自動裝置勵磁系統(tǒng)設(shè)計

1、系統(tǒng)自動裝置原理課程設(shè)以課 題：勵磁控制系統(tǒng)主回路設(shè)計及系統(tǒng)性能分析專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：4學(xué) 號：姓 名：指導(dǎo)教師：設(shè)計日期: 2016. 5. 30-2016. 6. 8成 績：自動裝置勵磁系統(tǒng)設(shè)計報告一、設(shè)計目的1、回顧發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)主回路的設(shè)計原理。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)計主要針對PID調(diào)節(jié)在勵磁控制中的作用，因此設(shè)計方案設(shè)有無PID并進(jìn)行對比，分出優(yōu)劣，選取效果轉(zhuǎn)速;3000功率因數(shù)cos。： 0. 8效率（%）： 97. 74

2、滿載勵磁電流（A）： 372滿載勵磁電壓（V）： 180調(diào)節(jié)勵磁控制和有PID調(diào)節(jié)控制兩個方案, 極佳的方案。2號題：發(fā)電機(jī)型號QF252基本數(shù)據(jù)：額定容量（MW）： 25額定電壓（KV）： 6.3額定電流：（A）： 2860勵磁數(shù)據(jù)：空載勵磁電流（A）： 149.4空載勵磁電壓（V）： 62.5參數(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：（75C） （ 0 ）： 0407 （Ry，24國代）電壓降之和WB三、設(shè)計過程1、系統(tǒng)概述（1）設(shè)計發(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)計的勵磁控制系統(tǒng)的

3、性 能，并給出典型運(yùn)行方式下的最佳參數(shù)整定值，要求打印主要分析曲線及計算結(jié) 果。（3）主回路設(shè)計主回路設(shè)計包括：勵磁方式選擇；勵磁變壓器選擇；起勵問題及計算；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

4、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)，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.使品閘管工作時的導(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、計算與分析過程（1）變比k：變壓器二次側(cè)電壓U,的確定： 取a=0° , K,=2, U4q=180V, /網(wǎng),)=372A, AU=3,取XjO.06，八八1 + cosa-

5、3小由公式：1.35S x = KcUme、+_KJ.nXk + 得1.35t/ x = 2xl8O+-x2x372xO.O6 + 3 27t1.35U尸405. 627U尸300. 465V已知U尸6. 3KVJ變壓器變比k= 6,3x I"。= 21300.465(2)變壓器的容量計算33Ufd(e. +-xI/dxXk +ZAU180 +-x372 x 0.06 + 3a = arccosl 1 = arccosl 10.675 Uj0.675 x 300=89. 49°3. 九一a. 1 pr-0.4972 乙=，"y -/m(c = 1 15【yx 37

6、2 =303. 36 （A），整流變壓器的容量為：S = Vk/7, = X300.465x303.36 = 0.158（yWVA）（3）接線方式變壓器的接線方式選擇Y/A-U接線方式，即一次側(cè)為Y接，二次側(cè)為A接。 一次側(cè)為丫接的三相繞組中，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)行方式計算（選做）一般按空載、額定、強(qiáng)勵三種工況進(jìn)行計算，計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)

7、試中將實(shí)測的與計算的相比較?？蛰d時：Ufd =U的。）=62.5 匕的=/仙。）=149.4A33U +-xl,. xX.62.5+ x 149.4 x 0.06 + 3M 元dk J"八=arccos 1 = arccos I 1“°,0.675 U,0.675 x 300=129. 37° 33Ud(o)= 效0, + - /川。)X 大 + 工 = 62.5 + -xl 49.4 x 0.06 + 3 = 74.06(V) 九'冗額定運(yùn)行時：U/ =U4=180W/" =/*)=372AU+上x/xX”MZ ry = arccos “0.6

8、75180 +-x372 x 0.06 + 3-1 = arccos 10.675 x 300=89.49°33Udg = u Mg + 二 / 小 , x女 + Z 0 = 180 + X 372 X 0.06 + 3 = 204.31(V)7T7T強(qiáng)勵運(yùn)行時：U"=360 匕*=K"c =744433U +x/ xXA +ZAU360 +二x744x 0.06 + 3Of 、= arccos I11 = arccos I1J0.675 U,0.675 x 300=11.21°33Ud(q、= 3叱+ - KJQk + Z AU = 360 + ； x

9、 744 x 0.06 + 3 = 405.63(V)由以上計算得表格如下:%小%)空載(0)62.5149.4129. 37°74. 06額定(e)18037289. 49°204.318強(qiáng)勵(q)36074411.21°405. 63由計算結(jié)果可以看出：巴。,)。，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:Sq£Se*U*)/*) £X372X 180 = 1674(VA)起勵電壓：Ug, =加,)=；x 3

10、72 = 93")(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) 通角山自動勵磁調(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

11、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)硅元件額定電流計算額定工況下：/%)=/"s=372A橋臂平均電流：AAV)= fd(e)= x 372= 124(A) °o額定正向平均電流：zt(av)=Ja(av)=3x124 =372 (A)強(qiáng)勵工況下：&=K,/*)= 2x372 = 744(A)橋臂平均電流：I= /網(wǎng)=x 744 = 248(A)強(qiáng)勵正向平均電流：/ t(av)= K il a(av)= 3 x 248 = 744(A)1腌定=/ tuv) = 744(A)(8)可控硅額定電壓選擇4.正向)=4兄”(反向)

12、橋臂反向工作電壓瞬時值：UARM =y2Ut = v2 x 300 = 424.26(V)元件反向工作電壓瞬時值：URRM = KuKegKhUARM = 4 x 1.4 x 1.05 x424. 26=2494. 67(V)心一電壓裕度系數(shù)，取2以上kcg 一過電壓沖擊系數(shù)，取1 . 3到1. 6心一電源電壓升高系數(shù)，取1.05到1.1, , “糊定=Urrm (反向)=2494.67(V)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。X./寶小因?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 56。

13、/ = (5 6)/*)= I860 2232(A)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（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)品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)II時會合理選擇器件，但不可避免的會發(fā)生

14、過電流和過電壓，乂由于電子開關(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，

15、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)：對笫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，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

16、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)一一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，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

17、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，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