发电机自动电压调节器的工作原理
发布时间：2023-09-22 点击：589
发电机自动电压调节器的工作原理
自励同步发电机是靠剩磁建立电压，而且电压受电枢反应影响很大，从空载到满载其电压变化率高达20％-40％，不能保证负载的正常工作。因此同步发电机都必须设有自动电压调整装置。自动电压调整装置的作用是使发电机起动后能建立起额定空载电压，并且使电压不受负载大小和负载性质变化的影响，能保持电压基本恒定。
一、自动电压调整装置分类
按照自动调节原理分主要有三种类型：
（1）按电压偏差调节型
它是一种闭环调节系统。它检测发电机的输出电压并与给定电压相比较得出电压的偏差，系统按照电压偏差的大小和正负相应地调节发电机的励磁电流，以消除电压偏差。只要有偏差系统就进行调整，故稳态电压调整精度比较高。但其动态性能差，因为它是先有偏差后调整。
（2）按负载扰动调节型
因为发电机电压的变化主要是由于负载变化而引起的，所以这类调压装置是根据发电机负载电流的大小和负载性质的变化来调节励磁电流，以维持电压恒定。只要负载有变化它就进行调节，故动态调节性能好。由于它是一种不检测发电机电压和电压偏差的开环调节系统，所以稳态调压精度差。但这种恒压装置结构简单、工作可靠，被广泛采用。
（3）复合调节型
它是以上两种类型的复合调节系统，即按负载扰动和电压偏差综合调节发电机励磁电流实现恒压。所以它具有稳态调压精度高和动态调节性能好的双重优点。仅根据负载电流的大小进行励磁调节的作用为复励补偿调节，根据负载功率因数的变化进行励磁调节的作用称为相位补偿调节。既根据负载电流又根据负载功率因数的变化进行励磁调节的称为相复励恒压调节系统。相复励恒压系统的调节规律与同步发电机的“调节特性”基本相符。仅按负载扰动调节的相复励系统称为不可控相复励系统，复合调节的相复励系统称为可控相复励系统。
相复励恒压装置又分为：电流叠加型、电磁叠加型和电势叠加型三种类型，其作用和原理是一致的。
二、相复励自励恒压装置
1、系统组成原理
图1为不可控电流叠加型相复励恒压装置原理图。该类装置是由具有气隙的三相铁心电抗器x、电流互感器ct、二极管三相桥式整流器和三相起励谐振电容器组成。
由于这些部件是三相对称的，故可用图2的单线原理图表示。由于电抗x远大于励磁回路的电阻，电抗器电压降几乎等于发电机的电压，故通过电抗器x的电流iv与发电机电压u近似成正比，而相位比电压落后90°。由此可知，只要电压u保持恒定，则v也基本保持恒定，即具有恒流特性。由于电抗器x将发电机的电压u转换成了落后于电压90°的恒定电流iv，所以电抗器又称为移相电抗器。移相电抗器是实现相复励的关键部件。
图1 发电机电流叠加相复励恒压装置
图2 发电机电流叠加相复励单线原理图
电流互感器的副边电流i与原边发电机的负载电流i成正比、同相位，l称为励磁电流的复励分量。发电机空载时i和l均为零，只有电压电流iv，故称iv为励磁电流的空载分量。根据图中节点电流关系，空载分量、复励分量与励磁电流i的相量关系为：
if＝iv＋ii
相量合成的交流励磁电流l，经整流后即为发电机的直流励磁电流。该励磁电流具有复励补偿和相位补偿作用，从而能够补偿电枢反应等对发电机电压的影响。
2、相复励恒压原理
下面用相量图证明其复励和相位补偿作用。设任取空载分量iv为参考正弦量，则发电机电压u比iv超前90°，电感性负载电流i及其复励电流分量i比电压落后φ角（负载功率因数角）。根据这些相位关系可作相量图。
图3是表明复励补偿作用的相量图，即当负载电流为ii时，根据上式作相量加法，得合成励磁电流 if。当负载功率因数不变，而负载电流由ii增加到i′i时，ii与iv相量相加所得合成励磁电流ii＞ if。这表明虽然负载电流的增加会引起电压的下降，但同时负载电流又使励磁恒压装置增加励磁电流，使电压上升，所以可使发电机电压基本保持不变。
用同样方法可证明相位补偿作用，如图4所示。即负载电流ii的幅度大小不变，而功率因数变低（ψ′＞ψ），由图可见，功率因数低的合成励磁电流i′f大于功率因数高的合成励磁电流if。功率因数低，电枢反应的去磁效应引起电压降低，但同时它又使励磁恒压装置增加励磁电流以抵偿去磁效应，所以可使电压保持不变。
图3 发电机复励作用相量图.
图4 发电机相位补偿作用相量图
3、发电机的调压特性
如果相复励的补偿作用恰好抵消负载引起的电压下降，在任何负载下都能保持发电机的电压绝对不变，则其调压特性为无差特性。如果相复励的作用不能完全补偿（即欠补偿）负载引起的电压下降，则其调压特性为下降的有差特性。如果补偿有余（即过补偿），则其调压特性为上升的有差特性。对于单机运行，只要满足稳态调压精度的要求，这三种调压特性都是可以的。但是对于并联运行的发电机，其调压特性必须是下降的有差特性，而且应该是在低功率因数负载下（即有最大补偿作用时）具有下降的有差特性，以保证无功功率分配的稳定性，也即保证并联运行的稳定性。
4、自励起压
由于整流二极管的非线性特性，开始导通前后的初始电阻较大，剩磁电压ur往往不能使二极管导通，因此需要有可靠的自励起压的措施。
自励起压可有多种方法，其中最简便最常用的方法是采用谐振电容。通常是当发电机起动后频率达到额定频率的95％左右，使移相电抗器x与电容c发生谐振（即此时x＝xc）。利用高的电容谐振电压使二极管导通。可以证明，电容的谐振电压与此时直流励磁回路的等效电阻（包括二极管导通前后的电阻）ro成正比（uc＝rour/x），而励磁电流等于电容谐振电压除以ro，即if＝ur/x，故励磁电流的大小只决定于剩磁电压ur和线性电抗器的电抗x，而与包括二极管的非线性电阻的励磁电阻r。的大小无关，所以无论ro多大都能顺利地起压。
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自励同步发电机是靠剩磁建立电压，而且电压受电枢反应影响很大，从空载到满载其电压变化率高达20％-40％，不能保证负载的正常工作。因此同步发电机都必须设有自动电压调整装置。自动电压调整装置的作用是使发电机起动后能建立起额定空载电压，并且使电压不受负载大小和负载性质变化的影响，能保持电压基本恒定。
一、自动电压调整装置分类
按照自动调节原理分主要有三种类型：
（1）按电压偏差调节型
它是一种闭环调节系统。它检测发电机的输出电压并与给定电压相比较得出电压的偏差，系统按照电压偏差的大小和正负相应地调节发电机的励磁电流，以消除电压偏差。只要有偏差系统就进行调整，故稳态电压调整精度比较高。但其动态性能差，因为它是先有偏差后调整。
（2）按负载扰动调节型
因为发电机电压的变化主要是由于负载变化而引起的，所以这类调压装置是根据发电机负载电流的大小和负载性质的变化来调节励磁电流，以维持电压恒定。只要负载有变化它就进行调节，故动态调节性能好。由于它是一种不检测发电机电压和电压偏差的开环调节系统，所以稳态调压精度差。但这种恒压装置结构简单、工作可靠，被广泛采用。
（3）复合调节型
它是以上两种类型的复合调节系统，即按负载扰动和电压偏差综合调节发电机励磁电流实现恒压。所以它具有稳态调压精度高和动态调节性能好的双重优点。仅根据负载电流的大小进行励磁调节的作用为复励补偿调节，根据负载功率因数的变化进行励磁调节的作用称为相位补偿调节。既根据负载电流又根据负载功率因数的变化进行励磁调节的称为相复励恒压调节系统。相复励恒压系统的调节规律与同步发电机的“调节特性”基本相符。仅按负载扰动调节的相复励系统称为不可控相复励系统，复合调节的相复励系统称为可控相复励系统。
相复励恒压装置又分为：电流叠加型、电磁叠加型和电势叠加型三种类型，其作用和原理是一致的。
二、相复励自励恒压装置
1、系统组成原理
图1为不可控电流叠加型相复励恒压装置原理图。该类装置是由具有气隙的三相铁心电抗器x、电流互感器ct、二极管三相桥式整流器和三相起励谐振电容器组成。
由于这些部件是三相对称的，故可用图2的单线原理图表示。由于电抗x远大于励磁回路的电阻，电抗器电压降几乎等于发电机的电压，故通过电抗器x的电流iv与发电机电压u近似成正比，而相位比电压落后90°。由此可知，只要电压u保持恒定，则v也基本保持恒定，即具有恒流特性。由于电抗器x将发电机的电压u转换成了落后于电压90°的恒定电流iv，所以电抗器又称为移相电抗器。移相电抗器是实现相复励的关键部件。
图1 发电机电流叠加相复励恒压装置
图2 发电机电流叠加相复励单线原理图
电流互感器的副边电流i与原边发电机的负载电流i成正比、同相位，l称为励磁电流的复励分量。发电机空载时i和l均为零，只有电压电流iv，故称iv为励磁电流的空载分量。根据图中节点电流关系，空载分量、复励分量与励磁电流i的相量关系为：
if＝iv＋ii
相量合成的交流励磁电流l，经整流后即为发电机的直流励磁电流。该励磁电流具有复励补偿和相位补偿作用，从而能够补偿电枢反应等对发电机电压的影响。
2、相复励恒压原理
下面用相量图证明其复励和相位补偿作用。设任取空载分量iv为参考正弦量，则发电机电压u比iv超前90°，电感性负载电流i及其复励电流分量i比电压落后φ角（负载功率因数角）。根据这些相位关系可作相量图。
图3是表明复励补偿作用的相量图，即当负载电流为ii时，根据上式作相量加法，得合成励磁电流 if。当负载功率因数不变，而负载电流由ii增加到i′i时，ii与iv相量相加所得合成励磁电流ii＞ if。这表明虽然负载电流的增加会引起电压的下降，但同时负载电流又使励磁恒压装置增加励磁电流，使电压上升，所以可使发电机电压基本保持不变。
用同样方法可证明相位补偿作用，如图4所示。即负载电流ii的幅度大小不变，而功率因数变低（ψ′＞ψ），由图可见，功率因数低的合成励磁电流i′f大于功率因数高的合成励磁电流if。功率因数低，电枢反应的去磁效应引起电压降低，但同时它又使励磁恒压装置增加励磁电流以抵偿去磁效应，所以可使电压保持不变。
图3 发电机复励作用相量图.
图4 发电机相位补偿作用相量图
3、发电机的调压特性
如果相复励的补偿作用恰好抵消负载引起的电压下降，在任何负载下都能保持发电机的电压绝对不变，则其调压特性为无差特性。如果相复励的作用不能完全补偿（即欠补偿）负载引起的电压下降，则其调压特性为下降的有差特性。如果补偿有余（即过补偿），则其调压特性为上升的有差特性。对于单机运行，只要满足稳态调压精度的要求，这三种调压特性都是可以的。但是对于并联运行的发电机，其调压特性必须是下降的有差特性，而且应该是在低功率因数负载下（即有最大补偿作用时）具有下降的有差特性，以保证无功功率分配的稳定性，也即保证并联运行的稳定性。
4、自励起压
由于整流二极管的非线性特性，开始导通前后的初始电阻较大，剩磁电压ur往往不能使二极管导通，因此需要有可靠的自励起压的措施。
自励起压可有多种方法，其中最简便最常用的方法是采用谐振电容。通常是当发电机起动后频率达到额定频率的95％左右，使移相电抗器x与电容c发生谐振（即此时x＝xc）。利用高的电容谐振电压使二极管导通。可以证明，电容的谐振电压与此时直流励磁回路的等效电阻（包括二极管导通前后的电阻）ro成正比（uc＝rour/x），而励磁电流等于电容谐振电压除以ro，即if＝ur/x，故励磁电流的大小只决定于剩磁电压ur和线性电抗器的电抗x，而与包括二极管的非线性电阻的励磁电阻r。的大小无关，所以无论ro多大都能顺利地起压。
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