励磁系统基本原理 尹志丰 2016.06.21
一、励磁系统的基本作用
励磁的基本概念
什么是励磁？ 导体切割磁力线感生电动势e 励磁就是提供一个磁场B
E=4.44fNΦ
对于发电机来说，励磁就是产生磁通Φ
励磁的基本任务
Governor调速
Active Power（P） Frequency（f）
Reactive Power（Q） Terminal Voltage（Ug）
3.2 励磁变压器
• 将高电压隔离并转换为适当的低电压，供整流器使用。一 般接线组别：Y/d-11。
• 励磁变的额定容量要满足发电机1.1倍额定励磁电流的要 求。
• 励磁变的二次电压的大小要满足励磁系统强励的要求。 • 励磁变的绝缘等级：F级或H级。 • 励磁变的额定最大温升：80K或100K。
3.3 可控硅整流桥
三相全控桥的散热
• 可控硅流过电流，会在可控硅两端产生电压降（一般1～ 2V），造成可控硅发热，温度升高。可控硅内部的最大承 受结温（PN结）是125℃。
• 可控硅散热方法：可控硅压装散热器，并启动冷却风机进
行风冷散热。
三相全控桥的保护
• 可控硅过流保护：每可控硅串联快速熔断器。 • 可控硅换相尖峰过电压保护：可控硅两端并联R、C吸收
因此功率传送方向会反转，从整流态到逆变态，完成能量消耗。 自并励情况、发电机空载状态下，可实现逆变灭磁。转子电流通过
发电机、励磁变及转子回路的电阻消耗。灭磁时间较长，10s左右。
三相全控桥电路的典型波形
α=00: 自然换相点， 二极管整流， AC变DC
α=0～900: 整流状态， AC变DC
α=1500: 逆变状态， DC变AC
晶闸管的关断条件：以下任一条件即可关断 1. 主回路断开； 2. 晶闸管两端处于反向电压时（阳极电压低于阴极电压） 3. 流过晶闸管的电流下降到小于维持电流
三相全控桥电路结构
SCR循环导通顺序：至少有2个 可控硅开通。 12－32－34－54－56－16－ 12…… 1个工频周期完成1个换 相导通循环。
电力系统稳定器（PSS）可以增加电力系统正阻尼，用于抑制电
。 力系统低频振荡 Δω
发电机电气功率 Pe/ΔPe、机械功 率Pm、加速功率 ΔPa、同步转矩 ΔTs、阻尼转矩 ΔTD、电磁转矩 ΔTE、转子角Δδ 、转子角速度Δω 的正方向相位关系 如下图所示：
ΔTD
正阻尼区
加速功率ΔPa＝机械功率Pm－
Excitation励磁
G
功角含义（电气量与空间量）、静稳极限Pmax、系 统稳定余度（Pmax/P）、功角范围（机组小于系统 ）
基本作用
建立发电机机端电压：电磁感应原理
No 最主要功能：维持发电机机端电压恒定、稳定 交流输电系统的输送功率极限公式：
Image 在并列运行的发电机间合理分配无功功率
• 在发电机的励磁控制系统中，采用ΔPe、Δω、Δf等一个或几个信号， 经适当放大、相位补偿后作为励磁附加反馈控制，可以增加电力系统
的正阻尼，从而阻尼电力系统功率振荡，这种用于增加电力系统正阻 尼的附加励磁控制装置称为电力系统稳定器（Power System Stabilizer，简称PSS）。它不降低励磁系统电压调节环的增益，不影 响励磁控制系统的暂态性能，而对抑制电力系统低频振荡效果显著。 PSS在国内外都得到了广泛应用。
可控硅整流桥一般采用三相全控可控硅整流桥的方 式，实现把交流电转换为可控的直流电的主要任务，给发 电机提供各种运行状况下所需要的励磁电流。
晶闸管的伏安特性
电力电子技术的发展：IGBT
晶闸管的导通与关断条件
晶闸管的导通条件：以下两条件须同时具备 正向阳极状态（阳极电位高于阴极电位）； 控制极加上触发电压（或触发脉冲）；
定。频率稳定由调速器调节。 • 功角稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 • 静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性（稳定余度问题、极限功率问
题、发电机的能力问题）； • 暂态稳定是大扰动后系统在随后的1－2个周波的稳定性；（安稳装置切机
问题、继电保护问题） • 动态稳定是小扰动后或者是大扰动1－2周波后的，并且采取技术措施后的
当灭磁开关分断后进行灭磁时，转子电感两端出现较大 的反向电压，同时控制单元快速接通反向可控硅触发回路， 把灭磁电阻接入、灭磁电阻回路开通，转子电流就可以快 速转移到灭磁电阻回路，通过灭磁电阻把电流转换为热量 释放。
灭磁开关
灭磁开关的基本作用：控制转子绕组中励磁电流的接通、分断；灭磁开 关分断后，配合灭磁电阻完成灭磁的任务。
三、自并励励磁系统的基本构成
自并励励磁系统是当今主流励磁系统。已在大、中 型发电机组中普遍采用。其主要技术特点： 接线简单、结构紧凑； 取消励磁机，发电机组长度缩短，减小轴系振动，节 约成本； 典型的快速励磁系统； 调节性能优越，通过附加PSS控制可以有效提高电力系 统稳定性。
3.1 自并励励磁系统的主要组成部分
想。
• SiC非线性电阻，国外生产，经常采用英国M&I公司的产品，超大型 机组应用较多，比如：三峡、龙滩、拉西瓦等；灭磁时间适中。
• 水轮发电机要求快速灭磁，普遍采用非线性电阻灭磁方案。 • 单片ZnO阀片的工作能容量是15KJ，而单片SiC阀片的工作能容量为
62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需 要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突 出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电 机的励磁系统中普遍使用。
Ud、Id－－直流输出侧电压、电流； U2、I2－－交流输入侧线电压、相电流；
触发控制角的理论范围0~180°，超出此范围外的触发信号就会造成 混乱。触发控制角的角度控制是严格的，一般实用范围：10～150°
0～90°：整流状态； 90～180°：逆变状态。 逆变状态时为什么是负的？电流方向与原来一致，而电压方向反，
二、励磁系统的几种主要类型
励磁系统的组成： 自动电压调节器AVR、ECR/FCR（励磁调节器） 励磁电源（励磁机、励磁变压器） 整流器（AC/DC变换，SCR、二极管） 灭磁与转子过电压保护 按励磁电源分类： 直流励磁机励磁系统 交流励磁机励磁系统 无刷励磁系统 自并励励磁系统 按响应速度分类： 慢速励磁系统 快速励磁系统 高起始励磁系统
提高电力系统的运行稳定性
PM

U2 X
电力系统稳定简介
• 电力系统稳定分为三个电量的稳定： • 电压稳定（励磁、无功平衡、电压崩溃、人工干预：增加Q） • 频率稳定（调速、有功平衡、安稳装置切机、自动减载）、功角稳定（P、
Q变化）。 • 励磁系统提高电力系统的稳定主要是提高电压的稳定，其次是提高功角稳
两种灭磁方法
• 逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流 桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源 侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变 灭磁过程中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以， 逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到 10s。
稳定性（励磁PSS问题）。
功角稳定比喻
• 碗中放置一个球，且受到外部的一个小外力，它就偏离原来的位置。如果 这个碗的高度很矮，像一个盘子，该球就有可能从碗中掉下来。此时，我 们就说这个系统静稳不足。提高碗的高度最经济的办法就是采用自动电压 调节器。
• 当碗中的球受到一个大的外力，怎样保证该球不飞出，最主要措施就是快 速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保 越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。自动电压调 节器此时作用相当于自动改变这个碗的坡度，当这个球上升时增加坡度， 当这个球下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。
耗能型灭磁开关——灭磁开关分断励磁回路后，利用开关断口将灭磁能 量形成的电弧引入灭磁开关的灭弧室内燃烧，使电弧能量消耗完毕，实 现灭磁。灭磁能量有限。很少采用。典型产品：国产DM2型。
移能型灭磁开关——灭磁开关分断励磁回路后，将转子电流转移到灭磁 电阻上消耗或吸收，开关本身基本不吸收灭磁能量。灭磁能量大，灭磁 时间快，普遍采用。典型产品：国产DM4、DMX，进口ABB-E、UR、 HPB型。
• 如果这个碗和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间 就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断 的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统 的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断 施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动 电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统 阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压 调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加碗和球的摩擦系数， 使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。
电路，或采用集中式阻容保护。 • 由于可控硅换相尖峰电压产生于励磁变的漏感，集中式阻
容保护可以直接吸收，保护效果更好。
三相全控桥的集中式阻容保护电路：C1主要吸收
3.4 灭磁系统
灭磁，即是快速把转子电感中储存的大电流
释放掉，以保证发电机安全运行，保护机组和其
它设备安全 。
转子电感是大的储能元件，电感中的电流是
灭磁中的移能
• 灭磁过程中，移能成功的条件：
UDCarU cEUr
灭磁开关要有足够高的弧压，才能顺利实现移能。 UR、HPB型灭磁开关的弧压，都在4000V以上。
灭磁电阻
• 线性电阻，汽轮发电机励磁系统经常采用；灭磁时间较长。 • 氧化锌ZnO非线性电阻，国内生产，应用普遍；灭磁时间短，较为理
Pe/ΔPe 、Δδ