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1、第 IV 页辽宁科技大学本科毕业设计（论文）同步发电机励磁自动控制系统设计摘 要随着电力行业不断发展和机组单机容量的增大，对机组的要求是越来越高，不仅仅是机组的可用率、运行效率和安全性，对机组的可靠性与经济性也提出了更高的要求。励磁系统作为发电机的核心控制系统，它的运行状态直接影响发电机运行可靠性与经济性。因此，保证励磁系统安全、可靠的工作是十分重要的。对励磁系统进行状态监测与诊断不仅能够提高设备维护的经济性，还能显著提高系统的可靠性。在本论文中，通过分析了同步发电机励磁系统的工作原理，运用飞升曲线法建立了励磁控制系统的动态数学模型，运用工程设计法设计出闭环控制系统的调节器。组建了同步发电机励
2、磁自动控制系统，完成系统调试。实验结果表明该数学模型和控制算法是合理的。然后分析了同步发电机自励励磁系统的不足,提出一种新型斩波控制励磁系统。分析了这种系统的工作原理,建立了各个环节的数学模型,利用工程设计法设计出相应的调节器,根据反馈控制原理组建了自励自动控制系统。仿真结果证明了本文提出控制方案的可行性,为励磁改造和优化提供了一定的理论指导意义。关键词：同步发电机；飞升曲线法；工程设计法Design of automatic control system for synchronous generator excitationAbstractWith the power industry w
3、ill continue to development and unit capacity increasing, the requirement of the unit is more and more high. Not only is the unit availability, operation efficiency and safety of, also put forward higher requirements on the unit reliability and economy. As the core control system of generator, the o
4、peration state of the excitation system directly influences the reliability and the economy of generator.Therefore, it is very important to guarantee the safety and reliability of the excitation system. The state monitoring and diagnosis of excitation system can not only improve the economic perform
5、ance of the maintenance, but also improve the reliability of the system.In this paper, through the analysis of the working principle of the excitation system of synchronous generator, using upwards curve method to establish the dynamic mathematical model of excitation control system, a closed loop c
6、ontrol system of the regulator using the engineering design method is adopted to design. The automatic control system of generator excitation is established, and the system is debugged.Experimental results show that the model and control algorithm are reasonable.And then analyzes the lack of self ex
7、citation of synchronous generator excitation system, puts forward a new type of chopper control excitation system. Analysis of the working principle of this system, all aspects of the mathematical model are established, and the engineering design method design corresponding regulator, according to t
8、he feedback control principle of formation of the automatic control system of self. The experimental results prove the feasibility of the proposed control scheme, and provide some theoretical guidance for the excitation and optimization.Key words:synchronous generator; soaring curve; engineering des
9、ign目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 励磁系统概述21.2 励磁系统的分类21.2.1 直流励磁机系统21.2.2 他励交流励磁机系统21.2.3 静止并励励磁系统21.3 励磁系统状态监测发展前景32 励磁系统的建模分析42.1 建模方法简介42.2 飞升曲线法简介52.3 本次实验的方法及数据处理73 控制器的设计103.1 PID励磁控制103.2 励磁调节器的 PID 算法103.3 调节器的工程设计方法113.3.1 工程设计方法的基本思路123.3.2 典型型系统123.3.3 典型型系统143.4 励磁控制系统的设计163.4.1 PID电压调节器参数整定164
10、开关式自并励励磁系统的硬件设计184.1 同步发电机励磁自动控制策略184.2控制器的设计与应用184.2.1 PWM调制器184.2.2 驱动电路224.3 机械功率输出部分的设计与应用234.4 开关式并励励磁系统功率主回路的设计与应用254.4.1 降压斩波电路简介254.4.2 功率回路分析274.5 检测控制单元285 励磁自动控制系统的仿真及结果分析295.1 动态特性试验295.2 直流电源起励方式295.2.1 起励流程305.2.2 国家相关标准305.2.4 MATLAB仿真图315.3 抗扰动特性试验31结 论33致 谢34参考文献35第 36 页辽宁科技大学本科毕业设计
11、（论文）1 绪论现实生活中，越来越多的同步发电机系统应用于像电站、工厂、舰船等独立供电系统之中。对于系统的建模、计算、仿真受到了许多学者和专家的关注。由于同步电机数学模型建立的抽象性以及计算求解过程的复杂性，给人们的分析研究带来了一定的困难。随着新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，发电机的励磁方式逐渐发展并得以完善。在研究自动调节励磁装置方面，还不断研制并且推广使用了许多新型的调节装置。采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置已经成为主流趋势，并且有其显著优点。目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机辅以相应的外部硬件设备构成完善的数字自动调节励磁装置，使其达到实现自适应最佳调节的目的。同步
12、发电机能够将机械能转换为交流电能。老式的自备电站油机发电机组内，同步发电机的励磁广泛采用直流发电机提供励磁电流来发电。这种传统的励磁方式，是通过整流子进行交流电变为直流电的过程，并且向励磁绕组提供励磁电流只能通过整流子的铜环和炭刷。因此，对维护和保障安全运行方面都带来了诸多问题。为了改进这种励磁方式，过去主要发展了带静止硅整流器的自励恒压的同步发电机，但这种发电机依然存在炭刷和滑环，并且产生无线电磁干扰，仍需要经常维护，没能从根本上解决存在的问题。现代的同步发电机，通过改进和发展，广泛采用同轴交流无刷励磁机和旋转整流器的无刷同步发电机，避免了碳刷使用造成的弊端。日常所述的励磁系统都是对大型发电
13、机组而言的。对于小机组来讲，特别是本设计所针对的单台未并网运行的小型同步发电机，仅用于对发电机机端电压恒定的研究。因此，本设计所用的系统采用励磁电流闭环控制，即在当负载发生变化时，通过斩控电路调节励磁电流的大小，确保机端电压的恒定。此外，因为并未使发电机并网发电，因此本文所设计的系统未加功率因数和无功功率调节功能。本系统在设计之初，考虑到可实现性及可靠性，控制策略采用PID控制，功率器件采用全控型器件IGBT，主电路为电网经自耦器和三相不控整流桥及IGBT给发电机励磁绕组供电。系统控制部分由SG3525搭建的模拟控制器和M57962搭建的驱动电路组成。1.1 励磁系统概述 同步发电机组的励磁系
14、统主要由两部分组成：一部分是励磁功率单元，它向同步发电机励磁绕组提供可调的直流励磁电流；另一部分是励磁调节器，它根据系统的运行情况及性能要求，自动调节励磁电流。1.2 励磁系统的分类从20世纪50年代至今，励磁系统可大致分为以下三类。1.2.1 直流励磁机系统在电力系统发展初期，一般由同步发电机同轴的直流发电机提供励磁电流，即所谓的直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的不断增加，所需的励磁电流也相应增大，直流机的机械整流子在换流方面遇到了困难，限制了它的容量和转速（极限容量和转速的乘积有一上限值，超过这一数值，直流电机的设计与制造就会极度困难）。1.2.2 他励交流励磁机系统随着大功率半导体器件
15、制造工艺的成熟与完善，励磁功率单元可采用交流发电机和半导体整流元件组成新的交流励磁系统。由于励磁电源取自与同步发电机同轴的交流励磁机，故称之为他励。整流器件可根据不同需求采用二极管或可控硅，整流器既可旋转也可静止。1.2.3 静止并励励磁系统静止自并励励磁系统是由接在机端或电网的励磁变压器经过整流器直接给励磁绕组提供电能的。与其他励磁方式相比，静止励磁系统有许多优点，如励磁系统接线较为容易、设备构成较为简单、无转动部分、维护费用小、可缩短发电机主轴长度、可靠性高。从控制角度上讲，用晶闸管整流器控制转子电压，可获得较快的响应速度。静止自并励励磁系统尤其适用于系统内有升压变压器的单元中，主电路的接线方式是将励磁变压器接在发电机的出口端，由于发电机引出线是封闭总线。因此,在励磁调节器控制发电机端电压恒定输出的条件下，机端电压引出线故障的可能性极小，励磁电源的可靠性显著提高。但在电动机组起动时机端存在残压，故会产生起励问题。励磁变压器亦可接在电网上，则无需考虑起励时的残压，因为机组起动时整流桥和励磁调节器已能正常供电。本文采用励磁变压器接至电网的静止自并励励磁方式，如图1.1所示。 图1.1 静止自并励励磁系统结构图1.3 励磁系统状态监测发展前景随着励磁
