组在并列运行时无功负荷的稳定分配，因此须人为附加调差环节，提高到4%－6%(电子式)，才能按机组容量稳定分配。

(2)调差系数是由发电机的外特性决定的，当外特性改变时，调差系数也会随之改变。由于外特性陡度的改变需要由励磁调节器静特性的调整来实现，所以在调节器设置了调差单元，可设定不同的调差系数δ。

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6．发电机的运行情况与励磁调节器静特性调整的关系：

(1) 发电机投切时能平稳地改变无功负荷，不发生无功的冲击。――外特性的平移

(2) 保证并联运行的机组间无功的合理分配。 措施：在调节器中设置电压整定和调差单元。

公共母线上的机组无功的分配取决于各台发电机的无功调节特性，即 δ.

7.发电机调节特性的三种类型：

Fig.3-40 发电机无功调节特性

自然调差系统是不可调的固定值，不能满足发电机的运行要求。所以在自动励磁调节器中设置了调差单元，实现对调差系统的调整。当AVR加入调差单元后，调整调差系数使其可以为正、负或为零。这样发电机外特性斜率可以调节，使得发电机端电压的调节更加灵活，保证了发电机端电压的稳定。

δ>0：正调差系数，UG随IQ增大而减小。 δ<0：负调差系数，UG随IQ增大而增大。 δ=0：无差特性，UG=const

发电机一般采用正调差系数，具有系统电压下降而无功电流增加的特性，有利于维持稳定运行，负调差系数一般只能在大型发电机-变压器组单元接线时采用。

正负调差系数可以通过改变调差接线极性来获得，调差系数一般在正负5%以内。

(三) 发电机无功调节特性的平移：

发电机投切时，要求能平稳地转移负荷，不要引起对电网的冲击。

1.发电机无功调节特性的合成过程：

参考电压升高―测量特性右移―合成特性右移―调节器输出特性上移―发电机的无功调节特性上移 2.平移过程：利用下图进行分析说明。

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Fig.3-41 调节特性的平移与机组无功功率的关系

如上图：退出 IQ1――IQ2，δ1――δ2――δ3，IQ2――0 投入：δ3――δ2――δ3．平移方法：

通过调节调节器中的整定器件平移调节特性，实现发电机投切时，无功的平稳转移，不发生无功

的突变。

改变UREF实现平移。UREF增加，曲线上移，UREF减小，曲线下移。

总结：发电机无功调节特性的调整及实现：

包括调差系数的调整和外特性的平移。这两种方法均能改变机组承担的无功负荷的 大小。

第一种方法是为了改变机组外特性的调差系数，即改变发电机外特性的斜率，调整并联运行的各台机组各自承担的无功负荷，以保证并联运行的发电机间无功功率的合理分配。通常由继电保护工作人员在检修时予以调节，根据系统接线的特性和要求，确定采用正调差接线还是负调差接线及调差系数的大小。机组运行后不再调整。

第二种方法是为了平移发电机的外特性，即调差系数不变，实现平稳地将发电机投入或退出电力

系统的并联运行，通常由运行人员调整发电机控制平台上的增励或减励按钮来实现(调节机组的自动励磁调节器中的整定电位器，即基准电压值的大小)。 UREF升高—调节器输出特性升高—发电机端电压升高

三、并联运行机组间无功功率的分配：

励磁调节器静特性的调整---发电机外特性的调整---并联机组间无功的分配

当发电机的外特性改变时，也就改变了并列运行发电机所带的无功负荷，而发电机的外特性与AVR的静态特性直接相关，因而在分析并联运行发电机组间无功功率的合理分配前，先学习励磁调节器静特性的调整，在此基础上分析发电机无功调节特性及其对并联机组间无功分配的影响，这也是本节内容为什么既包括励磁调节器静特性调整又包括并联运行发电机间无功功率的分配的原因。

分析不同外特性的机组并联运行后，根据能否保证并联运行的发电机机组间稳定运行和无功功率合理 分配两方面的要求，最后得出机端直接并联的发电机组对发电机外特性的基本要求。

(一)无差调节特性

1

0――IQ2――IQ1

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1．一台无差调节特性的机组与有差调节特性的并联运行

Fig.3-42 并联运行机组间的无功功率分配

设两台发电机组在公共母线上并联运行，其中第一台发电机为无差调节特性，如图中曲线1，第二台发电机为有差调节特性，且δ>0，如图中曲线2。这时母线电压必定等于第一台发电机的端电压U1，并保持不变，第二台发电机的无功电流为IQ2 。如果无功负荷改变，则第一台发电机的无功电流将随之改变（无差，无功电流变化，端电压保持不变），而第二台发电机的无功电流维持不变，仍为IQ2（有差，端电压不变，无功电流不变） 。移动第二台发电机调差特性2可以改变发电机之间无功负荷的分配。移动第一台发电机调差特性1，不仅可以改变母线电压，而且也可改变第二台发电机的无功电流。由上面分析可知，一台无差特性的发电机可以和一台或多台正调差特性机组在同一母线上并联运行，但由于无差特性发电机组将承担所有无功功率的变化量（如果有差特性的机组参与无功分配，无功电流变化，端电压就不能保持无差特性机组的恒定端电压了，所以不能参与无功分配，只能由无差特性的机组全部承担无功变化量），无功功率的分配是不合理的，所以实际中很少采用。

δ>0：无功负荷改变时，IQI改变，移动曲线II可改变无功负荷的分配，移动母线I可改变母线

电压。

某种原因：无功负载?,?IQ(?Q),IQ2不变，IQ1? 无功负载?,??IQ(??Q),IQ2不变，IQ1?

全部由无差特性的机组承担，无功分配不合理。因此，理论上可行，但一般不采用。 δ<0：交点不是稳定运行点，具体分析。

３．两台δ=0的机组不能并联运行。

两台及以上无差特性的机组是不能在同一母线上并联运行的，很难使电压完全相等，故机组不能稳定运行。

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Fig.3-43 两台无差调差特性的机组并联运行

实际调试中很难使UI=UII

结论：具有无差特性的发电机是不能在公共母线上并联运行的。

(二) 正调差特性的发电机能并联运行。

两台机组端电压相同，为：UGI，IQI，IQII

2． 无功负荷增加，UG下降――调节器增加励磁电流

1．两台具有正调差特性的发电机并联运行，分别为特性I和特性II，

3．新的稳定点：UGII，IQI,IQII,分别承担一部分增加的无功负荷，分配取决于各自的调差系数。

δ较小的机组承担较多的无功波动。

４．设发电机的调节特性如Fig.3-44 特性I所示，IQ=0----UG0，IQ=IQN---UGN 母线电压为UG时，

''IQ?IQ*?UG0?UGIQN (3-34)

UG0?UGNUG0*?UG*1?(UG0*?UG*) (3-35)

UG0?UGN?UGN?UG*

'若母线电压由UG*变到UG*，则由式（3-35）得机组无功电流变化量的标么值为

?IQ*??5．式（3-36）的意义：

? (3-36)

（1）母线电压波动时，?IQ??UG，?1?，与整定值无关。

（2）负号表示在?>0时，UG?---IQ?

（3）两台?>0的机组并联运行，无功负荷波动时，电压偏差相同，?小的承担较多的无功电流

增量。

总结：

1. 控制无功功率合理分配的要求：

（1）机端直接并联运行的发电机应具有正调差特性。 （2）无功负荷的分配与调差系数成反比。

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（3）要按机组容量分配无功功率，要求各台发电机无功负荷波动量与它们的额定容量成正比，各机组?IQ相等，发电机必须具有相等的调差系数。

2.并联运行的机组对机组的调差特性的要求：

（1）正调差特性的机组可以在发电机端直接并联运行。

（2）负调差特性的机组不能直接并联运行，但是以发电机-变压器组形式并联运行的发电机，应具有负的

调差系数，以维持高压母线电压的稳定。

（3）无差调节特性的机组是不能并联运行的。

本节思考题

1．发电机的调整特性 2．调差系数 3．正调差特性 4．负调差特性 5．无差特性

6．根据励磁调节器的静态工作特性，分析励磁调节器是如何具有维持机端电压保持不变的能力？ 7．对励磁调节器静特性调整的基本要求是什么？ 8．何谓自然调差系数？有何特点？

9．励磁调节器静特性调整的内容有哪些？如何实现？ 10．在励磁调节器中为何要设置调差单元？ 11．平移发电机的外特性有何作用？

13．为何负调差特性的发电机在机端不能直接并联运行而经变压器后允许并联呢？

第五节 励磁调节装置原理

本节内容：励磁调节器的发展阶段及分类；数字式励磁调节器的组成部分及功能； 一、励磁调节器的发展及分类 1．发展阶段

机电型、电磁型、电子型、数字型

(1) 30-40年代，系统规模较小，调节器主要起调压作用，称调压器，多为机电型，通过改变磁场电阻来调节电压，需克服摩擦，具有不灵敏区，目前已趋淘汰。

(2) 50年代，磁放大器的出现--电磁型，可靠性能满足当时电压和无功的要求。

(3) 60年代，电子元器件的出现---晶闸管型调节器，70年代广泛应用。单纯调压---提高系统稳定性，没有时滞，综合放大能力强。

核心成份：基本控制：调差、测量比较、综合放大、移相触发，实现电压控制、无功分配 辅助控制：改善系统稳定性、改善励磁控制系统动态性能、满足发电机的不同运行工况。 励磁系统稳定器、PSS、励磁限制器

(4) 90年代开始应用，基本组成：量测环节：感受各类信息偏差量。 综合放大环节：放大及综合各类信息 执行环节：实现移相可控触发

随着控制理论和计算技术的发展，自动励磁调节器也在不断改进。功能上，向着综合控制方向发

展，在原有基础上加入镇定器，欠励磁、过励磁等环节。控制原理上，向着自适应调节方向发展，即

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调节器能自动适应系统工况的变动而择优整定其参数。构成元件上，向着微机化方向发展。

2．分类：按调节原理划分。

虽然励磁调节器按不同的分类方式去分类，有各种不同的类型。按其发展阶段分类。当按其调节原理分类时，可分为按电压偏差的比例调节(比例型)和按定子电流、功率因素的补偿调节(补偿型)两种类型。也就是同步发电机调节励磁电流时通常所采用的两种励磁调节方式。

(1) 按电压偏差的比例调节（反馈型）：按被调量与给定量的偏差作为控制信号对系统进行闭环控制调

节，使被调量接近于给定值。

按电压偏差的比例调节其实是一个负反馈调节，将被调量与给定值比较得到的偏差电压

放大后，作用于调节对象，力求使偏差值趋于零。是一种无差调节方式，闭环调节，性能优于补偿型。

(2) 按定子电流、功率因数的补偿调节（补偿型）：补偿某些因素所引起被调量的变动，使被调量维持

在所要求的定值附近。

输入量并非是被调量，它只补偿定子电流和功率因数变化引起的端电压变化，仅起到补偿作用，调节的结果是有差的，开环补偿，只能使电压维持在一定水平。

类型：电流复式、相位复式

实际中，发电机组一般采用反馈型电压调节器，是本节的研究对象。

二、DAVR原理： (一) 产生背景

常规模拟式励磁调节器为多圈旋转电阻式手动励磁调节系统，通过手动旋转多圈电阻实现无功的

调节。随着发电机组容量的不断增大，常规励磁技术已不能适用于大容量机组设备。由于同步发电机和电力系统非线性因素的影响、运行方式和网络参数可能发生较大范围的改变，要求励磁系统有更好的控制调节功能，更多更灵活的控制、限制、报警等附加功能。模拟型实现起来有一定困难，加之计算机技术的不断发展，在常规励磁基础上发展了微机励磁技术，解决了大型发电机组励磁控制中诸如PSS、最优励磁控制（EOC）等复杂的计算，也使基于在线参数辨识的自适应式励磁的实现成为可能，优化了励磁装置，可以进一步改善励磁系统的静态和动态品质，具有更高的技术性能指标。

（二）特点

(1)实现复杂的控制策略，增强了励磁控制功能，改善了发电机的运行工况。 (2)控制和算法由软件完成，便于修改，灵活性强。

(3)可实现更加完备的限制和保护功能，操作简单，维护方便，便于试验和调试。 (4)可实现双通道运行方式，双通道间互为备用，提高可靠性。 (5)具有较强的通信功能，方便进行机组间的综合协调。 (三) 基本环节和构成

原理框图：测量单元、主控制单元(含调差)、移相触发单元和人机接口 构成：

按功能分 基本控制、 辅助控制(软件实现) 实现的功能：电压调节、无功分配、励磁系统稳定器、电力系统稳定、励磁限制器 1. 主控制单元：调节器的核心单元

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(1) 作用：从指定的内存储区调用信息，以实现多种综合功能的参数输入，无需特定的硬件支持。 (2) 组成：CPU，存储器、局部总线接口。

2．信息采集单元 (1) 需测量的信息

基本控制部分：发电机端电压、电流及反映机组运行状态的开关量。

辅助控制部分：励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器、频率、励磁电流 (2) 组成：接口电路、输入过程通道

模拟量信息采集电路：A/D转换模板接口电路、模拟量输入通道（发电机电压电流通道、励磁

电流通道、滤波电路

数字量信息采集电路：采集运行状态信息用于工况判断。

(3) 任务

将所需测量的各类电量值的电压、电流信号（DC或AC）转化为数字信号，同时进行一些必要

的计算及数据缓存，经数据总线供给控制单元，状态量经光电隔离后，直接送至数据缓存。

3．调节和控制输出单元：

调节器输出的调节量为移相触发脉冲，输出的控制信号有保护跳闸信号、报警信号。 （1）组成：移相触发单元（按照一定次序给整流桥中的晶闸管以触发脉冲） 控制信号输出

(2) 任务：按照一定的次序对全控桥的晶闸管的门极施加触发脉冲、输出保护跳闸信号和报警数

字信号。

(3) 实现：产生可调相位的脉冲，触发晶闸管，使触发角随着主控制单元输出的控制数据而改变，

以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。

4.人- 机接口

不同人员各有不同要求。

（1）程序调试：应用外围设备，在特定环境下工作。

（2）参数设定与维护：电厂技术人员在指定端口作参数设定操作和维护操作。

（3）运行操作：值班运行人员根据面板显示信息进行必要操作，要求信号醒目、明确、容易

判断。

和常规模拟式相比，方便、具有智能化优势。

(二) 调节和控制的数学模型 1．概述 PID算法：

位置式，

PID调节算法的微分方程表示：（3-41）

DAVR是采样控制，用差分方程代替微分方程：（3-43） 计算量大，如计算机故障，不利于生产安全。

增量式：（3-44） (区别)算法将计算机的一部分累加功能由执行机构完成。

2．调节器的基本调节方式

维持电压恒定，实现并联运行机组的无功合理分配：正常运行的调节方式， 注意：发电机经变压器在高压母线上并联时，应将发电机设置为负调差特性。

若为正调差特性，则带负载后压降增大。采用负调差，带负载后根据负调差特性机端电压上升，

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可和变压器中的压降（10%-15%）平衡，保持高压母线并列点正调差3%-4%，否则高压母线的电压偏差会较大。

3．辅助控制：不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要实现某些特有的限制

功能时起相应控制作用。

瞬时电流限制、最大励磁限制、最小励磁限制 (三) 励磁调节器的运行

1．对发电机组运行工况的监控。

2．增或减励：实现对电压及无功的调节。传统：改变电阻或调节电位器。数字：改变整定值 3．信号显示：声、光、图形和文字等醒目标志提供部件的运行状况信息。 4．调节器的可靠性：硬件配置：双重化配置（双通道信息交换） 软件编制：

三、数字式AVR软件 （一）概述

软件水平是励磁调节器性能优劣的重要因素之一。 系统软件：为应用软件服务的各种软件 应用软件：在实现各种功能所编制的软件。 （二）主程序框图

1．程序工作模式：中断控制的顺序工作模式。按功能的先后将各个任务串联起来，依次不漏地逐

个运行。

2.时间安排：各任务串联起来要求在一个交流周期内完成。 3.中断服务程序 4.主程序框图

习题

1．到目前为止，励磁调节器经历了哪几个发展阶段？ 机电型、电磁型、电子型

2．同步发电机有哪几种励磁调节方式？有何根本区别？

按电压偏差的比例型调节、按定子电流、功率因数的补偿型调节两种。

根本区别是：按电压偏差的比例调节是一个负反馈调节，将被调量与给定值得到的偏差电压放大后，作

用于调节对象，力求使偏差值趋于零，是一种“无差”调节方式。

补偿型：输入量并非是被调量，它只补偿定子电流和功率因数引起端电压的变化，仅起到补偿作用，调

节的结果是有差的，所以在运行中必须采用电压校正器，才能满足要求。

4．补偿型与反馈型励磁调节器在原理上有何区别？同2。

5．数字式励磁调节器按功能划分可分为哪两个部分？其中前者又分为哪几个单元，后者又包括哪几个方面？

基本控制：测量单元、主控制单元(含调差单元)和移相触发单元。 辅助控制：励磁系统稳定器、电力系统稳定器、励磁限制器

6．数字式励磁调节器中的测量单元、主控制单元和移相触发单元的功能各是什么？

测量单元：将所需测量的各类电量值的电压、电流信号(直流或交流)转化为数字信号，同时进行一些必 要的计算及数据缓存，经数据总线供给主控制单元。

主控制单元：从指定的内存储区调用信息，以实现多种综合功能的参数输入，无需特定的硬件支持。 移相触发单元：产生可调相位的脉冲，用来触发晶闸管，使其触发角能够随着主控制单元输出的控制数

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据而改变，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。 7．PID算法有哪几种形式？它们有何区别？

位置式： 增量式： 本质无多大区别，将计算机的一部分累加功能由执行机构完成。 8．为什么发电机变压器组在高压母线上并联时，发电机本身应采用负调差特性？

大容量变压器具有10%-15%的电压降，应采用负调差使高压母线并列点保持正调差3%-4%，否则高压母线的电压偏差会较大。

9．励磁调节器的辅助控制包括哪些方面？各自的作用是什么？ 励磁系统稳定器、电力系统稳定器和励磁限制器。 10．励磁调节器运行时应注意哪些方面的问题？P97 11．数字式励磁调节器有哪些主要单元？各单元有何作用？

测量单元、主控制单元(含调差单元)和移相触发单元组成基本控制部分

12．测量比较单元的作用是测量(发电机电压)并变换为(直流电压)，再与给定的(基准电压)相比较，得出

发电机电压偏差信号。

13．综合放大单元是将电压偏差信号和其他辅助信号进行综合放大，提高调节器的(灵敏度)，以满足励磁

调节的要求。

13．移相触发单元的作用是将控制电压转换为在一定区间发出的(移相触发脉冲)，使(控制角)随控制电压

的大小而改变，并触发晶闸管元件，从而达到调节励磁电流的目的。 14．移相触发单元一般由(同步)，(移相)，(脉冲形成)和(脉冲放大)等环节组成。 15．移相触发单元中的同步环节的作用是：保证(触发脉冲)与(交流主电源)同步。

第四章 励磁自动控制系统的动态特性

前面第三章学习的是正常运行情况下励磁系统对同步发电机运行的作用（电压调节、控制无功），这一部分的内容的分析与励磁控制系统的静态工作特性密切相关。因此，第三章重点分析了励磁控制系统的静态调节特性。

同步发电机在投入电网运行之前，要求电压维持在给定值。（单机运行条件下）即发电机在空载运行条件下，其励磁自动控制系统必须稳定运行。

当发电机并入电网以后与系统中所有机组并联运行，因此要求发电机的励磁控制系统能对电力系统稳定运行产生有益的影响，而这部分内容分析的理论基础是以励磁控制系统的动态特性为依据的，这也是第四章分析的内容。

因此在电力系统稳定计算中必须计及励磁调节系统的影响，除了稳定问题外，在运行中往往对励磁控制系统其他动态性能指标提出要求。

第一节 概述

本节内容：描述励磁自动控制系统动态特性的指标的基本概念。

Fig.3－35：控制对象：发电机 控制器：调节器 执行环节：励磁机 动态特性：在较小的或随机的干扰下，自动励磁调节系统的时间响应特性。 动（暂）态性能指标：

Fig.4－1：励磁控制系统动态特性的典型曲线

发电机在额定转速空载条件下，突然加入励磁使发电机端电压从零升至额定值时的时间响应曲

线。

1．上升时间tr:响应曲线自10%(0，5%))稳态响应值上升到90%(100%，95%)稳态响应值时所需的时间。

0－100%―― 欠阻尼二阶系统

10%-90%――过阻尼二阶系统

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2．过调量(超调量)：发电机端电压的最大瞬时值与稳态值之差对稳态值之比的百分数。

?P?uGmax?uG(?)uG(?)?100% (4-1)

uGmax：发电机端电压的最大瞬时值，瞬态响应曲线的第一个峰值。

uG(?)：稳态值

3．调整时间(稳定时间)tS：对应一个阶跃函数的响应曲线的时间，即当输出量与稳态值之差＜＝稳态值的

5%或2%，认为调整结束。

上述三个指标，稳定时间应该要短，过调量应该小，上升时间应该短，三个统称为调节过程的质量指标，但实际并不能单纯地用指标评价自动励磁调节系统的动态特性。 我国对同步发电机动态响应的技术指标有如下规定；P104

思考题

描述励磁自动控制系统的动态性能指标有哪几种？

动态系统的描述：状态空间描述，I/O描述，传递函数就是线性定常动态系统在频域中的I/O描述。 三种图解表示法：传递函数方框图，信号流图和状态变量模拟图

第二节 励磁控制系统的传递函数

本节内容：励磁控制系统各组成单元的传递函数。

在分析励磁控制系统的动态特性及其对电力系统稳定性影响的过程中，应列出控制系统各单元的传函，应用自控理论中所学的方法对励磁控制系统进行分析。典型的控制系统结构框图如Fig.4－2所示。（框图分析）

一、励磁机的传递函数

励磁机有直流励磁机和交流励磁机两类，假设它们的转速为恒定。

(一) 直流励磁机的传递函数：有他励和自励两种方式，描述它们的动态特性方程式是不同的。

以他励直流励磁机为例说明传递函数的推导过程。

图4-3 他励直流励磁机

AVR的输出加于励磁绕组的输入端，输出为励磁机电压。 EEW两端的电压方程为：

uee?RE?iEE?LdiEEd??REiEE?E (4-2) 磁链：?E?N? dtdt用?E代换?E，设?E?N?E，uee?REiEE?N

d?E (4-3) dt 第 49 页

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各参数的解释。

将iEE、?E用uE来表示，uE uEE，求出uE与uEE之间的关系式。

图4-4 直流励磁机的饱和特性曲线

iEE与uE的关系：

iEE与uE之间是非线性关系，通常采用图4-4所示的DE的饱和特性曲线来计及其饱和影响。

I?IB定义饱和函数：SE?A (4-4)

IB∴IA?(1?SE)IB (4-5) EA?(1?SE)EB (4-6)

SE随运行点而变，它是非线性的，在整个运行范围内可用某一线性函数来近似地表示。如果气隙特性的斜率是1/G,，即可写出iEE与uE的关系式，即：（Fig4-4曲线用直线近似表示）

iEE?GuE(1?SE) (4-7)

K??E (4-11) 又恒定转速下uE?K?a (4-8) ?a：气隙磁通 uE??而?E??a??1??a?C?a?(1?C)?a???a (4-9) 漏磁通 取1.1――1.2，分散系数 式(4-7)、(4-8)、(4-11)代入(4-3)得：

duE?uEE?REiEE?uEE?REGuE?REGSEuE (4-12) dtu(S)11时-频域转换 G(S)?E (4-13) ??'uEE(S)TES?REG?REGSETES?KE?SEN?'式中，TE?，KE?REG，SE?REGSE

K传递函数方框图：如Fig.4-5。规格化框图如(b)图所示。Fig4-5考虑了uE与Ede的换算关系。

TE(二)交流励磁机的传递函数：交流励磁机输出经三相桥式整流后供给发电机励磁绕组。 若忽略电枢回路的暂态过程，输入、输出的关系可以简化。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2obw.html