自動裝置勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 課 題： 勵磁控制系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能分析專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 4班學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)日期： 2016.5.30-2016.6.8成 績： 自動裝置勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)目的1、回顧發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)原理。2、進(jìn)一步了解發(fā)電機(jī)勵磁控制的系統(tǒng)性能分析。3、學(xué)會建立發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。二、設(shè)計(jì)要求勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性如上升時間、超調(diào)量、調(diào)整時間等都要滿足要求。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)主要針對PID調(diào)節(jié)在勵磁控制中的作用，因此設(shè)計(jì)方案設(shè)有無PID調(diào)節(jié)勵磁控制和有PID調(diào)節(jié)控制兩個方案，并進(jìn)行對比，分出優(yōu)劣，選取效果極佳的方案。2號題：發(fā)電機(jī)型號QF25

2、2基本數(shù)據(jù)：額定容量（MW）：25 轉(zhuǎn)速；3000額定電壓（KV）：6.3 功率因數(shù)cos：0.8額定電流：（A）：2860 效率（%）：97.74勵磁數(shù)據(jù)：空載勵磁電流（A）：149.4 滿載勵磁電流（A）：372空載勵磁電壓（V）：62.5 滿載勵磁電壓（V）：180參數(shù)：定子線圈開路時勵磁線圈時間常數(shù)（s）：11.599轉(zhuǎn)子電阻：（75）（）：0407（=1.24）電壓降之和U=3三、設(shè)計(jì)過程1、系統(tǒng)概述（1）設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并以PID控制方式，搭建仿真模型。（2）性能分析： 應(yīng)用控制理論的各種分析方法分析所設(shè)計(jì)的勵磁控制系統(tǒng)的性能，并給出典型運(yùn)行方式下的最佳參數(shù)整定值

3、，要求打印主要分析曲線及計(jì)算結(jié)果。（3）主回路設(shè)計(jì)主回路設(shè)計(jì)包括：勵磁方式選擇；勵磁變壓器選擇；起勵問題及計(jì)算；整流元件參數(shù)確定及選擇；主回路保護(hù)配置；要求繪出勵磁系統(tǒng)主回路原理圖。勵磁方式：自并勵方式勵磁控制系統(tǒng)分為直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)、交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)。在這里勵磁方式我選擇自并勵勵磁方式。（4）發(fā)電機(jī)自并勵系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：a.勵磁系統(tǒng)接線和設(shè)備比較簡單，無轉(zhuǎn)動部分，維護(hù)費(fèi)用省，可靠性高。b.不需要同軸勵磁機(jī)，可縮短主軸長度，這樣可減小基建投資。c.直接用晶閘管控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得很快的勵磁電壓響應(yīng)速度，可近似認(rèn)為具有階躍函數(shù)那樣的響應(yīng)速度。由于自并勵勵磁方式具有上述優(yōu)點(diǎn)

4、，所以勵磁方式采用自并勵勵磁系統(tǒng)。（5)磁變壓器選擇由由于同步發(fā)電機(jī)的勵磁電壓教端電壓低得多，所以自并勵系統(tǒng)中一般都需設(shè)置勵磁變壓器進(jìn)行降壓。其主要作用：a.使晶閘管工作時的導(dǎo)通角大小適當(dāng)，控制教、較穩(wěn)定。b.降低整流元件的電壓等級。 c.使整流回路、控制回路、勵磁繞組三者都機(jī)端隔離，降低了回路對地的電位和對絕緣的要求，有利于安全運(yùn)行并減少日常維修工作。2、計(jì)算與分析過程（1）變比k：變壓器二次側(cè)電壓的確定：取0，=2，=180V，=372A，U=3，取=0.06由公式：得 =405.627 =300.465V已知=6.3KV 變壓器變比k= （2）變壓器的容量計(jì)算 =89.49 =303.3

5、6（A） 整流變壓器的容量為：（3）接線方式變壓器的接線方式選擇Y/-11接線方式，即一次側(cè)為Y接，二次側(cè)為接。一次側(cè)為Y接的三相繞組中，三次諧波電流不能流通，即變壓器勵磁電流中不含有三次諧波而接近正弦波，二次側(cè)為接，是為了避免發(fā)電機(jī)側(cè)的諧波影響勵磁系統(tǒng)側(cè)的波形，或避免由勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波影響到發(fā)電機(jī)側(cè)，所以變壓器的接線方式其中有一側(cè)必須接成角形。（4）系統(tǒng)三種典型運(yùn)行方式計(jì)算（選做）一般按空載、額定、強(qiáng)勵三種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的目的是看這些控制角是否在一般所希望的范圍之內(nèi)，并在調(diào)試中將實(shí)測的與計(jì)算的相比較。 空載時： =129.37額定運(yùn)行時： =89.49強(qiáng)勵運(yùn)行時： =11.21由以上計(jì)

6、算得表格如下：空載（0）62.5149.4129.3774.06額定（e）18037289.49204.318強(qiáng)勵（q）36074411.21405.63由計(jì)算結(jié)果可以看出： ，且控制角的靈敏度比較大，滿足勵磁系統(tǒng)的要求。（5）起勵問題及計(jì)算在同步發(fā)電機(jī)啟動時，起勵電源可以采用廠用電起勵和蓄電池起勵兩種方法，但一般情況下，采用廠用電起勵。起勵容量： 起勵電壓： （6）整流元件參數(shù)確定及選擇整流元件參數(shù)的選擇，首先保證半導(dǎo)體勵磁裝置可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)時主要選擇硅元件的額定正向同態(tài)平均電流和額定正反向峰值電壓中的較大者。整流電路采用三相橋式半控整流電路。同步發(fā)電機(jī)輸出交流電流中的一小部分，經(jīng)勵磁變壓器

7、降壓和可控整流器整流后，供給勵磁繞組勵磁電流。勵磁電流的大小，決定與晶閘管，而晶閘管的導(dǎo)通角由自動勵磁調(diào)節(jié)器控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓高于整定值時，自動勵磁調(diào)器發(fā)出信號脈沖推遲，晶閘管導(dǎo)通角變小，勵磁電流減小，從而使發(fā)電機(jī)端電壓降低。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓低于整定值時，自動勵磁調(diào)器發(fā)出信號脈沖提前，晶閘管導(dǎo)通角變大，勵磁電流增大，從而使發(fā)電機(jī)端電壓升高。上述兩種過程使發(fā)電機(jī)的端電壓于穩(wěn)定值，達(dá)到恒定的目的。（7）硅元件額定電流計(jì)算額定工況下： 橋臂平均電流： 額定正向平均電流： 強(qiáng)勵工況下： 橋臂平均電流： 強(qiáng)勵正向平均電流： （8）可控硅額定電壓選擇 橋臂反向工作電壓瞬時值： 元件反向工作電壓瞬時值： 4

8、24.26 =2494.67(V)電壓裕度系數(shù)，取以上 過電壓沖擊系數(shù)，取.3到1.6電源電壓升高系數(shù)，取1.05到1.1 電力二極管的參數(shù)選擇與晶閘管的相同。（9）續(xù)流二極管的選擇為了維護(hù)和檢修方便，在整流裝置中，我們選擇同一過載能力的器件。因?yàn)槎O管的過電流承受能力遠(yuǎn)比硅元件強(qiáng)，所以實(shí)際額定電流系數(shù)可選為。因此在半控橋的續(xù)流二極管，需并聯(lián)三個同型號的電力二極管，并聯(lián)后會引起流過續(xù)流二極管的電流分布不均勻，因此并聯(lián)后需采用均流電抗器均流，使流過續(xù)流二極管中三個電力二極管的電流近似相等。（10）主回路保護(hù)的配置在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的整流器勵磁系統(tǒng)中，運(yùn)行時由于種種原因，可能使勵磁裝置中的主要部件（

9、晶閘管等）以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組回路呈現(xiàn)過電流或過電壓，為此在勵磁系統(tǒng)中應(yīng)附以過電流或過電壓抑制回路。元件保護(hù)晶閘管和電力二極管開關(guān)器件均有安全工作區(qū)的限制，也就是說都有電流、電壓和瞬時功耗的極限值，盡管在設(shè)計(jì)時會合理選擇器件，但不可避免的會發(fā)生過電流和過電壓，又由于電子開關(guān)器件的過電流、過電壓能力差，為了防止電力電子開關(guān)損壞，必須采取保護(hù)措施（在晶閘管關(guān)斷時會產(chǎn)生關(guān)斷過電壓）。防止過電流的措施：采用快速熔斷器。防止過電壓的措施：利用阻容保護(hù)。整流橋保護(hù)整流橋保護(hù)主要是指過電壓保護(hù)整流橋的過電壓保護(hù)包括交流側(cè)過電壓保護(hù)和直流側(cè)過電壓保護(hù)。交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)產(chǎn)生過電壓的原因：a.當(dāng)大氣過電壓

10、作用于發(fā)電機(jī)主回路而使勵磁變壓器產(chǎn)生過電壓、勵磁系統(tǒng)開關(guān)操作引起的暫態(tài)過電壓；b.在切斷勵磁變壓器一次繞組情況下，可能出現(xiàn)過電壓是由于具有較高電感值的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組回路，在切斷勵磁變壓器供電電源后，力求維持流過變壓器的負(fù)載電流不變，由此引起感應(yīng)過電壓，當(dāng)勵磁變壓器在空載時被切斷，其儲存的磁能而將轉(zhuǎn)化為電流，如此磁能足夠大的電容所吸引而將產(chǎn)生過電壓；c.有可控硅整流器空穴存儲效應(yīng)引起的過電壓。交流側(cè)防止過電壓的措施：對第一種過電壓多在勵磁變壓器低壓側(cè)采用接地電容保護(hù)；對第二種過電壓為防止在運(yùn)行中切斷勵磁變壓器的高壓繞組引起過電壓，在勵磁繞組回路中接入限制二極管，為了防止空載時切斷勵磁變壓器，

11、在變壓器低壓側(cè)接一組整流器；對第三種過電壓采用在可控硅整流器兩端并聯(lián)RC回路。直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)產(chǎn)生過電壓的原因：在直流側(cè)由于整流器不能流過反向電流，當(dāng)勵磁繞組引起反向電流而被整流器閉鎖時，可引起過電壓；當(dāng)發(fā)電機(jī)端或升壓變壓器高壓側(cè)，發(fā)生三相或兩相不對稱短路時，有可能在勵磁繞組側(cè)引起直流過電壓。直流側(cè)防止過電壓的措施：在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)采用穩(wěn)壓管。(11)同步發(fā)電機(jī)的滅磁近三十年來，隨著主機(jī)容量的增加，勵磁功率的加大，發(fā)電機(jī)的自動滅磁系統(tǒng)越來越為世界各國關(guān)注。大型電機(jī)的快速滅磁是限制發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障擴(kuò)大的唯一方法。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障以及發(fā)電機(jī)變壓器組中變壓器短路時，繼電保護(hù)雖然能將發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)斷開

12、，但如不熄滅發(fā)電機(jī)磁場，故障電流將仍然存在。短路電流和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢成正比，短路電流愈大，持續(xù)時間愈長，短路能量愈大。巨大的短路能量將會燒毀繞組，甚至使機(jī)組鐵芯熔化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)長時間不能恢復(fù)運(yùn)行，所以只有在繼電保護(hù)動作的同時，迅速而徹底地熄滅磁場，才是保護(hù)發(fā)電機(jī)的最有效方法。 隨著單機(jī)容量的增大，對發(fā)電機(jī)的快速滅磁的要求也愈來愈高。對發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的主要要求是可靠，而快速地消耗儲存在發(fā)電機(jī)中的磁場能量。最簡單的滅磁方式是切斷發(fā)電機(jī)的勵磁繞組與電源連接，但勵磁繞組有很大的電感，突然斷開會在其兩端產(chǎn)生很高的過電壓。因此在斷開勵磁電源的同時，還應(yīng)將轉(zhuǎn)子勵磁繞組自動接入到放電電阻或其他裝置，使磁場中儲存的能量迅速減小，要求滅磁時間短，轉(zhuǎn)子過電壓不應(yīng)超過允許值，其值通常取轉(zhuǎn)子額定勵磁電壓的4-5倍。滅磁的方法：單獨(dú)勵磁機(jī)滅磁；利用放電電阻滅磁；利用非線形電阻滅磁（半控橋）；采用弧柵滅磁；采用可控硅整流橋滅磁（全控橋）。四、總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，使我們對勵磁控制系統(tǒng)的認(rèn)識更加的深入了，但依然還有很多值得我們繼續(xù)學(xué)習(xí)探索的地方。如MATLAB軟件的應(yīng)用，對勵磁系統(tǒng)中的仿真產(chǎn)生很多幫助。同步發(fā)電機(jī)的勵磁進(jìn)行控制對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)行控制、保證電能質(zhì)量