第四章励磁系统动态特性课件

第四章第四章 励磁自动控制系统励磁自动控制系统的动态特性的动态特性v同同步步发发电电机机励励磁磁自自动动控控制制系系统统是是一一个个反反馈馈自自动动控控制系统制系统。v一个自动控制系统一个自动控制系统首先首先应该是应该是稳定的稳定的；v其次其次应该具有良好的应该具有良好的静态静态和和动态特性动态特性。v同步发电机励磁自动控制系统的同步发电机励磁自动控制系统的动态特性动态特性是指在是指在外界干扰信号作用下，该系统从一个稳定工作状外界干扰信号作用下，该系统从一个稳定工作状态变化到另一个稳定工作状态的时间态变化到另一个稳定工作状态的时间响应特性响应特性。第一节 概述v时间响应曲线：上升时间：超调量：瞬态响应峰值时间：调整时间对励磁系统动态指标的要求对励磁系统动态指标的要求我国同步发电机励磁我国同步发电机励磁系统技术标准中还对系统技术标准中还对超调量超调量、调节时间调节时间和和电压摆动次数电压摆动次数给给出了明确的出了明确的定义定义.图图是同步发电机在是同步发电机在额定转速、空载条件额定转速、空载条件下下突然突然加入励磁加入励磁使发电机电压使发电机电压从从零零升至升至额定额定值时的值时的时间响应曲线时间响应曲线。1.上升时间上升时间tr响应曲线从响应曲线从10%稳态响应值稳态响应值上升到上升到90%稳态响应值稳态响应值时时所所需的时间需的时间。有时也取稳态响应值有时也取稳态响应值从零上升从零上升100%对应的时间对应的时间。0.9UG0.1UGUGtrt2.超调量超调量p在在励励磁磁系系统统自自动动调调节节暂暂态态过过程程中中发发电电机机机机端端电电压压最最大大瞬瞬时时值值UG与与稳稳态态值值UG()的的差差值值对对稳稳态态值值之之比比的百分数的百分数，用数学表达式表示即，用数学表达式表示即t tp p-发电机电压发电机电压峰值时间峰值时间；UG(t(tp p)-发电机电压的最大瞬时值发电机电压的最大瞬时值,也称为也称为峰值电压峰值电压;UG()-)-发电机电压稳态值发电机电压稳态值。3.峰值时间峰值时间tp从从给给定定信信号号到到发发电电机机端端电电压压达达到到最最大大瞬瞬时时值值所所经历的时间经历的时间,单位为单位为s.4.摆动次数摆动次数N 在在调节时间调节时间ts内内,发电机发电机机端电压机端电压摆动的周期数摆动的周期数.不大于不大于3次次2或或55)调节时间调节时间ts从从给给定定信信号号到到发发电电机机端端电电压压值值和和稳稳态态值值的的偏偏差差不不大大于于稳稳态态值值的的2所所经历的时间；经历的时间；6)延迟时间延迟时间td从励磁系统输入阶跃从励磁系统输入阶跃信号到系统开始呈现信号到系统开始呈现响应的时间响应的时间2或或5v在在我我国国大大中中型型同同步步发发电电机机励励磁磁系系统统技技术术要要求求(GB/T7409.3-1997)中中，对对同同步步发发电电机机动动态态响响应应的的技术规定为：技术规定为：v同同步步发发电电机机在在空空载载额额定定电电压压情情况况下下，当当电电压压给给定定阶阶跃跃响响应应为为10时时，发发电电机机电电压压超超调调量量应应不不大大于于阶阶跃跃量量的的50，摆摆动动次次数数不不超超过过3次次，调调节节时时间间不超过不超过10s；v当当同同步步发发电电机机突突然然零零启启升升压压时时,自自动动电电压压调调节节器器应应保保证证发发电电机机端端电电压压超超调调量量不不得得超超过过额额定定值值的的15,调节时间不应大于调节时间不应大于10s,电压摆动次数不应大于电压摆动次数不应大于3次次。图图4-2 典型励磁控制系典型励磁控制系统结统结构框构框图图执行环节执行环节控制对象控制对象控制器控制器ZTL电力系统稳定器电力系统稳定器PSS给给定定值值励磁机励磁磁链励磁机励磁电阻励磁机励磁电流v一、励磁机的传递函数v1.他励直流励磁机的传递函数磁链与磁通的关系输输入入为为UEE,输输出出为为UE v消去中消去中间变量量E、IEE,用用UEE 表示表示就就可得到可得到 UE=f（IEE）的）的 微分方程式。微分方程式。(4-3)v但励磁机的但励磁机的UEE=f(IEE)是非是非线性关系性关系,对应不同的运行点，采用饱和系数SE来表达iEE与uEE之间的非线性关系。SE随运行点而随运行点而变，为非非线性性的在整个运行范的在整个运行范围内用内用线性性函数近似表示函数近似表示.若气隙磁化特性的斜率若气隙磁化特性的斜率为1/G，则磁磁场总电流与励磁流与励磁电压的关系的关系为:v在在额定定转速下速下,UE与与气隙磁通气隙磁通成正比成正比,即即UEKav漏通漏通与与a成正比，即成正比，即 lCav总磁通磁通 l a(1C)a=av为分散系数，一般取分散系数，一般取为1.11.2v把上几个式子代入把上几个式子代入(4-3),整理得整理得拉氏变换之 令一阶惯性环节图图4-5 他他励直流励磁机励直流励磁机传递函数传递函数（a）他他励直流励磁机励直流励磁机传递函数传递函数框框图图（b）他他励直流励磁机励直流励磁机传递函数规格化传递函数规格化框框图图v2.交流励磁机第二节 励磁控制系统的传递函数可推导出用于高响应比的无刷励磁交流励磁机AC-I 模型电枢反应整流换弧v励磁调节器励磁调节器由由测量比较测量比较、综合放大综合放大、功率输出功率输出单单元组成。元组成。v(一一)电压测量比较单元电压测量比较单元的传递函数：的传递函数：v测量比较单元测量比较单元由调节器的测量变压器、整流滤波由调节器的测量变压器、整流滤波电路、比较桥以及调差环节、电压互感器组成。电路、比较桥以及调差环节、电压互感器组成。v对该单元的对该单元的要求要求是：是：快速反应电压的变化，时间快速反应电压的变化，时间常数小。常数小。v但整流滤波电路及变压器总有一定的但整流滤波电路及变压器总有一定的延时延时，总的，总的效应效应可用可用一节惯性环节一节惯性环节近似表示其近似表示其动态特性动态特性。v二、励磁调节器各单元传递函数v测量比较测量比较单元的输入为单元的输入为UG，输出为比较桥的输出，输出为比较桥的输出Ub=Uc，故传递函数为：，故传递函数为：KR电压电压比例系数；比例系数；TR电压测电压测量比量比较电较电路的路的时间时间常数。常数。TR是由是由滤滤波波电电路引起的，通常在路引起的，通常在0.020.06之之间间。（二二）综合放大单元的传递函数）综合放大单元的传递函数综合放大单元的输入为综合放大单元的输入为 Uc,输出为限幅放大电路的输出电输出为限幅放大电路的输出电压压Uk。综合放大单元认为是一个一节惯性环节。综合放大单元认为是一个一节惯性环节,传递函数传递函数为：为：KA电压放大系数；电压放大系数；TA放大单元的时间常数。放大单元的时间常数。当采用运算放大器时当采用运算放大器时,TA 00。由于输出电压要受到限制由于输出电压要受到限制,因此有：因此有：（4-19）USMn电子型功放子型功放单元是晶元是晶闸管，工作是断管，工作是断续的，存在的，存在时滞，滞，单元元的的输入入为USM，输出即出即为IEE，包括触，包括触发电路在内，功率放大路在内，功率放大单元也元也认为是一是一节惯性性环节。故。故传递函数函数为：n一般情况下一般情况下,TZ值很小很小为一个近似的一一个近似的一节惯性性环节，用泰勒级数展开，略去高次项得：nKZ功率放大系数；功率放大系数；nTZ功率放大功率放大单元的元的时间常数。常数。（三三）功率放大单元的传递函数）功率放大单元的传递函数（4-23）（4-24）三、三、同步发电机的传递函数同步发电机的传递函数v发电机是被控对象，发电机是被控对象，输入为输入为UE，输出为输出为UG，由于只研究由于只研究发电机发电机空载时空载时励磁系统的特性励磁系统的特性,因而可将发电机的因而可将发电机的数学描数学描述简化述简化为为四、励磁系统总传递函数四、励磁系统总传递函数(图图4-13)空载时同步发电机励磁控制系统的传递函数：第三节、励磁自动控制系统的稳定性v一、典型励磁系统的稳定性计算一、典型励磁系统的稳定性计算 求系统的开环传递函数，求开环极点 计算以下量，以确定根轨迹的形状（1）根轨迹渐进线与实轴的交点及倾角（2）根轨迹在实轴上的分离点 （3）在 轴交叉点的放大系数 根据劳斯判据，确定根轨迹与虚轴的交点 画出根轨迹图例见书中例见书中108页。页。24/292024/7/15系统开环传递函数该励磁控制系统的参数某励磁控制系统传递函数要求应用自动控制理论的根轨迹法分析该系统的稳定性25/292024/7/15根轨迹绘制（1）系统开环传递函数开环极点为：-0.12，-1.45，-25；他们是根轨迹的起始点。系统有三条根轨迹的分支趋于无穷远处。绘制步骤如下：（1）实轴上的根轨迹：（2）渐近线：26/292024/7/15根轨迹绘制（2）（3）分离点：显然，分离点应该位于实轴上，之间，取（4）与虚轴的交点：系统闭环特征方程令带入上式，并令实部和虚部分别为零解得即根轨迹与虚轴的交点为 和v二、励磁控制系统空载稳定性的改善二、励磁控制系统空载稳定性的改善v要想改善该励磁自动控制系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点间根轨迹的射出角，也就是要改变根轨迹的渐近线，使之只处于虚轴的左半平面。为此必须增加开环传递函数的零点，使渐近线平行于虚轴并处于左半平面。v因此在发电机转自电压处增加一条电压速率负反馈回路。v引入电压速率反馈后，由于新增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。该回路即励磁系统稳定器励磁系统稳定器三 励磁控制系统空载稳定性的改善28/292024/7/15 从自动控制理论可知，要想改善励磁系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点之间的出射角，也就是改变根轨迹的渐近线，使之只处于虚轴的左半平面，为此需要增加开环传递函数的零点。在实际处理上，可以在发电机转子电压处增加一条电压速率负反馈回路。29/292024/7/15增加环节（1）简化30/292024/7/15增加环节（2）合并31/292024/7/15根轨迹计算（1）等值前向传递函数反馈传递函数32/292024/7/15根轨迹计算（2）励磁控制系统的参数数据如下：由此得到的系统的开环传递函数为：（4-32）增加了反馈环节后系统具有了四个极点和三个零点。v式（4-32）说明增加了反馈环节后系统具有了四个极点和三个零点。当TF给定后,式（4-32）的所有极点就被确定了。v轨迹的形状还与零点的位置有关，所以求式（4-32）的零点，方程写为因此式（4-32）的零点位置随TF、KF而变，找最佳零点位置就要绘制其变化轨迹，因此转化上式为=0K=2.985TF/KF（4-34）0.12从自动控制理论可知，增加开环零点，可以使系统的根轨迹向左偏移，提高系统的稳定性，有利于改善系统的动态特性。v式（4-34）可视为开环传递函数 的闭环系统特征方程，作出G0(s)H0(s)的根轨迹，轨迹上每一点都是式(4-34)的根,也就是式(4-32)的零点。0.1235/292024/7/15根轨迹计算（3）从而由式(4-34)可知，零点的位置与TF、KF值有关,当0.121/TF25时,G0(s)H0(s)的根轨迹如图4-19,渐近线与实轴交点为m，-12.5m0.06,当K值给定后,可由图4-19确定(4-32)的零点,如图4-20中z1z2z3,这样引入电压速率反馈后根轨迹如图4-20图4-19 式(4-34)的开环传递函数的根轨迹图图4-20 式(4-32)的根轨迹图North China Electric Power University36/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=5）North China Electric Power University37/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=0.1&Tf=0.05）North China Electric Power University38/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=0.05&Kf=1）North China Electric Power University39/292024/7/15根轨迹计算（Tf=0.05、Kf=10,1000）North China Electric Power University40/292024/7/15根轨迹计算（Tf=0.1、Kf=1,10,100,500）North China Electric Power University41/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=1&Kf=2）North China Electric Power University42/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=1&Kf=50,200,500）43/292024/7/15根轨迹计算（根轨迹计算（Tf=10&Kf=1,2.10,50,200）44/292024/7/15增加环节前后之性能比较 与未增加电压速率反馈环节相比，把根轨迹引到左半平面，励磁控制系统的性能有了较大的改善。因此在发电机系统励磁控制系统中，一般都附加了“励磁系统稳定器”作为改善发电机空载运行稳定性的重要部件。v三、励磁系统稳定器三、励磁系统稳定器 励磁系统稳定器原理图 A1输出励磁机磁场电流速率信号到电压测量比较单元的输入端。当磁场电流跃增时，励磁系统稳定器输出正微分信号，使电压测量比较单元瞬时输出负信号去减弱励磁机磁场电流。反之，则增强励磁机磁场电流，而在稳态运行时励磁系统稳定器无输出。从而构成了软反馈，改善了系统阻尼特性。励磁系统稳定器是由一级微分放大器组成的。励磁机磁场电流经过分流器、直流变换器由端子1输入，经过微分放大后获得励磁机磁场电流的速率信号。v励磁系统稳定器的传递函数：v由式可知，改变电位器R1、R3（二者同轴且阻值相等），即可改变微分时间常数，其范围是0.2-2s。v改变电位器R5,可改变励磁系统稳定器的增益。v四、改善电力系统稳定性措施四、改善电力系统稳定性措施电力系统稳定器电力系统稳定器（PSS）v作用是产生一个正阻尼以抵消励磁控制系统的负阻尼。v在远距离输电系统中，励磁控制系统会减弱系统的阻尼能力，引起低频振荡。其原因可以归结为两条：励磁调节器按电压偏差比例调节；励磁控制系统具有惯性。当输电线负荷较重、转子相位角发生振荡时，由于励磁调节器是采用按电压偏差比例调节方式，所以提供的附加励磁电流的相位具有使振荡角度加大的趋势。但是，励磁调节器维持电压是发电机运行中对其最基本的要求，又不能取消其维持电压的功能。采用电力系统稳定器去产生正阻尼转矩以抵消励磁控制系统引起的负阻尼转矩，是一个比较有效的办法。PSS电力系统稳定器vPSS框图与传递函数49/292024/7/15小结小结1、自动控制理论的根轨迹法2、根轨迹的绘制方法3、应用根轨迹法分析励磁系统的稳定性4、分析改善励磁系统稳定的方法5、励磁系统稳定器的作用6、采用“励磁系统稳定器”前后的性能比较