小型水电站励磁设备

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,小型水电站励磁设备,全国农村水电自动化培训教材,（长江委陆水自动化研究所）,一.农村水电的概念,国内小水电装机及机组容量的发展,小水电系指装机容量25MW及一下的水力发电站和以小水电为主的地方小电网。,五十年代，一般称500kW一下的水电站为农村小水电站；到六十年代，小水电的容量界限到3MW ;,六十年代末期小水电站的容量界限上升到12MW;,八十年代以后小水电站的定义也扩大到25MW;,九十年代后，国家计委、水利部进一步明确装机容量50MW以下的水电站均可享受小水电的优惠政策，并出现了一些容量为几万至二十几万KVA的地方电网。,一.农村水电的概念, 各国小水电的容量定义(kW),国家或国际组织,微型(Micro),小小型(Mini),小型(Small),国际小水电,100,101-500,501-10000,拉美能源组织,50,51-500,501-5000,中国,100,101-500,500-25000,水力发电与筑坝杂志,50-100,300-5000,10000-50000,秘鲁,5-50,51-500,菲律宾,15000,美国,500,501-2000,15000,越南,50,51-500,501-5000,一.农村水电的概念, 相关标准界定（含同步电机和水轮发电机）,GB 10585-89，GB/T7409-1997，,SD299-88，DL/T583-2005。,中小型：10WM以下机组,大中型：10WM以上机组,二.励磁的形式,旋转励磁机 rotating exciter,励磁机（设备）与发电机同轴旋转的整流方式,静止式励磁 static exciter,从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器提供直流电流的励磁机,励磁机（设备）是静止的整流方式,旋转式,直流励磁机方式 D.C. exciter,一台使用换向器与电刷提供直流电流的旋转励磁机，通过与发电机同轴的直流励磁机所发出的直流电给主发电机励磁的方式，见图2.1.11。,图2.1.11 直流励磁机励磁,采用一个它励绕组的直流励磁机,采用一个它励绕组的直流励磁机,用于稳定控制的反馈,（要用时）,直流励磁机励磁绕组,励磁控制输入,同步电机,旋转式,交流励磁机 A.C. exciter,使用整流器流器提供直流电流的旋转励磁机,带有静止整流器的交流励磁机 A.C. exciter with stationary rectifiers,带有整流器的交流励磁机，其输出与同步电机励磁绕组滑环上的电刷相联结。见图2.1.12,带有旋转整流器的交流励磁机（无刷励磁机） A.C. exciter with rotating rectifiers ( brushless exciter),带有励磁机及与同步电机同轴的旋转整流器的交流励磁机，其输出不经过滑环或电刷，而直接与同步电机的励磁绕组相联结。见图2.1.13,图2.1.12,带不可控静止整流器的交流励磁机,带不可控静止整流器的交流励磁机,用于稳定控制的反馈,交流励磁机,励磁控制输入,同步电机,图2.1.1,3,带,带,有,有,旋,旋,转,转,整,整,流,流,器,器,的,的,交,交,流,流,励,励,磁,磁,机,机,静,静,止,止,式,式,励,励,磁,磁staticexciter,从,一,一,个,个,或,或,多,多,个,个,静,静,止,止,电,电,源,源,取,取,得,得,功,功,率,率,，,，,使,使,用,用,静,静,止,止,整,整,流,流,器,器,提,提,供,供,直,直,流,流,电,电,流,流,的,的,励,励,磁,磁,机,机,。,。,电,电,势,势,源,源,静,静,止,止,励,励,磁,磁,机,机potentialsourcestaticexciter,仅,从,从,电,电,势,势,源,源,（,（,可,可,以,以,从,从,同,同,步,步,电,电,机,机,出,出,线,线,端,端,）,）,取,取,得,得,功,功,率,率,并,并,使,使,用,用,可,可,控,控,硅,硅,整,整,流,流,器,器,的,的,静,静,止,止,励,励,磁,磁,机,机,。,。,见,见,图,图2.2.1,1,。,。,从,从,复,复,合,合,电,电,源,源,静,静,止,止,励,励,磁,磁,机,机compoundsource-staticexciter,从,电,电,流,流,与,与,电,电,压,压,两,两,个,个,电,电,源,源,（,（,独,独,立,立,取,取,自,自,同,同,步,步,电,电,机,机,机,机,端,端,）,）,取,取,得,得,功,功,率,率,的,的,静,静,止,止,励,励,磁,磁,机,机,。,。,从,从,两,两,个,个,电,电,源,源,来,来,的,的,输,输,入,入,可,可,以,以,在,在,整,整,流,流,器,器,的,的,交,交,流,流,侧,侧,或,或,直,直,流,流,侧,侧,取,取,得,得,，,，,并,并,且,且,可,可,以,以,并,并,联,联,或,或,串,串,联,联,，,，,整,整,流,流,器,器,可,可,以,以,设,设,计,计,可,可,控,控,的,的,或,或,不,不,可,可,控,控,的,的,。,。,图,图2.2.2,1,、,、,图,图2.2.2,2,、,、,和,和,图,图2.2.2,3,。,。,图2.2.11,电势源静止,图2.2.1-1 电势源静止励磁系统,整流变压器,同步电机,可替换,图2.2.21,直流侧串联,图2.2.2-1 直流侧串联、电压相加的复合源静止励磁机,电势源变压器,同步电机,电流源变压器,电抗器,整流器及,可控硅整流器,图2.2.22,交流侧并联,交流侧电源并联电流相加的复合源静止励磁机,电势源变压器,同步电机,电流源变压器,整流器及,可控硅整流器,电抗器,图2.2.23,交流侧相加,交流侧两个电源电流相加的复合源静止励磁机,电势源变压器,同步电机,饱和绕组控制输入,整流器,电抗器,电流源变压器,三.励磁设,备,备的技术要,求,求（条件）,GB/T10585-89 中小,型,型同步电机,励,励磁系统基,本,本技术要求,GB/T7409.3-1997同步电机,励,励磁系统大,、,、中型同步,电,电机励磁系,统,统技术要求,DL/T583-2005 大,中,中型水轮发,电,电机静止整,流,流励磁系统,及,及装置技术,条,条件,DL/T489-92 大中型,水,水轮发电机,静,静止整流励,磁,磁系统及装,置,置试验规程,使用条件,环境要求,(1) 使,用,用地点的海,拔,拔高度不大,于,于3000m;,(2) 环,境,境最高温度+40;,(3) 环,境,境最低温度:采用水冷,者,者为+5,采用其它,冷,冷却方式者,为,为-10;,(4) 最,湿,湿月的平均,最,最大相对湿,度,度为90%,同时该月,的,的月平均最,低,低温度为+25;,(5) 应,能,能适应无爆,炸,炸危险的介,质,质,无足以,腐,腐蚀金属和,破,破坏绝缘的,气,气体,以及,周,周围较清洁,和,和无剧烈振,动,动的环境条,件,件。,使用条件, 供电电,源,源要求,(1) 交,流,流380/220V系,统,统,电压偏,差,差范围为额,定,定值的15%,频率,偏,偏差范围为-3+2HZ；,(2) 直,流,流系统220/110V系统，电,压,压偏差范围,为,为额定值的-20%+10%。, 系统性,能,能要求,1. 励磁,系,系统应保证,当,当发电机励,磁,磁电流和电,压,压不超过发,电,电机额定负,荷,荷下励磁电,流,流和电压的1.1倍时,，,，能长期连,续,续运行。,2. 励磁,系,系统强励顶,值,值电压倍数,的,的考虑，中,小,小型机组的,励,励磁系统一,般,般不小于1.6倍，大,中,中型机组的,励,励磁系统一,般,般不小于1.8倍，顶,值,值电流倍数,与,与顶值电压,倍,倍数相同。,当,当系统稳定,要,要求更高顶,值,值电压倍数,时,时,按计算,要,要求确定。,顶,顶值电压倍,数,数超过2时,，,，顶值电流,倍,倍数仍取2,。,。,3. 励磁,系,系统在顶值,电,电流情况下,的,的允许持续,时,时间：中小,型,型机组的励,磁,磁系统不小,于,于10s；,大,大中型机组,的,的励磁系统,不,不小于20s。但不得,大,大于50s, 系统性,能,能要求,4. 励磁,系,系统电压响,应,应时间不大,于,于0.1s,。,。,5. 励磁,系,系统应保证,发,发电机机端,调,调压精度：,小,小型机组不,大,大于1.5%；中大,型,型机组不大,于,于0.5%。,6. 励磁,系,系统应保证,发,发电机机端,电,电压调差率,在,在以下范围,内,内可以调整,：,：,(1) 小,型,型机组:采,用,用半导体型,调,调节器时为,10%;,采,采用电磁型,调,调节器时为,5%,(2) 中,大,大型机组为,15%,级,级差不大于1%。调差,特,特性应有较,好,好的线性度,。,。, 系统性,能,能要求,7. 励磁,系,系统应保证,在,在发电机空,载,载运行情况,下,下，频率值,每,每变化1,时,时，发电机,端,端电压的变,化,化率：,(1)小型,机,机组：采用,半,半导体型调,节,节器时为不,大,大于0.5%；采用,电,电磁型调节,器,器时为不大,于,于3%,(2)中大,型,型机组不大,于,于0.25。,8. 励磁,系,系统应满足,下,下列要求：,(1) 空,载,载10%,阶,阶跃响应：,发,发电机电压,超,超调量不大,于,于10额,定,定值；调节,时,时间不大于5s；振荡,次,次数不超过3次。,(2) 发,电,电机空载，,转,转速为0.951.05额定转,速,速范围内，,突,突然投入励,磁,磁系统，使,发,发电机机端,电,电压从零上,升,升到额定值,时,时，小型机,组,组超调量不,大,大于额定电,压,压的15%,中大型机,组,组不大于10%，调节,时,时间不大于5秒，振荡,次,次数不超过3次。,(3) 当,发,发电机突然,甩,甩掉额定有,功,功负荷和额,定,定无功负荷,后,后，发电机,电,电压超调量,不,不大于15,额定值；,调,调节时间不,大,大于5s；,振,振荡次数不,超,超过3次。, 系统性,能,能要求,9. 电压,调,调节范围：, 自动励,磁,磁调节器电,压,压调整范围,：,：10110%额定,电,电压；, 手动励,磁,磁调节器电,压,压调整范围,：,：10110%额定,电,电压。,10. 在,发,发电机空载,运,运行状态下,，,，自动控制,单,单元和手动,控,控制单元的,整,整定电压变,化,化速度，每,秒,秒应不大于,额,额定电压的1%，不小,于,于额定电压,的,的0.3%,。,。,11. 励,磁,磁系统功率,整,整流器不应,采,采用串联元,件,件。当并联,支,支路较多时,应,应考虑均流,措,措施。在发,电,电机额定励,磁,磁电流情况,下,下，均流系,数,数不应低于0.85。, 系统性,能,能要求,12. 励,磁,磁系统的功,率,率整流器在,任,任何运行情,况,况下，过电,压,压保护器应,使,使得整流器,的,的输出电压,瞬,瞬时值不超,过,过绕组对地,耐,耐压试验电,压,压幅值的70%,13. 励,磁,磁系统的灭,磁,磁装置，应,满,满足：,灭磁过程中,，,，励磁绕组,反,反向电压应,控,控制在不低,于,于出厂试验,时,时绕组对地,耐,耐压试验电,压,压幅值的30%，不超,过,过50%,14. 静,止,止整流励磁,系,系统的起励,电,电流应不大,于,于发电机空,载,载励磁电流,的,的10%20%。,15. 励,磁,磁系统的年,强,强迫停运率,不,不应大于0.1%。,四.励磁调,节,节器,按调节器处,理,理数据的的,类,类型分，又,可,可分为数字,式,式、模拟式,和,和数字模拟,混,混合式三种,。,。, 数字式,励,励磁调节系,统,统,随着电子技,术,术的发展，,电,电力系统稳,定,定性要求的,提,提高，智能,化,化的励磁系,统,统运育而生,。,。目前数字,式,式励磁调节,系,系统大多采,用,用微控制器,，,，因此又称,为,为微机励磁,。,。, 数字式,励,励磁调节系,统,统, 微机励,磁,磁的分类,现代同步电,机,机的励磁系,统,统大多采用,了,了微机控制,技,技术，从目,前,前国内已投,运,运的水力发,电,电机组来看,，,，微机控制,励,励磁主要有,以,以下几种类,型,型：,1）按CPU的总线宽,度,度分：从理,论,论上讲，在,一,一定条件下,（,（如主频相,同,同）总线宽,度,度越宽，CPU所能处,理,理数据的容,量,量越大，时,间,间也少，速,度,度就越快，,因,因而性能也,越,越好。但我,们,们不能过份,的,的追求性能,指,指标，对产,品,品的推广、,普,普及和应用,来,来讲，性价,比,比和可靠性,是,是更重要的,指,指标, 微机励,磁,磁的分类,1）按CPU的总线宽,度,度分,(a) 8,位,位机：如MCS51系,列,列，带Flash的AT89、AT90系列,（,（89c52、8515），Motorola公司的：M6805,、,、M68HC05、M68HC11、M68HC12单,片,片机， Micro-Chip公,司,司的PIC16C系,列,列和17C,系,系列8位单,片,片机，Zilog公,司,司的Z8单,片,片机，Scenix公,司,司的8位RISC结构SX系列单,片,片机，及以8位微控制,器,器为内核的PLC、工,控,控机等产品,。,。, 微机励,磁,磁的分类,1）按CPU的总线宽,度,度分,(b) 16位机：如INTEL,公,公司的96,系,系列和部分80系列，ATMEL,公,公司的AT91系列，Motorola公司,的,的M68HC16系列,，,，TI公司,的,的DSP89,系,系列的单片,机,机或单板机,，,，及以16,位,位微控制为,内,内核的PLC、工控机,等,等产品 。,(c) 32位机：Motorola公司的M683XX.系列，TI公司的TMS320C28X,系,系列等。, 微机励,磁,磁的分类,2）从结构,型,型式上又可,分,分为,(a) 单,片,片机型：结,构,构简单，易,于,于开发，数,字,字化程度低,，,，在目前用,得,得很少，多,用,用于完成局,部,部功能；,(b) 单,板,板机型：开,发,发难度大，,功,功能较强，,智,智能化程度,高,高，性价比,高,高，是目前,流,流行的方式,；,；,(c) 工,控,控机型、PLC型等：,只,只需要作软,件,件开发，开,发,发周期短，,功,功能较强，,性,性价比低，,在,在目前较少,采,采用。, 微机励,磁,磁的分类,3）单微机,、,、双微机及,多,多微机,从可靠性、,降,降低风险、,性,性价比等方,面,面考虑，目,前,前有单微机,、,、双微机及,多,多微机励磁,系,系统。,在单通道微,机,机励磁调节,器,器中，按调,节,节计算、人,机,机接口、与,上,上位机通讯,、,、操作控制,、,、脉冲形成,等,等功能化分,，,，用两个或,多,多个CPU,来,来完成，可,降,降低CPU,的,的负担，同,时,时又可分担,风,风险，但CPU多了，,系,系统变得复,杂,杂，可靠性,反,反而会降低,，,，有利有弊, 微机励,磁,磁的分类,4）单通道,、,、双通道和,多,多通道,为了解决以,上,上矛盾，可,用,用双通道或,多,多通道的方,案,案来解决。,所谓单通道,、,、双通道是,按,按独立调节,的,的微机通道,数,数划分的，,象,象整流变压,器,器、灭磁回,路,路、励磁绕,组,组是不可能,也,也没有必要,冗,冗余的, 调节器,模,模式的选择,从理论上讲,，,，在一定条,件,件下（如主,频,频相同）总,线,线宽度越宽,，,，CPU所,能,能处理数据,的,的容量越大,，,，时间也少,，,，速度就越,快,快，因而性,能,能也越好。,但,但我们不能,过,过份的追求,性,性能指标，,对,对产品的推,广,广、普及和,应,应用来讲，,性,性价比和可,靠,靠性是更重,要,要的指标。,国外的大公,司,司具有较强,的,的研发能力,，,，一般都采,用,用自主研发,的,的专门适用,于,于励磁控制,的,的微机调节,器,器，对于不,具,具备硬件研,发,发能力的励,磁,磁生产厂家,，,，通常都采,用,用标准的工,控,控机作励磁,的,的微机控制,器,器。,采用标准的,工,工控机可缩,短,短开发周期,，,，对可靠性,有,有一定的保,证,证，不足之,处,处在于工控,机,机的核心技,术,术掌握在别,人,人手上，可,知,知性差。通,用,用性强，专,业,业性差，系,统,统复杂，性,价,价比低；关,于,于PLC可,编,编程序控制,器,器在励磁上,的,的运用，目,前,前多用于完,成,成局部功能,，,，速度慢，,性,性价比低, 调节器,模,模式的选择,1) 在每,个,个通道的设,计,计上可选功,能,能强大的（16位以上,）,）微处理器,（,（包括DSP），再辅,以,以CPLD,大,大规模在线,可,可编程逻辑,器,器件，既满,足,足了性能、,功,功能的要求,，,，又使系统,尽,尽可能的简,单,单，这就是,目,目前所谓的,微,微机控制系,统,统的两片技,术,术的应用，,既,既提高了性,能,能又简单可,靠,靠,2) 为了,提,提高调节器,系,系统的可靠,性,性，在通道,数,数上采用冗,余,余方案，构,成,成双通道调,节,节器，从通,道,道上冗余来,提,提高可靠性,。,。目前有的,厂,厂家提出了,三,三通道及以,上,上的冗余方,案,案，这是没,有,有必要的，,因,因为并不是,通,通道数越多,越,越可靠，通,道,道数多了，,同,同样会使系,统,统变得复杂,，,，从而会降,低,低系统的可,靠,靠性。应该,把,把着点放在,提,提高单通道,的,的可靠性上,，,，用适当的,冗,冗余来提高,我,我们最为担,心,心的部位的,可,可靠性，才,是,是较为合理,的,的方案, 调节器,的,的基本功能,1) 信号,的,的采集,a. 直流,采,采样：对于,发,发电机的各,种,种电参量，,经,经过隔离变,换,换后，送入CPU进行,采,采样计算。,所,所谓直流采,样,样主要是对,于,于发电机的,各,各种电参量,经,经过隔离再,变,变换为直流,信,信号，送入A/D转换,器,器（单元）,，,，主要有以,下,下几个量：,发电机端,电,电压量Ui,，,，定子电,流,流量Ii，,有功量Wi，无功,量,量Qi，,励,励磁电压ULi，励,磁,磁电流ILi。,b. 交流,采,采样：对于,同,同步电机的,各,各种电参量,经,经过隔离变,换,换后为交流,量,量，主要有,以,以下几个参,量,量：定子,电,电压Ui，,定子电流,，,，励磁电,压,压ULi，,励磁电流ILi。, 调节器,的,的基本功能,1) 信号,的,的采集,c. 各自,的,的特点：,直流采样：,精,精度较高，,实,实时性强，,采,采样的量较,多,多，硬件相,对,对要复杂些,，,，对被采样,量,量的波形要,求,求不高；,交流采样：,采,采样的量相,对,对较少，实,时,时性差，计,算,算工作量大,些,些，硬件简,单,单些，对被,采,采样量的波,形,形要求较高,。,。,测量的精度,还,还与A/D,的,的转换时间,、,、A/D的,位,位数有关。, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,a. 用于,控,控制系统的,数,数学模型,从励磁系统,与,与电力系统,的,的稳定性考,虑,虑。例如，,当,当要计算超,过,过转子角第,一,一次摆动以,外,外的特性时,，,，使用简化,的,的模型会带,来,来许多困难,，,，因为现代,电,电网的电力,系,系统稳定性,通,通常要经过,数,数秒或数次,振,振荡后方能,确,确定。因此,，,，在某种情,况,况下，模型,是,是不能简化,的,的。,通常，不同,制,制造厂家的,设,设备都具有,相,相同的基本,励,励磁控制功,能,能，该功能,可,可用广义的PID-控,制,制来进行数,学,学描述。因,此,此可用标准,形,形式来表示,励,励磁控制的,基,基本部分。,在图8的PID控制图,中,中，第一个,框,框内的时间,常,常数TC2,、,、TB2表,示,示微分函数,（,（D），另,一,一个框中的TC1、TB1和增益KR表示PI函数。输,出,出限值Urmax、Urmin具,非,非饱和的作,用,用，如防止,积,积分超出此,限,限制。限制,器,器工作时的,电,电路相当于,信,信号选择器,。,。,图3.1.3-1,带,带限制器的,常,常规PID,调,调节器的结,构,构及数字模,型,型, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,在特殊情况,下,下，把标准,模,模型不适用,也,也不需要的,项,项分别置“1”或“0,”,”。有时须,给,给出滞后时,间,间常数的最,小,小值，来调,整,整数字计算,的,的时间，避,免,免在计算中,的,的数据不稳,定,定。,当机组,间,间没有阻抗,并,并联时，采,用,用电流补偿,时,时，造成一,个,个人为的阻,抗,抗匹配，以,使,使机组能合,理,理地分担无,功,功功率。这,种,种情况下，XC应为正,值,值,。,当单一,机,机组通过有,效,效阻抗联到,系,系统时，或,两,两台及多台,机,机组通过各,种,种变压器联,到,到系统时可,将,将机端电压,调,调到工作点,以,以上。比如,，,，可以补偿,变,变压器的部,分,分阻抗，在,这,这些情况下,，,，RC和XC取负值。,多数负载电,流,流的补偿都,可,可忽略RC,分,分量，而只,要,要求XC值,，,，在此条件,下,下，电流对,无,无功分量的,影,影响较小，,起,起该作用的,部,部件称作无,功,功电流补偿,器,器。,当使用补偿,器,器时，应注,意,意可能会在,功,功率振荡的,情,情况下附加,上,上正或负的,阻,阻尼, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,b. 调差,计,计算,按发电机电,压,压偏差进行,计,计算是保证,发,发电机端电,压,压稳定的基,本,本方式。,为维持并联,机,机组间的稳,定,定运行并合,理,理的分配无,功,功，设置调,差,差环节是必,须,须的。对于,在,在发电机端,并,并联运行的,机,机组，一般,应,应采用正调,差,差特性；对,于,于经升压变,压,压器在高压,侧,侧并联的机,组,组或在发电,机,机端直接带,负,负载的机组,，,，应采用负,调,调差特性，,在,在按电压偏,差,差调节的系,统,统中可按下,式,式计算。,U=UG-（UI+KQ）,K0为正,调,调差，K0为负调差,。,。,式中：UG,给定电,压,压；UI,测量电压,；,；K调,差,差系数；Q,无功。, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,c. 强励,限,限制环节,当电网或机,端,端电压发生,下,下降较多时,，,，励磁系统,应,应快速强励,维,维持电网或,机,机端电压的,稳,稳定，同时,也,也为发电机,的,的保护提供,可,可动作的支,持,持。,但从发电机,自,自身的安全,考,考虑对强励,电,电流进行限,制,制是必须的,。,。,强励顶值电,流,流限制；强,励,励倍数限制,；,；,强励反时限,限,限制，强励,反,反时限限制,是,是为了防止,转,转子因长时,间,间过流而发,热,热设置的，,在,在微机励磁,调,调节器中允,许,许强励时间T可按下式,设,设置。, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,IL,式中，K为,计,计算系数；IL为额定,励,励磁电流。,t,30s,2ILe,1.1ILe, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,d. 低励,限,限制,为了防止发,电,电机在低励,时,时，因扰动,而,而失步，破,坏,坏发电机的,静,静态稳定极,限,限，有必要,进,进行低励限,制,制，有人把,低,低励与进相,等,等同起来，,这,这是一个概,验,验性的错误,，,，进相运行,应,应该是发电,机,机允许的一,种,种运行工况,，,，但进相到,一,一定深度就,不,不安全了，,特,特别是有功,负,负荷较大时,，,，很容易在,受,受到干扰失,步,步，这是不,允,允许的。在,微,微机励磁系,统,统中，可按,直,直线方程确,定,定低励限制,。,。, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,d. 低励,限,限制：按功,率,率圆确定低,励,励限制线,Q,P,Q=KP+b,b, 调节器,的,的基本功能,2) 调节,计,计算,e.,电,电,压,压/,频,频率,限,限制,当发,电,电机,在,在空,载,载状,态,态时,，,，为,了,了防,止,止发,电,电机,在,在转,速,速降,低,低时,产,产生,磁,磁路,过,过饱,和,和，,导,导致,过,过电,流,流，,须,须进,行,行V/F,限,限制,。,。微,机,机励,磁,磁系,统,统一,般,般按,下,下列,方,方式,进,进行,限,限制,。,。,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,2),调,调,节,节计,算,算,V/F限,制,制,F(HZ),UI(V),Ue,0,50,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,2),调,调,节,节计,算,算,f.PSS,按电,压,压偏,差,差的PID调,节,节方,式,式，,完,完全,能,能满,足,足电,压,压精,度,度的,要,要求,，,，也,有,有助,于,于改,善,善发,电,电机,电,电压,的,的动,态,态和,静,静态,稳,稳定,性,性。,但,但是,对,对在,电,电网,中,中的,主,主力,机,机组,，,，特,别,别是,传,传输,距,距离,较,较长,，,，线,路,路阻,抗,抗较,大,大，,而,而运,行,行的,功,功率,因,因数,较,较高,时,时，,增,增设PSS电,力,力系,统,统稳,定,定器,对,对抑,制,制系,统,统的,低,低频,震,震荡,是,是有,好,好处,的,的。,采用,发,发电,机,机电,功,功率,增,增量,（,（Pe,）,）作,为,为输,入,入信,号,号，,经,经过,相,相位,校,校正,环,环节,、,、放,大,大环,节,节、,隔,隔离,环,环节,及,及限,幅,幅环,节,节后,，,，输,出,出控,制,制信,号,号Upss到,励,励磁,的,的AVR,的,的电,压,压相,加,加点,。,。,Pss的,传,传递,函,函数,为,为：,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,2),调,调,节,节计,算,算,式中,，,，,为,为,相,相位,校,校正,环,环节,，,，由,两,两级,超,超前,，,，滞,后,后环,节,节组,成,成，T1,、,、T3为,超,超前,时,时间,常,常数,，,，T2、T4,为,为滞,后,后时,间,间常,数,数，Kpss,为,为Pss,的,的放,大,大倍,数,数，Tw,为,为隔,离,离时,间,间常,数,数，PID+Pss已,成,成为,目,目前,励,励磁,调,调节,的,的主,要,要方,式,式。,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,3）,励,励磁,微,微调,节,节控,制,制器,供,供电,电,电源,的,的考,虑,虑,数字,电,电路,比,比模,拟,拟电,路,路对,电,电源,的,的要,求,求要,高,高，,除,除了,要,要选,择,择高,品,品质,的,的开,关,关电,源,源外,，,，在,供,供电,方,方案,的,的选,择,择、,走,走线,、,、工,艺,艺等,方,方面,也,也应,合,合理,。,。,对微,控,控制,器,器一,般,般要,用,用隔,离,离供,电,电方,式,式，,对,对于,多,多通,道,道系,统,统，,供,供电,电,电源,最,最好,能,能独,立,立。,发电,厂,厂一,般,般都,有,有交,流,流和,直,直流,两,两种,电,电源,，,，对,单,单通,道,道系,统,统可,采,采用,如,如图9所,示,示的,供,供电,方,方式,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,3）,励,励磁,微,微调,节,节控,制,制器,供,供电,电,电源,双开,关,关电,源,源,开关,电,电源,开关,电,电源,交流,直流,调,节,节,器,器,调,调节,器,器的,基,基本,功,功能,3）,励,励磁,微,微调,节,节控,制,制器,供,供电,电,电源,单开,关,关电,源,源,交流,直流,调,节,节,器,器,开关,电,电源,模,模拟,式,式励,磁,磁调,节,节器,早期,的,的半,导,导体,励,励磁,控,控制,系,系统,多,多采,用,用模,拟,拟方,式,式，,随,随着,微,微机,控,控制,技,技术,的,的发,展,展，,有,有取,代,代模,拟,拟式,控,控制,系,系统,的,的趁,势,势，,但,但模,拟,拟电,子,子技,术,术目,前,前也,有,有长,足,足的,发,发展,，,，特,别,别是,高,高性,能,能的,运,运算,放,放大,器,器，,模,模拟,比,比较,器,器及555时,基,基电,路,路的,发,发展,，,，使,得,得模,拟,拟式,励,励磁,调,调节,器,器在,小,小机,组,组上,目,目前,仍,仍被,选,选用,。,。,所谓,模,模拟,式,式调,节,节器,，,，是,指,指用,模,模拟,电,电路,来,来完,成,成调,节,节计,算,算（P、PI,、,、PID,）,）功,能,能的,调,调节,器,器。,模,模数,混,混合,式,式励,磁,磁调,节,节器,目前,用,用得,最,最多,的,的主,要,要有,两,两种,型,型式,：,：,1.,一,一,种,种是,双,双通,道,道双,调,调节,器,器中,的,的某,一,一个,通,通道,为,为模,拟,拟通,道,道，,构,构成,模,模数,混,混合,型,型，,见,见图11,；,；,2.,另,另,一,一种,是,是在,单,单通,道,道调,节,节器,中,中，,用,用模,拟,拟电,子,子电,路,路完,成,成调,节,节计,算,算功,能,能，,用,用微,处,处理,器,器（,单,单片,机,机或PLC等,）,）完,成,成人,机,机接,口,口与,上,上位,机,机通,讯,讯等,辅,辅助,功,功能,构,构成,模,模数,混,混合,型,型励,磁,磁调,节,节器,，,，见,图,图12。, 模数,混,混合式励,磁,磁调节器,1双通,道,道模数混,合,合式励磁,调,调节器,F,微机调节器,模拟调节器, 模数,混,混合式励,磁,磁调节器,2. 单,通,通道模数,混,混合式励,磁,磁调节器,模拟调节,器,器,微机人机,接,接口,F, 模数,混,混合式励,磁,磁调节器,对于前一,种,种，通常,是,是把微机,通,通道作为,主,主通道，,模,模拟通道,作,作为备用,通,通道使用,，,，通常用,在,在中大型,机,机组上，,对,对于后一,种,种，它的,应,应用前景,应,应该得到,肯,肯定，它,既,既符合人,们,们对传统,励,励磁调节,器,器的原理,认,认知，又,能,能与上位,机,机进行通,讯,讯，充分,发,发挥了模,拟,拟电路与,数,数字电路,的,的优势，,但,但调节规,律,律比较单,一,一，在小,机,机组上使,用,用有一定,的,的优势,五 多功,能,能组合控,制,制装置,三合一:, 集发,电,电机的(,控,控制+保,护,护+计量)的组合, 在小,型,型机组上,采,采用(1,万,万千瓦以,下,下机组), 主要,功,功能：励,磁,磁、调速,、,、同期、,保,保护、计,量,量、测温,、,、制动等,。,。见图13,五 多功,能,能组合控,制,制装置,三合一控,制,制装置,励,磁,调,速,同,期,保,护,测,温,制,动,功,能,模,块,六 开关,式,式励磁,1. 晶,体,体管开关,式,式励磁装,置,置，在目,前,前的小水,电,电站的小,型,型机组（,小,小容量励,磁,磁）上也,有,有应用。,2. 主,原,原理如图14。它,是,是通过控,制,制晶体管,的,的频率（,调,调频式）,或,或占空比,（,（调宽式,）,）来控制,晶,晶体管输,出,出电流的,大,大小达到,调,调整励磁,强,强弱的目,的,的，使机,端,端电压保,护,护稳定。,晶,晶体管开,关,关式励磁,调,调节器的,原,原理简单,。,。,3. 其,最,最大优点,是,是勿须同,步,步，但目,前,前在应用,有,有上3个,主,主要瓶颈,，,，一是晶,体,体管的性,价,价比低，,二,二是耐压,高,高的晶体,管,管电流不,大,大，电流,大,大的晶体,管,管耐压不,高,高，选择,的,的余地很,有,有限，所,以,以一般只,能,能用于小,功,功率励磁,的,的回路上,，,，三是晶,体,体管的灭,磁,磁性能不,如,如晶闸管,三,三相全控,桥,桥式整流,电,电路，它,不,不具备逆,变,变灭磁功,能,能。,4. 但,是,是在火电,机,机组的多,机,机系统中,（,（二机无,刷,刷、三机,无,无刷系统,）,）还是应,用,用比较广,，,，火电机,组,组的转速,比,比较高，,多,多机系统,主,主要是靠,磁,磁放大，,而,而辅机的,励,励磁容量,并,并不大。,六 开关,式,式励磁,原理图,整,流,流,调节器,ZB,Q,PT,F,CT,七 功率,整,整流单元, 单相,半,半控桥式,整,整流电路,单相半控,桥,桥式整流,电,电路常采,用,用如下接,线,线方式，D1、D2又兼做,续,续流二极,管,管用，接,线,线简单可,靠,靠。,七 功率,整,整流单元,单相半控,桥,桥式整流,电,电路,F,DL,D1,D2,KP2,KP1,CT,PT,调节器,七 功率,整,整流单元, 三,相,相半控,桥,桥式整,流,流电路,特点:,三,三相,半,半控桥,式,式整流,电,电路的,触,触发电,路,路简单,，,，整流,元,元件所,承,承受的,反,反向电,压,压较其,它,它电路,小,小，谐,波,波小，,对,对整流,变,变压器,的,的利用,率,率高，,但,但不具,备,备逆变,特,特性,。,。,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路,可控硅,整,整流技,术,术目前,已,已非常,成,成熟，,特,特别是,在,在自并,激,激静止,整,整流励,磁,磁系统,中,中，是,最,最常见,的,的方式,，,，目前,大,大多采,用,用三相,全,全控桥,式,式整流,方,方式，,它,它具有,控,控制精,度,度高、,灭,灭磁方,便,便、灭,磁,磁速度,快,快等特,点,点。,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路,1整,流,流电压,平,平均值, 当,=0,，,，=0时，, 当,整,整流器,在,在空载,情,情况下,，,，0，=0时,，,，, 负,载,载可控,状,状态下,，,， ,0，,0,，,，时,，,，,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路,2整,流,流元件,的,的电流,有,有效值, 流,过,过整流,桥,桥交流,侧,侧电流,的,的有效,值,值由流,过,过同一,相,相两个,元,元件的,电,电流所,组,组成。, 当,=0,时,时，流,过,过可控,硅,硅的电,流,流有效,值,值与控,制,制角的,大,大小无,关,关。, 整,流,流桥交,流,流侧电,流,流有效,值,值为,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路, 整,流,流桥交,流,流侧电,流,流的有,效,效值I,为,为整流,元,元件电,流,流有效,值,值的,倍,倍,。,。,估算可,取,取,3整,流,流元件,的,的计算,选,选择,1）电,压,压选择,额定反,向,向重复,峰,峰值电,压,压：,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路,-,电,电网电,压,压生高,系,系数，,取,取值为1.3,1.5,-,整,整流元,件,件需承,受,受的反,向,向电压,最,最大峰,值,值,-,整,整流接,线,线方式,系,系数，,单,单相桥,取,取为1.41,，,，单相,全,全波取,为,为2.82；,三,三相桥,取,取为2.45,-,整,整流变,压,压器二,次,次侧相,电,电压,七 功,率,率整流,单,单元, 三,相,相全控,桥,桥式整,流,流电路,2）正,向,向电流I p,式中，Id为,最,最大整,流,流输出,电,电流；,取,取0.367,；,；K2=1；K3=0.7,1.0；K4=1.15,；,；K6=0.9。,七 功,率,率整流,单,单元, 整,流,流变压,器,器,整流变,压,压器是,励,励磁系,统,统中的,一,一个重,要,要单元,。,。, 整,流,流变压,器,器的型,式,式,1）普,通,通干式,：,：采用,高,高绝缘,材,材料（,美,美国杜,邦,邦）的,干,干式变,压,压器已,被,被广泛,应,应用，,由,由于散,热,热条件,好,好，绝,缘,缘等级,可,可做得,很,很高，,但,但价格,也,也高。,2）环,氧,氧干式,：,：环氧,干,干式变,压,压器体,积,积小，,防,防火性,能,能好，,但,但环氧,抽,抽真空,环,环节控,制,制不好,就,就会降,低,低绝缘,性,性能，,同,同时环,氧,氧树脂,在,在长期,发,发热情,况,况下易,老,老化而,缩,缩短变,压,压器的,寿,寿命。,3）油,浸,浸式：,油,油浸式,变,变压器,寿,寿命长,，,，价格,低,低，但,对,对防火,要,要求较,高,高的环,境,境下不,宜,宜采用,。,。,七 功,率,率整流,单,单元, 整,流,流变压,器,器, 接,线,线方式,为了降,低,低谐波,干,干扰，,同,同时又,便,便于现,场,场更改,接,接线方,式,式，接,线,线方式,一,一般采,用,用/Y接线,方,方式，,当,当然也,有,有采用Y/,接,接线方,式,式的。, 励,磁,磁变压,器,器副边,线,线电压U2,七 功,率,率整流,单,单元, 整,流,流变压,器,器,式中，Kau,一,一般,取,取1.11.3；Ku,为,为强,励,励倍数,；,；Ud,为,为额定,励,励磁电,压,压（V,）,）；n,为,为串联,元,元件数,（,（n+1）；,u为,硅,硅元件,的,的正向,压,压降；,为,为,强,强励时,整,整流器,重,重叠角,；,；Ki,为,为强励,电,电流与,额,额定电,流,流之比,，,，当Ki2,时,时，取Ki=2；Xk一般,取,取0.050.10；,估算可,取,取：U2（1.5,2)Vd，,可,可保证,有,有1.62,倍,倍的电,压,压强励,倍,倍数。,七 功,率,率整流,单,单元, 整,流,流变压,器,器, 变,压,压器副,边,边电流,式中取,：,： ,电,电流,裕,裕度系,数,数，可,取,取1.11.3,额定,励,励磁电,流,流,一般,取,取0.35，,即,即cos=0.90.95,七 功,率,率整流,单,单元, 整,流,流变压,器,器, 变,压,压器容,量,量S,估算：K取2.43.2,之,之间的,值,值,则,强,强励倍,数,数分别,为,为1.62,倍,倍。,七 功,率,率整流,单,单元, 触,发,发回路,三相全,控,控整流,桥,桥的触,发,发脉冲:,双脉冲,宽脉冲,调制宽,脉,脉冲,调制双,脉,脉冲,双脉冲,宽脉冲,调制宽脉冲,调制双脉冲,八 起,励,励, 残,压,压起励,现有的,微,微机励,磁,磁装置,多,多采用,残,残压起,励,励，当,残,残压大,于,于1%,时,时，一,般,般都能,可,可靠起,励,励；辅,以,以它励,补,补充。,由,由微机,自,自动检,测,测残压,进,进行起,励,励，若,残,残压不,够,够，微,机,机自动,将,将它励,投,投入。,在,在检测,到,到残压,足,足够时,，,，自动,解,解除它,励,励，这,样,样对辅,助,助它励,的,的电能,要,要求较,小,小，一,般,般都小,于,于10A。, 它,励,励起励,当残压,不,不够时,，,，可采,用,用它励,起,起励的,方,方式。,利,利用辅,助,助电源,（,（直流,合,合闸电,源,源）按,图,图3.222方式,连,连接起,励,励。一,般,般要求,它,它励起,励,励电流,应,应小于,额,额定空,载,载励磁,电,电流的10%,。,。起励,八 起,励,励,它励起,励,励原理,图,图3.2-22,九 灭,磁,磁,对于三,相,相全控,桥,桥，正,常,常停机,采,采用逆,变,变灭磁,，,，事故,情,情况下,，,，通常,有,有两种,方,方式，,一,一种是,线,线性灭,磁,磁，其,二,二是非,性,性线灭,磁,磁。, 线,性,性灭磁,：,：,对于机,组,组容量,较,较小、,励,励磁容,量,量小、,励,励磁电,压,压低的,，,，采用,线,线性灭,磁,磁的方,案,案有一,定,定优势,，,，既能,满,满足要,求,求，又,能,能降低,成,成本，,特,特别是,对,对于励,磁,磁电压,较,较低的,，,，不便,采,采用非,线,线性方,式,式灭磁,。,。, 非,线,线性灭,磁,磁：,非线性,灭,灭磁方,式,式具有,灭,灭磁时,间,间短、,速,速度快,等,等优点,，,，但与,线,线性灭,磁,磁方式,相,相比价,格,格偏高,，,，体积,偏,偏大。,见,见图3.2-23,九 灭,磁,磁,1氧,化,化锌非,线,线性电,阻,阻计算,：,：,式中，Wfmax-转子,绕,绕组最,大,大储能,K1-容量,储,储备系,数,数,K2-耗能,分,分配系,数,数,K3-发电,机,机磁场,最,最大储,能,能系数,Wfo-转,子,子绕组,空,空载储,能,能,Lfo-转,子,子绕组,在,在空载,时,时不饱,和,和电感,Ifo-空,载,载励磁,电,电流,Tdo-,定,定子绕,组,组三相,开,开路时,，,，转子,绕,绕组时,间,间常数,Rf-转子,绕,绕组直,流,流电阻,九 灭,磁,磁, 灭,磁,磁开关,：,：, 为,了,了防止,发,发电机,在,在事故,情,情况下,，,，故障,的,的进一,步,步扩大,，,，通常,采,采用灭,磁,磁开关,来,来进行,保,保护。, 目,前,前常用,的,的灭磁,开,开关有,：,：DW16、DM2,、,、DM4、DM8、DMX,系,系列，,进,进口的,有,有ABB公司,的,的E1BMS,、,、E2N等。,许,许多进,口,口的中,低,低压断,路,路器，,主,主要是,为,为交流,回,回路设,计,计的，,当,当然，,在,在一定,条,条件下,也,也可用,于,于直流,回,回路。,这,这里要,注,注意的,是,是，每,个,个断口,的,的直流,分,分断电,压,压一般,小,小于或,等,等于250伏,。,。, 关,于,于ABBE系,列,列断路,器,器，严,格,格来说ABB,公,公司的E系列,断,断路器,并,并不是,灭,灭磁开,关,关，而,是,是交流,断,断路器,，,，只是,在,在特定,情,情况下,（,（每断,口,口的电,压,压250V/DC,）,）可用,在,在直流,回,回路，,如,如果接,口,口断口,串,串联连,接,接，则,耐,耐压小,于,于1000V,，,，对于,非,非线性,灭,灭磁来,说,说，非,线,线性电,阻,阻的动,作,作电压,一,一般按,额,额定励,磁,磁电压,的,的46倍考,虑,虑，也,就,就是说ABB,断,断路器,与,与非线,性,性电阻,结,结合使,用,用时，,额,额定励,磁,磁电压,不,不得大,于,于250伏。,因此，,不,不能盲,目,目的追,求,求使用ABB,断,断路器,九 灭,磁,磁,非线性,灭,灭磁原,理,理图3.2-23,十 励,磁,磁设备,选,选型参,考,考,一般来,说,说是采,用,用旋转,励,励磁还,是,是静止,式,式励磁,、,、是有,刷,刷还是,无,无刷是,由,由设计,单,单位在,前,前期就,已,已确定,了,了的，,下,下面的,原,原则是,在,在主机,厂,厂确定,了,了励磁,参,参数后,综,综合以,上,上原则,所,所列出,的,的参考,意,意见。, 基,本,本原则, 励,磁,磁容量,的,的选择,不,不依主,机,机的容,量,量而定,，,，而应,当,当以励,磁,磁参数,所,所确定,的,的励磁,容,容量来,确,确定，,同,同等主,机,机容量,，,，由于,水,水头高,低,低不同,，,，转速,不,不同，,磁,磁极对,数,数不同,，,，其励,磁,磁容量,是,是差别,很,很大的,。,。,十 励,磁,磁设备,选,选型参,考,考,各并联,机,机组所,提,提供交,流,流电的,频,频率为,一,一个不,变,变的值,，,，我国,规,规定为50Hz ，,则,则有：,式中，n为发,电,电机的,转,转速；f为发,电,电机的,频,频率；p为磁,极,极对数,。,。,由式上,式,式可知,，,，要使,得,得发电,机,机供给,电,电网50Hz,的,的工频,电,电能，,发,发电机,的,的转速,必,必须为,某,某些定,值,值，这,些,些定值,称,称为同,步,步转速,。,。,例如：2极电,机,机的极,对,对数为1，同,步,步转速,为,为3000r/min，4,极,极电机,的,的极对,数,数为2,，,，同步,转,转速为1500r/min,，,，依次,类,类推。,只,只有运,行,行于同,步,步转速,，,，同步,电,电机才,能,能正常,运,运行，,这,这也是,同,同步电,机,机名称,的,的由来,。,。,十 励,磁,磁设备,选,选型参,考,考, 对于无,刷,刷励磁和励,磁,磁容量较小,（,（50A、200V）,的,的静止式励,磁,磁，可选用,开,开关式微机,励,励磁或可控,硅,硅静止整流,式,式微机励磁,。,。, 对于大,多,多数的自并,激,激可控硅静,止,止式整流设,备,备应选用微,机,机型的。, 对于低,压,压机组最好,选,选用组合多,功,功能型控制,设,设备或模拟,型,型。, 对于5000KW,以,以下的机组,最,最好选用单,通,通道调节器,。,。,十 励磁设,备,备选型参考, 关于微,机,机和模拟型,选,选择,所谓微机型,和,和模拟型的,区,区别在于励,磁,磁调节器所,完,完成调节计,算,算（P、PI、PD、PID等）,的,的方式是采,用,用模拟运算,方,方式还是数,字,字运算方式,。,。, 无刷励,磁,磁：可选用,微,微机型或模,拟,拟型, 自并励,静,静止励磁：1000KW以下，选,模,模拟型；,1000KW以上，选,微,微机型或微,机,机+模拟混,合,合型,十 励磁设,备,备选型参考, 从励磁,的,的方式选：, 无刷：,可,可选开关式,或,或可控硅整,流,流式, 自并激,静,静止励磁：, 可控硅,整,整流式：,1）低压机,组,组：单相或,三,三相半控,2）高压机,组,组：三相全,控,控,十 励磁设,备,备选型参考,）整流桥,的,的数量选择,：,：, 额定励,磁,磁电流在500A以下,的,的选单桥, 额定励,磁,磁电流在500A以上2000A,以,以下选双桥, 额定励,磁,磁电流在2000A以,上,上选多桥, 低压机,组,组一般选单,相,相或三相半,控,控, 高压机,组,组选三相全,控,控,十 励磁设,备,备选型参考, 通道数,选,选择,1. 5000KW以,下,下机组或励,磁,磁电流在300A以下,选,选单通道,2. 5000KW以,上,上机组选双,通,通道,3. 10,万,万KW以上,选,选多通道,十 励磁设,备,备选型参考, 灭磁方,式,式选择及灭,磁,磁开关选择, 额定励,磁,磁电流在500A以下,：,：选线性灭,磁,磁, 额定励,磁,磁电流在500A以上,：,：选非线灭,磁,磁, 额定励,磁,磁电流在300A以下,，,，选DW16, 额定励,磁,磁电流在3