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1、第二章同步发电机的自动励磁控制系统第1页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化2发电发电机运行特性函数机运行特性函数同步发电机的励磁系统：同步发电机的励磁系统：励磁功率单元励磁功率单元 励磁调节器励磁调节器励磁电流励磁电流控制励磁电流控制励磁电流第一节第一节 概概 述述第2页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化3 电压控制电压控制正常运行：负荷波动正常运行：负荷波动发电机功率变化发电机功率变化 机端或某一点电压变化机端或某一点电压变化一、同步发电机励磁控制系统的任务一、同步发电机励磁控制系统的任务励磁调节励磁调节维持端压在给定水平维持端压在给定水平第3页，本讲稿共47
2、页2022/10/26电力系统自动化4结论：结论：是造成是造成 与与 数值差的主要原因数值差的主要原因 当当 一定时，一定时，随随 增大而下降增大而下降思考：发电机的电压外持性的意义？211点：点：2点：点：3点：点：3第4页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化5 控制无功功率的分配控制无功功率的分配1 1、同步发电机、同步发电机与无穷大系统母线并联运行问题：与无穷大系统母线并联运行问题：BBAA分析前提：只调励磁、不调速分析前提：只调励磁、不调速调励磁电流改变发电机输出的无功功率和功角调励磁电流改变发电机输出的无功功率和功角第5页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动
3、化6两台两台发电发电机并机并联联运行运行无功功率合理分配：照按机组容量分配2 2、并联运行、并联运行各发电机间的无功功率的分配各发电机间的无功功率的分配无功功率重新分配特性 一致 -调节器可做到思考：思考：励磁调节是如何控制发电机间无功分配的？励磁调节是如何控制发电机间无功分配的？GG第6页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化7不论静稳、动稳，发电机数学模型中总有不论静稳、动稳，发电机数学模型中总有EqEq，EqEq与励磁有关与励磁有关静态稳定：静态稳定：正常情况下受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。正常情况下受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。暂态稳定：暂态稳定：发生大的扰
4、动后，能否过渡到一个新的稳定状态或发生大的扰动后，能否过渡到一个新的稳定状态或 恢复到原来运行状态的能力。恢复到原来运行状态的能力。提高同步发电机并联运行稳定性提高同步发电机并联运行稳定性第7页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化81 1、励磁、励磁对静态稳稳的影响对静态稳稳的影响A-A-内功率特性内功率特性OCBPAea功率极限功率极限B-B-外功率特性外功率特性功率极限功率极限第8页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化92 2、励磁对、励磁对暂态稳定的影响暂态稳定的影响OPgabdefc故障期间和故障切除后，励磁故障期间和故障切除后，励磁 ，特性，特性、幅值增大
5、幅值增大第9页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化10低电压时，可大幅度提高系统电压低电压时，可大幅度提高系统电压短路短路电网电压电网电压电动机制动电动机制动切除故障切除故障电动机自起动吸电动机自起动吸QQ电压恢复慢电压恢复慢2、为发电机异步运行创造条件：、为发电机异步运行创造条件：发电机失磁运行，吸大量发电机失磁运行，吸大量QUQU其他发电机能提供其他发电机能提供QQ维持维持U U 改善电力系统运行的条件改善电力系统运行的条件1、改善异步电动机的自起动过程、改善异步电动机的自起动过程3、提高继电保护的工作的正确性、提高继电保护的工作的正确性发电机低负荷（低励磁）运行时：发电机低
6、负荷（低励磁）运行时：系统短路系统短路短路电流小、衰减短路电流小、衰减延时保护不正确动作延时保护不正确动作强行励磁强行励磁加速电压恢复加速电压恢复异步运行异步运行励磁励磁增大短路电流增大短路电流延时保护正确动作延时保护正确动作第10页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化11二、对励磁系统的基本要求二、对励磁系统的基本要求（一）对励磁调节器的要求（一）对励磁调节器的要求5 5、励磁调节器应能迅速反映故障，具备强行励磁等控制功能，以提高暂态稳定和改善系、励磁调节器应能迅速反映故障，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。统运行条件。1 1、具有较小的时间常数，能迅速
7、响应输入信息的变化；、具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化；2 2、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、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的水平；压在给定的水平；3 3、励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；、励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；4 4、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、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；区；主要任务：主要任务：检测系统运行状态，产生相应的控制信号经放大后控制功率单元的检测系统运行状态，产生相应的控制信号
8、经放大后控制功率单元的输出，得到要求的发电机励磁电流。输出，得到要求的发电机励磁电流。第11页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化12二、对励磁系统的基本要求二、对励磁系统的基本要求（二）对励磁功率单元的要求（二）对励磁功率单元的要求1 1、具有足够的可靠性并具有一定的调节容量、具有足够的可靠性并具有一定的调节容量2 2、足够的励磁顶值电压和电压上升速度、足够的励磁顶值电压和电压上升速度励磁系统两项重要的技术指标：励磁顶值电压励磁系统两项重要的技术指标：励磁顶值电压 电压上升速度电压上升速度励磁顶值电压励磁顶值电压 ：励磁功率单元在强行励磁时可能提供的最高输出电压：励磁功率单元在
9、强行励磁时可能提供的最高输出电压强励倍数：强励倍数：一般一般1.621.62第12页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化13第一节第一节 概概 述述 小结小结主要内容：主要内容：难点：难点：重点：重点：同步发电机励磁自动控制的任务同步发电机励磁自动控制的任务 并联发电机间无功功率的分配并联发电机间无功功率的分配 同步发电机励磁自动控制的任务同步发电机励磁自动控制的任务 电压控制电压控制 控制无功功率分配控制无功功率分配 提高同步发电机并联运行的稳定性提高同步发电机并联运行的稳定性 改善电力系统运行条件改善电力系统运行条件 水轮发电机组要求实现强行减磁水轮发电机组要求实现强行减磁
10、对励磁系统的基本要求对励磁系统的基本要求（调节器；功率单元）（调节器；功率单元）发电机励磁、电压、无功功率的关系发电机励磁、电压、无功功率的关系第13页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化14三种励磁系统三种励磁系统(励磁功率单元励磁功率单元)：直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统 静止励磁系统静止励磁系统1、直流励磁机励磁励磁系统、直流励磁机励磁励磁系统（自励和他励两种方式）（自励和他励两种方式）1 1、自励直流励磁机励磁系统：转子由专用的直流励磁机供电、自励直流励磁机励磁系统：转子由专用的直流励磁机供电 同步同步发电发电机的励磁机的励磁绕
11、组绕组FLQFLQ 由同由同轴轴直流直流发电发电机机L L供供电电 直流励磁机励磁绕组直流励磁机励磁绕组 由由L L自励自励+励磁调节器提供电流励磁调节器提供电流第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统第14页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化152 2、他励直流励磁机、他励直流励磁机励磁励磁系统：励磁机系统：励磁机L L的励磁绕组由的励磁绕组由FLFL供电供电他励的优点：他励的优点：反应快，时间常数小。反应快，时间常数小。直流励磁机：交流直流励磁机：交流+机械整流机械整流容量大时维护困难容量大时维护困难交流交流+可控硅整流可控硅整流交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系
12、统第15页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化16二、交流励磁机励磁系统二、交流励磁机励磁系统（100MW100MW以上发电机以上发电机）1 1、他、他励交流励磁机励磁系统励交流励磁机励磁系统他励他励：要求发应速度快，一般采用他励。：要求发应速度快，一般采用他励。第16页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化172、无刷励磁系统、无刷励磁系统（解决滑环问题）（解决滑环问题）4)励磁机电枢和发电机转子旋转，不励磁机电枢和发电机转子旋转，不能接入灭磁设备，无法常规检测能接入灭磁设备，无法常规检测特点：特点：1)无炭刷，滑环，维护工作量小无炭刷，滑环，维护工作量小2)励磁机
13、独立供电，可靠性高励磁机独立供电，可靠性高3)调节励磁机励磁，响应速度慢调节励磁机励磁，响应速度慢副副主主发发转子（励磁）转子（励磁）硅整流硅整流定子输出定子输出永磁发电机永磁发电机定子电流定子电流整流整流励磁绕组励磁绕组励磁机励磁机调节器调节器5)要求旋转部分机械性能良好要求旋转部分机械性能良好6)污染少，电机绝缘寿命长污染少，电机绝缘寿命长第17页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化18三、静止励磁系统三、静止励磁系统（300MW300MW及以上发电机）及以上发电机）发电机不用励磁机，由机端励磁变压器整流供给励磁发电机不用励磁机，由机端励磁变压器整流供给励磁1、无转动部分、无
14、转动部分2、励磁电源由发电机本身提供、励磁电源由发电机本身提供(并自励并自励)1)顶值电压受发电机机端及系统侧故障影响顶值电压受发电机机端及系统侧故障影响 (转子时间常数大，转子时间常数大，0.5s变化不大变化不大)优点：优点：1)简单，无转动部分，可靠性高简单，无转动部分，可靠性高2)主轴缩短主轴缩短3)响应速度快响应速度快2)保护设备工作保护设备工作(主设备主设备0.1s内动作内动作)问题：问题：无刷励磁和交流他励无刷励磁和交流他励励磁各有什么优点？励磁各有什么优点？4)机端取励磁能量机端取励磁能量第18页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化19第三节第三节 励磁系统中转子磁
15、场的建立和灭磁励磁系统中转子磁场的建立和灭磁强励（发电机强行励磁）：强励（发电机强行励磁）：机端电压下降到机端电压下降到(0.80.85)(0.80.85)，使励磁电压迅速达到顶值，使励磁电压迅速达到顶值强励顶值：强励顶值：（1.821.82）响应比：转子磁场的建立速度响应比：转子磁场的建立速度(发电机的磁场发电机的磁场)两个指标两个指标励磁机时间常数励磁机时间常数转子磁场建立速度转子磁场建立速度-响应比响应比强励速度强励速度转子磁场能量迅速消释，且无内部过电压。转子磁场能量迅速消释，且无内部过电压。灭磁：灭磁：磁场建立：励磁机时间常数，响应比磁场建立：励磁机时间常数，响应比 灭磁方式：常数电
16、阻放电灭磁，理想灭磁灭磁方式：常数电阻放电灭磁，理想灭磁本节问题：本节问题：第19页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化20一、时间常数（励磁机的磁场）一、时间常数（励磁机的磁场）他励直流励磁机时间常数他励直流励磁机时间常数时间常数时间常数按指数曲线增长按指数曲线增长第20页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化21 自励直流励磁机时间常数自励直流励磁机时间常数1 1得时间常数得时间常数虚线上任一点的励磁机电势虚线上任一点的励磁机电势且且第21页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化22 TcTc与与TtTt的比较的比较时间常数时间常数比较接近比较接近自励
17、系统自励系统 建立是建立是 与与 相互作用相互作用-增大等值时间常数增大等值时间常数他励系统他励系统 建立与建立与 本身无关本身无关-励磁绕组自身的时间常数励磁绕组自身的时间常数以上结论适用交流励磁系统以上结论适用交流励磁系统第22页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化23二、电压响应比二、电压响应比（反映发电机转子磁场建立过程）（反映发电机转子磁场建立过程）忽略发电机转子电阻和定子的影响（定子开路）忽略发电机转子电阻和定子的影响（定子开路）定义：励磁电压在定义：励磁电压在最初最初0.5s0.5s内内上升的平均速度上升的平均速度cabt(s)d00.5转子磁场方程：转子磁场方程：
18、相同相同励磁电压响应比：励磁电压响应比：强励倍数：强励倍数：第23页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化24励磁电压响应时间：励磁电压响应时间：高初始响应励磁系统高初始响应励磁系统：响应时间小于等于：响应时间小于等于0.1s从从 上升到上升到 所用时间所用时间t0励磁电压响应时间励磁电压响应时间第24页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化25三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁（磁场尽快减到最小）（磁场尽快减到最小）灭磁的最快方式：断开励磁回路灭磁的最快方式：断开励磁回路灭磁时间短灭磁时间短评价灭磁评价灭磁转子电压不大于允许值转子电压不大于允
19、许值 产生过电压产生过电压将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁 避免过电压避免过电压第25页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化26i i衰减的时间常数衰减的时间常数大大时间常数小，时间常数小，i i衰减快衰减快小小转子热状态电阻转子热状态电阻手册规定：手册规定：灭磁时间灭磁时间57s57s大，不安全大，不安全t0时间常数大，时间常数大，i i衰减慢衰减慢小，安全小，安全转子转子GEWGEW电压：电压：最大值：最大值：第26页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化27四、理想灭磁过程四、理想灭磁过程2 20 0t t1 1理想：在整个过
20、程中保持理想：在整个过程中保持为最大允许值，直到励磁回路断开为最大允许值，直到励磁回路断开(i=0)(i=0)第27页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化28五交流励磁机系统的逆变灭磁五交流励磁机系统的逆变灭磁晶闸管整流桥向转子供应励磁电流时：控制角晶闸管整流桥向转子供应励磁电流时：控制角0 00 180逆变状态，实现灭磁逆变状态，实现灭磁(回送能量回送能量)整流电压整流电压0需加并联电阻需加并联电阻第28页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化29重点：重点：主要内容：主要内容：难点：难点：交流励磁机励磁系统、静止励磁系统交流励磁机励磁系统、静止励磁系统 电压响应比
21、电压响应比 理想灭磁理想灭磁 直流发电机励磁直流发电机励磁 交流励磁机励磁系统交流励磁机励磁系统 静止励磁系统静止励磁系统 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统 概念：强励倍数、电压响应比、灭磁概念：强励倍数、电压响应比、灭磁 理想灭磁理想灭磁第二、三节第二、三节 小结小结 时间常数时间常数 电压响应比电压响应比 励磁绕组对恒电阻放电灭磁励磁绕组对恒电阻放电灭磁 理想灭磁过程理想灭磁过程 交流励磁机系统的逆变灭磁交流励磁机系统的逆变灭磁 励磁系统转子磁场建立和灭磁励磁系统转子磁场建立和灭磁第29页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化30第四节第四节 励磁调节器的原理励磁调节器的原
22、理一、励磁调节器的功能和基本框图一、励磁调节器的功能和基本框图二、励磁调节原理二、励磁调节原理 三、励磁调节器的静态工作特性三、励磁调节器的静态工作特性四、励磁调节器静态特性的调整四、励磁调节器静态特性的调整第30页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化31一、励磁调节器的功能和基本框图一、励磁调节器的功能和基本框图励磁调节单元最基本的部分：励磁调节单元最基本的部分：闭环比例调节器闭环比例调节器励磁调节器励磁调节器保持无功合理分配保持无功合理分配主要功能：主要功能：人工长期经验的总结人工长期经验的总结:调整容量调整容量允许的电压的变动范围允许的电压的变动范围5%5%人工调压作用人工
23、调压作用0b ba a第31页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化32典型晶闸管自动励磁调节器框图典型晶闸管自动励磁调节器框图实现实现特性特性0b ba a第32页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化33实现基本功能实现基本功能 二、励磁调节器原理二、励磁调节器原理 测量比较测量比较综合放大综合放大移相触发移相触发基本控制：基本控制：+自动自动-手动切换手动切换附加控制信号附加控制信号改善动态特性改善动态特性辅助控制辅助控制满足不同工况满足不同工况改善稳定性改善稳定性放大放大同步同步触发触发基本环节基本环节 测量测量第33页，本讲稿共47页2022/10/26电力系
24、统自动化34 测量比较单元测量比较单元作用：作用：测量测量 并变成直流，与给定值比较，得偏差信号并变成直流，与给定值比较，得偏差信号()组成组成电压测量电压测量:变换、整流、滤波变换、整流、滤波比较整定环节比较整定环节a ab b（测量电压）（测量电压）第34页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化35 综合放大单元综合放大单元输入输入多种辅助控制信号多种辅助控制信号基本控制部分的电压偏差信号基本控制部分的电压偏差信号-10-6-202610-22610-6-10功能：功能：综合综合-输入多信号输入多信号的运算的运算放大放大-输入多信号输入多信号的运算的运算最大最小励磁限制信号最大
25、最小励磁限制信号励磁系统稳定信号励磁系统稳定信号电力系统稳定器信号电力系统稳定器信号被调节控制量被调节控制量反馈控制量反馈控制量限制控制量限制控制量输入信号分类输入信号分类第35页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化36 移相触移相触发单发单元：元：调节调节器的器的输输出出单单元元 作用：作用：根据根据 产生触发脉冲（产生触发脉冲（），改变整流输出，达到调节励磁的目的），改变整流输出，达到调节励磁的目的整流整流逆变逆变第36页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化37 自自动动-手手动动的自的自动动切切换换双通道结构双通道结构自动（自动（ACAC）调节器：主调节器）调
26、节器：主调节器 ，正常使用，正常使用手动（手动（DCDC）调节器：调节器：ACAC的备用（的备用（ACAC故障）故障）“DC”方式：方式：自动跟踪器：自动跟踪器：“DC”DC”自动跟踪自动跟踪“AC”,AC”,保持切换时冲击最小保持切换时冲击最小直接给出直接给出 代替代替 测量放大部分测量放大部分第37页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化38三、励磁调节器的静态工作特性三、励磁调节器的静态工作特性(一一)静态工作特性的合成静态工作特性的合成励磁调节器简化框图励磁调节器简化框图0 00 00 0右移右移右移右移b ba a0 0第38页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统
27、自动化39测量单元：测量单元：放大单元：线性元件放大单元：线性元件移相触发移相触发+整流单元：整流单元：调节器的放大倍数：调节器的放大倍数：ab段：段：第39页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化40(二二)发电机励磁控制系统静态特性发电机励磁控制系统静态特性发电机的调节特性：发电机转子电流发电机的调节特性：发电机转子电流 与无功负荷电流与无功负荷电流 的关系的关系发电机的无功调节特性：发电机的无功调节特性：a ab bb bb ba aa a第40页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化41第41页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化42四、励磁调节器
28、静态特性的调整四、励磁调节器静态特性的调整调整目的：满足运行要求调整目的：满足运行要求 保证并列运行机组间无功电流的合理分配保证并列运行机组间无功电流的合理分配 保证发电机平稳投退保证发电机平稳投退（一）（一）调差系数调整（调差单元）调差系数调整（调差单元）第42页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化43调差系统调整原理调差系统调整原理测量单元输入：测量单元输入：正调差：正调差：负调差：负调差：第43页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化44具体接线举例具体接线举例测量单元输入测量单元输入正调差正调差负调差负调差第44页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自
29、动化45（二）（二）外特性平移外特性平移发电机投退发电机投退2 23 30 01 1外特性平移外特性平移无功转移无功转移静特性平移静特性平移“测量特性测量特性”平移平移第45页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化46第四节第四节 励磁调节器原理励磁调节器原理 小结小结主要内容主要内容重点重点难点难点 励磁调节器的功能和基本框图励磁调节器的功能和基本框图励磁调节器原理励磁调节器原理 励磁调节器静态工作特性励磁调节器静态工作特性 励磁调节器静态工作特性的调整励磁调节器静态工作特性的调整 测量比较单元测量比较单元 综合放大单元综合放大单元 移相触发单元移相触发单元 自动自动-手动的自动
30、切换手动的自动切换 静态工作特性合成静态工作特性合成 静态工作特性（外特性；调差系数）静态工作特性（外特性；调差系数）调差系数调整（斜率）调差系数调整（斜率）调节特性平移调节特性平移 励磁调节器的基本框图励磁调节器的基本框图 静态工作特性及其调整静态工作特性及其调整静态工作特性及其调整静态工作特性及其调整第46页，本讲稿共47页2022/10/26电力系统自动化47练习、思考题：练习、思考题：1、同步发电机励磁自动控制系统的任务有哪些？同步发电机励磁自动控制系统的任务有哪些？2 2、发电机单机运行时调节励磁电流有什么作用？发电机与无穷大母线并联运行时调节励磁电流有发电机单机运行时调节励磁电流有
31、什么作用？发电机与无穷大母线并联运行时调节励磁电流有什么作用？多台发电机实际并联运行时调节励磁电流有什么作用？（能够分析）什么作用？多台发电机实际并联运行时调节励磁电流有什么作用？（能够分析）3 3、励磁调节为什么能控制电压变化？励磁调节为什么能控制电压变化？4 4、励磁系统由哪两部分组成？各完成什么功能？励磁系统由哪两部分组成？各完成什么功能？5 5、辨认励磁系统，并说明特点。辨认励磁系统，并说明特点。6 6、写出自励系统和他励系统的时间常数，比较说明什么问题？写出自励系统和他励系统的时间常数，比较说明什么问题？7 7、何时需强励？何时需强励？什么是励磁电压响应比和强励倍数？励磁电压上升曲线
32、什么是励磁电压响应比和强励倍数？励磁电压上升曲线如图如图2-162-16，已知：已知：，求励磁电压响应比。，求励磁电压响应比。8 8、什么是灭磁？何时需要灭磁？发电机灭磁有哪些方法？各有什么特点？什么是灭磁？何时需要灭磁？发电机灭磁有哪些方法？各有什么特点？9 9、对图、对图2-242-24，简述励磁自动控制系统的基本工作原理。简述励磁自动控制系统的基本工作原理。1010、励磁调节器的基本控制环节有哪些？各有什么作用？输入输出特性？励磁调节器的基本控制环节有哪些？各有什么作用？输入输出特性？1111、根据励磁调节器的基本控制环节的输入输出特性，合成励磁调节器的静态工作特性，并根据励磁调节器的基本控制环节的输入输出特性，合成励磁调节器的静态工作特性，并说明如何维持发电机电压？说明如何维持发电机电压？1212、励磁调节器的静态工作特性的调整包括什么内容？怎么实现？有什么实际意义？励磁调节器的静态工作特性的调整包括什么内容？怎么实现？有什么实际意义？第47页，本讲稿共47页