第二章 同步发电机励磁自动控制系统第一节 概述励磁电流 空载电动势
同步发电机的励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器
一、同步发电机励磁控制系统的任务
（一）电压控制单机运行:
式中 ——发电机直轴同步电抗
式中 —与间的相角，即发电机的功率角；
—发电机的无功电流。
一般很小，可近似认为，于是，可得简化的运算式为
上式说明，负荷的无功电流是造成与幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也越大。
线1：不变
曲线2：不变
（二）控制无功功率的分配
1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题：
无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数，即
常数 常数
的端点则沿着虚线变化
的端点则沿着虚线变化由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。
2、并联运行各发电机间无功功率的分配
当母线电压为时：
无功负荷增加,母线电压降到时：
显然：
（三）提高同步发电机并联运行的稳定性励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变空载电动势值来改善系统稳定性的。
励磁对静态稳定的影响
—系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和；
—发电机空载电动势和受端电压间的相角。
功率极限为，即
静态稳定极限功率与发电机空载电动势成正比，而值与励磁电流有关。
无自动调节励磁时，因励磁电流恒定，＝常数，此时的功角特性称为内功率特性；
若有灵敏和快速的励磁调节器，则可视为保持发电机电压为恒定。即＝常数，由相应一簇不同的的功角特性求得曲线B（称为外功角特性，见图2-8）最大值出现在与之间功率角时，即（此时大于）。
对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统，则近似按＝常数求得的功角特性曲线C工作，（此时大于）显然，它使发电机能在大于范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。
励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。
励磁对暂态稳定的影响
功角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；
功角特性曲线II：对应于一回线故障时的运行状况；
功角特性曲线III：对应于故障切除后一回线运行。
加速面积abce小于减速面积defg，系统是暂态稳定的。
故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势上升而增加电功率输出，使增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。
快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数
（四）改善电力系统的运行条件改善异步电动机的自起动条件为发电机异步运行创造条件
3、提高继电保护装置工作的正确性
（五）水轮发电机组要求强行减磁二、对励磁系统的基本要求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。
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系数可以在10％以内进行调整。
3、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。
对励磁功率单元的要求
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具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。
第二节 同步发电机励磁系统同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源直流励磁机 换流困难 交流励磁机 缩短主轴长度 发电机自并励
去掉滑环和电刷一、直流励磁机励磁系统
（一）自励直流励磁机励磁系统发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流
（二）他励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机二、交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统
（二）、无刷励磁系统
（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。
（2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。
（3）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构外，还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施——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的等值时间常数。
（4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等），必须采用特殊的测试方法。
（5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。
（6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
静止励磁方式的主要优点是：
（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。
（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。
（3）直接利用晶闸管取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。
第三节 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁建立：在外部事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度，即强励顶值与响应比灭磁：发电机绕组内部故障等，使转子磁场内存储的大量能量迅速消释，而不致在发电机内产生危险的过电压一、时间常数他励直流励磁机时间常数
式中、——励磁机励磁线圈的电阻和电感
是按指数曲线增长的，其时间常数为
由于励磁机电势正比于，也是按指数曲线增加的。
自励直流励磁机时间常数
式中 ——自励直流发电机的残余电势值
——励磁机的工作电压值
——励磁机的工作电流值
k——比例常数对自励励磁机的电势，也有
代入，得
整理之，得
由此得自励系统的时间常数
（三）自励系统时间常数与他励系统时间常数的比较
>
原因就在于他励系统的电压的建立过程与本身无关，它完全是由于外加电动势E的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。但自励系统的建立过程却是与相互作用的结果。
二、电压响应比电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。
式中 —发电机励磁电压上升曲线；
—发电机转子回路的磁通量；
—与转子线圈匝数及转子尺寸有关的常数。
转子磁通增量，正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量于是励磁电压响应比可以定义为
（1/s）
式中 —图中bc段电压标么值。
一般为额定工况下的励磁电压，则为强励倍数励磁系统电压响应时间,指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间励磁系统电压响应时间为0.1s或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到最小程度
因为励磁绕组是一个大电感，用断开转子回路的办法来灭磁是不恰当的。将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁的方法是可行的。
要求：1灭磁时间短
2灭磁过程中转子电压不应超过允许值电流：按指数衰减 时间常数 电阻越大，灭磁过程越快电压：
的最大值为
式中—的初始值电阻越大，电压最大值越大四、理想的灭磁过程理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始终保持转子线圈GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。由于
（式中：为转子回路的电感），使不变，就是使＝常数。这就是说，在灭磁过程中，转子回路的电流应始终以等速度减小，直至为零（而不是按指数曲线减小了）。
五、交流励磁机系统的逆变灭磁利用晶闸管的有源逆变特性来进行转子回路的快速灭磁。
保证逆变过程不致“颠覆”：
逆变角一般取为，即取，
逆变灭磁过程中，交流电源的电压不能消失。
逆变灭磁过程是一个理想的灭磁过程
剩余磁场能量向并联的电阻放电
同步发电机的励磁系统=励磁功率单元+励磁调节器
一、同步发电机励磁控制系统的任务
（一）电压控制单机运行:
式中 ——发电机直轴同步电抗
式中 —与间的相角，即发电机的功率角；
—发电机的无功电流。
一般很小，可近似认为，于是，可得简化的运算式为
上式说明，负荷的无功电流是造成与幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者之间的差值也越大。
线1：不变
曲线2：不变
（二）控制无功功率的分配
1、同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题：
无论励磁电流如何变化，发电机的有功功率均为常数，即
常数 常数
的端点则沿着虚线变化
的端点则沿着虚线变化由此可见，与无限大母线并联运行的机组，调节它的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。
2、并联运行各发电机间无功功率的分配
当母线电压为时：
无功负荷增加,母线电压降到时：
显然：
（三）提高同步发电机并联运行的稳定性励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变空载电动势值来改善系统稳定性的。
励磁对静态稳定的影响
—系统总电抗，一般为发电机，两变压器，输电线电抗之和；
—发电机空载电动势和受端电压间的相角。
功率极限为，即
静态稳定极限功率与发电机空载电动势成正比，而值与励磁电流有关。
无自动调节励磁时，因励磁电流恒定，＝常数，此时的功角特性称为内功率特性；
若有灵敏和快速的励磁调节器，则可视为保持发电机电压为恒定。即＝常数，由相应一簇不同的的功角特性求得曲线B（称为外功角特性，见图2-8）最大值出现在与之间功率角时，即（此时大于）。
对于按电压偏差比例调节的励磁控制系统，则近似按＝常数求得的功角特性曲线C工作，（此时大于）显然，它使发电机能在大于范围的人工稳定区运行，即可提高发电机输送功率极限或提高系统的稳定储备。
励磁调节装置能有效的提高系统静态稳定的极限功率。
励磁对暂态稳定的影响
功角特性曲线I：对应于故障前双回线运行；
功角特性曲线II：对应于一回线故障时的运行状况；
功角特性曲线III：对应于故障切除后一回线运行。
加速面积abce小于减速面积defg，系统是暂态稳定的。
故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势上升而增加电功率输出，使增加，功角特性曲线II和功角特性曲线III幅值增加，既减小了加速面积，又同时增加了减速面积。
快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数
（四）改善电力系统的运行条件改善异步电动机的自起动条件为发电机异步运行创造条件
3、提高继电保护装置工作的正确性
（五）水轮发电机组要求强行减磁二、对励磁系统的基本要求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。
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系数可以在10％以内进行调整。
3、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。
对励磁功率单元的要求
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具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。
第二节 同步发电机励磁系统同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源直流励磁机 换流困难 交流励磁机 缩短主轴长度 发电机自并励
去掉滑环和电刷一、直流励磁机励磁系统
（一）自励直流励磁机励磁系统发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流
（二）他励直流励磁机励磁系统他励直流励磁机的励磁绕组是由副励磁机供电的，比自励多用了一台副励磁机二、交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统
（二）、无刷励磁系统
（1）无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。
（2）发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。
（3）发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构外，还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施——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的等值时间常数。
（4）发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测（如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等），必须采用特殊的测试方法。
（5）要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。
（6）因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
静止励磁方式的主要优点是：
（1）励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。
（2）不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。
（3）直接利用晶闸管取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。
第三节 励磁系统中转子磁场的建立和灭磁建立：在外部事故情况下，转子励磁电压的最大值及其建立的速度，即强励顶值与响应比灭磁：发电机绕组内部故障等，使转子磁场内存储的大量能量迅速消释，而不致在发电机内产生危险的过电压一、时间常数他励直流励磁机时间常数
式中、——励磁机励磁线圈的电阻和电感
是按指数曲线增长的，其时间常数为
由于励磁机电势正比于，也是按指数曲线增加的。
自励直流励磁机时间常数
式中 ——自励直流发电机的残余电势值
——励磁机的工作电压值
——励磁机的工作电流值
k——比例常数对自励励磁机的电势，也有
代入，得
整理之，得
由此得自励系统的时间常数
（三）自励系统时间常数与他励系统时间常数的比较
>
原因就在于他励系统的电压的建立过程与本身无关，它完全是由于外加电动势E的作用，即只与励磁线圈的时间常数有关。但自励系统的建立过程却是与相互作用的结果。
二、电压响应比电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。
式中 —发电机励磁电压上升曲线；
—发电机转子回路的磁通量；
—与转子线圈匝数及转子尺寸有关的常数。
转子磁通增量，正比于励磁电压伏秒曲线下的面积增量于是励磁电压响应比可以定义为
（1/s）
式中 —图中bc段电压标么值。
一般为额定工况下的励磁电压，则为强励倍数励磁系统电压响应时间,指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间励磁系统电压响应时间为0.1s或更短的励磁系统，称为高初始响应励磁系统三、励磁绕组对恒定电阻放电灭磁所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快的减弱到最小程度
因为励磁绕组是一个大电感，用断开转子回路的办法来灭磁是不恰当的。将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁的方法是可行的。
要求：1灭磁时间短
2灭磁过程中转子电压不应超过允许值电流：按指数衰减 时间常数 电阻越大，灭磁过程越快电压：
的最大值为
式中—的初始值电阻越大，电压最大值越大四、理想的灭磁过程理想的灭磁过程，就是在整个灭磁过程中始终保持转子线圈GEW的端电压为最大允许值不变，直至励磁回路断开为止。由于
（式中：为转子回路的电感），使不变，就是使＝常数。这就是说，在灭磁过程中，转子回路的电流应始终以等速度减小，直至为零（而不是按指数曲线减小了）。
五、交流励磁机系统的逆变灭磁利用晶闸管的有源逆变特性来进行转子回路的快速灭磁。
保证逆变过程不致“颠覆”：
逆变角一般取为，即取，
逆变灭磁过程中，交流电源的电压不能消失。
逆变灭磁过程是一个理想的灭磁过程
剩余磁场能量向并联的电阻放电
