第四节发电机励磁控制系统

第四节 发电机励磁控制系统○1
一、励磁控制系统的构成及动作原理
同步发电机励磁控制系统是电力系统中最重要的自动控制系统之担负着机端电压控制
和并列运行的各机组间无功功率稳定分配以及维持电力系统稳定运行等多种任务。
励磁控制系统是一个由发电机、功率励磁装置及自动励磁调节器AVR等三大部分勘：
组成的一个闭环负反馈控制系统其方框示意图如图3—17所示．

图中发电机是系统中的被控对象。为了维持发电机机端电压在给定水平，就要供给
发电机的转子磁场以所需的直流励磁电流及相应的直流励磁电压，功率励磁装置担负
着供给励磁能源的任务它是供给直流功率的电源装置。
因3—18中列举出三种典型的励磁方式。图3—18(a)是采用直流励磁机作为功率励磁
装置的方式。直流励磁机实际上是一台与主发电机同轴旋转的直流发电机。这种励磁方式
主要适用于中小容量的发电机组。
随着发电机组单机容量的增大，所需励磁功率也增大了。由于直流励磁机受到制造技
术上极限功率的限削，继续采用直流励磁机的励磁方式已成为不可能的事。因此，对大容量
发电机组，转向采用交流励磁机的励磁方式或晶闸管静止自励方式如图3—18(b)、(c)所示。
交流励磁机实际上是一台与主发电机同轴的交流同步发电机，后者发出的交流电流经整
流器变换成直流电流以供给励磁。而图3—18(c)中的晶闸管静止自励方式的特点，是完全不
采用旋转的励磁机，直接从主发电机端获取交流电源，再经晶闸管可控整流器变换成可控的
直流励磁电源以供给励磁。
功率励磁装置与自动励磁调节器的组合称为励磁系统。调节器是励磁系统的智能部件，
而功率励磁装置则相当于调节器的功率执行部件。功率励磁装置输出的励磁电压受调节器
输出信号u的控制(参见图3—17)。
励磁调节器由测量反馈环节、误差检测器和控制器等部分构成。测量反馈环节的作用是
对发电机端电压 (有时也对发电机电流，均为交流有效值)进行测量。并成比例地转化
为直流的反馈信号。误差检测器的作用是对来自系统外部(由人给定的)参考输人信号和
上述反馈信号相比较而得出差值，即误差信号

控制器的作用是对误差信号进行数学加工，变成所需的控制信号U后输出以作用于功率
励磁装置。在最简单的情况下，控制器可以按比例放大原理构成。
为了维持等于某一恒定的希望值。需要人为地将调整到与相对应的某一值。
此后，机端电压的调节过程使由励磁控制系统自动地完成。以图3—17所示方框示意图
为例，假定由于电力系统中负载的变化，使机端电压下降，于是励磁控制系统开始动作，大
致过程如下；

实际的控制过程往往不是一次完成的，被控制量一般都经过几次振荡之后才稳定于。
附近。
二、发电机的传递函数
现在考虑适用于励磁控制目的的发电机模型。
在励磁控制系统中，发电机作为被控对象，其输出是机端电压，输入是施加于转子
绕组上的励磁电压。此外，当发电机投入电力系统带上负载之后，定子绕组中流过的电
流所产生的附加磁场，叠加于转子绕组中由励磁电流所产生的主磁场上，从而又会改变
电压。这种现象表明：发电机的输出不仅决定于，也决定于。
当把发电机当成一个子系统时，和都应是子系统的输人(图3—19)。其中可以当作因
负载而引起的一个扰动来看待，并称其为扰动输入。
发电机系统模型的详细推导，比较复杂，要用到电机学中的一些专门知识，在此我们仅
介绍适用于励磁控制系统且经过适当简化及线性化的模型。
1）发电机空载运行情况
首先考虑发电机空载运行，这时，只需考虑对发电机机端电压
的作用。发电机空载运行的等效电路和等效特性如图3-20所示，图中和分别代表发电
机空载电压和所需的励磁电流。经过线性化后，二者存在如下关系

式中：—具有电阻量纲的比例系数

此外，在励磁回路中励磁电流与励磁电压之间又有如下关系：
)
其中： 励磁回路时间常数[s]
在零初始状态下，对上述微分方程进行拉氏变换，可得空载时发电机机端电压与励磁
电压(s)之间的关系为：
无量纲的比例系数
2）发电机带负载运行情况
现在再考虑发电机带负载运行(图3—21)。为了计算上的方便，先假定发申机负载阻抗
是纯电抗，这时发电机电流是无功电流，
设表示为。作为近似计算，可近
似认为发电机的内阻抗为纯电抗，设表
示为。在这些假定之下，机端
电压等于空载电压与电抗压降的代数和。

这里的是一个复阻抗，在定子无功电流突加的瞬间(定子侧开关突然合闸和
趋于稳定)以后，体现出不同的电抗值。时等效电抗值最小，表示为，

当时，等效电抗最大，表示为，)。
在t为有限值时，，且可表示为：
显然，由拉氏变换终值定理和初值定理得可得：时;时。
综上所述，我们得到发电机带纯无功负载的传函为：

对应的传递函数方框图示于图3—22。
最后还要指出，正常带负载运行的发电机是不会只带纯无功电流的。这时发电机电流
中既包含有有功分量，也包含有无功分量分析表明，有功分量的变化对机端电压
影响不大。作为近似计算，允许只考虑无功分量对的影响。因此，在这种情况上式
仍然可用。
三、功率励磁装置的传递函数
对采用直流或交流励磁机的功率励磁装置，其传递函数均可近似地用一阶滞后环节的传
送函数表示，即

(3-47)
式中: ——图3—17所示励磁控制系统中控制信号的拉氏变换
——励磁机的励磁回路时间常数[s]
—一无量纲的比例系数。
当采用如图3—18(c)所示晶闸管自励方式时，假定采用由晶闸管构成的三相全控桥式整
流电路并略去晶闸管触发过程中的延迟时间，则可以列出如下关系:
(3-48)
式中 ，——在发电机某一正常运行状态下励磁电压以及机端电压的增量；
，——与上述正常运行状态相对应的移相控制角及其增量。
对上式进行拉氏变换(略去符号)，得
(s) (3-49)
与式(3—47)、 (3—49)相对应的传递函数方框图示于因3—23(a)、 (b)中。

四、励磁控制系统的传递函数方框图
在图3—17所示的励磁控制系统中，控制器的常用型式是比例型(简记为P型)或比例积
分型(PI型)。对于比例型控制器，其传递函数中的主要因子是比例，即

对于比例积分型的控制器其传递函数中的主要因子是比例加积分，即

测量反馈环节的传递函数中的主要因子是比例，即
这样，根据已经介绍过的励磁控制系统中各个环节的传递函数就可以建立全系统的
传递函数方框图，如图3—24(a)、(b)所示。其中图(a)对应于采用励磁机的励磁方式，
图(b)对应于采用静止自励方式。

对于静止自励方式[图3—24(b)]，由于从移相控制角(s) 到励磁电压之间有反
号的关系，所以这时控制器的传递函数也要具有负值，并且后者的输出应为(s)，而不是
控制电压。
图3—24所示仅是实际励磁控制系统中的几个主要环节的传递函数。实际系统，为使其
具有某些需要的性能，通常还包含一些其它环节。对实际系统构成及其功能的详细讨论，将
在有关专业课程中进行。

)(G1s
1sTkff1'0sT

k

d
G

1'0'0'sT
xsTx
d
ddd

''K
)(su
r

)(su
b

)(su
)(su
f
)(G0su

)(su
G

)(Is
r

)(su
e

(a) 励磁机励磁方式
)(G-1s
1'0sT

k

d
G

1'0'0'sT
xsTx
d
ddd

''K
)(su
r

)(su
b

)(su
e
)(su

f

)(G0su

)(su
G

)(Is
r

1
k
2
-k
)(s


(b) 静止自励方式
图3-24 励磁控制系统的传递函数方框图
○
1 摘自: 孙扬声主编. 《自动控制理论》（第二版）第二章第四节. 1993年