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1、 参考资料 三相同步发电机运行仿真与三相同步发电机运行仿真与 GUIGUI 设计毕业设计设计毕业设计 目录 摘要 ABSTRACT 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 同步发电机概述 1 1 2 1 同步发电机在发电厂中的必要性 1 1 2 2 同步发电机结构和分类 1 1 2 3 同步发电机的运行方式 2 1 3 国外中小型发电机发展状况 3 1 3 1 国外中小型发电机现状 3 1 3 2 国中小型电机现状 3 1 3 3 中小型同步发电机行业的技术发展展望 4 1 4 本论文的主要容 4 第二章 三相同步发电机的基本原理 5 2 1 三相同步电机的运行原理 5 2 1 1 同步电
2、机的数学模型 5 2 1 2 工作特性 6 2 2 同步发电机的对称运行 7 参考资料 2 3 同步发电机的不对称运行 8 2 3 1 概述 8 2 3 2 同步发电机的不对称分析实例 9 第三章 三相同步发电机仿真应用方法 12 3 1 MATLAB的应用 12 3 1 1 GUI 设计 12 3 1 2 Simulink 的建模 13 3 2 同步电机坐标系统的选择 13 3 2 1 dq0 坐标 13 3 2 2 0dq 坐标 15 第四章 设计思路 16 4 1 设计思路与框图 16 4 2 构建过程及具体步骤 17 第五章 实例仿真分析 26 5 1 同步发电机仿真实例 26 5 1
3、 1 三相突然短路 26 5 1 2 负载两相短路 29 5 2 异步电机仿真实例 31 5 3 直流电机仿真实例 33 第六章 总结 35 6 1 具体工作 35 参考资料 6 2 存在不足 36 参考文献 37 致谢 38 附录 A 英文翻译 39 附录 B 中文翻译 47 附录 C 登陆界面程序 53 附录 D 主界面程序 56 附录 E 仿真界面程序 61 附录 F 运行特性程序 65 参考资料 第一章 绪论 1 1 引言 随着改革开放及经济建设的发展 近二十年来我国电力系统的规模和容量都有了突 飞猛进的发展 2005 年以后 我国已形成全国互联大电网 系统互联和新技术的采用 使得电力
4、系统的安全与稳定性要求越来越高 同步发电机是电力系统的能量提供者 是电力系统中最重要和最复杂的元件 由多 个具有电磁耦合关系的绕组构成 他的控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳 定运行状况 因此 很多电力系统仿真技术都离不开对同步发电机进行建模与仿真分析 和研究 同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍 对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响 因此对同步发电机动态特性的研 究历来是电力系统中的重要课题之一 众所周知 电机行业是一个传统的机电制造行业 其发展已有二百多年的历史 对 整个国民经济的发展起着相当重要的作用 电的产生 传输 使用都离不开电机 电
5、机对 社会发展和人民生活水平提高起到了巨大的推动作用 扮演了重要的角色 并已经成为 社会生产生活中不可缺少的重要工具 成为生产生活中重要的动力来源 1 2 同步发电机概述 作发电机运行的同步电机 是一种最常用的交流发电机 交流电是有频率周期的 交流电的大小方向随时间变化 如果发电机发电不是同步的 那么电流在同一时间有大 有小 且方向有的也不同 会抵消电流 实际电流就会变小 1 2 1 同步发电机在发电厂中的必要性 1 可以同时输出有功和无功功率 如果做成异步发电机 则发电机在并网后必然大 量吸收无功功率 造成系统电压降低 电网无功缺额过大 无法维持合格的电压 2 电网中的负荷大部分都是感性负载
6、 所以必须由发电机提供无功功率 3 一般的大型发电机都是设计为同步发电机 异步运行时候无法达到额定负荷 最 多达到 50 且异步运行时候发电机转子温升很高 为一种非正常运行方式 不可以长期 运行 4 只有小部分发电机可以使用异步发电机 在发出有功的同时吸收无功 因为系统 中大部分都是同步发电机 所以无功储备还是比较大的 1 2 2 同步发电机结构和分类 同步发电机的结构按其转速分为高速和低 中 速两种 前者多用于火电厂和核电 站 后者多与低速水轮机或柴油机联动 在结构上 高速同步发电机多用隐极式转子 低 中 速同步发电机多用凸极式转子 1 高速同步发电机 因大多数发电机与原动机同轴联动 火电厂
7、都用高速汽轮机 作原动机 所以汽轮发电机通常用高转速的 2 极电机 其转速达 3000 转 分 在电网频 率为 60 赫时 为 3600 转 分 核电站多用 4 极电机 转速为 1500 转 分 当电网频率 为 60 赫时 为 1800 转 分 为适应高速 高功率要求 高速同步发电机在结构上一是 采用隐极式转子 二是设置专门的冷却系统 隐极式转子 外表呈圆柱形 在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组 并用金属槽 楔固紧 使电机具有均匀的气隙 由于高速旋转时产生的巨大的离心力 要求转子有很 高的机械强度 隐极式转子一般由高强度合金钢整块锻成 槽形一般为开口形 以便安 装励磁绕组 在每一个极距约有 1
8、3 部分不开槽 形成大齿 其余部分的齿较窄 称作 参考资料 小齿 大齿中心即为转子磁极的中心 有时大齿也开一些较小的通风槽 但不嵌放绕组 有时还在嵌线槽底部铣出窄而浅的小槽作为通风槽 隐极式转子在转子本体轴向两端还 装有金属的护环和中心环 护环是由高强度合金制成的厚壁圆筒 用以保护励磁绕组端 部不至被巨大的离心力甩出 中心环用以防止绕组端部的轴向移动 并支撑护环 此外 为了把励磁电流通入励磁绕组 在电机轴上还装有集电环和电刷 冷却系统 由于电机中能量损耗和电机的体积成正比 它的量级与电机线度量级 的三次方成比例 而电机散热面的量级只是电机线度量级的二次方 因此 当电机尺寸 增大时 受材料限制
9、增大电机容量就得加大其尺寸 电机每单位表面上需要散发的热 量就会增加 电机的温升将会提高 为此 已研制出多种冷却系统 2 低速同步发电机 多数由较低速度的水轮机或柴油机驱动 电机磁极数由 4 极到 60 极 甚至更多 对应的转速为 1500 100 转 分及以下 由于转速较低 一般都 采用对材料和制造工艺要求较低的凸极式转子 凸极式转子的每个磁极常由 1 2 毫米厚的钢板迭成 用铆钉装成整体 磁极上套 有励磁绕组 励磁绕组通常用扁铜线绕制而成 磁极的极靴上还常装有阻尼绕组 它是 一个由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成的一个短接回路 磁极固定在转子 磁轭上 磁轭由铸钢铸成 凸极式转子可分
10、为卧式和立式两类 大多数同步电动机 同 步调相机和燃机或冲击式水轮机拖动的发电机 都采用卧式结构 低速 大容量水轮发 电机则采用立式结构 卧式同步电机的转子主要由主磁极 磁轭 励磁绕组 集电环和转轴等组成 其 定子结构与异步电机相似 立式结构必须用推力轴承承担机组转动部分的重力和水向下 的压力 大容量水轮发电机中 此力可高达四 五十兆牛 约相当于四 五千吨物体的 重力 所以这种推力轴承的结构复杂 加工工艺和安装要求都很高 按照推力轴承的安 放位置 立式水轮发电机分为悬吊式和伞式两种 悬吊式的推力轴承放在上机架的上部 或中部 在转速较高 转子直径与铁心长度的比值较小时 机械上运行较稳定 伞式的
11、推力轴承放在转子下部的下机架上或水轮机顶盖上 负重机架是尺寸较小的下机架 可 节约大量钢材 并能降低从机座基础算起的发电机和厂房高度 1 2 3 同步发电机的运行方式 同步发电机绝大多数是并联运行 并网发电的 各并联运行的同步发电机必须频率 电压的大小和相位都保持一致 否则 并联合闸的瞬间 各发电机之间会产生部环流 引起扰动 严重时甚至会使发电机遭受破坏 但是 两台发电机在投入并联运行以前 一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的 为了使同步发电机能投入 并联运行 首先必须有一个同步并联的过程 同步并联的方法可分为准同步和自同步两 种 同步发电机在投入并联运行以后 各机负载的分配决
12、定于发电机的转速特性 通过 调节原动机的调速器 改变发电机组的转速特性 即可改变各发电机的负载分配 控制 各发电机的发电功率 而通过调节各发电机的励磁电流 可以改变各发电机无功功率分 配和调节电网的电压 1 准同步并联 将已加励磁的待投运发电机通过调节其原动机的转速和改变该发 电机的励磁 使其和运行中的发电机的频率差不超过 0 1 0 5 在两机电压相位差不 超过 10 的瞬间进行合闸并联 两者即可自动牵入同步运行 准同步并联的操作可以手 动 也可以借自动装置完成 2 自同步并联 把待投入并联的发电机转速调到接近电网的同步转速 在未加励 磁的条件下就合闸并联 然后再加入励磁 依靠发电机和电网之
13、间出现的环流及相应产 生的电磁转矩把发电机迅速牵入同步 采用自同步并联时 由于减少了调节发电机转速 电压和选择合闸瞬间所需的时间 所以并列的过程较快 特别适宜于电力系统事故情况 参考资料 下机组的紧急投入 但是此法在并联合闸瞬间的电流冲击比较大 会使电网电压短时下 降 电机绕组端部承受较大的电磁力 1 3 国外中小型发电机发展状况 1 3 1 国外中小型发电机现状 国外中小型发电机 F 级绝缘已被广泛采用 H 级绝缘经常使用或与 F 级混用 温升 按 F 级考核 近年来 美国和法国公司大力发展单轴承同步发电机 其优点在于取消了 电机与发电机间部件联接件 从而缩小了机组的总体尺寸 这种发展的条件
14、在于美国汽 车工程师学会标准将飞轮和飞轮壳标准化 新机床的出现与所达到的高加工精度和采用 的高质量材料 使单轴承电机能联接 整体凸极迭片式转子也是国外近年来发展的一种转子结构 这种转子的磁极与磁扼 为一体 励磁绕组用绕线机直接绕在极身上 然后整体浸渍 成为一个坚固的转子 这 种转子不仅其机械和绝缘强度提高了 而且由于绕组匝长缩短 节省了铜材 典型的有 美国的 CATERPILLAR 公司和 MAGNETEK 公司生产的 SR4 等系列发电机 我国卫星通信地面 站 通信枢纽等重要部门的备用电源 均采用 SR4 系列发电机 由于电力电子技术的进步 除小容量应急发电机采用有刷励磁以外 其它发电机励
15、磁都为无刷结构的励磁方式 无刷同步发电机其稳态电压调整率已普遍达到士 2 5 士 0 5 瞬态电压调整率一般在 12 20 以 响应时间一般在以 普遍采用一种特殊形状的 高压用全阻尼绕组 并有无功补偿装置 1 3 2 国中小型电机现状 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一 广泛应用于小型水电站 船舶电 站 移动电站 固定电站 应急备用电站 正弦波试验电源 变频电源 计算机电源及 新能源 风力发电 地热发电 潮汐发电 余热发电等 它对边 疆 老 区 贫 穷 地区实现电气化 提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用 中小型发电机在船舶 现代电气化火车燃机车等运输设备中也是一个关键
16、设备 移动电 站对国防设施 工程建设 海上石油平台 陆上电驱动石油钻机 野外勘探等也是不可 缺少的关键装备之一 应急备用电站在突发事件中的防灾 救护保障人民的生命和财产 的安全有着不可替代的作用 开发绿色能源 可再生能源 减少大气二氧化碳的含量 小水电 风力发电 地热发电和余热发电是重要的组成部分 我国小型同步发电机的第一代产品是 1956 年电工局在上海组织的统一设计 并于 1957 年完成的 TSN TSWN 系列农用水轮发电机 第二代产品是在进行了大量试验研究和 调查研究的基础上于 1965 年开始的 T2 系列小型三相同步发电机统一设计 该水平达到 六十年代国际先进水平 为 B 级绝缘的有刷三相同步发电机 在这段时间还开发了 ST 系 列有刷单相同步发电机 此系列电机出口量较大 1979 年开始进行 TFW 系列三相无刷同 步发电机和 TFDW 系列单相无刷同步发电机的统一设计 1982 年 10 月通过了样机鉴定工 作 并推广生产 此两系列主要性能指标达到或接近当时的国际先进水平 此系列仍采 用 B 级绝缘结构 进入八十年代末 九十年代初 随着我国改革开放不断发展 我国的电机
