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