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可见，对于功率大于600KW的汽轮发电机，无法采用同轴直流励磁机系统，目前通常采用他励交流励磁机系统，自励或自复励静止式励磁系统。 励磁调节器的发展 励磁调节器是励磁控制系统的智能部件，它是根据发电机机端电压（和电流）的变化对机组励磁产生校正作用的装置，用来实现正常和事故情况下励磁的自动调节。所以，除了应具有调节器可靠性高的性能和便于维护外，还必须是连续作用的比例型调节装置，既它产生校正作用的大小应与输出电压的偏差成正比。这就要求调节器反应灵敏，没有死区，响应速度快，时滞尽可能小，并满足事故和正常情况下的要求。 早期的调节器为振动型和变阻型，都具有机械部件，称为机电型调节器，由于它不能连续调节，响应速度缓慢，早已被淘汰。 50年代以来，磁放大器出现后，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器，由于磁放大器具有时滞性，因此，调节器具有较大的时间常数，则调节器速度缓慢，但可靠性较高，通常用于直流励磁机系统。 60年带初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体调节器，由于半导体元件几乎没有时滞，功率放大倍数也高，因此，半导体调节器的调节速度较快。 70年代初期，半导体调节器已获得广泛应用，通常同于他；励交流励磁机系统。 上述的电磁型、半导体型调节器，均属于模拟式（即模拟量空制）的调节器，其电压偏差的测量、综合放大、移项触发和调差环节，全由相应的硬件（电气器件）完成。要实现自动升压、低励限制、过励限制、系统稳定（PSS）等多种控制功能，必须增加相应功能的硬件电路。所以，其元件数目将大大增加，电路将更加复杂、运行操作更琐碎、维护更困难。近年来随着电力系统的发展，大机组的出现，要求调节器具有更高的技术经济指标，更完善的控制功能。 3微机调节器电压偏差的计算、移项触发、调差环节、自动零起励（或降压）、低励限制、过励限制、系统稳定（PSS）等控制功能，都可以由相应的软件来完成，不需要增加相应功能的硬件电路。同时各种控制功能都可以根据需要随意取舍，十分灵活，可见，在模拟式调节器中很难实现甚至无法实现的某些控制功能，在微机调节器中则很容易实现。 调节器按其构成可以分为机电式、电磁式、半导体式调节器；按其控制量分为模拟式、数字式调节器；按其调节原理分为电压偏差的比例调节和定子电流、功率因数的补偿调节。 第二节 励磁调节系统的作用和基本要求 励磁调节系统的作用 同步发电机的运行特性与它的空载电动势值的大小有关，而值是发电机励磁电流的函数，所以，调节励磁电流就等于调节发电机的运行特性。 在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁系统起着重要的作用，优良的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格的电能，还可以改善电力系统的稳定条件。 一 调节电压 电力系统正常运行时，负荷随机波动，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持机端或系统中某点电压啊给定水平，所以励磁系统担任着维持电压水平的任务。 对于单机运行的发电机，引起机端电压变化的主要原因是无工负荷的变化，要保持机端电压不变，必须相应的调节发电机的励磁电流。 二 调节无功功率的分配 设同步发电机与无限大容量母线并联运行，发电机端电压不随负荷变化，是一个恒定值，系统等值电抗为零。 发电机接于无限的容量系统时，调节它的励磁电流只能改变其输出的无工功率，励磁电流过小发电机将从系统中吸收无工功率。在实际运行中，发电机并联的母线并不是无限系统。电压随着负荷波动而变化，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响其本身的电压和无工功率，而且也影响与其并联运行机组的无工功率，影响程度与系统情况有关，所以，同步发电机励磁系统还担负着并联运行机组间无工功率合理分配的任务。 三 提高电力系统的稳定运行。 1、提高静态稳定性 静态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，不发生自发振荡和非周期失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定性高低，可以用输电线路的输送功率极限的大小来判断，这也是励磁装置常用的静态稳定性试验方法。在单机-无穷大系统中，如果发电机没有励磁控制，则正常运行时，发电机的空载电势 保持不变，那么该系统的静态极限为，其功率特性曲线。如果发电机具有常规励磁，比如直流励磁机或者交流励磁机带二极管整流的励磁系统，则可保持发电机的暂态电势不变，因此有，其功率特性曲线。如果发电机配置高放大倍数的快速励磁系统，比如采用运算放大器和可控硅整流器，并且励磁调节器带电力系统稳定器PSS 或者采用最优励磁控制，则可接近保持发电机端电压Ut 不变，因此有，其功率特性曲线。粗约比较一下单机-无穷大系统静稳极限，可见励磁系统对于提高电力系统静态稳定性的作用非常明显。特别是带PSS 或者采用最优控制的快速励磁系统对于电力系统的静态稳定性作用明显。 2、 提高动态稳定性 动态稳定是指电力系统遭受小扰动之后，在自动调节装置和附加控制的作用下，保持较长过程稳定运行的能力（通常指不发生周期性振荡失步）。由于影响动态稳定性的主要因数是电力系统的阻尼特性，因而常规励磁系统对于电力系统的动态稳定性不起多大作用，但是，带PSS 的快速励磁系统能够阻尼系统的低频振荡，从而提高了电力系统动态稳定性。 Pmax’’= UtUc/Xe Pmax’= Eq’ Uc/(Xe+Xd’) Pmax’ Pmax = E0Uc/(Xe+Xd) 2 中：Uc 为无穷大系统电压 Pmax Xd 为d 轴同步电抗 1 Xd’为d 轴暂态电抗 Xe 为发电机至无穷大系统间的电抗 图1-5 调节励磁对功率特性的影响 3、提高暂态稳定性 暂态稳定是指电力系统遭受大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或者恢复到原来状态运行的能力（通常指保持第一或第二个摇摆周期不失步）。由于影响暂态稳定性的主要因数是系统中短路故障性质、主保护的动作情况、重合闸动作成功与否，因而调节励磁对暂态稳定的影响没有对静态稳定那么显著。励磁系统对于提高暂态稳定而言，主要表现在快速励磁和强励的作用上。电力系统中发生短路故障时，由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢，主要靠快速继电保护切除故障，以减少加速面积；而故障切除后，快速励磁和强励可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高。但是发电机励磁回路具有较大的时间常数，即使是快速励磁系统，也只能在故障后0.4~0.6S，使转子达到最大磁通。由大量计算结果可知，故障后发电机摆到最大角度的时间往往只有0.5~0.6S，所以快速励磁和强励所能够增加的制动面积是很有限的，其结果是只能稍许降低第一个振荡周期的摇摆角度。 四 改善电力系统的运行条件。 1、加速系统电压恢复过程和改善异步电动机的启动条件。 电力系统发生短路等故障时，系统电压降低，使大多数用户的电动机处于制动状态，故障切除后，由于电动机的自启动吸收大量的无功功率，以至延缓系统电压的恢复过程。所以，发电机强行励磁可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。 2、为发电机异步运行和自同步并列创造条件 同步发电机失去励磁时，要从系统中吸收大量的无功功率造成系统电压严重下降。甚至危及系统的安全运行，此时，若系统中其他发电机能提供足够的无功功率，以维持系统电压水平，则失磁的发电机 可以在一定时间内以异步运行方式维持运行。这不仅能确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。 若发电机以自同步并列时，将造成系统电压的突然下降，这时系统中其他发电机应迅速增加励磁电流。以保证系统电压的恢复和缩短机组的同步并列时间。 对励磁系统的基本要求 一 对调节器的要求 调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息,以产生相应的控制信号,控制信号经放大后控制励磁功率系统的输出,以得到所需的励磁电流。对调节器的要求如下： 系统正常运行时，调节器应产生有足够的调压范围（10.8～１.２ＵＧ·Ｎ），并能合理的分配机组间无功功率。 系统故障时，调节器应能迅速地强行励磁，以提高系统的暂态稳定和和改善系统的运行条件。 调节器应无失灵区，保证机组在人工稳定区内运行，既静稳极限角δSS。 具有较小的时间常数，既反应速度快。 结构简单、可靠、操作维护方便，并逐步做到系列化、标准化。 ＜二＞对励磁功率系统的要求 励磁功率系统有足够的调节容量，以适应各种运行工况的需要。 (2)具有足够的励磁顶值电压和响应比（电压上升速度）。 第二章励磁系统的选择 第一节励磁系统的技术指标及设计原则 励磁系统的主要技术指标 励磁系统的主要指标有以下几点： 1.电源的的额定电流、额定电压和额定功率 对于用静止可控硅整流励磁电源，其额定数据必须满足电力系统各种运行的要求，如：仅从发电机机端变压器取得励磁电流时，为了满足外部短路时强行励磁的要求，变压器的饿帝国内容量应该达到发电机稳定励磁功率的2～３倍左右；当励磁电源由机端变压器和复励变流器共同提供时，则机端变压器的额定容量约为发电机额定功率的１.２～１.３倍，复励变流器额定容量约为发电机额定励磁容量的１.１～１.２倍左右。 ２.励磁系统的顶值电压和励磁电压的增长速度 顶值电压励磁系统对发电机进行强行励磁时所能达到的最高励磁电压，对于励磁机励磁系统，顶值电压不应小于发电机额定励磁电压的１.８倍；对于其他励磁系统，不小于额定励磁电压的２倍。 励磁电压增长速度（）是在强行励磁过程中第一个０.５s时间内励磁电压的变化（）。对于励磁机励磁系统地当励磁为额定电压时，的值为： 机组额定容量＜４０００ＫＶＡ时。， 机组额定容量≥４０００KVA时，， 其中为发电机的额定励磁电压。 对于其他励磁系统。 ３.励磁系统的动态电压降落和电压恢复时间 动态电压降落和电压恢复时间是衡量发电机在突然加负荷时电压变化的动态指标，动态电压降落的数值越小，电压恢复的时间就越短，表示动态指标越好，据国外资料介绍，在采用相复励磁系统时，突加２～３倍的感性负载时，最大电压降落为１５１８％，电压恢复时间为０.２～０.３s：采用机端变压器的自并励静止可控硅励磁系统，突加１倍感性负载时最大电压降落为２５％电压恢复时间为０.３～０.５s， ４.励磁调节器的调差精度和调差率（详见第四章第二节） ５.频率特性 频率特性是指发电机频率偏离额定值时，调节器所能保持的调压精度。可控硅元件组成的励磁调节器的频率特性比电磁式励磁调节器的频率特性要好，例如一般的可控硅励磁装置当频率波动10%时，发电机的电压仅改变1.5%左右，而快速相复励磁调节器当频率波动1%时，发电机的电压改变1.4%左右。 励磁系统的选择设计原则 水轮发电机励磁系统的选择设计需要考虑以下几个问题： （1）保证不间断地供给发电机在运行中所需要的励磁电流，并满足励磁功率的要求； （2）满足发电机和电力系统各种运行方式下对励磁系统的各种技术要求； （3）励磁主回路的设计应能实现与发电机起、停机以及运行方式转换的操作配合； （4）励磁系统控制电路的设计和励磁调节器的选定，以及励磁给定机构、灭磁开关等配套设备及有关辅助装置的控制、测量、保护信号等的设计，应服从于电站和机组总体设计的要求。 第二节励磁系统的选定 一、励磁系统的类型 目前采用的励磁系统可分为直流电机励磁系统和可控硅励磁系统两大类，这两大类中就中主要的类型极其特点和适用范围列于 表2—1和表２—２； 表2—1直流电机励磁系统的主要类型及其特点和适用范围 类型 接线示意图 主要特点 适用范围及说明 自 并 励 （1）结构简单有较多的制造运行经验 （2）运行可靠，可满足一般运行要求； （3）电压增长速度慢，电压反应时间长； （4）由于存在机械整流子的磨损及环境等问题，使维护工作量加大 （5）用于需要正反转的蓄能机组有困难； （6）制作费工、费料，造价高 可适用于一般无特殊要求的大、中、小型机组 它 励 一般用于较大容量的水轮机组 复 励 一般用于容量较大的水轮发电机组 它 励 自 并 励 该型是配KGT3—3型大功率可控硅调节器的一种接线，可用于大、中容量的水轮发电机组。 注：上表图中： F—同步发电机；L—直流励磁发电机；Rcb—励磁变阻器； LB—励磁变压器；Rqc—强励电阻；LC强励接触器；ZLT—励磁调节器。 表2—2可控制硅励磁系统的主要类型及特点和适用范围 类型 接线示意图 主要特点 适用范围及说明 他 励 图中F—同步发电机，KZ—可控硅整流器；JL—交流励磁机；ZLT—励磁调节器； ZH—自动恒压装置。 （1）励磁机为交流励磁机，无机械整流子，维护工作量小；（2）励磁电源独立可靠不受电网电压波动的影响；（3）反应速度快属于高起始反应励磁，（4）全控制桥可实现逆变灭磁；（5）交流励磁机一般功率因数低，容量裕度大，耗财多，造价高；（6）接线复杂。 一般用于要求励磁电压顶值高，电压增长速度快或远距离输电的大型水轮发电机组 自 并 励 F—同步发电机； LB—励磁变压器； KZ—可控硅整流器；ZLT—励磁调节器 (1)励磁主回路没有旋转部分；（2）反应速度快属高起始反应励磁；（3）取消了励磁机可缩短发电机总长度降低厂房高度；（4）接线简单，维护工作量小，造价低；（5）励磁电源受电网电压的影响大，发电机和电网近端三相短路时励磁系统整流桥阳极电压严重下降 可用于大、中、小型水轮发电机组 直 流 侧 并 联 自 复 励 F—同步发电机；LB—励磁变压器；GZ—硅整流器；KZ—可控制硅整流器；BL—励磁变流器；ZLT—励磁调节器 同自并励（1）、（2）、（3）；（4）发电机或电网近端短路时，能提供必要的强励顶值电压；（5）电流组或电压组中一组因故退出运行时，另一组任可以短期运行；（6）设备多战地面积大；（7）不带气隙的复励变流器副边容易出现过电压问题。 一般用于中型水轮发电机 。 交 流 侧 串 联 自 复 励 F—同步发电机；LB—励磁变压器；CB—串联变压器；KZ—可控硅整流器；ZLT—励磁调节器。 同自并励（1）、（2）、（3）；（3）励磁电源运行独立性较高，可提供较高的强励顶值；（5）设备多，站地面积大，（6）串联压流器一般采用带气隙结构的铁芯，因而副边开路时不至出现过电压，但造价高；（7）全控制整流桥可实现逆变灭磁。 一般用于要求励磁电压顶值高，电压增长速度快，或长距离输电的大型水轮发电机组。 直 流 侧 串 联 自 复 励 F—同步发电机；LB—励磁变压器；CB—串联变流器；GZ—硅整流器组；KZ—可控硅整流器；ZLT—励磁调节器。 同自并励（1）、（2）、（3）；（4）整流桥硅元件所承受的反向峰值电压较低；同交流侧串联自复励类的（5）、（6）。 可用于大、中型水轮发电机组。 根据发电机励磁系统的设计原则和上表的比较，考虑本次设计的背景是一个小型水电站；在系统中的地位不是很重要。所以对励磁系统的要求不是很高，再考虑经济性。所以选择半导体自并励系统，因为半导体自并励励磁系统中没有转动部分，这样使维护工作量大的啊的降低；在因故检修时不用停运主机；造价低；其运行的可靠性和各方面的指标都能满足本设计的要求。 但是采用半导体自并励励系统首先得解决一个重要的问题；就是起励。因为半导体自并励励系统的励磁电源是来自发电机的机端电压（电流），发电机刚启动时机端电压为零。所以励磁电压也为零，系统无法建立起励磁电流，所以在发电机启动时需要借助辅助设备来建立励磁电流。 在本次设计中应用蓄电池组来完成起励任务。因为起励电压只要额定励磁电压的40%。所以蓄电池组的电压为21.2V。当同步发电机建立起电压时切除蓄电池组。 第三章 功率单元及其触发器 第一节 功率单元 一、功率单元在励磁调节系统中的作用 利用电力半导体器件可以进行电能的变换，其中整流电路可将交流电转换成直流电供给直流负载，逆变电路又可将直流电转换成交流电供给交流负载。某些可控硅装置既可工作于整流状态，也可工作于逆变状态，可称作可逆整流装置。同步发电机的半导体励磁是半导体变流技术在电力工业方面的一项重要应用。 功率单元在整个同步发电机半导体励磁调节系统中起着非常重要的作用。它将从发电机机端或交流励磁机端获得的交流电压变换为直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要。这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务转子励磁。对于接在发电机回路中的三相全控桥式整流电路，除了将交流变换直流的正常任务之外，事故时还可以将储存在转子磁场中的能量，经全控桥迅速反馈给交流电源，进行将直流变换为交流的逆变灭磁。这是三相整流电路有源逆变的一种运行方式，也称可逆整流 二、主电路选择 主电路方案有单相和三相两种方式。单相整流电流只适用于小功率整流。他的特点是输出电压较低，而且直流电压脉动较大。三相整流电路多用于负载容量较大的情况，三相整流可使电网三相负载平均。它的输出电压较高，而且直流电压脉动较小。结合我们的本次的设计背景，同步发电机的容量为1600KW。应该选用三相整流电路。 三相整流电路中常用的有三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路。三相半波可控整流电路虽然比三相桥式整流电路少三个晶闸管（或整流二极管），但是它的最大输出电压仅为1.17U2其值较小不能满足要求，并且其变压器二次电流中含有直流分量。对励磁变压器会产生电压冲击，这样对励磁变压器有损害。三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路比三相半波可控整流电路多三个晶闸管。其最大输出电压都能达到2.34U2。三相桥式全控整流电路可实现逆变灭磁，其灵敏性较好。在目前各种整流电路中也广泛采用这种整流电路。但其接线比三相桥式半控整流电路复杂，多了三个触发电路，造价比三相半波整流电路高。三相半波可控整流电路虽然不能实现逆变灭磁但我们可以采用电阻灭磁的方式来满足其要求，这样造价就比三相全控整流电路低。并且，三相半波可控整流电路的灵敏性和三相桥式全控整流电路相差不多。 再来看本次是为1600KW的小型水轮同步发电机设计的励磁系统，为了是整个励磁系统有较好的经济性，并能满足其设计的要求。根据发电机励磁系统的上选择设计原则，在此我们选用三相桥式半控整流电路作为功率单元的主电路。 三、三相桥式半波整流电路的工作原理 下面介绍一下三相桥式半波整流电路的工作原理；三相桥式半波整流电路如图3—1所示，共有六个桥臂，一半桥臂（通常是共阴极组桥臂）是可控硅元件SCR1、SCR3、SCR5；而另一半桥臂是整流二极管D4、D6、D2。整流元件分成共阴极组与共阳极组两部分。可控硅元件SCR1、SCR3和SCR5的阴极连在一起，阳极分别接a、b、c三相交流电源，称为共阴极组。整流二极管D4、D6及D2的阳极连在一起，阴极分别接a、b、c三相交流电源，称作共阳极组。 共阳极组的硅整流二极管在任何瞬间都是阴极电位最低者导通，仍然在自然换流点（如e，g，i处）依次换流；共阴极组的可控硅则是阳极电位为正而又接受触发信号的可控硅管导通，因而不是在d，f，h等点自然换流，而是在触发脉冲送出的时刻触发换流。即每周期内的六次换流中，只有三次自然换流，另有三次触发换流。这是三相桥式半控整流与不可控整流的区别。 三相半控桥输出电压Ud的波形及其平均值随给出触发脉冲的时刻，即α的大小而变化。 控制角α增大到180°，则输出电压平均值Ud=0。当α由180°逐渐减小到0°时输出电压的波形将三相对称地沿图2-18中的箭头方向变化，由零逐渐增加到每周三个波头，而后每周六个波头。当α60°时，波形是不连续的，每周期内有三个波头，每个整流元件的导通角120°。当α60°后，则输出电压Ud的波形是连续的，每周期内有六个波头，每个整流元件的导通角是120 第二节 触发单元 半导体励磁调节器中，移相触发单元的任务是产生可以改变相位的脉冲，用来触发整流桥中的可控硅，使其控制角随综合放大单元来的控制电压UK的大小而改变，从而达到自动调节励磁的目的。 移相触发单元的组成见图2—2所示，一般由同步、移相（相控）、脉冲形成，脉冲放大等几个基本环节组成。为了改进触发脉冲的质量，有的还需另外加上整形、放大、反馈等辅助环节。 一、移相触发电路的种类 半导体励磁调节器中常用的移相触发电路有下列四类： (1)单结晶体管移相触发电路。这一类触发电路或直接输出脉冲去触发可控硅(用于中，小容量)，或者经小可控硅将脉冲功率放大再去触发主可控硅(用于大容量或串、并联、可控硅)。这类触发电路接线简单可靠，在我国一些中、小机组的半导体励磁调节器中得到了应用。 (2)锯齿波移相触发电路。这类触发电路以锯齿波作为同步电压，锯齿波的线性度和对称度较好，移相范围较宽。这类电路有许多种种形式，应用较广。 (3)余弦波移相触发电路。这类触发电路以余弦波作为同步电压，因而整流桥输出的直流电压与机端电压变化呈线性关系。这类电路在我国一些大、中型号机组的半导体励磁调节器中得到了应用。 (4)单稳态移相触发电路。这类触发电路采用控制单稳态触发器暂稳时间长短的方法，来达到输出脉冲相位控制的目的。这类电路的线性度较好，在我国一些电厂的半导体励磁调节器中得到了应用。 随着集成化固体组件的推广应用，在半导体励磁调节器中出现了集成元件构成的移相触发电路，由于集成元件的采用，使移相触发电路的接线和调试得到简化。 二、对移相触发单元的基本要求 (1)各相触发脉冲必须与受控的可控硅主电路的电源同步，即具有相同的频率和一定的相位关系。 (2)应保证在整个移相范围内各相触发脉冲的控制角α一致。否则将使整流桥输出电压的谐波分量增大，在逆变运行时还可能引起直通故障。一般各相脉冲的相位偏差不应大于10°，在全控桥中不应大于5°。 (3)触发脉冲的数目及移相范围，应满足整流电路和调压范围的要求。 (4)触发脉冲应有足够功率输出。要求脉冲前沿陡度一般在10us左右，并有足够的副值和宽度。 (5)触发脉冲的强度，应大于可控硅控制极的电压，电流和功率的规定允许值。为了避免可控硅反向击穿在控制极不应出现反向电压。一般情况下，触发单元应与处于高电位的主电路互相隔离，以保证安全。 (6)应采取抗干扰措施提高抗干扰能力。应能适应在允许的电网电压波动和波形畸变的条件下正常工作。 三、移相触发单元的选择 常用的移相触发单元有：单结晶体管移相触发器、晶体管锯齿波移相触发器、交流正弦同步电压梯形波移相控制触发器、三稳态触发脉冲移相触发器等。 根据设计要求、设计的背景和设计原则和各中触发电路的特点，在本设计中采用 晶体管锯齿波移相触发器 第四章 半导体励磁调节器 旧的励磁系统中，直流励磁机为励磁功率单元，励磁调节器通常为机电型和电磁型。在半导体励磁系统中，励磁功率单元为半导体整流装置及其交流电源。励磁调节器则用半导体元件、固体组件及电子线路，称为半导体励磁调节器。 以往的调节器只反应发电机电压偏差，进行电压矫正，故称为电压调节器（简称调压器），现在的调节器可综合反应包括电压偏差信号在内的多种控制型号进行励磁调节，故称为励磁调节器。显然励磁调节器包括了电压调节的功能。 先对半导体励磁调节器作一个简要的介绍： 励磁控制系统 励磁系统是同步发电机的重要部分，它控制发电机的电压及无功功率。励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统，其框图如图4—1所示。 同步发电机 同步发电机 手动 基准电压 手动 基准电压 励磁功率单元励磁调节器 励磁功率单元 励磁调节器 励磁系统 图4—1励磁控制系统框图 励磁调节器是励磁控制系统的主要部分，一般有它感受发电电压的变化，然后对励磁功率单元施加控制作用，在励磁调节器设有改变给出的控制命令以前，励磁功率单元是不会改变其输出的励磁电压的。 励磁调节器的构成 半导体励磁调节器主要由测量比较、综合放大和移项触发三个基本单元组成，每个单元再由若干个环节组成，三个单元的相互作用如图4—2所示。 同步信号其他信号基准U去可控硅 同步信号 其他信号 基准U 去 可控硅 测量比较综合放大移项触发 测量比较 综合放大 移项触发 图4—2励磁调节单元的构成 第一节 测量比较单元 测量比较单元由电压测量、比较整定和调差电路组成，如图4—3所示。电压测量环节包括测量整流电路、滤波电路，有的还设计有正序电压滤过器，测量比较单元用来测量经过变换的与机端电压成正比例的直流电压，并与相应于发电机额定电压的基准电压相比较，得到发电机端电压与其给定值的偏差。电压偏差信号输入到综合放大单元。正序电压滤过器在发电机不对称运行时可提高调节的准确度，在发生不对称短路时可提高强励能力。调差环节的作用在于人为地改变调节器的调差系数，以保证并列运行的机组间无功功率平稳合理地分配。 对测量比较单元的要求是: (1) 在发电机不对称短路下情况下，测量整流电路应有足够的测量灵敏度。电压整定电路应使发电机 或无功电流的调节应满足所要求的调整范围； （2）时间常数小，反应迅速； （3）变换后的直流测量电压平稳，纹波系数小； （4）直流基准电压稳定，具有温度补偿能力； （5）具有一定的调差系数整定范围，满足并列运行机组间无功功率稳定合理的要求。 调差单元 调差单元的作用是合理分配各并联发电机之间的无功功率，在单机运行的情况下，不存在无功功率的分配，所以不需要调差环节，本次设计的背景是，虽然发电机没有和的啊电网并列运行，但本厂的两台机组是并联运行的，所以必须装设调差电路。 UfIfUZ Uf If UZ 滤波测量整流正序滤过器调差比较整定 滤波 测量整流 正序滤过器 调差 比较整定 电压测量 电压测量 图4—3 测量比较单元的构成 ＜一＞调差特性与机组间无功功率的分配 电力系统的电压调节和无功功率的分配是密切相关的，调整发电机母线电压水平是电力系统调压的一个主要手段。当系统调度给定了发电厂的母线电压曲线或无功负载曲线后，保证维持给定的母线电压水平和稳定合理地分配机组间的无功功率，就是各个机组自动调节励磁装置的任务。 发电厂中，两台或以上机组并联运行时，母线电压水平及无功功率在机组间的分配决定于发电机的电压调节特性或,参见图4—4。它有两种形式—有差调节特性（曲线）及无差调节特性（曲线）。当发电机无功电流增加时，发电机端电压随无功电流的增加而降低，发电机的电压调节特性曲线是一条向下倾斜的直线 曲线发电机的电压调节特性 通常用调差系数S定量地表示电压调节特性的斜率，并且习惯上定向下倾斜的特性曲线的调差系数为正，调差系数的计算以发电机额定电压为基准。 即 试中：—负载电流的变化值与额定值之比，既电流变化的相对值； —被调用的电压的差值（）与额定电压之比，即电压变化的相对值。 参看图4—4，特性曲线向下，具有正的调差系数；特性曲线向上具有负的调差系数；特性曲线的调差系数为零（既无差特性）。 几台无差特性的发电机组是不能并列运行的，也它们之间的无功功率分配是不稳定的，一台具有无差特性的机组与几台具有有差特性的机组，虽然可以并联运行，并有确定的无功分配，但是系统的无功变量仅由这台具有无差特性的机组来承担，这样运行方式是不合适的。在实际中采用的是几台具有有差特性的机组并联运行，能实现无功功率在各机组间合理的分配。 半导体励磁调节器的调压精度通常在0.5%以内，所以装有半导体励磁调节器的机组的电压调节特性接近水平线，自然调差系数一般小于1%，近似为无差调节特性，这种无差特性的发电机机组只适合于单机带负荷运行。如果多台机组并列运行必须附加调差环节，人为地把调差系数加大到3%～5%左右无功负载总的增量才能按机组容量稳定地分配给并列运行的各台发电机组。 在发电机电压母线上并列运行的机组应采用正调差系数，既具有向下倾斜的电压调节特性。当发电机经升压变压器在高压母线上并列运行，考虑到无功电流在变压器漏抗上产生的电抗压降，要求发电机的电压特性向上倾斜，既具有负调差系数，可以看出在这种情况下，调差系数与变压器的漏抗压降有关，在减去了变压器的漏抗压降后，机组对高压母线的电压调节特性仍应适当向下倾斜，以保证在高压母线上机组间无功功率的稳定分配。这时调差环节的作用在于部分地补偿无功电流在变压器漏抗中的压降，所以又称为电流补偿环节。 由于上述可知，在励磁调节器中，调差环节是必要的。利用它可以根据运行要求来整定机组的调差系数。 二 调差电路的原理及其接线方式 调差环节的基本原理是，在励磁调节器的发电机电压测量回路中，附加一个与发电机电流成正比例的电压，使测量比较单元感受到的电压随发电机无功电流而变化。当无功电流增加时，感受到的电压也增大，通过励磁调节器去减小励磁这样就增大了发电机的调差系数。附加的电压是由发电机电流互感器回路所取得的电流在串联于电压测量回路中的调差电阻上产生的压降。改变调差电阻的大小，便可整定调差系数。 调差环节的接线方式有三相、两相及单相三种。如图4—5是三相调差的接线示意图，由发电机三个相电流互感器来的电流，经中间电流互感器4LH变换后，对应地接入三苋调差电阻。4LH为5/0.5A电流互感器，△/Y接线。A相调差电阻Ra接B、C相电流差，B相调差电阻Rb接C、A相电流差，C相调差电阻Rc接A、B相电压差，输出相电压为： 发电机功率因数，，，三种情况下，三相调差接线（a）可以看出，当功率因数为 (带纯有功负载)时加在测量起原边的电压三角形△a/b/c/与原来的发电机电压三角形△abc基本上相等。既调差装置不反应有功电流，这个特点正是所需要的。 图4—5三相调差接线图 当（带纯无功负载）时，从图4—6（b）可以看出，加到测量变压器原边的相电压是发电机电压互感器的副边电压与无功电流所产生的附加电压的代数和，使得电压三角形△a/b/c/大于原来的电压三角形△abc，这样测量变压器感受到的电压大一些，经调节器的作用自动减小发电机的励磁，使发电机电压下降，因而增大了调差系数。 通常。发电机即带有无功负载又带有有功负载，当时，定子电流可分为有功电流分量和无功电流分量。从上面分析可知，电压三角形△a/b/c/仅与无功电流有关基本上与有功电流无关。图4—6（c）中的△a/b/c/仍为一 等边三角形，随无功电流分量的增大而增大，测量变压器感受到的发电机电压“虚假”上升，使调节器作用于减小励磁，降低发电机电压，因而增大了调差系数。 为了使调差系数在要求的范围内调整，调差电阻一般由若干段电阻串联组成，由转换开关分档调整，逐档增减调差电阻时，调差系数也相应的增减，一般可在0～５％范围没调整，有的设计成可在１０％以内整定。 设图４—５中发电机电压互感器ＹＨ的副边的额定线,经过调差装置后的相应电压为： 既当每档调差电阻为2时，调差系数为1%，每增加2，则调差系数增大1%。 （a）； （b）； （c） 图4—6三相接线相量图 如过将电流互感器引到各相的调差电流极性调换，这时调差环节输出的电压将比发电机电压互感器的副方电压低些，通过励磁调节器增加励磁，升高发电机电压，使电压调节特性向上倾斜，既有负的调差系数。 正调差接线和负调差接线的差别仅在于，当时，引入的附加电压与发电机电压互感器的副方电压同相位和反相位。因此，调差环节的接线应特别注意正确的相位配合。 两相接线和单相接线方式的调差电路，其基本原理和分析方法都和三相接线类似，差别仅在于引入的附加电压为两相和单相。两相调差的接线所示，其调差相量图如图4—8所示，对比图4—6可以看出两相接线与三相接线的差别。三相接线方式的点是，使下一级测量整流电路感受到的三相电压对称，可减小整流电路的纹波及及滤波器的时间常数，因此多用于大、中型机组的调节器中。两相和单相接线方式，线路比较简单，适用于中小型机组的调节器。 图4—7两相调差接线两相接线调差相量图 （a）（b）（c） 根据以上的叙述和设计的背景是小型水电站，再考虑到经济使用性，在本次设计中选择两相调差电路。 因为两相调差电路的接线比较简单，检修和安装方便，运行可靠。造价低；三相调差电路虽然调差能力强，对下一级的影响小，但是接线复杂，给检修和安装带来不便，造价高，在小型水电站中不实用；至于单相调差电路，它使下一级测量单元感受到的电压严重的不对称，使其纹波增大，使整个系统的时间常数增大。所以单相调差电路不可取。 三相调差电路对下一级的影响不是很大，可以在测量单元的前面加装一正序滤过器来给予矫正。 二、正序电压滤过器 为了提高调节器在电力系统不对称短路情况下的灵敏度，励磁调节器中通常在测量边压器与励磁电压互感器之间装有正序电压滤过器。它的作用是，当电力系统发生不对称短路引起三相电压不平衡时，正序电压滤过器输出对称的、数值降低了的正序电压。一方面使测量整流电路仍工作在对称的状态下，另一方面用来提高调节器的强励能力，既提高励磁调节器对电力系统不对称短路的灵敏度。但是由于非线性元件的影响，使用了正序电压滤过器后，在一定程度上使调节特性变坏，调节器的时间常数增大。 1 工作原理 根据对称分量工作原理，可以用做图的方法将任意不对称的三相电压分解为三相对称的正序电压分量。如图4—9所示，对任何不对称电压三角形△ABC，由三角形各顶点向外作与与三角形各边均成的直线，这些直线形成的交点组成的电压三角形△，就是相应的对称的正序电压。 图4—9对称分量作图发 从图中可以看出： 由此可见 同理 式子中：—正序电压 故电压三角形△既为正序电压三角形。 三相正序电压滤过器就是根据上述原理做成的，通常是利用电容电阻形成30○相移。正序电压滤过器接线所示。 正序电压滤过器的参数为： 的比例关系。当输入负序电压时，输出为零，。在电力系统发生不对称短路时，输入的三相不对称电压，其中的负序电压分量将不能通过正序电压滤过器，输出的只是三相对称的正序电压分量。 图4—10正序电压滤过器原理图 2 参数设置 正序电压滤过器的参数选择，一般先假定电容C的数值，再根据上述比例关系计算和的数值。 正序电压滤过器应使输入的不对称电压中的对称对称正序分量基本上不衰减地传输到输出端，因此要 求正序电压滤过器的内组抗呀降尽量的小。内阻抗压降与和的组值大小有关，特别是与的阻值成正比。如果小，相应的、也小。故一般选用较大的电容值，以获得较小的电阻值，来减小正序滤过器的压降。各元件的参数如下：、、、。 三、测量整流滤波电路 目前常见的整流电路有半波整流电路和全波整流点路，一般不用半波整流，因为用半波整流电路整流后输出电压的幅值比原来的电压小得多，斜波分量大，这样对滤波电路的要求比较高，给滤波带来麻烦，所以现在很少用半波整流。全波整流电路又叫桥式整流电路。常见的桥式整流电路有三相整流、六相整流和十二相整流，他们各有其特点，下面我们先来看一下各种整流桥的的特点。 一 三相桥式整流电路 三相式整流电路如图 4—11所示，它由测量变压器tc和六个整流臂组成；它的六个桥臂均由不可空元件构成，分为共阳极组和共阴极组两部分。如图整流二极管的阴极连在一起，阳极分别a、b、c三相 4 图4—11三相桥式整流电路 路 交流电源称为共阴极组；整流二极管的阳极接在一起，阴极分别接a、b、c三相交流电源，称为共阳极组。根据二极管的单向导电性，共阴极连接时，只有阳极电位最高的那一相二极管导通，其余的两相因受反相电压而截止。所以任何瞬间总有一对整流元件导电，其阴极组和共阳极组各有一管。每个周期换流六次，故有六个自然换流点。 由于三相输出电压对称，求出电压的平均电压值只需求出电压在之间积分值乘以六倍，然后求出一个周期内的的平均值既可： 式中：—整流桥交流侧线电压有效值； —整流桥交流侧相电压有效值。 若输入不对称电压，则可用交流侧线电压的平均值取代上试中的。 对输出电压瞬时值 其中直流分量既输出电压的平均值： 脉动系数： 利用三相桥式整流电路时其输出电压的最底次斜波的频率为基波的6倍。当电源频率为50Hz时，最低次斜波的频率为300Hz，幅值为支流分量的5.7%，其他高次斜波，其频率越高，幅值越小。三相桥试整流电路输出的电压，斜波分量较大，滤波电路需要的电容值大。在不同程度上增大了调节器的时间常数。 二 六相桥式整流电路 六相桥试整流电路，如图4—12所示，测量变压器CB原方为三相，副边有两组三绕组分别接到两组三相整流桥，两桥在直流侧并联。为了使两组整流桥在相位上的配合，测量变压器副方的两个绕组分别接成△/△—12和△/Ｙ—11，两组相移。 现以测量变压器原边电压为参考相量，画出副方线，设副边第一组Ｙ形绕组每相匝数为第二组的 △绕组每相匝数的，其线电压超前参考 量其中六个电压相量图如图4—13（a）所示。第二组△形绕组的线电压与参考量同相，其六个相电压相量图如图4—13（b）所示。副方两绕组十二个相秒量图如图4—13（c）所示。如果测量变压器副方仅有一个三绕组，例如仅有一个Ｙ绕组，（第一组），经三相桥试整流后，输出的波形一个周期有六个波头。如图4—13（d）实线所示；如果仅有△绕组，输出的波形一个周期也有六个波头，滞后第一组。如图4—13（d）虚线所示。 现在两组三相绕组同时工作，并在支流侧并联。对于一组三相绕组的工作，另一组在直流侧有封锁的作用。导通情况与多相整流的原则一样，即在每一个瞬间承受线电流最大的一对整流管导电（忽略换流过程），依次导通的顺序如图4—13（c）所示。输出直流波形是图4—13（d）中虚线和实线的包络线。一个周期内有十二个波头，相应直流电压的平均值提高，交流分量的副值减小。 对六相桥式整流的直流电压年副氏级数展开，得到包括直流分量及各斜波分量的表达式： 式中：—线电压幅值，其中为线电压有效值。 从上式中可知，六相桥式整流输出电压中最低次交流谐波频率为基波的12倍。当电源频率为50Hz时，最低次谐波频率为600Hz，其幅值为直流分量的1.4%。其他高次谐波，频率愈高幅值就愈小。六相整流输出的直流电压较为平稳。 三 十二相整流桥 十二相整流电路如图4—14（a）所示。测量变压器CD的原边为三相△形接线，副方为了得到十二相桥式整流所需要的相位配合，设有四组三相绕组。分别接到四组三相整流桥，四桥在直流侧并联。 测量变压器副方第一组为△接线，第二组为Y接线，这与上述的六相桥式整流相同，它们构成十二个线（b），第三组和第四组为Z形（或称曲折形）接线，这种接线每相绕组在两相铁芯上的两段线圈反向串联而成，其目的是为了形成相应相电压相量与参考基准电压相量成15°相移。为了使得合成的相电压与第二组绕组的相电压幅值相等，反相串联的两段线圈上的电压要有恰当的比例。 图4—14十二相整流桥式电路及其相量图 第三、第四两组Z形三相绕组的接线（a）a相电压相量的合成见图4—14（c），图中为第二组a相电压它与参考相量同相。图4—14（b）画出两组Z形三相绕组十二个