自動裝置勵磁系統(tǒng)設計

1、辦系統(tǒng)自動裝置原理輔呈沒弄 課 題： 勵磁控制系統(tǒng)主回路設計及系統(tǒng)性能分析 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級：4班 學 號： 姓 名: 指導教師：設計日期：成績： 2016.5.30-201668 自動裝置勵磁系統(tǒng)設計報告 、設計目的 1、回顧發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)主回路的設計原理。 2進一步了解發(fā)電機勵磁控制的系統(tǒng)性能分析。 3、學會建立發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型。 二、設計要求 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。 因為本設計主要針對PID調(diào)節(jié)在勵磁控制中的作用，因此設計方案設有無PID 調(diào)節(jié)勵磁控制和有PID調(diào)節(jié)控制兩個方案，并進行對比，分出優(yōu)劣，選取效果 極佳的

2、方案。 2號題：發(fā)電機型號QF- 25-2 轉(zhuǎn)速；3000 功率因數(shù)cos?： 0.8效率 (% : 97.74 滿載勵磁電流(A) :372 滿載勵磁電壓(V) :180 s) : 11.599 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)(轉(zhuǎn)子電阻：(75C) (Q) :0407 ( R53=1.24Ri52) 電壓降之和 U=3 三、設計過程 系統(tǒng)概述 并以PID控制方式，搭建仿真模型。 (1) 設計發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的數(shù)學模

3、型， (2) 性能分析：應用控制理論的各種分析方法分析所設計的勵磁控制系統(tǒng)的性能，并給 出典型運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果。 (3) 主回路設計 主回路設計包括：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)分為直流勵磁機勵磁系統(tǒng)、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機自并 勵系統(tǒng)。 在這里勵磁方式我選擇自并勵勵磁方式。 (4) 發(fā)電機自并勵系統(tǒng)的主要優(yōu)點是: a. 勵磁系統(tǒng)接線和設備比較簡單，無轉(zhuǎn)動部分，維護費用省，可靠性高。 b. 不需要同軸勵磁機，可縮短主軸長度

4、，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速度，可近似認為具有階 躍函數(shù)那樣的響應速度。 由于自并勵勵磁方式具有上述優(yōu)點，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 設置勵磁變壓器進行降壓。其主要作用： a. 使晶閘管工作時的導通角大小適當，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： 變壓器二次側電壓Ui的確定

5、： 取:=0 , Kc=2, Ufd (e) =180V, ltd (e) =372A, U=3 取 Xk=0.06 由公式:135U|gS AKcUfd (e) .-Kclfd (e) XA .-.U 得 2H 1 H13 raSUix-=2,1802X372X0.06,3 1.35U i =405.627 二 U i =300.465V 1 63漢1000 已知U63KV二變壓器變比k=21 300.465 (2) 變壓器的容量計算 U fd (e) - arccos 3 I fd xk ： u n 0.675U i 180 1 = arccos 3 372 0.06 3 n 0.675

6、漢 300 =89.49 IWaW 二 3 r.li=1.15,-：血)=1.15.04972 372 二；二 =303.36 (A) 整流變壓器的容量為： 3U| 1A3 300.465 303.36 = 0.158 (MVA) （3）接線方式 變壓器的接線方式選擇丫/11接線方式，即一次側為丫接，二次側為接一次側 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，二次側為接，是為了避免發(fā)電機側的諧波影響勵磁 系統(tǒng)側的波形，或避免由勵磁 系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波影響到發(fā)電機側，所以變壓器的接線方式其中有一側必須接成角形。 （4）系統(tǒng)三種典型運行方式計算（選做）

7、 一般按空載、額定、強勵三種工況進行計算，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)試中將實測的與計算的相比較。 空載時：U fd = U td（）= 62.5V, I td= I fd（o）= 149.4A 33 Ufd- IfdXk U 62.5149.4 0.06 3 :-(o)=arccos (0) 0.675U i U - arccos- 0.675X 300 -1 =129.37 U 3 3 d (0) u fd(O) n I fd(O)Xk* :U =62.5 149.4 0.06 3 =74.06(V) 額定運行時： Ufd(e)-180Vfd 二 1 fd

8、二 372A 3 3 Ufd-.fdXk u 180372 0.063 :(narccos一 0.675U i T- arccos: 1 (e) 0.675 漢 300 =89.49 U d u fd(e) -I fd(e) Xk: U =1 80 -372 0.06 3 = 204.31 (V) JI H 強勵運行時： Ufd 二 KcU fd(e)=360V,lfdZl KJ td(e)= 744A 3 丄Pa ,3丄 U fd - I fd Xk!U 360 二 7440.06 3 :-(q)=arccos -T =arccos 1 n A7SI11n R7R =11.21 744 0.

9、063 =405.63(V) Ud(q)=KcU fd(e) 2 Kcl fd(e)XA U -360 由以上計算得表格如下: UtdoV 1fdO A a0 UdoV 空載(0) 62.5 149.4 129.37 74.06 額定(e) 180 372 89.49 204.318 強勵(q) 360 744 11.21 405.63 由計算結果可以看出:：-(0):-(e):-(q),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)電機啟動時，起勵電源可以米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。 11 1 起勵容量：Sq Se

10、Ufd(e)lfd (e) 一 2 1 8 = 1 674心人) q4040()()40 11 起勵電壓：UqiUfd(e)372 = 93(V) 44 (6) 整流元件參數(shù)確定及選擇 整流元件參數(shù)的選擇，首先保證半導體勵磁裝置可靠運行，設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。 整流電路米用三相橋式半控整流電路。 同步發(fā)電機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 通角由自動勵磁調(diào)節(jié) 器控制，當發(fā)電機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，晶閘管導通角變 小，

11、勵磁電流減小，從而使發(fā)電機端電壓降低。當發(fā)電機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，晶閘管導通角變大，勵磁電流增大，從而使發(fā)電機端電壓升高。上述 兩種過程使發(fā)電機的端電壓于穩(wěn)定值，達到恒定的目的。 (7) 硅元件額定電流計算 額定工況下:仁佝 “ fd（e）=372A 1 1 橋臂平均電流： 372 I A(AV)I fd(e)=124( A) cc 額定正向平均電流： *T(AV) - K i 1 A(AV) - 3 124 = 372(A) 強勵工況b： 1 fd (q) = Kc 1 fd(e)=2372 = 744(A) 1 1 橋臂平均電流： I a(av)I fd(q

12、)744 = 248(A) 33 強勵正向平均電流： I t (av) = K i 1 a(av)=3 248 = 744(A) -仃額定丁(AV) =744(A) (8)可控硅額定電壓選擇U PRM(正向)=U RRM仮向) 橋臂反向工作電壓瞬時值：U ARM 2U |2 300二424.26(V) 元件反向工作電壓瞬時值：Urrm AKuKcgKbUARM=4 1.4 1.05 424.26 =2494.67(V) ku-電壓裕度系數(shù)，取2以上 keg過電壓沖擊系數(shù)，取13至IJ1.6 kb電源電壓升高系數(shù)，取1.05到1.1 U額定U RRM仮向) =2494.67(V) 電力二極管的參

13、數(shù)選擇與晶閘管的相同。 (9) 續(xù)流二極管的選擇 為了維護和檢修方便，在整流裝置中，我們選擇同一過載能力的器件。 fd(e) 因為二極管的過電流承受能力遠比硅元件強, 所以實際額定電流系數(shù)可選為 I =(56)1恥)=1860 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) 主回路保護的配置 在現(xiàn)代同步發(fā)電機的整流器勵磁系統(tǒng)中，運行時由于種種原因，可能使勵磁 裝置中 的主要部件(晶閘管等)以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組回路呈現(xiàn)過電流或過電

14、壓，為此在勵 磁系統(tǒng)中應附以過電流或過電壓抑制回路。 元件保護 晶閘管和電力二極管開關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，盡管在設計時會合理選擇器件，但不可避免的會發(fā)生過電流和過電 壓，又由于電子開關器件的過電流、過電壓能力差，為了防止電力 電子開關損壞，必 須釆取保護措施(在晶閘管關斷時會產(chǎn)生關斷過電壓)。 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。 整流橋保護 整流橋保護主要是指過電壓保護整流橋的過電壓保護包括交流側過電壓保 護和直流 側過電壓保護。 交流側過電壓保護 交流側產(chǎn)生過電壓的原因：a.當大氣過電壓作用于發(fā)電機主回路而使勵

15、磁變 壓器 產(chǎn)生過電壓、勵磁系統(tǒng)開關操作引起的暫態(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載電流不變，由此引起感應過電壓，當勵磁 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引起的過電壓。 交流側防止過電壓的措施：對第一種過電壓多在勵磁變壓器低壓側采用接地電容保 護；對第二種過電壓為防止在運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

16、器低壓側接一組整流 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。 直流側過電壓保護 直流側產(chǎn)生過電壓的原因：在直流側由于整流器不能流過反向電流，當勵磁 繞組 引起反向電流而被整流器閉鎖時，可引起過電壓；當發(fā)電機端或升壓變壓器 高壓側，發(fā) 生三相或兩相不對稱短路時，有可能在勵磁繞組側引起直流過電壓。 直流側防止過電壓的措施：在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側采用穩(wěn)壓管。 (11) 同步發(fā)電機的滅磁 近三十年來，隨著主機容量的增加，勵磁功率的加大，發(fā)電機的自動滅磁系 統(tǒng)越 來越為世界各國關注。 大型電機的快速滅磁是限制發(fā)電機內(nèi)部故障擴大的唯一方法。當發(fā)電機內(nèi)部 故障以 及發(fā)電機一一變壓器組中變壓器短路時，

17、繼電保護雖然能將發(fā)電機組系統(tǒng) 斷開，但如不 熄滅發(fā)電機磁場，故障電流將仍然存在。短路電流和發(fā)電機內(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，甚至使機組鐵芯熔 化，導致發(fā)電機長時間不能恢復運行，所以只有在繼 電保護動作的同時，迅速而徹底地 熄滅磁場，才是保護發(fā)電機的最有效方法。 隨著單機容量的增大，對發(fā)電機的快速滅磁的要求也愈來愈高。對發(fā)電機滅磁系 統(tǒng)的主要要求是可靠，而快速地消耗儲存在發(fā)電機中的磁場能量。最簡單的滅磁方式是 切斷發(fā)電機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)子過電壓不應超過 允許值，其值通常取轉(zhuǎn)子額定勵磁電壓的45倍。 滅磁的方法：單獨勵磁機滅磁；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 通過這次課程設計，使我們對勵磁控制系統(tǒng)的認識更加的深入了，但依然還有很 多值得我們繼續(xù)學習探