自动装置励磁系统设计

课题：励磁控制系统主回路设计及系统性能分析专业：电气工程及其自动化

班级：4班

学号：

姓名：

指导教师：

设计日期：2016.5.30-2016.6.8

成绩：

自动装置励磁系统设计报告

一、设计目的

1、回顾发电机励磁控制系统主回路的设计原理。

2、进一步了解发电机励磁控制的系统性能分析。

3、学会建立发电机励磁系统的数学模型。

二、设计要求

励磁控制系统的动态特性如上升时间、超调量、调整时间等都要满足要求。因为本设计主要针对PID 调节在励磁控制中的作用，因此设计方案设有无PID 调节励磁控制和有PID 调节控制两个方案，并进行对比，分出优劣，选取效果极佳的方案。

2号题：发电机型号QF —25—2

基本数据：额定容量（MW ）：25 转速；3000

额定电压（KV ）：6.3 功率因数cos?：0.8

额定电流：（A ）：2860 效率（%）：97.74

励磁数据：空载励磁电流（A ）：149.4 满载励磁电流（A ）：372

空载励磁电压（V ）：62.5 满载励磁电压（V ）：180

参数：定子线圈开路时励磁线圈时间常数（s ）：11.599

转子电阻：（75℃）（Ω）：0407（

c 75?R =1.24c 15?R ）

电压降之和ΔU=3 三、设计过程

1、系统概述

（1）设计发电机励磁控制系统的数学模型，并以PID 控制方式，搭建仿真模型。

（2）性能分析： 应用控制理论的各种分析方法分析所设计的励磁控制系统的性能，并给出典型运行方式下的最佳参数整定值，要求打印主要分析曲线及计算结果。

（3）主回路设计

主回路设计包括：励磁方式选择；励磁变压器选择；起励问题及计算；整流元件参数确定及选择；主回路保护配置；要求绘出励磁系统主回路原理图。

励磁方式：自并励方式

励磁控制系统分为直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统和发电机自并励系统。在这里励磁方式我选择自并励励磁方式。

（4）发电机自并励系统的主要优点是：

a.励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。

b.不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资。

c.直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度。

由于自并励励磁方式具有上述优点，所以励磁方式采用自并励励磁系统。

（5)磁变压器选择

由由于同步发电机的励磁电压教端电压低得多，所以自并励系统中一般都需设置励磁变压器进行降压。其主要作用：

a.使晶闸管工作时的导通角大小适当，控制教、较稳定。

b.降低整流元件的电压等级。

c.使整流回路、控制回路、励磁绕组三者都机端隔离，降低了回路对地的电位和对绝缘的要求，有利于安全运行并减少日常维修工作。

2、计算与分析过程

（1）变比k ：

变压器二次侧电压l U 的确定：

取=α0°，c K =2，)(e fd U =180V ，)(e fd I =372A ，ΔU=3，取k X =0.06 由公式：U X I K U K U k e fd c e fd c l ?++=+?)()(min 32cos 135.1π

α得 306.037223180221135.1+???+?=+?π

l U l U 35.1=405.627 ∴l U =300.465V

已知1U =6.3KV ∴变压器变比k=

21465

.30010003.6=? （2）变压器的容量计算

]1300675.0306.03723180arccos[]1675.03arccos[)(-?+??+=-?∑+??+=ππαl k fd e fd U U X I U =89.49°

∵3

π≤α≤π ∴]3724972.0[15.1][15.1)(?-=-=πππαπe fd l I I =303.36（A ）

∴整流变压器的容量为：)(158.036.303465.30033MVA I U S l l =??==

（3）接线方式

变压器的接线方式选择Y/Δ-11接线方式，即一次侧为Y 接，二次侧为Δ接。一次侧为Y 接的三相绕组中，三次谐波电流不能流通，即变压器励磁电流中不含有三次谐波而接近正弦波，二次侧为△接，是为了避免发电机侧的谐波影响励磁系统侧的波形，或避免由励磁系统产生的谐波影响到发电机侧，所以变压器的接线方式其中有一侧必须接成角形。

（4）系统三种典型运行方式计算（选做）

一般按空载、额定、强励三种工况进行计算，计算的目的是看这些控制角是否在一般所希望的范围之内，并在调试中将实测的与计算的相比较。

空载时： A I I V U U fd fd fd fd 4.149,5.62)0()0(====

]1300

675.0306.04.14935.62arccos[]1675.03arccos[)0(-?+??+=-?∑+??+=ππαl k fd fd U U X I U =129.37°

)(06.74306.04.1493

5.623

)0()0()0(V U X I U U k fd fd d =+??+=?++=∑ππ

额定运行时： A I I V U U e fd fd e fd fd 372,180)()(====

]1300

675.0306.03723180arccos[]1675.03arccos[)(-?+??+=-?∑+??+=ππαl k fd fd e U U X I U =89.49°

)(31.204306.03723

1803

)()()(V U X I U U k e fd e fd e d =+??+=?++=∑ππ

强励运行时： A I K I V U K U e fd c fd e fd c fd 744,360)()(====

]1300

675.0306.07443360arccos[]1675.03arccos[)(-?+??+=-?∑+??+=ππαl k fd fd q U U X I U

=11.21°

)(63.405306.074433603)()()(V U X I K U K U k e fd c e fd c q d =+??+=?++

=∑ππ

由以上计算得表格如下：

由计算结果可以看出：)0(α> )(e α > )(q α，且控制角的灵敏度比较大，满足励磁系统的要求。

（5）起励问题及计算

在同步发电机启动时，起励电源可以采用厂用电起励和蓄电池起励两种方法，但一般情况下，采用厂用电起励。

起励容量： )(167418037240

1401401)()(VA I U S S e fd e fd e q =??===

起励电压： )(933724141)(V U U e fd qi =?==

（6）整流元件参数确定及选择

整流元件参数的选择，首先保证半导体励磁装置可靠运行，设计时主要选择硅元件的额定正向同态平均电流和额定正反向峰值电压中的较大者。

整流电路采用三相桥式半控整流电路。

同步发电机输出交流电流中的一小部分，经励磁变压器降压和可控整流器整流后，供给励磁绕组励磁电流。励磁电流的大小，决定与晶闸管，而晶闸管的导通角由自动励磁调节器控制，当发电机端电压高于整定值时，自动励磁调器发出信号脉冲推迟，晶闸管导通角变小，励磁电流减小，从而使发电机端电压降低。当发电机端电压低于整定值时，自动励磁调器发出信号脉冲提前，晶闸管导通角变大，励磁电流增大，从而使发电机端电压升高。上述两种过程使发电机的端电压于稳定值，达到恒定的目的。

（7）硅元件额定电流计算

额定工况下： A I I e fd e d 372)()(==

桥臂平均电流： )(1243723

131)()(A I I e fd AV A =?== 额定正向平均电流： )(3721243)()(A I K I AV A i AV T =?==

强励工况下： )(7443722)()(A I K I e fd c q fd =?==

桥臂平均电流： )(2487443131)()(,A I I

q fd AV A =?== 强励正向平均电流： )(7442483)()(,,,A I K I

AV A i AV T =?== ∴ )(744)(,A I I AV T T ==额定

（8）可控硅额定电压选择 反向）正向）((RRM PRM U U =

桥臂反向工作电压瞬时值： )(26.42430022V U U l ARM =?==

元件反向工作电压瞬时值： ???==05.14.14ARM b cg u RRM U K K K U 424.26 =2494.67(V)

u k －电压裕度系数，取２以上

cg k －过电压冲击系数，取１.3到1.6

b k －电源电压升高系数，取1.05到1.1

∴ )(67.2494V U U RRM ==（反向）额定

电力二极管的参数选择与晶闸管的相同。

（9）续流二极管的选择

为了维护和检修方便，在整流装置中，我们选择同一过载能力的器件。 )('e fd d d

I X X I =

因为二极管的过电流承受能力远比硅元件强，所以实际额定电流系数可选为５～６。

)(2232~1860)6~5()(A I I e fd ==

因此在半控桥的续流二极管，需并联三个同型号的电力二极管，并联后会引起流过续流二极管的电流分布不均匀，因此并联后需采用均流电抗器均流，使流过续流二极管中三个电力二极管的电流近似相等。

（10）主回路保护的配置

在现代同步发电机的整流器励磁系统中，运行时由于种种原因，可能使励磁装置中的主要部件（晶闸管等）以及发电机转子励磁绕组回路呈现过电流或过电压，为此在励磁系统中应附以过电流或过电压抑制回路。

①元件保护

晶闸管和电力二极管开关器件均有安全工作区的限制，也就是说都有电流、电压和瞬时功耗的极限值，尽管在设计时会合理选择器件，但不可避免的会发生过电流和过电压，又由于电子开关器件的过电流、过电压能力差，为了防止电力电子开关损坏，必须采取保护措施（在晶闸管关断时会产生关断过电压）。

防止过电流的措施：采用快速熔断器。

防止过电压的措施：利用阻容保护。

②整流桥保护

整流桥保护主要是指过电压保护整流桥的过电压保护包括交流侧过电压保护和直流侧过电压保护。

③交流侧过电压保护

交流侧产生过电压的原因：a.当大气过电压作用于发电机主回路而使励磁变压器产生过电压、励磁系统开关操作引起的暂态过电压；b.在切断励磁变压器一次绕组情况下，可能出现过电压是由于具有较高电感值的发电机转子励磁绕组回路，在切断励磁变压器供电电源后，力求维持流过变压器的负载电流不变，由此引起感应过电压，当励磁变压器在空载时被切断，其储存的磁能而将转化为电流，如此磁能足够大的电容所吸引而将产生过电压；c.有可控硅整流器空穴存储效应引起的过电压。

交流侧防止过电压的措施：对第一种过电压多在励磁变压器低压侧采用接地电容保护；对第二种过电压为防止在运行中切断励磁变压器的高压绕组引起过电压，在励磁绕组回路中接入限制二极管，为了防止空载时切断励磁变压器，在变压器低压侧接一组整流器；对第三种过电压采用在可控硅整流器两端并联RC回路。

④直流侧过电压保护

直流侧产生过电压的原因：在直流侧由于整流器不能流过反向电流，当励磁绕组引起反向电流而被整流器闭锁时，可引起过电压；当发电机端或升压变压器高压侧，发生三相或两相不对称短路时，有可能在励磁绕组侧引起直流过电压。

直流侧防止过电压的措施：在发电机转子侧采用稳压管。

(11)同步发电机的灭磁

近三十年来，随着主机容量的增加，励磁功率的加大，发电机的自动灭磁系统越来越为世界各国关注。

大型电机的快速灭磁是限制发电机内部故障扩大的唯一方法。当发电机内部故障以及发电机——变压器组中变压器短路时，继电保护虽然能将发电机组系统断开，但如不熄灭发电机磁场，故障电流将仍然存在。短路电流和发电机内电势成正比，短路电流愈大，持续时间愈长，短路能量愈大。巨大的短路能量将会烧毁绕组，甚至使机组铁芯熔化，导致发电机长时间不能恢复运行，所以只有在继电保护动作的同时，迅速而彻底地熄灭磁场，才是保护发电机的最有效方法。

随着单机容量的增大，对发电机的快速灭磁的要求也愈来愈高。对发电机灭磁系统的主要要求是可靠，而快速地消耗储存在发电机中的磁场能量。最简单的灭磁方式是切断发电机的励磁绕组与电源连接，但励磁绕组有很大的电感，突然断开会在其两端产生很高的过电压。因此在断开励磁电源的同时，还应将转子励磁绕组自动接入到放电电阻或其他装置，使磁场中储存的能量迅速减小，要求灭磁时间短，转子过电压不应超过允许值，其值通常取转子额定励磁电压的4-5倍。

灭磁的方法：单独励磁机灭磁；利用放电电阻灭磁；利用非线形电阻灭磁（半控桥）；采用弧栅灭磁；采用可控硅整流桥灭磁（全控桥）。

四、总结

通过这次课程设计，使我们对励磁控制系统的认识更加的深入了，但依然还有很多值得我们继续学习探索的地方。如MATLAB软件的应用，对励磁系统中的仿真产生很多帮助。同步发电机的励磁进行控制对发电机的运行实行控制、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可靠性方面起着十分重要的作用。

感谢老师在我们设计过程中的孜孜教导，和组员坚持不懈地通力合作，通过设计发电机励磁控制系统主回路，用仿真软件进行结果分析能让我们更好的理解动态过程。

五、参考文献

【1】·杨冠城·《电力系统自动装置原理（第五版）》·中国电力出版社·2012年

【2】·谷水清·《配电系统自动化》·中国电力出版社·2012年【3】·郑阿奇·《MATLAB实用教程》·电子工业出版社·2012年