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一、发电机对励磁控制系统的基本要求

      电力系统中运行的同步发电机，其运行特性与空载电动势E_q密切相关，而空载电动势E_q是发电机励磁电流I_fd的函数（发电机的空载特性），所以改变励磁电流就可改变同步发电机在系统中的运行特性。因此，对同步发电机励磁电流进行调节是同步发电机运行中的一个重要内容。实际上，同步发电机在正常运行、系统发生故障情况下，励磁电流都要进行调节。发电机正常运行进行励磁电流调节，可维持机端电压或系统中某点电压水平，并使发电机组间无功功率达到合理分配；系统发生故障情况下的励磁电流调节，可提高系统运行稳定性。因此，同步发电机励磁电流进行自动调节，不仅可提高电能质量，合理分配发电机组间无功功率，而且还可提高系统运行稳定性。励磁电流的自动调节是由同步发电机自动励磁调节装置实现的，励磁调节装置简称为AER（AVR）。

      同步发电机的励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它通常由两部分组成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供可靠的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器（AVR），它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节控制励磁功率单元输出的励磁电流。整个励磁系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统，如图1所示。现代同步发电机通常采用永磁发电机来代替传统励磁发电机，原理如图2所示。

1、对励磁调节器的基本要求

（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。

（2）励磁调节器应能合理分配发电机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差系数可以在10％以内进行调整。

（3）励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。

（4）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。

（5）能正确反映发电机运行状态，对过大励磁和过小励磁、过高电压和过低频率进行限制与控制。

2、对励磁功率单元的要求

（1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量

      在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统的电压和本身无功功率的控制。因此，励磁系统应具有足够的调节容量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。

（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度

      从改善电力系统的运行条件和提高电力系统暂态稳定性来看，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。强励倍数与励磁电压响应比是反映励磁系统强励性能的两项重要技术指标。

① 励磁顶值电压（强励倍数）

      发电机的励磁控制系统均应有强励作用，即当机端电压降低到一定程度时，为了提高电力系统暂态稳定性，以最快的速度将发电机的励磁电压升高到顶值。

      励磁顶值电压是励磁功率单元在强行励磁期间可能提供的最高输出电压值U_fd.max。该值与额定工况下励磁电压U_fd.N之比为强励倍数。

 K_Q=U_fd.max / U_{fd.N..................................} （公式1）

      强励倍数高，可使E_q升高，使输出功率增加，从而增大减速转矩，使功角δ摆动最大幅度减小，有利于暂态稳定。强励倍数一般取1.6～2，它主要受到造价和结构的制约。

② 励磁电压响应比

      励磁电压响应比是说明发电机转子磁场建立过程的粗略参数，反映了励磁机磁场建立速度的快慢。

      早期直流励磁机励磁系统将励磁电压在最初0.5s内上升的平均速度定义为励磁电压响应比，如图3所示。即使图中阴影部分的面积和Δacb面积相等所确定的ac线的斜率。图中取额定工况下的励磁电压值U_fd.N为强行励磁初始值，于是励磁电压响应比可以定义为

R_p=（U_c－U_b） / U_fd.N/0.5=2U_cb*（1/s） _{..................................}  （公式2）

      现在一般大容量发电机组往往采用快速励磁系统，用响应时间作为动态性能评定指标。励磁系统电压响应时间是指：发电机励磁电压为额定励磁电压U_fd.N，从施加阶跃信号起至励磁电压达到0.95（U_fd.max-U_fd.N）所花费的时间，该时间一般要小于0.1s。快速励磁系统励磁电压变化曲线如图4所示。 

      励磁系统电压响应时间小于或等于0.1s的励磁系统，称为高起始响应的励磁系统。静止晶闸管励磁系统属于高起始响应的励磁系统。另外，对励磁系统还要求应有足够的强励持续时间，采用晶闸管励磁时，一般为10～20s；应有足够的电压调节精度与电压调节范围，应能保证同步发电机端电压静差率小于1％；当发电机内部故障或停机时，快速动作的灭磁性能可迅速将磁场减小到最低，保障发电机的安全。

二、同步发电机三种运行状态

      与其它发电机一样，同步发电机也是可逆的，既可作发电机运行，亦可作电动机运行。设一台隐极同步发电机并联运行于无穷大电网，处于发电机状态，示意图如图5所示，相量图如图6所示。

（1）从图6（a）可以看出，此时E₀超前U，功率角θ和相应的电磁功率Pem都是正值，θi≈θ也为正值，即转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，因而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。柴油机输入驱动性质的机械转矩克服起制动作用的电磁转矩，将机械能转变为电能。

（2）逐步减少柴油机输入功率，使转子瞬时减速，θ角和电磁功率相应减小。当θ角减至零时，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗，相量图如图6（b）所示。

（3）继续减少柴油机输入功率，则θ和P_em变为负值，表明发电机要从电网吸收一部分电功率，与柴油机输入功率一起与空载损耗平衡，以维持转子的同步旋转。如果再拆去柴油机，就变成了空转的同步电动机，空载损耗必须全部由电网输入的电功率供给。如果在发电机轴上再加上机械负载，则负值的θ角和Pem会更大，θi亦为负值。主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质、拖动轴上机械负载一道旋转，发电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。此时发电机的相量图如图6（c）所示。

      从上分析可知，从发电机状态进入电动机状态的过程中，功率角θ和电磁功率Pem均由正值变为负值，电磁转矩由制动性质变为驱动性质，机电能量转换过程也发生了逆变。

三、同步发电机的试验方法

      国家标准"GB1029"对三相同步电机的实验方法作了具体规定，适用于普通三相同步发电机的型式实验或检查实验。通过实验可以确定该电机各性能指标。各种电机的效率和电压调整率均在部颁标准的相应技术条件中有具体规定，将实验结果与标准规定数据比较即可确定某同步发电机的质量和性能了。若求取额定励磁电流和电压变化率，一般用作图法，跟国家标准GB1029介绍，其具体步骤如下：

（1）绘制开路特性曲线，并沿纵轴额定相电压相量UN。

（2）自原点O作额定电枢电流相量IN，与纵轴成ΦN角（cosΦN为额定功率因数）。

（3）从相量UN终端作出电枢绕组电阻压降INRa平行与相量，IN,Ra为基准工作温度时的绕组电阻（对大型电机的Ra可忽略不计，对小型电机可进可行实际测量），从INRa终端作一垂直于相量IN的保梯电抗压降相量INXp。

（5）UN和INRa及和INRa及INXp的相量和为相量Ep,Ep和UN的夹角δ。

（4）由开路特性确定的对应于Ep的励磁电流为Ifp在相量终端上与纵与纵轴成δ+ΦN角做相量Ifa。

（5）额定电枢电流时电枢反应的励磁电流Ifa和保梯电抗Xp的确定。

       根据开路特性曲线，并在图上作F点，F点的纵坐标为额定电压，横坐标为零功率因数特性上对应于于额定电枢电压.额定电枢电流的励磁电流通过通过F点作平行于横轴的直线CF，取CF的长度等于三相稳态短特性曲线上对应于额定枢电流的励磁电流Ifk，自点C作直线平行于开路特性的直线部分于开路特性交于H，自CF作的垂线HK交CF于K，线段HK的长度即为额定电枢电流时在保梯电流电抗Xp上的压降△Up，则保梯电抗Xp，可按下式计算：

Xp＝△Up／IN _{..................................}  （公式3）

      若用标么值绘制开路特性曲线时,则,即可直接得出线段的长度代表励磁电流。

（6）由开路特性曲线求出对应与开路电压。电压变化率按下式计算：

△U=（U0-UN)/UN*100 _{..................................}  （公式4）

总结：

      通过以上试验，可以得出三相同步电机的试验结论。该结论可作为三相同步电机出厂前的质量评定依据，也可以用于现场检测和故障分析。总之，GB/T1029-2021标准中关于三相同步电机试验方法的规定十分详细，试验人员在进行试验时应严格按照标准要求执行，以确保试验结果的准确性和可靠性。