电气工程及其自动化专业本科毕业论文可控励磁发电系统综合性实验的设

可控励磁发电系统综合性实验的设计

摘要

现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。发电

机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及

负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反映作用是不同的，要维

持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随

时调节同步发电机的励磁。在各类电站中，励磁系统是保证同步发电机正

常工作，提高电网稳定水平的关键设备。同步发电机励磁的自动控制在保

目录

摘要.............................................................................................................................I

Abstract...................................................................................................................Ⅱ

第1章绪论..............................................................................................................1

1.1发电机励磁控制系统简介...........................................................................1

1.2励磁控制系统的作用....................................................................................2

1.2.1维持发电机端电压在给定水平..........................................................2

1.2.2提高电力系统的静态稳定性..............................................................2

1.2.3改善电力系统的暂态稳定性..............................................................3

1.2.4改善电力系统的动态稳定性..............................................................4

1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率.....................................5

1.3自动励磁调节器的组成及功能...................................................................5

1.3.1基本工作电路........................................................................................5

1.3.2辅助工作电路........................................................................................5

1.4同步发电机励磁控制方式研究现状..........................................................6

1.4.1基于单变量控制方式...........................................................................6

1.4.2基于现代控制理论的多变量控制方式.............................................6

1.4.3非线性多变量励磁控制方式..............................................................8

1.4.4智能控制方法........................................................................................9

1.5国外研究及发展状况...................................................................................9

第2章励磁系统的过励限制..............................................................................12

2.1过励限制的主要特性.................................................................................13

2.2限制过程......................................................................................................13

2.3级差................................................................................................................14

2.4以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定..................14

2.5无发电机转子过负荷保护的处理............................................................15

2.6过热量的释放和再次过励的条件............................................................15

2.7过励保护.......................................................................................................15

2.7.1顶值电流保护.....................................................................................16

2.7.2过励反时限保护.................................................................................16

2.7.3过励报警信号.....................................................................................16

第3章可控励磁发电系统实验装置操作及维护............................................16

3.1实验装置操作说明.....................................................................................17

3.3可控励磁发电系统操作运行及检测维护.................................................19

3.3.1可控励磁自动调节系统的投入运行的操作步骤...........................19

3.3.2自动—手动控制切换操作要点........................................................19

3.3.3可控励磁自动调节系统的正常运行要点.......................................20

3.3.4励磁调节装置的退出及停机操作要点...........................................21

3.3.5可控励磁自动调节装置的检查与维护...........................................22

3.4控励磁发电系统常见故障及处理方法.....................................................23

3.4.1灭磁开关QFG的常见故障及处理方法.........................................23

3.4.2调试中常见故障及处理方法............................................................23

3.4.3起励中常见故障及处理.....................................................................24

3.4.4空载运行中的常见故障及处理方法................................................25

3.4.5负载运行中的常见故障及处理方法................................................26

第4章过励限制特性实验..................................................................................29

4.1可控励磁发电系统过励限制电路原理及其工作特性...........................30

4.2实验设备.......................................................................................................31

4.3实验内容与步骤..........................................................................................32

结论..........................................................................................................................34

致谢..........................................................................................................................35

参考文献..................................................................................................................36

附录A..............................................................................错误！未定义书签。

附录B................................................................................................................37

-III-

第1章绪论

1.1发电机励磁控制系统简介

同步发电机的励磁装置是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步

发电机的励磁电源的一套系统。励磁装置一般由两部分组成，一部分用于

向发电机提供直流电流以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分;另

一部分用于在正常运行或发电机发生故障时调节励磁电流以满足安全运行

的需要，通常称作励磁控制部分(或称控制单元，亦称励磁调节器)。同

步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电

机励磁电流IL的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中

的运行特性。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实施

控制的重要内容之一。

电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水

平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压

降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电

机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电

机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统

运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组

成。如图1-1所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励

磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的

输出。整个励磁自动控制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。

机组同轴的直流发电机供给，即直流励磁机方式。随着发电机容量的提

高，所需励磁电流也随之增大，而直流励磁机由于存在机械整流环，功率

过大时制造存在困难，因此在大容量的发电机组上很少采用。同步发电机

半导体励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经半导体整流后

得到的。根据交流励磁电源的不同种类，同步发电机半导体励磁系统又可

分为两大类：

1.他励半导体励磁系统

这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，

经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励

磁系统由于交流励磁电源取自轴功率，即主发电机之外的独立电源，故称

为他励半导体励磁系统，简称他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机

称为交流励磁机

。

2.自励半导体励磁系统

这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发

电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电

力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。

1.2励磁控制系统的作用

1.2.1维持发电机端电压在给定水平

P



其中，为两端电压之间的电角度差。在=时线路达到所能输送的极



90

o

限功率，即

UU

12

sin



X

UU

12

X

（1-1）

P

m



对于单机——无穷大母线系统，不考虑凸极效应和定子电阻。发电机送出

的有功功率P可用以下两式表示

P

eqEq



EU

qs

XXX

dTL



sin



（1-2）

P

UtUt



UU

ts

sin



XX

TL



（1-3）

式中：



Eq

为E与U间的电角度差；为U与U间的电角度差；X为

qstsd



Ut

发电机同步电抗；X

tLq

为变压器电抗；X为线路电抗；E为发电机空载电

动势（励磁电动势）；U

t

为发电机机端电压；Us为无穷大母线电压。

在发电机不进行励磁调节，即E

qq0

=E不变的条件下，极限功率角为



Eq

=

90

o

，线路所能传送的静稳极限功率为：

P

mEq



EU

qs

XXX

dTL



（1-4）

当有励磁调节器，并且具有足够能力维持发电机端电压为恒定不变时，极

限功率角为，此时线路所能输送的静稳极限功率为



Ut

=

90

o

P

mUt

UU

ts



XX

TL



（1-5）

由于同步发电机内电抗较大，通常P要大于P。这样，发电机励

mUtmEq

磁调节器实际上起到了补偿发电机内电抗的作用。最初的复励和电压校正

器由于允许的反馈增益系数较小，通常只相当于补偿掉

XX

d

'

'

d

那一段

内阻抗，这时静稳功率极限只提高到

E

q

维持不变的功角特性最大值。灵

敏快速的励磁调节器可以维持发电机机端电压恒定，相当于补偿了全部发

电机的d轴同步电抗，即达到线路静稳功率极限。

1.2.3改善电力系统的暂态稳定性

电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰（如短路，断线等）

-4-

时，能否维持同步运行的能力。总的来说，调节励磁对暂态稳定的改善没

有对静态稳定那样显著。励磁系统对提高暂态稳定而言，表现在强行励磁

和快速励磁的作用上。

当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行特性称为

电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高

输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重的和最基本的困难之一

是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出

现，使这一问题得到了圆满的解决。

只有励磁电压上升快速并且顶值电压高的励磁系统对于改善暂态稳定

才有较显著的作用，快速强励可减少加速面积，增加减速面积，提高系统

1.2.5在并列运行的发电机间合理分配无功功率

多台发电机在母线上并列运行时，他们输出的有功决定于输入的机械

功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之

间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并联发电机间承担的无功

功率的大小取决于各发电机的调差特性，即发电机端电压和无功电流的关

系。

当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，

与调差系数成反比。通常我们希望发电机间的无功电流应当按照机组容量

的大小成比例的进行分配，即大容量机组担负的无功增量应大些，小容量

要利用起励电路供给发电机初始励磁电流。

2.手动、自动控制方式切换电路：在发电机组进行试验，线路递升加

压和继电保护试验时，必须由手动方式调节励磁。此外，手动调节励磁电

路还可作为自动调节励磁电路故障时的备用。

3.欠励限制电路：为了防止励磁电流过分降低时，发电机定子电流和

电压关系由滞后的功率因数角变为超前的功率因数角，导致发电机发生进

相运行，使机组失去稳定或危及机组的安全运行，故设置欠励限制电路。

4.过励限制电路：当系统电压剧降时，自动励磁调节器将对发电机进

行强励，为了保证发电机和可控整流桥的安全，故设置过励限制电路将转

子励磁电流限制在安全范围内。

5.低压触发电路：在自并励型可控硅静止励磁系统中，当发电机端电

压过度降低时，会导致励磁变压器副边电压过低，使励磁系统无法工作。

这时装设低电压触发电路可使可控硅元件在瞬间完全导通，迅速提升励磁

电流。

1.4同步发电机励磁控制方式研究现状

同步发电机励磁调节对提高电力系统稳定性起着重要的作用，随着快

速励磁系统的广泛应用，励磁控制对电力系统稳定性的影响效果越来越明

显，科技工作者对发电机励磁控制系统进行了长期而广泛的研究，取得了

许多显著的成果。研究主要集中在两个方面:一是励磁方式的改进，二是励

磁控制方式的改进。这两方面是相互联系的。随着控制理论的不断发展，

励磁控制方式主要经历了三个发展阶段，即单变量控制阶段、线性多变量

控制阶段和非线性多变量控制阶段。

1.4.1基于单变量控制方式

单变量控制阶段的控制规律是按发电机端电压偏差V



t

的比例进行调

节或V



t

的比例一积分一微分进行调节(PID调节方式)。运用古典控制理

论建立按V



反馈的励磁控制方式便逐步发展起来。具有代表性的方法就是增加了PSS

环节的PID励磁控制和LOEC线性最优励磁控制。所谓PSS的控制方

式，实际上是采用双状态变量的反馈控制方式，就是在励磁调节器中除了

用状态量V



t

作为反馈量外再引入一附加镇定参量。为了得到尽可能好的

控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈于另一反馈量V



t

相加，而

是经过一定的校正环节后再与反馈量V



t

相加，目前所采用的附加镇定参

量种类有转速w，发电机端电压的频率f，发电机电磁功率pe。PSS



环节的存在，在其参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的PID

控制系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的

作用。

为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出

了线性最优励磁控制方式，简称LOEC。该控制方式由于考虑了电力系统

多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在

鲁棒性和适应性上也有很大的改善。弥补了PSS控制方式的不足之处。最

优控制理论的主要特点是:不是建立在传递函数的基础上，而是建立在空间

状态方程的基础上，是基于系统稳定性的方法;适用于多控制量的系统;可

以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要

求的性能指标达到极值;不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性

系统、非线性系统及离散系统等。描述发电机系统的运动方程是一系列非

线性方程，线性最优控制将这些非线性方程在时域内逐点线性化，计算出

最优控制规律。控制效果与PSS相比，可提高发电机的静稳20%，提高暂

稳30%。其局限性之一是线性化的结果与实际的非线性方程有一定的偏

离；其二是当电力系统的接线方式发生变化，其描述系统的状态方程将和

实际的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。但这种控制规律比

起PID+PSS仍然具有明显的优势。它是基于电力系统状态变量的线性组

合，这种控制方式具有以下优点:第一，可直接根据解析结果整定控制器的

最优参数。第二，系统在偏离设计的最优运行状态下的动态响应与设计的

最优运行状态下的动态响应之间相差甚微。第三，最优励磁控制规律是全

部状态量的最优线性组合。这种组合能够保证系统在过渡过程中各状态量

对其稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。

第四，可使系统获得高的微动态稳定极限。

但是，LOEC励磁控制方式也存在一些不足，首先由于设计是基于平

衡点处的近似线性化模型，因而当系统远离所设计的平衡点时或在系统受

大干扰引起的暂态过程中，不能够保证具有很好的控制特性，即对系统的

运行点变化的鲁棒性得不到保证。

其次所设计的控制器和网络结构相关，对系统网络结构变化的适应能

力也无法得到保证。再次在多机系统线性最优分散协调励磁控制中，由于

只能获取有限的状态变量，因此只能获得相对次最优的控制效果。最后，

-8-

与AVR/PSS式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反馈增益。

1.4.3非线性多变量励磁控制方式

由于电力系统是一个强非线性和结构多变的系统，大多数实际工程控

制系统也都是非线性系统，非线性系统的问题最后要用非线性的控制理论

来解决。随着非线性控制理论的发展，如微分几何法、直接反馈线性化

法，李雅普诺夫函数法，变结构控制、逆系统法等等，各种非线性励磁控

制方式也迅速发展起来。

a)李雅普诺夫方法

李雅普诺夫(LyaPunov)稳定性定理是关于运动稳定性问题的一般理论

和方法，提出一个多世纪以来，大量学者围绕其应用作了系统的研究。该

方法以李雅普诺夫第二稳定性理论为基础，通过构造能反映机组运行规律

的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。它的特点是直接考虑系统

的非线性特性从而进行控制。将李雅普诺夫函数法运用到单机无穷大系统

励磁控制器的设计，并取得了较为满意的结果。另外，该方法具有原理简

单易于掌握等优点，但缺点是LyaPunov函数不容易找到。且在多机系统

的设计中难以实现分散控制。文献将李雅普诺夫第二稳定性理论应用到电

力系统控制中，通过构造反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最

小目标进行设计。这些方法直接考虑系统的非线性特性，原理简单，易于

掌握。其中推导了以同步发电机机端电压、功角(转子运行角)和转速等作

为变量的非线性状态方程，构造出一个能反映机组运行规律的LyaPunov

函数，并根据LyaPunov渐进稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。用

大范围线性化方法将非线性系统转化为线性系统，然后利用线性系统的

非线性因素和控制量集中出现在某一高阶微分方程中，通过虚拟控制输入

量的建立，直接找到非线性补偿规律，从而使原非线性系统达到线性化的

目的。该方法的优点是数学过程简单，物理概念清晰，且适用于所有非线

性系统，易于工程应用。缺点是运用该方法设计的控制器与网络参数有

关，因此无法保证对网络变化的鲁棒性。用解析的方法证明直接反馈线性

化方法和微分几何法可以得到完全相同的非线性励磁控制规律。

上述应用于电力系统的微分几何方法，直接线性化和逆系统方法实质

上都是一种反馈线性化的方法。它们把非线性的电力系统控制问题，采用

各种方法，线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计，克

服了采用单点线性化模型产生的不足，对发电机运行点的变化和系统网络

结构的改变具有较好的适应能力。

c)非线性变结构和鲁棒控制设计方法

八十年代以来，变结构控制开始应用于电力系统同步发电机励磁控制

器的设计中，研究表明其能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题。

但目前这些方法还存在一些问题，如滑动模态的到达条件比较严格，

开关逻辑函数的设计比较困难等。特别是变结构控制的抖动问题严重影响

1.5国外研究及发展状况

大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，成为

各种控制理论和方法的“试金石”,经过多年的探索，在理论和实践上,都

已取得了丰硕的成果；而在目前和将来,随着电网规模的不断扩大及其对安

全稳定性水平要求的提高，以及控制理论的推陈出新,这一领域的研究将继

续深入发展。作者认为，在当前,应该对此进行一些实事求是和“承上启

下”的分析和小结，以明确：哪些问题已得到了比较圆满的解决，不需要

再花精力去研究了哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着

力点；哪些问题仍然模糊不清，亟待明确;而哪些问题乃细枝末节，不必沉

溺于其中等等，将是大有裨益的事。诚然,想完成这件有益的事并非一两个

研究组发表一两篇文章所能胜任的。需要不同学派同仁各抒己见、集思广

益，方能奏效。文章尝试对大型发电机组励磁控制发展的历史和现状作一

简要概括，并从工程角度对已经比较好地解决了的问题、尚存在的问题以

及未来大致走向发表拙见。“疑义相与析”，仅供广大电力科研人员特别是

长期从事励磁控制研究的学者参考。

现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括：高精度的电压调节功

能;机组无功功率分配功能；提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输

功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性(包括静态、暂态和动态稳定性)

和电压稳定性。励磁控制设计需要解决的关键问题有：1.为简化控制器设

计所需的多机系统降阶动态等值问题；2.控制规律构造问题；3.系统非线

性问题——包括可微非线性和不可微强非线性(如控制限幅)的处理及机端

电压的处理问题；4.多机或多子系统间关联的处理,即分散与解耦控制问

题；5.多控制目标的协调问题；6.励磁控制器之间及其与别的控制手段的

协调问题；7.系统不确定性问题；8.适应性问题，励磁控制器对不同运行

点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度；9.控制系统的特性分析,

包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。

关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地

解决，它们是进一步研究的重点所在。多机系统中的“强”非线性问题,即

考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束(如端电压约束)条件下的控

制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常

规非线性(或称为光滑可逆非线性)问题，而对工程实际中广泛存在的强非

线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系

统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略,而

对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。将针对大型电力

系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设

计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励

磁控制问题。多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和

-11-

能力各异，因此有必要从整体出发。规划不同控制手段之间的协调工作方

式，以解决电力系统的多目标控制问题。动态协调控制问题。目前的协调

控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑

变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动

态协调问题。电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励

磁控制的新要求基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究

励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要部件。20世纪50年代以

来，磁放大器出现后，常被用用直流励磁机系统。20世纪60年代初期，

随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励

磁调节器。到20世纪70年代初期，半导体励磁调节器已获得广泛应用。

励磁控制理论的发展与自动控制理论本身的发展是息息相关的，控制

理论总的发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，再到智能化控

制。同样，励磁控制方式的发展也经历了一条与之相应的道路。

励磁控制发展的第一阶段可称之为古典励磁控制方式。在这一阶段，

励磁控制首先从单机系统的分析和设计开始，提出了按发电机端电压偏差

进行比例式调节的单输入——单输出地励磁控制方式，即比例调节方式。

由于比例调节方式不能很好满足大电力系统对抑制震荡、提高静态稳定极

限以及稳态电压调节精度等方面要求，于是便发展到按发电机端电压偏差

的比例—积分—微分—调节的PID（Proportional-Intergral-Differential）调

节方式。这两种调节方式都是基于线性传递函数数学模型上的单变量设计

方法。

美国学者o和dia采用古典控制理论中的相位补偿

原理，于1969年提出了电力系统稳定器的辅助励磁控制策略，从而形成

了“AVR+PSS”结构的励磁控制器。这一控制方式至今仍被广泛使用。

随着现代控制理论和实践的发展，研究方法和工具得到了不断的改

进。20世纪70年代，作为现代控制理论分枝的状态空间法获得了迅速发

展，建立了完整的控制系统状态空间描述方法以及多维空间中的算子理

论。

加拿大学者余耀南先生在20世纪70年代首先提出将最优控制理论应

用到电力系统中。国内则是清华大学卢强教授等首先建立和完善了线性最

优励磁控制器（LinearOptimalExcitationController，LOEC）的理论体

系，并与天津电气研究所共同研制出了第一台基于线性最优励磁控制理论

的模拟式LOEC装置。但是应当指出，这种励磁控制器是针对电力系统局

部线性化模型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近具

有良好的控制性能，当偏离运行点时，控制性能就会变差。

迄今为止，线性最优励磁控制器已进入实用阶段，成为兼有AVR和

PSS功能，可供大型发电机组优选的励磁控制方案之一。

我国微机励磁控制器的研制和开发工作开展的较早。第一台投入现场

-12-

运行的微机励磁控制器是电力部南京自动化研究所研制的WLT-1型励磁调

节器。清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作，研制了全数

字式励磁控制器。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的微

机自动励磁控制器。华中科技大学先后与东方电机股份有限公司和葛洲坝

电厂能达通用电气有限公司合作，开发了线性最优和自适应最优微机励磁

控制器。此外，广州电器科学研究所、长江水利委员会陆管局自动化研究

所、武汉洪山电工技术研究所、河北工业大学、福州大学以及武汉华工大

电力技术研究所等科研生产单位也在微机励磁控制器的研究方面开展了相

关工作。

综上所述，十几年来，我国在微机励磁控制器的研究开发领域取得了

丰硕的成果，这些离不开各大专院校，科研院所的共同努力，同时也离不

开诸如池覃、映秀湾、乌溪江、葛洲坝等电厂的创新精神和大力支持，各

地中试所也为微机励磁控制器的推广应用做出了重要贡献。

国外微机励磁控制器进入实用也是在20世纪80年代，1989年7月日

本东芝公司在日本投入了双微机系统的数字式励磁调节器；加拿大通用电

气公司（CGE）于1990年也开发出微机励磁调节器；瑞士ABB公司开发

了UNITROL-D型微机励磁调节器。此外奥地利ELIN公司、德国

SIEMENS公司和英国的GEC公司等也都相继生产出微机励磁调节器。这

些大公司均有很强的科研开发能力。其中有很多公司如瑞士ABB、加拿大

CGE、奥地利ELIN、英国GEC的产品在我国的大中型发电厂得到应用。

这些微机励磁控制器大多采用PID+PSS控制，各种控制限制功能较完善，

装置整体制造水平高。

从整体上看，我国在微机励磁控制系统的控制算法的研究处在国际前

列，所开发的微机励磁控制装置的功能也非常强大，但装置所选用的元器

件的可靠性以及生产制造工艺水平与国外相比尚存在一定差距。

-13-

第2章励磁系统的过励限制

2.1过励限制的主要特性

励磁系统和有刷交流励磁机励磁系统采用发电机磁场电流作为过励限

制的控制量,无刷交流励磁机励磁系统采用励磁机励磁电流作为过励限制

的控制量。

过励反时限特性函数类型与发电机磁场过电流特性函数类型一致。因

励磁机饱和难以与发电机磁场过电流特性匹配时宜采用非函数形式的多点

表述反时限特性。

隐极式同步发电机转子过电流特性表达式如下：

(I-1)t =33.75

2

续时间。

(2-1)

式中:为发电机磁场电流对额定磁场电流

I

I

fn

的比值;t为许可的过电流持

水轮发电机转子仅有承受的持续时间的描述,缺少过电流特性的

2

I

fn

函数描述。

励磁系统功率单元(励磁变压器、整流桥、励磁机等)的过电流能力应

保证实现发电机转子过电流能力,但是某些交流励磁机励磁系统的顶值电

流可能小于发电机转子过电流能力,当两者不相同时按小者确定。

按照继电保护规定,转子绕组过负荷保护特性与发电机转子过电流特

性一致。过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差,

确保在保护动作之前限制动作。

过励反时限启动值小于发电机转子过负荷保护的启动值,大于Ifn,一

般为(105%～110%)Ifn。启动值不影响反时限特性,并当磁场电流大于启动

值后进入反时限计算。

过励反时限限制值一般比启动值减少(5%～10%)Ifn,以释放积累的热

量,也可限制到启动值,再由操作人员根据过励限制动作信号减少磁场电

流。限制环节可以有不大于0.3s时间常数的惯性环节,以减少有功功率

波动和无功功率超调。

过励限制信号测量误差小于0.5%,时间误差小于0.05%,有良好的调节

参数,使得限制过程快速而稳定,过励限制特性能够通过试验证实。

2.2限制过程

过励反时限限制动作转为定磁场电流控制,磁场电流给定值(即限制值)

-14-

瞬间给出,或者经过一阶惯性给出,有不同的响应,见表1。

表1.

励磁系统

突限方式缓限方式

回到110%的时下降过程增加回到110%I下降过程增加

间I的热量I(%)的时间I的热量I（%）

ss

tm

自并励励磁系

0.421.80.474.66

统

交流励磁机励

0.241.11.151.30

磁系统

表1.自并励和交流励磁机励磁系统过励反时限限制突限和缓限方式的差

别

由仿真可见,突限方式或者小延迟的缓限方式都可以接受。缓限方式可

以减少有功波动,而缓限过程增加的热量不大。

2.3

级差

发电机转子过负荷保护按照发电机特性设定。过励反时限与发电机转

子过负荷保护之间的级差需要考虑以下原则：

1.测量偏差不至于引起保护先于限制动作；

2.过励反时限限制动作、电流回到长期值以下的过程中过热的积累不

导致保护动作；

3.较小的级差,即过励反时限限制设置较大的过热量有利于电力系统稳

定。

级差暂不考虑过励保护的理由是：

1.完善的监测可以提前发现和处理将导致过励的故障,使得过励限制动

作的时刻发生故障的概率大为减少；

2.不良的限制失败的判断和通道切换在顶值电流下需要超过1s完

成。

考虑测量偏差和限制过程热量。如If=2,保护和过励限制电流测量各有

1.5%和-1.5%的误差,并且各有0.2%和-0.2%的时间误差,限制过程磁场绕组

增加的过热量约4.77%。设定级差为2s。限制成功时刻离保护动作还有

0.79S。

上述条件下可以选择顶值电流下过励限制比保护提前2s动作。提高

电流测量准确度,适当减少限制过程时间,改进限制失败判断方法,有可能将

顶值电流下的级差进一步减少。

-15-

2.4以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定

1.顶值电流瞬时限制值

确定顶值电流瞬时限制值时需要考虑励磁机的饱和。从励磁机负载特

性曲线上,由顶值电流倍数决定的发电机磁场电压,获得顶值电流瞬时限制

值。

2.过励反时限限制的最大过热量

确定过励反时限限制的最大过热量时,可以不计发电机磁场回路时间常

数。其步骤如下：

1)由励磁机负载特性得到发电机磁场电压倍数与励磁机磁场电流倍数

的关系。

2)按照励磁机的最大磁场电流、励磁机连续运行最大磁场电流和发电

机顶值电流持续时间计算励磁机磁场绕组过电流引起的最大过热量Ce：





I

ef

max

Ct

ep







I

ef











2

1

（2-2）

式中:Iefmax为励磁机的最大磁场电流;Ief∞为励磁机连续运行最大磁

场电流;tP为发电机的顶值电流持续时间。

3)检查励磁机磁场过电流持续时间与发电机磁场过电流持续时间的配

合情况,如不配合则调整Ce。

4)按照Ce整定发电机转子过负荷保护。

5)按照级差2s选取过励限制最大过热量。

2.5无发电机转子过负荷保护的处理

当不采用发电机转子过负荷保护时,过励限制仍按照上述方法确定,即

过励限制与发电机过电流特性留有级差。

2.6过热量的释放和再次过励的条件

一次过电流带来的过热量经电流小于额定值而得到逐步释放,过热量最

小等于0。再次过热的能力等于设定的最大过热量C减去剩余的过热量。

因此,较大的过热量设定值在连续多次电网故障时提供较多的支持。

-16-

2.7过励保护

GB/T7409.1—2008中的过励保护包含调节器的顶值电流保护和过励

反时限保护2种。励磁调节器内的过励保护主要完成通道切换,保持闭环控

制运行。仿真600MW汽轮发电机自并励系统误强励过程,120%Un(Un为

额定电压)延时0.2s保护动作的误强励时间是0.54s。在此期间有可能完成

电压互感器断线、调节器死机、电源故障、同步故障等的判断和通道切

换。由于完善的监测可以提前发现和处理过励问题,过励保护实际起后备保

护作用。

2.7.1顶值电流保护

励磁调节器的顶值电流保护对于高顶值励磁系统是必备功能。

实现运行通道和非运行通道同时进行检测,以提高检测的可靠性。当顶

值电流瞬时限制失效时发出信号,切换通道,在备用通道中实现顶值电流限

制。备用通道可以是自动通道,也可以是独立的手动通道。由越过限制值的

某个百分数和延时来判断限制是否失效,至切换的发电机磁场电流应远小于

300%Ifn,附加发热应可以忽略。仿真无刷交流励磁机励磁系统在超过顶值

电流10%Ifn、延时0.15s完成通道切换时,磁场电流达到235%Ifn,转子绕

组附加发热量约2.8%。对于高顶值励磁系统,也可以采取独立的第2套过

励限制功能,设置相同的特性和参数。高顶值励磁系统具有励磁系统内部或

者外部的过电流切除调节器停机功能。

2.7.2过励反时限保护

过热量累计超过设定值某个百分数(如10%)时判断过励反时限限制失

败,进行通道切换。现在有的调节器采用延时2s观察电流是否回到110%

额定值以内,因其判断时间长,势必降低过励反时限过热量设定值,这样,发电

机转子过电流能力被削弱,对电力系统稳定不利。

2.7.3过励报警信号

为了及时调整励磁以避免跳机,可以设置过励报警,如1.2倍额定电流延

时5s报警,其相当于转子过负荷定时限保护功能。

-17-

第3章可控励磁发电系统实验装置操作及维护

3.1实验装置操作说明

实验开启及关闭交流或直流电源都在控制屏上操作。

1.开启三相交流电源的步骤

1)开启电源前，要检查控制屏下方“直流操作电源”的“可调电压输

出”开关（右下角）及“固定电压输出”开关（左下角）都须在“关”的

位置。控制屏左侧安装的自耦调压器必须调在零位，即必须将调节手柄沿

逆时针方向旋转到底。

2)检查无误后开启“电源总开关”，“停止”按钮指示灯亮，表示实验

装置的进线已接通电源，但还不能输出电压。此时在电源输出端进行实验

电路接线操作是安全的。

3)按下“启动”按钮，“启动”按钮指示灯亮，只要调节自耦调压器

的手柄，在输出口U、V、W处可得到0～450V的线电压输出，并可由控制

屏上方的三只交流电压表指示。当屏上的“电压指示切换”开关拨向“三

相电网输入电压”时，三只电压表指示三相电网进线的线电压值；当“指

示切换”开关拨向“三相调压输出电压”时，表计指示三相调压输出之

值。

4)实验中如果需要改接线路，必须按下“停止”按钮以切断交流电

源，保证实验操作的安全。实验完毕，须将自耦调压器调回到零位，断总

开关。

2.开启单相交流电源的步骤

1)开启电源前，检查控制屏下方“单相自耦调压器”电源开关须在

“关”位置，调压器必须调至零位。

2)打开“电源总开关”，按下“启动”按钮，并将“单相自耦调压

器”开关拨到“开”位置，通过手动调节，在输出口a、x两端，可获得

所需的单相交流电压。

3)实验中如果需要改接线路，必须将开关拨到“关”位置，保证操作

电压及可调电压值可由控制屏下方中间的直流电压表指示。当将该表下方

的“电压指示切换”开关拨向“可调电压”时，指示可调电源电压的输出

值，当将它拨向“固定电压”时，则指示输出固定的电源电压值。

2)“可调直流电源”是采用脉宽调制型开关稳压电源，输入端接有滤

波用的大电容，为了不使过大的充电电流损坏电源电路，采用了限流延时

保护电路。所以本电源在开机时，约需有3～4秒钟的延时后，进入正常

的输出。

3)可调直流稳压输出设有过压和过流保护告警指示电路。当输出电压

调得过高时（超过240V），会自动切断电路，使输出为零，并告警指示。

只有将电压调低（约240V以下），并按“过压复位”按钮后，才能自动恢

复正常输出。当负载电流过大（即负载电阻过小），超过3A时，也会自动

切断电路，并告警指示，此时若要恢复输出，只要调小负载电流（即调大

负载电阻）即可。有时候在开机时出现过流告警，这说明在开机时负载电

流太大，需要降低负载电流。若在空载下开机，发生过流告警，这是由于

气温或湿度明显变化，造成光电耦合器TIL117漏电使过流保护起控点改

变所致，一般经过空载开机(即开启交流电源后，再开启“可调直流电

源”开关)预热几十分钟，即可停止告警，恢复正常。

3.2实验的基本要求

可控励磁发电系统实验的目的在于培养学生掌握系统的实验方法与操

作技能。通过实验使学生能够根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实

验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，读取实验所需数据，对数据和现

接线、接通或切断负载、调节电压或电流、记录数据等项工作每人应有明

确的分工，以保证实验操作的协调和记录数据的准确。

2)选择组件和仪表

实验前先熟悉本次实验所用的组件，记录继电器铭牌数据和选择合适

的仪表量程，然后依次排列组件和仪表，便于读取数据。

3)按图正确接线

根据实验线路图及所选组件、仪表，按图接线，接线力求简单明了。

接线原则应是先接串联主回路，再接并联支路。为方便检查线路的正确

性，实验线路图中的直流回路、交流回路、控制回路等应分别用不同颜色

的导线连接。

4)试运行在正式实验开始之前，先熟悉仪表，然后按有关规定起动继

电保护电路，观察所有仪表是否正常。如果出现异常，应立即切断电源，

并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。

5)读取数据

预习时对继电器及其保护装置的试验方法及所测数据的大小作到心中

有数。正式实验时，根据实验步骤逐个读取数据。

6)认真负责，实验有始有终

3.3.2自动—手动控制切换操作要点

1．正常运行中的切换：当需要从自控切换到手控，或者相反操作

时，可按如下步骤进行：①按下U校准按钮SB将控制电压表切换至运行

K

控制档，读取运行控制电压。②迅速松开U校准按钮SB，将控制电压表

K

投至待用控制档，立即调整待用控制电压，使之等于运行控制电压。③重

复上述操作1～2次，尽可能使两种控制电压相等。④迅速将控制方式切

换开关切换至待用控制方式。

2．切换操作注意事项：①正常运行中，是否允许切换及在什么条件

下才能切换，应严格按等U值切换原则行事。②有的调节器手控电路中未

K

引入负反馈环节，手控时调节系统运行于开环状态，无自动稳定作用；这

时手控只能作自控的事故或紧急备用控制，正常运行中不得随意切换，否

则容易使整个系统失去稳定。（本实验装置在运行中可按等U原则进行切

K

换）③正常运行中，宜尽可能使用自控方式。因为即使是具有负反馈闭环

运行的手控电路，其自动调节能力也远不如自控方式强，当发电机突然大

量减少负载时，很容易产生过电压。此外，只要自控方式运行正常，就不

要随意切至手控，以免操作不当引起机组振荡或失步解列。④正常运行中

的切换，宜在负载稳定、运行情况良好时进行，一般不宜在轻载时。⑤处

于自控方式运行中的励磁调节系统，必须经常注意保持手控、自控电压相

等，特别当负载发生较大变化后，更应及时调节手控电压，使之等于自控

值，以便自控电路故障或紧急时，立即切至手控方式。

应强行增加励磁。在强励电流倍数及强励动作时间允许范围（一般为50

秒）内，运行人员不得干涉强励装置的正常工作。

4．正常运行中的无功整定调节，应通过励磁整定电位器进行。当需

要改变机组间的无功分配比例关系时，应改变调差电阻。

5．运行中应经常检查励磁系统各部分的发热情况，注意监视其温升

不得超过允许值；其中，应特别注意励磁主电路中各整流元件及励磁电源

变压器的温升。当缺乏资料时，下列数据可供参考：

硅整流元件：正常运行时，结温一般不应超过90°C；至于管壳的温

度，由于受结温、环境温度，通过的电流、可控硅导通角、散热条件（如

冷却方式及散热器大小）等诸多因素影响，难以用作判断依据，但当条件

限制无据可查时，管壳温度一般以不超过70～80°为宜。对于没有温度

计，采用自然冷却的小容量可控励磁装置的硅整流元件，当散热器烫手不

能在上面停留时，应降低负载；若不能降低温度，应停机检查。

励磁电源变压器：若为油浸式，上层油温最高不应超过95°C，正常

运行中不宜经常高于85°C，以防变压器油加速老化；若为干式，则线圈

温度不得经常高于95°C。

6．正常运行中，注意监视励磁绕组的接地检查装置运行情况，防止

因接地而引起整流装置输出端短路，烧坏整流元件。

7．当发电机由于某种原因低频运行时，应特别注意可控桥输出电流

不得超过允许值，可控硅的温升应符合要求。

8．正常运行中，不允许随意断开处于运行状态的组件，以免引起可

控桥失控；亦不允许随意更改各自动装置的整定值。

9．运行中的励磁调节装置失控或故障时，应冷静处理，不宜慌张草

率，以免事故扩大，危及设备及人身安全。

3.3.4励磁调节装置的退出及停机操作要点

当励磁调节装置需要退出运行时，其操作步骤随机组的运行方式（单

机还是并网）、起励方式（剩磁自激，还是外接直流电源助磁或它激起

励）以及励磁主电路接线方式的不同而有所差别，分述如下：

单机运行时采用自激起励的机组，在励磁调节装置退出运行操作中，

应注意防止剩磁过低甚至消失。其操作步骤如下：

1.对配有灭磁开关QFG且负载可逐渐卸去的机组：（A）在保持f、U

F

不变的条件下，逐渐减小负载，直至断开发电机断路器QF不致使机组飞

车时，即可断开QF，联跳QFG。（B）对于断开QF后不能立刻联跳QFG的

装置，在断QFG以前，即使发电机短时空载运行，亦应注意维持f、U额

F

定值不变，防止发电机过压。（C）停止风机运转（实际设备可控桥部分有

频下强励，可能产生过流或过压；对于自激起励的发电机，在跳开QFG

前，不能过分降低U，否则剩磁过低或消失，将给下次起励带来困难。

F

2.对未配QFG且不能逐渐卸载的机组：为了避免励磁装置低频强励过

电流，一般不宜带负载停机，但应注意防止甩负载飞车。步骤是：（A）适

当降低转速，使机组短期在45～47Hz低频下运行，以防甩负载飞车。

（B）断开QF，迅速调节原动机的调速器，维持f额定，同时迅速调节励

磁整定电位器，保持U额定。（C）断开励磁电源开关。其余操作同①中的

F

（C）～（E）。

3.对于没有QFG但可逐渐卸载的发电机：先按（A）项操作，逐渐卸

去负载，再按（B）项及以后步骤操作。

采用外接直流电源助磁或它激起励的机组。由于采用了外接起励电

源，发电机有无剩磁，对起励关系不大。其操作除断开QFG后，应将励磁

电流降至零（U相应降至接近残压值）。

F

并网运行时

1．通过原动机调速器，将有功负载逐渐转移到其他机组。

2．操作励磁整定电位器，将无功负载逐渐转移到其他机组。其余步

骤同单机运行方式。

3.3.5可控励磁自动调节装置的检查与维护

1．日常运行中的检查检查应充分运用耳闻、目睹、鼻嗅等方式，

注意监视励磁系统各部位是否处于正常进行状态。内容如下：①各运行表

针是否指示正常；②发电机、励磁电源变压器、可控桥主回路冷却风机等

到声音是否均匀正常；③各运行指示灯及其他信号装置是否指示正常；④

励磁系统各带电部位，特别是联接头、线圈、触头等，有无变色、发红、

跳火、冒烟等现象；⑤有无焦臭或其他不正常气味出现；⑥油浸式励磁变

压器及电压互感器的绝缘油颜色和油位是否正常；⑦检查发电机、励磁变

压器、整流器件及冷却风机等元器件外壳，了解其温度是否正常。但必须

注意安全，防止触及带电部位；⑧电刷与集电环接触是否良好，有无火花

及异常噪音；⑨接线板、接线头、励磁调节器各部位、各种变压器及互感

器等，应经常保持清洁无尘，不允许有油污或其他危及安全的杂物存在；

的灰尘及脏污；③检查各带电部位的绝缘物是否正常，要及时更换破皮、

老化或损伤的绝缘导线；④检查各联接头、焊接点及接插件的接触是否可

靠、焊接是否良好；⑤检查各控制开关、刀开关、按钮、接触器、空气开

关、继电器、电位器等触头接触是否良好，有无烧蚀损坏现象，机械传动

部分是否灵活可靠；⑥各指示仪表是否正常，模拟指针表应检查表计的表

针有无卡塞现象，按要求定期校验；⑦按要求对励磁变压器及互感器的绝

缘油作定期化验及绝缘试验；⑧检查电刷与集电环接触是否良好，更换磨

损过大的电刷；⑨检查各插件板上的元器件是否变质或损坏，电路是否正

常，焊点是否脱落。对于长期使用的电解电容器，可能逐渐变质，当电容

量减小到80%以下时，应更换；⑩当需要拆卸元器件时，应在事先作好记

号（其中应特别注意没有端子标号的联线）。拆卸后，应分别妥善存放，

注意防潮、防压、防脏污腐蚀。检修安装时，应对号入座，防止混乱；⑾

大修后的可控励磁自动调节装置，应作开环试验，方法步骤同实验十二，

器熔断；③可控桥输入或输出短路。

处理：①合上交流侧电源开关；②熔断器熔断可能由于QFG未跳闸，

或励磁电源变压器未断开所致。应分别断开QFG或电源变压器，然后更换

熔丝排除故障。

3．三相触发脉冲正常、手调正常，但自动励磁整定电位器从最小到最

大时，可控桥输出无变化。原因是检测放大电路故障。处理：①旋动励磁

整定电位器，检查比较电路输出电压△U是否在要求范围内变化；否则应

着重检查测量电路的整流二极管、滤波电容及比较电路的稳压管是否损

坏，电路中是否有虚焊及脱焊现象，连接导线是否正确或开断；②若△U

正常，则应检查放大电路输出的控制电压U是否在要求范围内变化；否则

K

应着重检查晶体管是否损坏、工作电压是否正常。

4．三相触发脉冲及控制信号U均正常，但当U从某值开始逐渐增大

KK

时，可控桥输出电压不是平滑上升，而是忽大忽小，用示波器观察波形杂

乱。

原因是可控桥交流侧相序接错，或者是同步电压相序或相位有错。

处理：①检查可控桥电源与触发插件的相序是否一致；②检查励磁电

源变压器及同步变压器的接线组别及输入、输出相序是否符合要求；③若

同步变压器通过电压互感器接入，则应检查互感器的接线组别及相序。

5．三相触发脉冲及手控均正常，但当自控电压从某值起逐渐上升时，

可控桥输出电压上下波动。

原因：①放大器或控制方式切换电路输出端并联的平滑电容损坏开

路，致使自控电压含有大量交流成份；②放大电路中的负反馈回路故障，

如电容变质或开路等引起自激振荡。

6．可控桥输出电压三相不对称。可能是三相触发脉冲不对称，或者某

2．按起励按钮，励磁电流表反摆。

原因：是励磁绕组极性接反，其情况一般发生在无外接直流电源的自

激起励方式在安装或检修后第一次起励时。只要将励磁绕组两引出线对换

即可。

3．按起励按钮无反应，励磁电流及电压表丝毫不动。

原因甚多，应分别处理。①若为无外接电源的自激起励，可能是剩磁

不足甚至消失，应外接直流电源充磁，或者励磁绕组极性与残压不一致，

可对换励磁绕组两引出线；②若为外接电源助磁起励，可能是电源电压过

低，应提高电压；③励磁回路开路，可能是集电环与电刷接触不良、有的

联接点联接不良、励磁绕组或连线有断线、灭磁开关接触不良或未合上；

④起励控制回路故障，如起励按钮接触不良、起励接触器线圈或控制回路

断线或短路；⑤起励二极管损坏；⑥调试—运行切换插件位置有误，应切

至运行位置；⑦励磁电源变压器高压侧开关未合。

4．按起励按钮后，起励接触器工作正常，但机组不能起励。

处理：①控制电路故障，无触发脉冲；可切至另一种控制方式，若能

起励，则故障在前一控制方式电路中；②起励限制闭锁元件62KV整定值

3.4.4空载运行中的常见故障及处理方法

1．起励后旋动励磁整定电位器能自由调节U，但当U增至最大允许值

FF

时，限压值太低或不能限压。

原因是限压电路故障或整定值不合要求，应检修限压电路或重新整

定。

2．电路无故障，自控正常，手控不稳定。

原因及处理：①有的调节器手控电路无负反馈环节，装置开环运行，

由于自并激励磁系统具有正反馈特性，因而易于振荡。这种手控只能作自

控的备用，正常运行中不能任意切换；②有的调节器手控电路有负反馈，

但反馈太弱，稳定能力很差；增大负反馈后，一般即能稳定运行；③自控

切换手控时，未校准控制电压；应先校准，然后迅速切换。

3．电路无故障，手控正常，自控不稳定。

原因及处理：①自控电路开环放大倍数过高，导致运行不稳定。应适

当降低放大倍数；②手控切换自控时，未校准控制电压。应校准后迅速切

换。

4．发电机空载电压整定值变高。

原因是测量比较放大电路中，个别串联电阻值变大。应更换电阻。

3.4.5负载运行中的常见故障及处理方法

1．单机运行中U突然上升，并网运行中无功功率Q突然增大；调节励

FX

磁整定电位器虽然可降低U或Q，但电位器的整定值与正常值差别悬殊。

FX

原因：①测量变压器或电压互感器原边或副边有缺相；②测量电路输

入交流电源缺相；③测量电路整流二极管开路；④检测放大电路中的个别

元件参数变化。

处理：①立刻从自控切换到手控运行；②检查测量变压器、电压互感

器及比较电路三相电源是否断相；③断开检测放大组件进行检查并排除故

障。

2．单机运行中U、并网运行中Q突然上升，励磁整定电位器失去作

FX

用。

原因是检测放大电路中有开路、短路或元件损坏现象，相当于测得的

U剧烈下降或消失，调节器强励。

F

处理：①立刻从自动切换至手控运行；②断开检测放大组件，检查并

排除故障。

3．单机U及并网Q在较大范围内跳动。

时而触发不能导通。

处理：①适当减小无功负载，按相轮流断开触发组件，当某相组件断

开后，跳动现象消失，则故障位于该组件上，修复组件，既可正常运行；

也可减小无功负载至额定值的60～70%左右，继续运行，然后再修复故障

组件；②从自控切至手控运行，断开检测放大组件检修；③停机后检修或

更换有故障的整定电位器；④更换故障导线；⑤更换有故障的可控硅元

件。

4．运行中突然机声沉闷，I及I猛增，导致单机时的U或并网中的Q

FLFX

猛增。

原因：①电网电压过低，调节装置强行励磁；②自动控制电路故障，

可能是电压互感器高压侧熔断器熔断、测量电路电源断线或比较电路稳压

管损坏等；③续流二极管质量不良或损坏不起作用；④可控硅击穿或正向

阻断能力下降。

处理：①若系强励，则在规定的强励动作时间内不应干予；超过规定

时间，即切换到手控，将I降至额定值；②如果可控硅失控，一般情况下

L

过励保护能自动断开发电机断路器QF及灭磁开关QFG；否则应迅速切至手

控运行；若还无效，应立刻断开QF及QFG或励磁电路交流电源开关；③

在实际工作中如遇到没有QFG，且可控桥交流侧又无电源开关的小容量励

磁装置，在QF跳闸后，应立刻拔下励磁主回路中的快速熔断器，但应注

意防止电弧引起短路或伤人。④查明原因排除故障。

5．励磁主电路过流，但过流保护拒动。

原因：①过励限制电路整定值偏高或故障；②过流保护整定值偏高或

故障；③QFG本身或跳闸回路故障，不能跳闸；④励磁电流表读数不准

（偏高）。

处理：①调节励磁整定电位器，将励磁电流降至额定值附近；②检查

过励限制电路及过流保护电路以及它们的整定值；③检修QFG及其跳闸回

路；④校准励磁电流表。

6．发电机过电压但过压保护拒动。

原因：①过压保护整定值太高或者故障；②过压限制电路故障；③QFG

跳闸回路故障；④电压表读数不准（偏高）。

处理：①调节励磁整定电位器，使U=U；②调整或检修过压保护电

FFe

路、过压限制电路及QFG跳闸回路；③校准电压表。

7．发电机过热。

原因及处理：①单机运行中长期过负载；应减载至额定值；②并网运

行电网电压偏低，机组长期低cosφ运行，致使励磁电流I长期过载；应

L

减小I少发无功；③机组长期低速运行，I长期过载；应提高转速至额

LL

定；④实际工作中会出现发电机风道堵塞；应清除；⑤定子绕组短路或绝

缘下降，应立即停机检修。

-28-

8．励磁主电路整流元件过热。

原因及处理项目如下：

①励磁电流I超过额定值。处理同五。

L

②I低于额定值。可能是：a）交流电源缺相。可用钳形电流表或串

L

入电流表检查，若某相电流为零或特别小，一般即为缺相所在，应立即降

低负载或停机处理；b）某桥臂快熔熔断。先适当减小负载，再用万用表

逐一检查每一桥臂快熔两端电压，其值约等于电源电压的这相快熔，即为

故障所在，应立即更换；c）某桥臂整流元件故障。先适当减小负载，再

迅速检查整流元件，必要时可停机检查，更换故障元件；d）某桥臂可控

硅无触发脉冲。先适当减轻负载，再用示波器逐臂检查是否有触发脉冲输

入可控硅，若脉冲不正常，则应检查触发组件；查出故障组件后，立刻换

上备用组件；若无备用，则将负载降至额定值的（60～70）%左右，再继

续运行，然后断开故障组件检修。若触发组件输出脉冲正常，则控制极连

接导线必有开断现象，应检查更换。

③I正常，可能是：a）在实际工作中会遇到冷却风机故障停转。此

L

时应先适当降低负载，再打开风道门或用临时风扇强行冷却整流装置，然

后检修风机或风机线路；b）冷却风道堵塞，散热条件恶化。先适当降低

负载，再打开风道门，排除异物。

9．运行中风机停转。一般应发“风机停止”信号，若指示灯损坏，则

可能无信号。原因及处理：①熔断器或热继电器动作，切断风机电源。在

查明原因，排除故障后，更换熔丝（但不得加大截面）或复归热继电器；

②电源开关或接触器触头接触不良；③风机控制回路故障；④风机内部故

障，如某相定子绕组断线，其余两相长期运行过热烧毁，或者短路等。可

换上备用电机，检修故障电机，若无备用，短期内又不能修复者，可用外

风扇冷却。注意：风机停转后，整流装置能在多长时间内带多少负载，应

按出厂说明书要求，并注意监视整流元件温度，不得超过允许范围。

10．运行中将励磁整定电位器旋至最大励磁位置，但单机U或并网Q

FX

偏低。

原因：①检测放大电路元件变质或损坏，致使U偏离正常值，相当于

K

U虚假偏高；②移相触发电路故障，可控硅导通角偏低；③励磁主电路缺

F

相运行；快熔熔断；④某整流元件故障。

处理：①检查U是否与整定电位器正常值符合，否则应检查检测放大

第⑤点。

12．控制电压U波动，I及Q（或cosφ）大幅度摆动。

KLX

原因：①电网故障，电压大幅度摆动；②测量电路滤波电容或与U并

K

联的平滑电容损坏；③自控电路中的负反馈电路故障，抑制外界干扰及本

机自激振荡的能力下降或消失；④放大电路中的晶体管变质；⑤检测放大

电路中的联接导线似断非断或焊点接触不良；⑥可控硅控制极引线似断非

断。

处理：①首先判断故障发生在电网还是本机：若并联运行机组变化规

律相同，则故障在电网；否则故障所在的机组变化特别突出；②若故障发

生在电网，一般应在允许范围内，尽可能增大本机有功及无功输出，减轻

电网负担，有利于尽快消除故障；与此同时，应加强监视，留心操作，防

止发生事故；③若故障发生在本机，则应：a）检查测量电路滤波电容及

控制电压的平滑电容，若电容量不足或损坏，应更换；b）检查各负反馈

电路并排除故障；c）检查并更换质量不良或损坏的晶体管；d）检查或更

换不良导线，焊好劣质焊点；e）检查并更换劣质可控硅。

13．并列运行机组间无功分配不稳定，有拉抢现象。

原因：可能是调差率整定不当，各机组间无功分配不合理；应重新整

定调差电路。

14．发电机失磁。I突然降至零，cosa表反向偏转、有功表及电流表

L

振荡、机组可能有异常声音，应立即停机检查。

原因可能是：①检测放大电路故障，无U输出；②可控桥输出端短路

K

第4章过励限制特性实验

4.1可控励磁发电系统过励限制电路原理及其工作特性

过励限制是把可控励磁发电系统中可控桥最大输出电流，限制在一定

限度内的安全保护措施。因为可控励磁系统调节灵敏，在发电机端电压下

降5%时，就能将可控硅导通角开放到最大进行强励。如不加以限制，这

时的强励电流约为额定励磁电流的2倍以上，对励磁绕组和可控桥整流元

件都可能造成危害。因此必须设置过励限制电路把强

励电流限制在强励允

许值以内。过励限制电路原理接线见图4-1。

4Re

17VDe

2Re

9

105

18VDe

19VDe3RT

10

9

8

ac

4

6

1Re

5TA6TA

b

4RT

1-6VDe

3Re

1Ce

7

1Ke

1

0

1VWe

可控功率

整 流 桥

图4-1.过励限制电路原理接线图

过励信号由可控功率整流桥交流侧的两个测量互感器5TA、6TA二次

侧取得。本电路测量可控桥的交流输入电流，当其达限制值时，输出的过

励限制信号自动限制可控硅开放角的增大，从而限制可控桥最大励磁电流

在一定的数值内。其限制值由波段开关1Ke分十档进行整定调节。

测量电流互感器5TA、6TA分别串在可控桥交流侧任意二相的输入端

上，副边分别并接3RT、4RT。其上可取得与输入电流成正比的电压，将

它们的一端异极性相连，接成V型，形成三相电压，接至过励限制电路的

输入端4-5-6。

此正比于可控桥输入电流的三相测量电压，经1-6VDe整流成直流

后，送入比较检测桥。比较桥的一个回路由17VDe、4Re、1VWe组成。

以1VWe上的稳定电压作为给定电压。比较桥的另一回路由7-16VDe、

1Re组成。7-16VDe二极管每个约有0.6伏正向压降，其值几乎不随流过

-31-

电流的大小而变。故可看作一个个串联的小稳压管。波段开关1Ke将连接

点逐个引出，分十档自由选择所需的稳定电压。

当输入电压增加使7-16VDe都正向导通以后，1Re上的电压也随之增

加。而7-16VDe的正向压降几乎不变。就以1Ke所选稳定电压（1Ke所选

档以下的二极管正向电压总和）与正比于可控桥输入电流的1Re上的电压

之和作为比较电压。

可控桥输入电流未达限制值时，比较电压小于给定电压。因19VDe

反偏，9-10端无过励限制信号输出。一旦可控桥输入电流达限制值，比较

电压就大于给定电压，19VDe开通，9-10端输出正比于输入电流的过励限

制信号。过励限制输出信号与控制方式切换电路输出的控制信号U

K

并联

后，送入移相触发电路的移相控制端。此信号大于并联的控制信号U

k

时，U

k

不产生移相，而完全由过励限制信号控制移相。限制信号具有限制

开放角继续增大的作用，使输入可控桥电流的最大值受到限制。

限制值由1Ke调节整定。1Ke处在0档上，因无稳定电压相加，比较

电压值较小，需有较大的输入电流才能输出限制信号。因此0档的限制值

最大。1Ke处在10档上，相加的稳定电压最大，比较电压值也最大，只

需较小的输入电流就能输出限制信号，所以10档的限制值最小。

图4-1中，2Re为减小限制信号的交流成分，防止励磁电压波起伏不

平衡而设。2Re阻值不大，它并不明显地减慢1Ce的充电速度，保证限制

信号有较快的上升速度。而3Re阻值较大，减慢了1Ce的放电速度，以此

平滑过励限制信号，减小信号中的交流成分。

4.2实验设备

实验设备详见表4-1

-32-

表4-1.实验设备表

序号设备名称使用仪器名称数量

1ZBL59可控励磁发电系统组件（六）1台

2ZBL60可控励磁发电系统组件（七）1台

3ZB35真有效值交流电流表3只

4ZB36真有效值交流电压表3只

5ZB31直流数字电压表、电流表2只

6DZB02-2220Ω可调电阻3只

三相自耦调压器1台

三相交流电源1路

7DZB01

4.3实验内容与步骤

1．过励限制特性实验接线见图4-2。

按图示要求接入三相自耦调压器、交流电压表、交流电流表和负载电

阻1R、2R、3R。电流互感器二次电流在3RT、4RT上形成的三相交流电

压是过励限制的输入电压，分别为U

4-55-66-4

、U、U，三相电流值相同时，

三相电压值也应相等。在输出端9-10接入直流电压表用于测量输出电压

U。波段开关1Ke置于5档位置，将三相调压器调至零输出位置，电源

9-10

开关处于断开状态，接线完毕检查无误后，接入三相交流电源。

2．合上交流电源开关调节三相调压器，逐步增加输入TR原边电压至

100V，注意观察电流表和电压表的变化情况，调节R、R、R使三相电

123

流对称，然后按表4-2所对应各点电流改变值记录过励限制的输入输出参

数。

-33-

S1

PV2PV1

ac

b

TR

(Y,d-11)

4Re

17VDe

2Re

9

Usc

PV4

101-6VDe

9

84

1Ke

6

55

3RT

6

PV3

18VDe19VDe

4RT

10

3Re6TA

1Ce

1

0

1Re

5TA

PAPAPA

1VWe

1R2R



55 /3A55 /3A

3R

55 /3A



图4-2过励限制特性实验接线图

3．调压器置零输出位置，切断三相交流电源，调节整定过励限制值

的波段开关置于“0”档位置。

4．记录绘制限制特性：断开5TA、6TA与过励限制电路输入端4、

5、6的连接导线，将三相调压器输出端a、b、c直接接到过励限制输入端

4、5、6，作为输入电压Usr，合上三相交流电源开关，按表4-2调整三相

调压器改变输入过励限制电路的交流输入电压Usr，逐点测试记录过励限

制输入电压Usr与输出电压Usc的对应值，测试数据正确记入表4-3中

（注意：三相调压器输入过励限制电路的电压不应大于17V，三相电压应

对称均匀）。

-34-

表4-2.测试记录表

I（A）10．90．80．70．60．50．40．30．20．1

B

U（V）10.38.877.996.9576.3285.4574.6043.5892.6931.547

4-5

U（V）9.638.467.7086.9556.3385.5844.1653.4052.8471.985

5-6

U（V）9.498.137.326.4175.8365.0943.8553.303.011.501

6-4

U（V）26.3728.6429.2330.2531.5731.2029.2428.6527.3627.01

9-10

表4-3过励限制特性测试记录表

整定开关置“0”档

Usr（V）11.412.013.014.015.016.0

Usc（V）29.4329.5630.0630.2330.6530.91

整定开关置“5”档

Usr（V）7.99.010.011.012.013.0

Usc（V）28.7528.5528.2129.5130.2430.25

整定开关置“10”档

Usr（V）4.36.07.08.09.09.5

Usc（V）22.5122.4022.4922.5022.6523.11

5．再将过励限制整定开关分别置于“5”档和“10”档时，按上面第

4步分别测出二组数据记录在表4-3相应的表格中。

-35-

结论

在课题完成之际，对可控励磁发电系统实验的设计有以下几点心得:

1.我国同步发电机励磁控制研究已经取得了很大的成绩,但一些最初的

难题还没有得到满意的解决,而电力系统的大规模联网、市场化运作等又

对此提出了新的挑战。身为祖国培育出的电气工程方面的学子深感肩上责

任的伟大，而以后即将进入电力行业工作的我们更是要脚踏实地的工作和

学习，集我国广大科研工作者之力，一起推动我国电力事业的蓬勃发展。

致谢

首先要衷心感谢我的指导老师沈稼丰。在设计期间，沈稼丰老师给我

们提供了便利的试验条件和学习环境，在毕业设计的选题及设计过程中给

予了无限的帮助和建议，还在生活中予以关心和支持。沈稼丰老师严谨的

治学态度和忘我的敬业精神给我留下了深刻的印象，也是我今后生活和工

作中学习的榜样。

参考文献

1杨冠成.电力系统自动装置原理(第四版).2007.中国电力出版社.北京

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2陆继明，毛承雄.同步发电机微机励磁控制.2005.中国电力出版社.北京

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5何友观.现代中小型同步发电机励磁系统的分析与设计.1990.机械工业

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10提兆旭.数字式同步发电机最佳励磁调节器电网技术1995,11-11-14

11王红军.模糊参数自适应P工D控制器在同步发电机励磁系统中的应用

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12王世俊.变参数PID调节的仿真研究福州大学学报2000,4

13贾小会.微机励磁调节器功能的完善和改进电力系统自动化1999,5-45-

47

14吕艳平.变电站微机型电压无功自动调节装置研究综述.河北电力技术

1996,2-6-9

15杨许.大中型汽轮发电机自并励静止励磁系统设计选型应注意的问题.广

东电力.1999,666-76

16汤蕴缪.电机学.1998.机械工业出版社77-85

17李先彬.电力系统自动化(第三版).1995.水利水电出版社66-72

-38-

附录

B

工业自动化控制

一工业自动控制

温度、压力、流量以及液位，是工业上所要测定和控制的最常用量。

操纵许多电气设备和机械的电流自动控制，使用十分广泛。由于在各工业

不门中已实现了工业设备由手工操作过渡到自动控制，因此现在许多大专

院校已开设自动控制这门课程。

现在最好先来回答这个问题：“什么是座上客子器呢？”座上客子器

就是这样的机构，它能测量一种变量或变化情况的值，并能纠正或限制所

当数个电器连接得使电流在任一点上都不分流，那就是说这些电气的

连接是串联。让我们设想一下以这样方式连接的两盏灯，这是电线在插座

的一边引入，在插座的另一边引出。在一瞬间内流过此一盏电灯的全部电

流也一定会在同一瞬间内流过第二盏电灯。毫无疑问，在这样的情况下串

联电路的各部分电路都是相同的。

假如电流通过两盏电灯，那么这两盏电灯的亮度没有当电路中只有一

盏电灯时那么亮。至少，它们的亮度要暗得多。这意味着在一个串联电路

线方向移动。发电机产生磁场的这部分称为电枢。

在直流发电机中,电枢绕组安装在一个转动的构件上,这一构件在固定

的磁铁系统的极间转动,对于在交流发电机,通常把电枢绕组安装在固定的

部件上。这种结构方式从设计者的观点来看具有许多优点,除少数特种电

机外一般均采用此法。

实际上,三相发电机是最普通的,把三个绕组彼此相隔120度牢牢地固

五二极管

就二极管(晶体)来说,它是由两片导体材料压制在一起构成的。在这

种情况下,就会有少量的电子空穴由N区流入P区,这样N区就带有正电荷,P

区就带有负电荷,因此这个结的作用就像一个内电池。

可将一个外电池和此结相连接,使它与内电池同向或反向.当外电池与

内电池同向连接时,即可说此结是正向偏置,正向偏置时,很容易通过这个

当交流电流过具有电感的电路时,感应电动势和电流不是同时的前进

的,也就是说,不是同向的,而是感应电动势落后于电流,这叫做相位滞后。

感应电动势滞后而电流超前。

我们知道交流电是不断变化的,即有升高、下降,改变方向以及反方向

的升高和下降。因此,可以预料在电路中如果有一个感应线圈对交流电会

产生很大的影响,而事实上,情况也正是这样。

电流还有别的表现方式吗？当然有有做一个非常简单的实验来证明这

点。把两根平衡的导线相互靠近地悬挂起来，并使电流向同一向通过其中

的每一根导线。我们会发现什么呢？我们将发现这两根导线相互吸引。如

果改变其中一根导线的电流方向就会看到，这两根导线将互相排斥，而不

是吸引。我们刚才思索看到的这一切都是由于电流所产生的磁效应。实际