电力变压器课程设计

1 前言随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加。

为了解决热能资源(如煤田)和水能资源丰富的地区远离用电比较集中的城市和工矿区这个矛盾，需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。

同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。

这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。

电力系统是有各种电力系统元件组成的，它们包括发电、输变电、负荷等机械、电气主设备以及控制、保护等二次辅助设备。

WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验系统是一个完整的电力系统典型模型，它为我们提供了一个自动化程度很高的多功能实验平台，是为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学试验系统。

本设计所要完成的工作是利用VC语言开发WDT电力系统综合自动化实验台监控软件，主要是完成准同期控制器监控软件的编写，它要求能显示发电机及无穷大系统的相关参数，如电压、频率和相位角，并能发送准同期合闸命令。

2 电力系统实验台WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化实验教学系统主要由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成（如图2.1所示）。

图 2.1 WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验系统2.1 发电机组该系统的发电机组主要由原动机和发电机两部分构成，另外，它还包括了测速装置和功率角指示器（用于测量发电机电势与系统电压之间的相角 ，即发电机转子相对位置角），测得的发电机的相关数据传输回实验操作台，与无穷大系统的相关参数进行比较，从而确定系统是否满足了发电机并网条件。

2.1.1 原动机在实际的发电厂中，原动机一般用的是水轮机、气轮机、柴油机或者其他形式的动力机械，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转换为带动发电机轴旋转的机械能，从而带动发电机转子的旋转。

在WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台的发电机组中，原动机是由直流发电机（P N=2.2kW，U N=220V）模拟实现其功能的。

直流电动机（模拟原动机）与发电机的结构相同，都是由定子和转子构成，其中定子包括主磁极，机座，换向极，电刷装置等，转子包括电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

将直流电源通过电刷接通电枢绕组，电枢导体中就有电流流过，由于电机内部有磁场的存在（由定子中的永磁体或励磁绕组产生），则根据电磁力定律（毕奥-萨伐电磁力定律）可知载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力F的作用，（其中F=∑dF=i∑dl B，B为磁场的强度；l为电枢绕组的长度；i为所加直流电流）式中的电磁力F、磁场B、和载流导体l的关系是由左手定则（又称电动机定则）确定的。

导体产生的电磁力都作用于转子，使转子在该电磁力矩作用下旋转，向外输出机械功率，以便拖动发电机转子的旋转。

为了满足电力系统的需求以及实验的要求，需要调节发电机转子的转速，即要调节原动机的转速。

发电机运行时的频率和有功功率分配情况取决于原动机的调速特性。

各种原动机调速系统在调速功能上，一般主要包含转速反馈输入、控制调节和执行机构输出这几个环节上(有些调速器，如一些用于发电机的柴油机，在调速时附加上负荷输入，作为转速反馈的补偿)。

其转速反馈环节的主要作用是感知发电机的实际转速，如机械调速器的飞铁，电子调速器的磁电式传感器等。

控制调节环节的作用是，将反馈转速的输入，根据调速器自身的结构(机械式调速器)或调速算法(数字式电子调速器)，转换成控制输出。

而执行机构的作用是将控制输出转换成可调节转速装置的动作（如柴油机上的油泵的齿条位移）。

对于电子调速器而言，一般这几个环节在结构上比较清楚，而对另一些调速器，如机械式调速器或机械液压调速器，则往往是将其中的一些环节结合在一起。

这样就形成了直接作用调速器和间接作用调速器。

目前的电子调速器按控制器分为模拟式和数字式两类。

电子调速器的工作是用转速调节电位器设定需要的转速。

传感器通过机械调速器的飞铁，电子调速器的磁电式传感器等感知发电机实际转速的装置测量发动机转速实际值，并送至控制器，在控制器中实际值与设定值相比较，其比较的差值经控制线路或控制算法程序按设计的控制规律整理或运算，再经放大器驱动执行器输出轴，使调节转速装置的动作（如柴油机上的油泵的齿条位移，执行器输出轴通过调节连杆拉动喷油泵齿杆，进行供油量的调节），从而达到保持此设定转速的目的。

一般电子调速器可以根据使用场合的需要选择稳态调速率的大小，实现有差或无左调节。

有的还与附件装置配合，可实现自动并车等功能。

在本实验系统中，有时需要调节同步发电机的转速，此时就需要通过改变直流电动机（模拟原动机）的转速从而调节同步发电机的转速。

直流电动机的调速方式分为两种，一种是调节其电枢电压来改变电机出力，即是调节其转子上的电压，可以通过改变通入电枢绕组中电流的方式来实现；另一种是通过改变电动机励磁绕组中的电流，即改变定子线圈中的电流，从而改变磁场的强度来实现电动机的调速。

在本实验台中，直流电动机（模拟原动机）的励磁为恒定方式，因此我们可以通过调节其电枢电压实现直流电动机的调速，最终达到调节同步发电机转速的目的。

直流电动机在U=U N =常值时，转速n 与电磁转矩T em 之间的关系曲线n=f(T em )称为机械特性，其基本性质与工作特性中的速率特性相同。

对应于电枢回路电阻R a +R j （R j 为串入电枢回路的调节电阻，R j =0时为自然机械特性，R j ≠0为人工机械特性），I a =T em /C T Φ代入式（2.1） 20em d T T T JdtΩ=++ （式2.1） 可得式（2.2）为： 2()a a j a j em E E E T U I R R R R U n T C C C C -++==-ΦΦΦ （式2.2） 称之为机械特性方程式。

直流电动机（模拟原动机）的电枢电压是由市电380V 交流电源通过整流变压器降压后，经可控硅整流再通过平波电抗器平波后作为供电电源的。

由于输入动模发电机的机械功率来源于直流电动机，所以直流电动机的调速代表着动模发电机的调速系统。

输入直流电动机的电流一般由可控硅三相全波整流装置提供，由三相交流电源(U a 、U b 、U c )可控硅全波整流桥、平波电抗器(L )和直流电动机(D )构成的直流机调速系统主电路结构框图如下图2.2所示。

图 2.2 直流电动机调速系统主电路结构框图可控硅全波整流桥的六个触发脉冲分别为:A+,A-,B+,B-,C+,C-。

平波电抗器用来限制整流回路电流I 的波动。

直流电动机的输出功率与其输入电流成正比，所以调节其输入电流就可控制输入发电机的机械功率。

可控硅的导通触发角度正比于整流装置的输出电压，该电压等于电动机转子的感应电势，又正比于转子的转速，所以调节可控硅的导通触发角度等于调节了转速。

可控硅的三相全波整流技术已经很成熟了，主要内容包括：信号同步、同步移相控制、可控硅触发、转速和电流的双闭环比例积分无静差调节。

利用可控硅三相全波整流的直流电动机调速原理框图如下图2.3所示。

图 2.3 直流电动机调速原理框图根据同步移相控制方式的不同，可分成四类：锯齿波移相控制、国产KC (KJ)系列集成移相控制、单片机移相控制和锁相环移相控制。

实现前两种方式的模拟器件多，需要三相的同步信号，抗干扰能力强但结构复杂；第三种方式只需要一相的同步信号，可实现利用开关量或模拟量进行移相控制，控制方法灵活但抗干扰能力差；利用锁相环移相控制只需一个相同步信号，便可形成精确的间隔60°的六个触发脉冲，触发脉冲具有很好的对称性和一致性，能够自动跟踪电网频率和相位的波动，电路结构简单并且抗干扰能力强。

一般可控硅整流调速装置的时间常数较小，其设计目的是保证直流电动机的转速和输入转矩恒定[1]。

因此，可以通过改变可控硅的导通角调节电枢电压，从而完成对于发电机转速的调节。

可控硅的控制是由实验操作台“操作面板”左下部的“TGS-04型微机调速装置”完成。

本实验台提供了三种不同的开机方式：（1）模拟方式开机，它是通过调整指针电位器来改变可控硅输出电压；（2）微机手动开机方式，它是通过增速、减速按钮来改变发电机的转速；（3）微机自动开机方式，它是由微机自动将机组升到额定转速，并列之后，通过增速、减速按钮来改发电机的功率。

同步发电机的开机运行必须给其原动机提供一个电源，使发电机组逐步运转起来。

传统方法是用人工的方法调节其电枢或者励磁电压，使发电机组升高或降低转速，达到预期的转速。

但是这种方法已逐渐不适应现代设备的高质量要求，采用微机调速装置既可以用传统的人工调节方法，又可以跟踪系统频率进行自动的调速，这样既简单又快速地达到系统的频率，具有很好的效果。

图2.4 TGS-04型微机调速装置面板图TGS-04型微机调速装置面板包括：12位LED数码显示器，8个信号指示灯，6个操作按钮和一个多圈指针电位器等（其面板图如图2.4所示），具体介绍如下：（1）两个6位LED数码显示器：当发电机开机时，分别显示发电机转速和输出控制量（最大控制量为10V；n为转速、F为系统频率、C为控制量）；当发电机并网时，分别显示输出控制量和发电机对无穷大系统的功率角。

（ 为功率角）（2）信号指示灯11个：检查输出量是否为零指示灯一个，即“输出零”指示灯，当控制量为零时亮；开机方式选择指示灯三个，即“模拟方式”、“微机自动”、“微机手动”指示灯，当选中某一方式时，对应灯亮；并网信号指示灯一个，即“并网”指示灯，当发电机开关合上时亮光；装置运行指标灯一个，即“微机故障”指示灯，闪烁时表示微机调速装置运行正常；监视测速传感器运行指示灯一个，即“光电故障”指示灯；增减速操作指示灯二个，即“增速”、“减速”指示灯，当按增、减速按钮。

（3）操作按钮分4个区，共6个按钮：开机方式选择区有2个按钮，一个为模拟方式按钮，另一个为微机方式的自动/手动选择按钮；显示切换按钮一个，可进行“发电机转速”、“控制量”、“功率角”之间的显示切换；微机调节区有2个按钮，即为“增速”、“减速”操作；停机/开机按钮一个，按下为开机命令，松开为停机命令。

（4）模拟调节区1个：模拟调节指针电位器一个，即为模拟方式下的手动调节。

“TGS-04型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。

本调速系统具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。

2.1.2 发电机发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。