自动励磁调节器中低励磁限制的应用分析

张璐璐

【摘 要】大、中型发电机的励磁调节器增设低励磁限制部件容易实现对于完善励磁调节器功能，保证励磁调节器安全可靠运行有一定作用。本文通过做发电机进相试验，提出自动励磁调节器中低励磁限制的应用及加装低励限制方案。

【关键词】低励磁；调节器；应用；分析

1.自动励磁调节器

发电机端电压经电压互感器降压后输入到测量单元，电压讯号在测量单元中经测量比较后，将电压偏差量输入到中放单元放大，并作为移相单元的控制电压以相应改变触发单元的触发脉冲相位角，从而改变了自动可控硅的控制角和交流励磁机励磁电压值，相应地改变了主发电机的励磁，当发电机负载增大而使发电机电压下降时调节器使自动可控硅整流器的控制角检小，以增大发电机的励磁，当发电机减少负荷时，其操作以上述相反，减少励磁来维持发电机端电压为给定值。

2.低励磁限制

当发电机进相运行时，发电机输出一定的有功功率P，由于励磁电流If的不足，发电机的同步电势Eg下降，负荷电流I由落后于发电机电压U变成超前，发电机从系统吸收感性无功功率。随着励磁电流If减少，发电机的同步电势Eq进一步减小，发电机从系统吸收的无功功率就增加，这将引起功率角δ的增大。当功率角δ增大到一定值时发电机就不能再保持静态稳定运行。故在发电机进相运行时，需对发电机最小励磁电流实行限制，以保证发电机稳定运行。这种限制称为低励磁限制。

3.发电机低励磁限制的条件

3.1静态稳定性的限制

以隐极发电机为例，设电势为Eq，电抗Xd=Xq，端电压为Ug，外电抗为Xs功率角。

P=UGI*Cosφ=UGCos（φ-δG）=UgI（Cosφ*CosδG +Sinφ*SinδG……（1）

Q=UGISinφ=UGSin （φ-δg）=UGI（Sinφ*CosδG -Cosφ*SinδG）…（2）

由向量图可知：Isinφ=Id=（UGcosδG-Ucosδ）/Xs

Icosφ=Iq= UGsinδG/Xd

代入式（1）和（2）经整理得：

P=[UG2（1/Xs+1/Xd）UGsin2δG]/2-UGUcosδsinδG………………（3）

Q=[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2+[UG2（1/Xs+1/Xd）cosδG]/2-UGUcosδsinδG…（4）

从（3）、（4）可以看出，P和Q均为δ的函数。静态稳定的极限是δ=90°，这时cosδ项为零。sinδ项为1。将此条件代入式（3）、（4）并两边平方相加得：

{P2+{Q-[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2}2={[UG2（1/Xs+1/Xd）]/2}2………（5）

由式（5）可以看出，计及外部阻抗时进相运行的静稳定极限为原特性。其圆心在交轴上距原点O为[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2，其半径为UG2（1/Xs+1/Xd），最大进相无功功率为UG2Xd。

应当指出，以上分析是在发电机没有自动励磁调节器的情况下进行的。有自动励磁调节器时，容许的出力大。

如果一个电厂有几台机在同一条低压母线上运行并都装有自动励磁调节器，对于其中的某一台机可以认为直接接到无限大母线（低压母线电压恒定不变）。

3.2端部漏磁发热的限制

发电机端部的漏磁是由定子绕组端部与转子绕组端部漏磁组成的合成磁通。它的大小除与发电机的结构、型式、材料、短路比等因数有关外，还与定子电流的大小，功率因数的高低等因数有关。

在迟相运行时这种发热是在发热是在容许范围内。而在进相运行时，随着进相功率的增大，发热越来越严重。这是因为功率因数的变化和转子磁性护环的影响使端部合成漏磁通随功率因数往进相方向变化而增大的缘故。

迟相运行时，出于定子漏磁和转子漏磁的迭加，转子护环几乎处于饱和状态，磁阻较大，使定子端部漏磁减小。而进相运行时，转子护环中定子漏磁通与转子漏磁通方向相反，转子磁性护环的饱和程度进一步降低，逐渐恢复磁性，使定子端部漏磁通途径的磁阻减少，磁通增多。这样就使端部合成漏磁通随功率因数往进相的变化而增大的趋势，定子端部发热随之严重。

3.3厂用电电压降低的限制

厂用电一般引自发电机出口或机端母线，在进相运行时，随发电机电压的降低，厂用电电压也要降低。一般，不可能所有的发电机都失磁进入进相运行。因此可以保证厂用电电压降低不致太多而影响厂用辅机的稳定运行。

4.低励磁限制的接线方式

基本有两类：一是利用相敏电路检测发电机的有功功率和无功功率，模拟静态功率圆或以一条直线来代替静态功率圆作为限制动作线。另一类是用模拟的方法测量发电机电势和系统某点电压间的相角（转子角），当转子角超过某个预定值时动作增磁。

常用的低励限制原理主要有以下几种：

（1）模拟转子角δ的低励磁限制原理。

（2）模拟功率圆图的低励磁限制电路。

（3）以直线模拟功率圆图的低励磁限制电路。

下面主要介绍模拟功率圆图的低励磁限制电路：

限制电路的输出电压是由运算放大器A的输出经过二极管D9加到自励调节器的综合放大级去的。|U1|<|U2|时，运放A的输出为正，由于D9的反偏，不能送到综合放大级中；|U1|>|U2|时，V0送到综合放大级，作用于增磁。由此可见，|U1|>|U2|是限制动作条件，|U1|=|U2|为动作边界。

变压器1B、2B、3B、4B等元件组成测量回路。以下说明动作原理：

与电压U2成比例的交流电压Ucb的有效值是模拟功率圆图的整定半径。

U2=Kucb=K|Uco+Uob|

式中K为变压器4B的变比及整流系数有关的比例常数。

首先假定阻容移相桥W1C1中的W1阻值为0，即b'点与b点重合，Uob'=Ucb其数值模拟[UG2（1/Xs-1/Xd）]/2，而Uco'模拟UG2/Xd的大小，即发电机的有功功率P为零时容许的最大进相无功功率。在W1的阻值为零时，合成电压Ucb'就代表功率圆图的整定半径[UG2（1/Xs+1/Xd）]/2。见相量图如下：

与电压U1成比例的交流电压Uab的有效值，反应发电机的运行工况。

U1=Cuba'=K|Uao+Uob|

发电机进相运行时，A相电流IA超前于电压UA为功率因数角Φ，见相量图（a）.电流IA在R4上的压降Uao与A相电流IA同相而Uab'与Ucb相同。

当发电机运行在额定电压并带有一定的有功功率P时，若进相无功功率Q较小，电压向量Uab'的绝对值小于整定半径Ucb'的数值，即|U1|<|U2|，低励限制不动作。在同一有功功率下，若进相的无功功率过大，例如IA增大到IA'，Φ增大到Φ'，虽然电流的有功分量IA'COSΦ'=IACOSΦ未变，但无功分量IA'SinΦ'>IASinΦ，电压Uao增大到U'ao.这时，Uab的绝对值大于整定半径U'cb的数值，即|U1|>|U2|，低励限制动作。动作边界由U'cb为半径的圆周确定，见相量图（b）。

整定电位器W2的不同位置可以改变C'点的取值，即改变U'co的数值，也就是整定有功功率P=0时容许的最大进相无功功率Q。

当整定电位器W1的数值由零增大时，b'点离开b点，沿着阻容移项桥所决定的半圆周移动，如相量图（c）所示，相应地改变了功率圆整定半径U'cb'的数值，动作边界相应的由相量图（C）中的虚线1变成虚线2。

根据发电机参数及系统联系阻抗，可以分别调整W1和W2得到所希望的控制进相无功功率Q随有功功率P变化的曲线。

5.小结

在励磁调节器中增设低励磁限制回路并不困难，低励磁限制电路简单，是比较容易实现的。采用低励磁限制电路可以保证发电机在进相运行时安全运行。采用低励磁限制可以部分防止由于调节器部件损坏而引起失磁故障，减轻运行人员对无功功率监视的负担。 [科]