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1、同步发电机励磁控制系统实验摘 要：本课题主要针对如何提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保证电 力系统安全、经济运行，及延长发电机寿命而进行的同步发电机励磁方式，励磁 原理，励磁的自动控制进行了深入的解剖。发电机在正常运行时，负载总是不断 变化的，而不同容量的负载，以及功率因数的不同，对发电机励磁磁场的作用是 不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。为了保持同步发电机的端 电压稳定，需要根据负载的大小及负载的性质调节同步发电机的励磁电流，因此， 研究同步发电机的励磁控制具有十分重要的应用价值。本课题主要研究同步发电 机励磁控制在不同状态下的情况，同步发电机起励、控制方式及其相互切换、逆
2、 变灭磁和跳变灭磁开关灭磁、伏赫实验等。主要目的是是同学们加深理解同步发 电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；了解自并励励磁方式和它励励磁 方式的特点；了解微机励磁调节器的基本控制方式。关键词：同步发电机；励磁控制；它励第一章 文献综述1.1 概述向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电 网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约 1/3 为励磁系统事 故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要 提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励
3、磁系统可 靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是 直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。1.2同步发电机励磁系统的分类与性能1.2.1 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子 回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同 轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直 流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的 励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副 励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了
4、励磁机的电压增 长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水 轮发电机组上。采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的 主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行 经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调 节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花 严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励 磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容 量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题 或
5、电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。 目前，在100MW及以上发电机上很少采用。1.2.2 半导体励磁系统半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步 发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。1.2.2.1 静止式半导体励磁系统静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。（1）自励式半导体励磁系统自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得， 经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机 端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系 统是直接使用发电机
6、的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电 流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去 转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械 转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机 自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器 ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励 磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。无励磁机发电机自并励系统的优点是：不需要同轴励磁机，系统简单，运行 可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；由可
7、 控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度；由发电机机端 获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机组甩负荷时，机组的过电压 也低一些。其缺点是：发电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的 强行励磁能力对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。由于以上特点，使 得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组的励磁系统中受 到相当重视。2） 它励式半导体励磁系统它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机 JL 和一台交流副励磁机FL,三套整流装置。两台交流励磁机都和同步发电机同轴，主励磁机为100HZ 中频三相交流发电机，它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供
8、给励磁电 流。副励磁机为 500HZ 中频三相交流发电机，它的输出一方面经可控硅整流后作 为主励磁机的励磁电流，另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电 流。自动调励的装置也是根据发电机的电压和电流来改变可控硅的控制角，以改 变励磁机的励磁电流进行自动调压。它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做得很大，励磁机是交流发电机 没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺点是：接线复杂，有旋转的主励 磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。这种 励磁系统多用于10万千瓦左右的大容量同步发电机。1.2.2.2 旋转式半导体励磁系统在它励和自励半导体励磁系统中，发电
9、机的励磁电流全部由可控硅（或 二极管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系 统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元 件。随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加，转子滑 环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止机组运行当中个别 滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。为了提高励磁系统的可靠性取消 滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系 统，如图4 所示。副励磁机 FL 是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚 线框内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的
10、工作原理基本相同， 只是电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的 转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之 间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。主励磁机的励 磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。 静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维 持发电机端电压保持恒定。无刷励磁系统的优点是：取消了滑环和碳刷等转动接 触部分。缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。由于与转子回路直接连接的 元件都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电 流
11、表直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状 况，接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都不便监视，因而在运行维护上不太方便。1.3同步发电机励磁系统的发展史由于电力系统运行稳定性的破坏事故,会造成大面积停电,使国民经济遭受 重大损失,给人民生活带来重大影响,因此,改善与提高电力系统运行的稳定性意 义重大。早在20世纪40年代,有电力系统专家就强调指出了同步发电机励磁的 调节对提高电力系统稳定性的重要作用,随后这方面的研究工作一直受到重视。 研究主要集中在2 个方面:一是励磁方式的改进,二是励磁控制方式的改进。在励磁方式方面 ,世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁方式 ,因为
12、这 种无旋转励磁机的可控硅自并励方式具有结构简单、可靠性高及造价低廉等优点; 在励磁控制方式上 ,针对静止励磁方式的控制器研究也取得了很大的进展 ,到现 在为止,已经经历了 3个阶段,即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段、非线性 多变量控制阶段。由于电力系统具有高度的非线性特性 ,当系统的运行点改变时,系统的动态 特性会显著改变,此时,单一变量的控制方式和线性控制器就难以满足电力系统 稳定的要求,只有非线性控制方式的控制器才能有效地提高电力系统稳定能力。 本文将综述半个多世纪以来专家学者在探索可控硅静止励磁控制方式中取得的 成就第二章 实验装置及其工作原理2.1 实验操作台介绍实验操作台是由输
13、电线路单元、危机线路保护单元、负荷调节和同期单元、 仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中负荷调节和同期单元是由“TGS-03B 型微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03B微机准同期控制器” 等微机型的自动装置和其对应的那个装置组成。而同步发电机励磁系统实验研究 主要用了 TGS-03B型微机调速装置和WL-04B微机励磁调节器。2.1.1 TGS-03B 型微机调速装置介绍TGS-03B型微机调速装置面板包括：6位LED数码显示器，13个信号指示 灯，7 个操作按钮和一个多圈指针电位器等。其详细介绍如下：信号指示灯13个装置运行指示灯 1 个电源指示灯 1 个方式选
14、择指示灯 1 个并网信号指示灯1个 监控电机速度指示灯 1 个 增减速操作指示灯2个 开机、停机指示灯各 1 个 平衡指示灯2个操作按钮4个区，共7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、手动按钮。显示切换有 2 个按钮可进行显示切换。微机调节区有2 个按钮，即为“增速”、“减速”操作。停机开机有 1 个按钮模拟调节区 1 个数码显示器2.1.2 WL-04B 微机励磁调节器装置介绍WL-04B 微机励磁调节器其励磁方式可选择：它励自并励两种。微机励磁调节器的控制方式可选择恒UF、恒IL、恒、恒Q等四种。设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制
15、、最大励磁电流瞬间 限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能。设有按有功功率反馈的电力系统稳 定器（PSS）。励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，能做到最 大限度地满足教学科研的灵活多变的需要。具有实验录波功能，可以记录 UF、IL、UL、P、Q、a等信号的时间响应曲线，供实验分析用。 微机励磁调节器面板包括：8 位 LED 数码显示器，若干指示灯和按钮，强 弱电测试孔。8位LED数码显示器用途 1：用以显示同步发电机励磁控制系统状态量，包括： 发电机机端电压、发电机输出有功功率和无功功率 发电机励磁电压、励磁电流 发电机频率 励磁调节器输出控制角等用途 2：用以查询、修改励磁调节
16、器的控制参数，如： PID反馈系数指示灯 励磁调节器面板公有 32只指示灯，共分成三个类型。 第一类：“控制电源”指示灯4只 第二类：励磁调节器“输出”触发脉冲指示灯6只 第三类：励磁调节器工作状态指示灯 22只 微机正常指示灯 定子过压指示灯 同步异常指示灯 进相运行指示灯 自励指示灯 助磁指示灯 功柜故障指示灯 母线无压指示灯 仪变断线指示灯 调变断线指示灯 灭磁指示灯 减磁指示灯 增磁指示灯恒IL指示灯 恒 UF 指示灯 恒a指示灯 它励指示灯 参数设置指示灯 欠励限制指示灯 过励限制指示灯 伏赫限制指示灯 PSS指示灯 测试孔 励磁调节器面板共有 14个测试孔，分为两个测试区。 第一区：弱电测试孔9个 第二区：强电测试孔5个操作按钮13 只 复位按钮灭磁按钮减磁按钮 增磁按钮 恒 IL 按钮 恒 UF 按钮 恒 按钮 恒Q按钮 参数设置按钮 参数选择按
