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1、0 概述?励磁系统的作用：?电压控制及无功功率分配励磁电流是发电机建立电压的基础，是电力系统唯一的电压资源。电压资源是无功功率存在的前提，无功功率的平衡是电压质量的保证。?提高电力系统运行的稳定性?提高继电保护装置的灵敏度?励磁系统种类?直流励磁机系统：自励、他励用于中小型机组?交流励磁机系统：自励、他励、无刷励磁用于大型机组?无励磁机自励系统第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机励磁系统同步发电机励磁系统自励：从自身获得励磁电流他励：从其它电源获得励磁电流第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同
2、步发电机的励磁系统直流励磁机专门用来给同步发电机励磁回路提供电源的直流发电机。它与主发电机一起由原动机带动。优缺点：优点接线简单、调节方便，消耗的厂用电少；缺点存在整流环，故功率有限制；检修时须停机适用范围：曾是发电机的主要励磁方式，目前100MW以下机组大多采用此方式。不适用于大容量机组。分类：自励直流励磁机系统：励磁机的励磁绕组由其电枢并联供电1 1 1 1 直流励磁机系统直流励磁机系统直流励磁机系统直流励磁机系统发电机G的励磁绕组由专用励磁机GE供电，EEL是励磁机的励磁绕组，调节电阻R可调节电流，从而调节GE的输出电流即G的励磁电流，达到调节G机端电压的目的。该方式的特点是外部电网发生
3、事故不影响励磁机工作，接线简单，运行可靠。另外可减小调压器的容量，实现控制元件的小型化。EELI特点（与自励直流励磁机的区别）：有副励磁机。副励磁机、主励磁机、发电机三者同轴。主励磁机有两个励磁绕组，一个由副励磁机供电，另一个由AVR直接控制。优点：能提高电压增长速度，因而可减小励磁机时间常数；缺点：设备数量多，接线复杂，投资大。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统 他励直流励磁机系统：主励磁机的励磁绕组由副励磁机的电枢供给，而副励磁机的励磁电流则由本身的电枢并联供电副励磁机励磁机发电机励磁机的时间常数他励励磁机的励磁
4、电流按指数曲线增长，时间常数为和是励磁机励磁线圈的电阻和电感。EEtLTR=REEL自励励磁机的励磁电流按指数曲线增长，时间常数为为比例常数。显然EEseLTRk=ktseTT第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统 大容量机组（100MW以上）要求响应速度快，故一般采用他励。主励磁机+副励磁机 不与原动机同轴，频率为100HZ或更高（故为快速励磁系统）。他励交流励磁机系统：2 2 2 2 交流励磁机系统交流励磁机系统交流励磁机系统交流励磁机系统副励磁机频率一般为500HZ，主励磁机频率为100HZ。副励磁机为自励式交流发
5、电机，励磁绕组由本机电压经晶闸管整流后供电，由自动恒压器调节励磁以维持端电压恒定。发电机启动时，剩磁不足以启动晶闸管，故需外加直流起励电源，副励磁机可靠工作时，此电源才退出。该方式工作可靠，但造价较高，励磁时间常数较大，励磁调节的快速性较差。副励磁机主励磁机第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统MFG的输出电压（交流）基本不变。图2-18与图2-17的区别：2-18：直接调节发电机励磁电流2-17：调节主励磁机励磁电流因此：2-18响应速度快，但要求主励磁机的运行容量较大。问题：若全厂所有机组都须起励电源，当发生全厂性停
6、电事故时，发电机将无法发电。解决办法1：起励电源不从机组母线上引接，从厂外引接电源或用蓄电池解决办法2：采用永磁式副励磁机第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统励磁机GE经晶闸管给发电机提供励磁电流，自动调压器控制晶闸管的触发角（点燃角），调节励磁电流。响应速度快，但要求励磁机容量大。励磁机GE经二极管给发电机提供励磁电流，自动调压器控制励磁机励磁回路，调节励磁机的励磁电流以调节励磁机输出电压，进而达到调节发电机励磁电流的目的。自励交流励磁机系统：晶闸管二极管第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二
7、节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统问题的提出：他励和自励交流励磁机系统都属于静止励磁（因为晶闸管和二极管都是静止元件），都要经过滑环才能向励磁绕组供电。大型机组的励磁电流也大，因此对滑环的质量要求较高，维护工作量大。能否革除这一薄弱元件呢？解决：无刷励磁原理：主励磁机GE为旋转电枢式（励磁绕组EEL静止），硅整流器也同轴旋转，所以也称旋转硅二极管励磁。由于同轴旋转，故不须滑环和电 无刷励磁系统：刷。并且由于磁极静止，便于调压器对励磁电流进行控制，保证端电压不变。无刷励磁的缺点：不便于监视电压、电流、绝缘状况等，不便于实现电压反馈副励磁机3 3 3 3 无励磁机的发电机自励系统无
8、励磁机的发电机自励系统无励磁机的发电机自励系统无励磁机的发电机自励系统第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统 问题的提出：励磁机可靠性不高，是励磁系统的薄弱环节。自励方案：静止式励磁从发电机机端获取电源，经控制整流后加至励磁绕组，维持机端电压恒定。除了发电机外，没有其他旋转元件，故称静止式励磁。?自并励方案：最简单整流变压器TU提供励磁功率，经整流后向发电机提供励磁电流，自动调压器控制晶闸管触发角。起励电源用以发电机启动时建立电压。称为并励，是因为整流变并联于发电机的机端。优点不需励磁机，系统简单，可靠性高，投资少，检修
9、维护方便；由晶闸管直接控制，响应速度快；机组甩负荷时，过电压较低。缺点发电机近端短路且切除时间较长时，随着机端电压下降，励磁电流也将下降，强励能力差，不利于电力系统的稳定。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第二节第二节 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统适用范围：与系统间有升压变压器的机组、抽水蓄能机组等。?自复励方案：较复杂同时从电压源TV和电流源（可控变流器）获取励磁电源。这种方式的励磁功率不仅取决于电流和电压，而且取决于二者间的相角差，故又称为相复劢。原理：故障时，机端电压降低，TV向励磁系统提供的功率减小；但同时由于电流增大，可控变流器可以向励磁系统提供较
10、大的励磁功率，可以补偿TV提供功率的不足。因此系统仍能获得相应的无功功率。优点：具有较好的补偿作用；励磁系统时间常数Te0，励磁快速，有利于发挥励磁控制对系统稳定的作用。0 0 0 0 概述概述概述概述对应于不同类型的故障，励磁系统存在强励与灭磁两个相反的问题。快速强行励磁问题：在发生某些事故比如发电机外部短路故障时，母线电压极度降低，说明无功功率缺额很大，要求发电机应能迅速地提供这些缺额，以便系统恢复正常。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁故障时励磁系统的特性及其自动控制设备的工作原理故障时励磁
11、系统的特性及其自动控制设备的工作原理励磁系统应有足够的调节容量有很快的响应速度快（强励顶值）（响应比）强励顶值：转子绕组励磁电压的最大值快速灭磁问题：又称强行减磁，当发生另外一些故障比如绕组内部故障时，须将发电机退出，同时必须使磁场消失，否则发电机会因过励而过电压，导致发电机过热或者扩大事故。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁1 1 1 1 强励作用与继电强励强励作用与继电强励强励作用与继电强励强励作用与继电强励 强励作用：强行励磁作用的简称，是自动调节励磁系统的一项重要功能。概念：在发生短路故障
12、时，机端电压极度降低，需要励磁系统提供远比正常额定值为大的励磁电流，输送尽可能多的无功功率，以恢复机端电压，利于系统的稳定运行。这种功能称为强励作用。作用与意义：利于电力系统的安全稳定运行?有助于继电保护的正确动作：主要提高过流保护的可靠性?有益于故障消除后电动机的自启动?可缩短电力系统恢复到正常状态的时间 实现方式：?有励磁机情况：继电强行励磁，即短接励磁机励磁绕组中的分压电阻?现代静止励磁系统：控制晶闸管触发角第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁 继电强行励磁：接线图：原理：短接励磁机励磁绕组中
13、的分压电阻动作过程：短路故障时，机端电压下降，低电压继电器KV动作，接触器KM得电，常开接点闭合短接电阻R，使励磁机的端电压（也即发电机励磁绕组电压）上升到顶值（为额定值的1.82倍，称强励倍数）Re的作用：防止过电压双低压启动：防止误动作强励继电器（低电压启动）强励动作电压：额定电压的0.80.85倍，即机端电压低于额定值的15%20%时，KV动作。强励时间：约20s，若20s后故障仍未消失，则人工切除强励装置以防止转子过热。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁交流励磁机转子过流及其时限：电流越大
14、，允许强励时间越短。继电强励的作用与励磁机的响应速度和转子磁场的建立速度有关，速度越快，则强励作用越能得到发挥。励磁机的时间常数与其励磁绕组的电感和电阻有关，转子磁场的建立速度可用电压响应比描述。2 2 2 2 电压响应比电压响应比电压响应比电压响应比描述转子磁场建立速度的粗略参数，可由电机生产厂家进行试验、作图求出。电压响应比越大，励磁电压达到顶值的时间就越短，对系统运行越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定。右图中，电压响应比cd()/s0.5oan=电压标幺值第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立
15、与灭磁3 3 3 3 转子回路的灭磁问题转子回路的灭磁问题转子回路的灭磁问题转子回路的灭磁问题（直流励磁机系统直流励磁机系统直流励磁机系统直流励磁机系统）问题的引出：发电机内部短路时，机端和发电机内部都会产生短路电流，外部电流可用断路器切断。内部的短路电流必须使感应电动势为零才能消除。因此只有尽快将励磁减到最小，才能消除内部短路电流，使短路危害降低到最小程度。灭磁方法及其原理：在转子回路加装灭磁开关SD，灭磁时，SD先合上灭磁电阻R，再断开励磁回路（为什么？）R的取值：由于灭磁回路时间常数为 L/R，R越大，时间常数越小，即灭磁过程越快。但同时，由于励磁绕组电压与R成正比，R越大，电压越高，对
16、绕组不利。第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁 理想的灭磁过程与快速灭磁开关：灭磁时，励磁绕组电压与电流都按指数规律衰减，灭磁过程较长（开始时衰减速度快，越往后衰减越慢，如图中曲线1）。理想的灭磁过程应如直线2所示，电流以等速度减小，由于即电压保持不变（最大允许值）。可用快速灭磁开关实现近似理想灭磁过程（略）。rLrLLdiedt=第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁4 4 4 4 直流励磁系统直流励磁系
17、统直流励磁系统直流励磁系统举例举例举例举例自励式自励式自励式自励式强励接点减磁电阻灭磁开关保护电阻第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁5 5 5 5 交流励磁机系统交流励磁机系统交流励磁机系统交流励磁机系统的逆变灭磁的逆变灭磁的逆变灭磁的逆变灭磁图2-18的永磁交流励磁系统、2-19的自励交流励磁系统、2-22的无刷励磁系统、2-23的自并励励磁系统，都采用全控桥向主发电机提供励磁电流。原理：全控桥具有逆变特性一个周期内每隔60度轮流触发+a、-c、+b、-a、+c、-b。以0度为自然换相点，当时，
18、全控桥处于整流状态；当时，处于逆变状态。全控桥小电流放电与转子过电压保护09090180第二章第二章 电力系统电压的自动调节电力系统电压的自动调节第三节第三节 励磁系统中转子磁场的建立与灭磁励磁系统中转子磁场的建立与灭磁全控桥为整流状态时，向发电机提供励磁电流，即处于励磁状态。改变导通角的大小，即可改变励磁电流大小。全控桥为逆变状态时，转子回路储存的磁场能量反送电源，即处于灭磁状态。灭磁方法：在断开发电机的同时，使触发角由小于90度突然改变为大于90度（140度左右）。全控桥输出电压与原来反向，但由于电感电流不能突变，转子中会产生一个反向电动势以维持原来的电流，使转子电流等速度减小，磁场能量不断减少。转子电流小到不能维持逆变状态时，全控桥停止工作，改由电阻r1、放电。过电压保护：过电压时，晶闸管、或、导通，为高电压提供旁路。