第二章 第四节

第四节 励磁调节器原理

一、自动调节器的概念和基本框图

励磁调节器是一个闭环比例调节器。 输入量：发电机电压U G

输出量：励磁机的励磁电流或是转子电流，通称为I AVR 功能：一是保持发电机的端电压不变；其次是保持并联机组间无功电流的合理分配。

人工不断调整R c 的大小，以达到维持其端电压不变的目的。 人工在调压过程中的作用可用图2-23中的ab 线段来表示。 人工和发电机形成了一个“封闭回路”。

图2-22 励磁系统一例

-

EF

图2-23 人工调压的作用

U G

Gb

Ga

I I I EEa

图2-24 自动励磁系统基本原理框图

具有ab线段的特性的自动励磁调节器的基本框图励磁调整电流，当U G↓

I EF↑E d↑U G重新回到基准值附近

反之，U G↑I EF↓E d↓U G重新回到基准值附近1．基本环节：测量、放大、

同步、触发，实现电压

调节和无功功率分配等

最基本的调节功能。

2．辅助控制：是为满足发

电机不同工况，改善电

力系统稳定性，改善励

磁控制系统动态特性而设置的单元。

3．当自动励磁调节器退出后，由自动切换装置将手控单元投入。

二、励磁调节器原理

（一）测量比较单元

作用：测量发电机电压

并变换为直流电压，与给定

的基准电压相比较，得出电

压的偏差信号。测量比较单

元由电压测量、比较整定环

节组成。

图2-25 典型可控硅自动励磁调节器框图

图2-32 电压测量环节原理图

3

12

1. 电压测量

电压测量是将机端三相合成电压降压、整流、滤波后转换成一正比于发电机电压U G 的直流电压U se 。 2. 比较整定电路

直流电压U se 与来自电压整定器P R 的给定电压进行比较，取得偏差信号U de ，送综合放大单元。

加法器输入量：U se +U VZ 1+U VZ 2， 其中：U VZ 1是取自稳压管VZ 的恒定负电压

U VZ 2是可变的整定电压。

设02=U VZ ，

则：

()U K U K U VZ c se c de 121-+=

其中：R R R K f c 561+-

=、R R K f

c 9

2-=

图2-27 比较整定电路 (a)原理电路；(b)输出特性

)

(a 18

)

(b U G

U G

U U U VZ

特性为①＋②所示。 设02≠U VZ ，则：

()U K U K U K U VZ c VZ c se c de 23121--+=

其中 R R R K f

c 8

73+-

=

特性向右平移，如图中虚线所示。因此调节电位器P R 可改变发电机整定电压的作用。 将各通道增益进行归算：

???? ?

?--+=U K K U K K U K U VZ c c VZ c c se

c de 2131121 )(1U U K REF se c -+=

其中 213

1

1

2VZ c c VZ c c REF U K K U K K U += 可见，整定电压U REF 随U VZ 2而变化。 3. 比较整定电路的整定

当整定电压U REF 随U VZ 2变化时，而固定电压U VZ 1与调节器最小整定电压值有关。具体调节为：

电位器R 5用作最小电压整定（改变K c 1），其阻值减小，发电机运行电压下限降低；阻值增加，电压下限升高。整定时，只有固定部

分经R9输入运放，变动部分无输入（端子19接0V），模拟输入机端电压为预定下限电压，调节R5，使AJ输出（端子16）为0V。

电位器R8用作电压调节范围整定，其阻值减小，电压调节范围增加；其阻值增加，电压调节范围减小。当最小电压整定后，调节范围的大小便决定了发电机运行电压的上限。整定时（设最小电压整定电位器R5已整定完毕），置给定电压为最大值（端子19和20短接），模拟输入机端电压为预定上限电压，调节R8，使AJ的输出为0V。

电位器R14用作运算放大器AJ的增益系数的调整。增益范围为1～10倍。

为完成上述功能，电压整定器附设了一套控制电路，主要由继电器逻辑电路及六对凸轮节点构成。凸轮与微电机同轴，用作反映电压整定器的几个特殊位置（额定位置、上限位置和下限位置等）。（二）综合放大单元

输入控制信号：

2．反馈控制量：励磁系统稳定信号、电

力系统稳定信号（正常情况）

3．限制控制量：最大、最小励磁限制信

号（异常情况）图2-28 综合放大单元的输入信号

图2-35是控制信号综合放大单元原理接线图，它由正竞比电路，负竞比电路、信号综合放大电路和互补输出电路组成。 （1）正竞比电路。它由VT 1、V V 21~、R R 1311~所组成。

输入信号正值竞比：

V 1：测量比较电路输出信号U de

V 2：低励限制信号U ME

1． 在正常情况下：0≤U ME U de 为正 V 1导通

2． 励磁电流小于最小励磁限制单元起动值时，U ME 由小于零变

为正电平，且U U de ME >，这时V 2导通，V 1受反向电压而阻断，将U de 信号闭锁，励磁控制由U ME 决定，

（2）负竞比电路。如图2-29中第二级电路所示，由VT 2、V V 75~、V 3、

V 8、R 5、R 6、R 10所组成。

输入信号负值竞比（都属限制信号）：

图2-29 控制信号综合放大单元原理接线

U SM

U U

V 6：最大励磁限制信号U MX V 7：瞬时过电流限制信号U IC V 5：电压/频率限制器信号V VH

1．正常情况，这些限制信号都处正电平，V 5、V 6、V 7均阻断 2、只要其中有一个限制信号动作，由正电平变为负电平，相应二极管导通，就使B 点电位变负。正竞比门输出就被封锁，即V 3受反压阻断，使正竞比门所有输入信号都被闭锁住。

3、显然负竞比门所有限制信号级别高于正竞比门的控制信号。 （3）信号综合（运算）放大。

R R 1714~输入有关辅助控制信号，如励磁系统稳定器信号，电力系统

稳定器信号，其它补偿和校正信号等。它们的综合比例可通过适当选择输入电阻R R 1714~的数值来取得，一般情况下其增益为1。在运算放大器的输出端有：

[]

U U U U U U

aux aux aux aux de C

4321++++-=

图中1V Z 和2VZ 是对运放输出双向限幅：

1、 当运放输出电压U U VZ C 1≥时，1VZ 击穿，输出正向被限幅。

2、 同理，当U U VZ C 2-≤时，2VZ 击穿，使输出负向被限幅。

（4）互补输出电路。由VT 3、VT 4、R 18、

R 19组成互补推挽射极跟随器，提高与

下一级负载阻抗的匹配能力。R 18和R 19为限流电阻。射极跟随器输出的电压

U SM

是下一级移相触发电路的控制电

压。综合运放的输出特性如图2-30。 （三）移相触发单元

移相触发单元是励磁调节器的输出单元，它根据综合放大单元送来的综合控制信号U SM 的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管，从而改变可控整流柜的输出，达

到调节发电机励磁的目的。

1、 同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，以保证在晶闸管每次

承受正向阳极电压时，向其控制极发出脉冲，使晶闸管可靠导通。触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步。 2、 同步变压器和同步移相器，主要用来作为同步信号发生器，以

提供具有合适幅值和合适相位的交流同步信号。

3、 脉冲发生器则根据综合放大单元送来的综合控制信号U SM

与同

步信号比较，产生与主回路同步且相位可控的触发脉冲，并加

图2-31 移相触发单元原理框图

以放大，最后输出具有合适电压幅值、合适脉冲宽度和足够驱动能力的触发脉冲，送至晶闸管整流桥，以触发晶闸管整流桥。 4、 脉冲给定基准器用来平移综合控制电压U SM 与控制角α的关系

（即移相特性），以使运行中的控制电压U SM 在合适的范围内，而不致产生饱和失控。

在不计交流回路感抗的存在时，认为换流是在瞬时完成的。余弦波移相触发单元（具体电路从略）的输入电压U SM 与控制角α就会具有下述关系：

U U sym

SM arccos =α

sym U ——同步电压幅值。

在《电力电子》课程的学习中，我们知道全控整流桥输出的直流电压d U 的高低是随控制角α的变化而变化的，其表达式为

αcos 35.1E U l d =

l E ——全控整流桥输入线电压。

代入得到全控输出电压平均值为

U U E U U sym

SM

l

AVR d 35.1== （2-15）

上式说明整流电路的输入量U SM 和输出量AVR U 之间呈线性关

系，其特性如图2-32所示，图中实线表示整流器特性，虚线表示逆变器特性。

（四）自动－手动的自动切换

励磁调节器由自动励磁（AC ）调节器和手动励磁（DC ）调节器组成，为双通道结构。

1、 正常运行时，AC 调节器工作，DC 调节器作AC 调节器的备用。

2、 当AC 调节器故障时，由AC-DC 自动切换装置控制，将DC 调

节器投入运行。

3、 为了防止AC 调节器向DC 调节器切换引起冲击，在励磁调节器

中还设有DC 调节器自动跟踪AC 调节器的自动跟随器，可确保切换冲击最小。

4、 当采用手控方式（DC ）时，装置中只有测量、放大单元退出工

作，而脉冲触发单元则继续工作。即用手控方式给出的控制信号U

SM

'

相当于自动控制（AC ）时综合放大单元输出的控制信号

U SM 。

5、 SM SM

U U =/

时，两种方式的切换才能平滑的进行。 平衡电压U '为U SM 与U SM '

之差。

这一电压经滤波器后接平衡电压表，供手

动切换时观测平衡电压用。

图2-33 U U SM SM '.平衡电路

U SM

'

U SM

'

三、励磁调节器的静态工作特性 （一）静态工作特性的合成

将各单元的特性进行合成： （a ）：测量单元的工作特性

()U U K U REF G de -=1

式中 K 1—测量单元的放大系数

U REF —发电机电压的

整定值

（b ）：综合放大单元特性

U K U de SM 2=

式中 K 2—放大单元的放大系数。

（c ）：余弦波触发器的三相桥式全控整流电路具有线性特性，因此

U K K U SM AVR 43=

图2-34 励磁调节器简化框图

U 图2-35 调节器的静态工作特性

G

G

式中：K 3、K 4－移相触发和可控整流单元的放大系数。

图2-35中表示了调节器静止工作特性的组合过程。

（d ）：在励磁调节器工作范围内：U G 升高，U AVR 急剧减小；U G 降低，U AVR 就急剧增加。其中线段ab 为励磁调节器的工作区。工作区ab 内发电机电压变化极小，可达到维持发电机端电压水平的目的。 （a ）虚线：当整定电位器P R 滑动端右移时（移向负电源，图2-27），励磁调节器特性曲线将右移，

励磁调节器的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器性能的主要指标之一，即

U U U K REF

G AVR

-?=

式中 K —调节器的放大倍数

调节器放大系数K 与组成调节器的各单元增益的关系为

K K K K U U U U U U U U U U K AVR

SM de SM REF G de REF G AVR 4321=?????????-?=-?=

α

α

可见，励磁调节器总的放大倍数等于各组成单元放大倍数的乘积。

（二）发电机励磁控制系统静态特性

I

发电机励磁自动控制系统=励磁系统+发电机 （a ） 发电机额定电压附近的调节特性： 发电机转子电流I EF

无功负荷电流I Q

（b ）是利用作图法作出的发电机无功调节特性曲线)(I f U Q G =，图上用虚线示出工作段a 、b 两点的作图过程。

)(I f U Q G =曲线说明，发电机带自动励磁调节器后，无功电流I Q

变动时，电压U G 基本维持不变。

调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个重要参数：调差系数

调差系数用δ表示，其定义为

U U U U U U G G G Ge

G G **2*121?=-=-

=δ

式中

U Ge —发电机额定电压；

U G 1、U G 2—分别为空载运行和带额定无功电流时的发电机电压（见图2-37）,一般取U U Ge G =2

调差系数δ表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化。

U U G I Q

Qe

励磁调节器总的放大倍数K 越大，ab 直线越平缓，调差系数就越小。但不能由此得出结论，认为要改变调差系数δ只能通过改变K 的大小来实现。例如要使0=δ，则∞→K ，这显然是不现实的。调差系数的调整问题将在下节讨论。 四、励磁调节器静态特性的调整

对自动励磁调节器工作特性进行调整，主要是为了满足运行方面的要求：

①

保证并列运行发电机组间无功电流的合理分配，即改变调差系数； ②

保证发电机能平稳的投入和退出工作，平稳的改变无功负荷，而不发生无功功率的冲击现象，即上下平移无功调节特性。

（一）调差系数的调整

一般自动励磁调节系统的总的放大系数是足够大的，因而发电机带有励磁调节器时的调差系数一般都小于1％，近似为无差调节。这种特性不利于发电机组在并列运行时无功负荷的稳定分配，因此发电机的调差系数要根据运行的需要，人为的加以调整，使调差系数加大到3％～5％左右。 1、当调差系数0>δ

，即为正调差系数，表示发电机外特性下倾， 当调差系数0<δ

，即为负调差系数，表示发电机外特性上翘，

当调差系数0=δ，即为无差调节。

2、在实际运行中，发电机一般采用正调差系数。至于负调差系数，一般只能在大型发电机-变压器组单元接线时采用，这时发电机外特性具有负调差系数，但考虑变压器阻抗压降以后，在变压器高压侧母线上看，仍具有正调差系数，因此负调差系数主要是用来补偿变压器阻抗上的压降，使发电机-变压器组的外特性下倾度不致太厉害，这对于大型机组是必要的。

正负调差系数可以通过改变调差接线极性来获得，调差系数一般在%5±以内。

3、在测量元件的输入量中，除U G 外，再增加一个与无功电流I Q 成正比的分量，就获得调整调差系数的效果。

输入量改为

I K U Q G δ±

所以有时称调差接线为无功补偿接线。 4、以两相式正调压接线为例，说明调差环节的工作原理。

电流在电阻

R a 和R c 产生的

压降与电压互感器副边三相电压按相位组合后，送入测量单元的测量变压器。

CT

A

B C

至测量单元

a

'

b 'c

'

在正调压接线时，其接线极性为

R I U a c a ?

?+ 和 R I U c a c ?

?-

1）当0cos =?时，即发电机只带无功负荷时，测量变压器输入的电压为电压'

a U ?、'

b U ?、'

?c U ，显然较电压互感器副边电压a U ?、b U ?、c

U ?

的值大，

而且其值U a

'、U b

'、U c

'随着无功电流的增大而增大。根据励磁调节器装

置的工作特性，测量单元输入电压上升，励磁电流将减小，迫使发电机电压下降，其外特性I U

W f

-的下倾度加强。

2）当1cos =?时，电压'a

U ?、'

b U ?、'

c U ?虽然较电压a U ?、b U ?、c U ?

有变化，但幅值相差不多，故可以近似的认为调差装置不反映有功电流的变化。 3）当1cos 0<

图2-41 正调差接线相量图 (a) 0cos =?时(b)1cos =? 时

)

(a

I a ?

-'

c

U ?

c

U ?

b

U ?

R I c

a ?

-?

c

U ?

b

U ?

'

c

U ?

)

(b

可。

5、对于负调差接线，其极性关系为

R I U a

c a ?

?

-和R I U

c a c

?

?

+

负调差接线及矢量图的作法及分析方法与上述大致相同，可以仿照上面的方法画出。由此可见，改变R a

和R c

可以改变调差系数δ，正负

调差系数可以通过改变调差接线极性来获得。 （二）、发电机调节特性的平移

发电机投

入或退出电网运行时，要求能平稳的转移负荷，不要引起对电网的冲击。

1、 退出运行：无功电流从I Q 2减小到I Q 1，调节特性从1平移到

2、

3的位置时，则它的无功电流将减小到零。

2、 投入运行：调节特性从3的位置向上移动，使无功电流逐渐增

加到运行的要求值。

3、 改变励磁调节器的整定值P R ，可控制无功功率特性上下平移，

实现了无功功率的转移。

当可调电阻P R 的19点（图2-27中）右移，整定值增加时，调节

图2-42 调节特性的平移与机组无功功率的关系

I Q

U Q 1Q 2

图2-43 调节特性的平移

I

器的工作特性将右移。与此对应在图2-43中，发电机无功调节特性也随之上移。

五、自动励磁调节器的辅助控制

1、在超高压电力系统中输电线的电压等级很高，此时，输电线的

电容电流也相应增加。因此，当线路输送功率较小时，线路的

容性电流引起的剩余无功功率使系统电压升高，以致超过允许

的电压范围。使发电机进相运行吸收剩余无功功率是一个比较

经济的办法。

2、但发电机进相运行时，容许吸收的无功功率和发出的有功功率

有关，此时发电机最小励磁电流值应限制在发电机静态稳定极

限及发电机定子端部发热允许的范围内。为此，在自动励磁调

节器中设置了最小励磁限制。

3、对大容量发电机组由于系统稳定的要求，励磁系统应具有高起

始响应特性这对于带有交流励磁机的无刷励磁系统而言，必须

采取相应措施才能达到高起始响应特性。这些措施之一是提高

晶闸管整流装置电压，使发电机励磁顶值电压大大超过其允许

值。励磁电流过大，超过规定的强励电流会危及发电机的安全，为此，在调节器中必须设置瞬时电流限制器以限制强励顶值电

流。

4、对励磁调节器这些新功能的要求，由调节器的辅助控制去完成。

5、 辅助控制与励磁调节器正常情况下的自动控制的区别是，辅助

控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况，需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时，通过信号综合放大电路中的竞比电路闭锁正常的电压控制使相应的限制器起控制作用。

下面将对自动励磁调节器中常用的几种励磁限制功能作一些简述。

（一）最小励磁限制（也称之为“欠励磁限制”） 1、静态稳定极限的限制

发电机欠励磁运行时，发电机吸收系统的无功功率，这种运行状态称为进相运行。发电机进相运行时受静态稳定极限的限制，这里以单机－无限大系统为例来讨论电力系统静态稳定极限的问题。

发电机输出功率为

()()G G G G G G G G sin sin cos cos I U cos I U P δφδφδφ+=-= (2-20) ()()G G G G G G G G sin cos cos sin I U sin I U Q δφδφδφ-=-=

(2-21)

因为 ()e G G d G X /cos U cos U I sin I δδφ-==

且

d

G G q G X /sin U I cos I δφ==

把此关系代入（2-20）式和（2-21）式中，经整理可以得到

G e G G d e G

G sin cos X U U sin X X

U P δδδ-???

?

??+=

2112

2

(2-22)

G e G G d e G d e

G

G cos cos X U U cos X

X U X

X U Q δδδ-???

? ??++???

? ??-=

2112112

22 (2-23)

由(2-23) 和（2-23）式可知，G P 、G Q 是δ和G δ的函数。将静态稳定极限时δ＝90o，代入以上两式得

???

????

???? ??++???? ??-=???

? ??+=

G d e G d e G m G d e G

m cos X X U X X U Q sin X X

U P δδ21121122112

2

22 (2-24)

消去上式中的G δ，得

2

22

22112112??

?

????

????? ??+=???????

????? ??--+d e G

d e G m m X X U X X U Q P （2-25）

(2-25)式表示在静态稳定极限情况下，有功功率极限m P 和无功功率极限m Q 之间的函数关系，发电机进相运行必须满足静稳定条件。由(2-25)式可知，m P 和m Q 的关系是圆轨迹方程。此圆圆心在Q 轴上，即

???

?

???

????? ??-d e

G

X

X U ,11202

，半径???

? ??+=d e G X

X U R 1122

,如图2-44所示曲线M 。

凡曲线M 上的各点坐标都是静态稳定功率极限（m P ，m Q ），且满足(2-25)式。M 曲线外侧的阴影区属

不稳定区，而圆内任意点属稳定区。

2、防止发电机定子端部过热

最小励磁限制的另外一个目

图2-44 最小励磁限制线