同步发电机励磁自动控制系统毕业设计

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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

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Design of automatic control system for

synchronous generator excitation

Abstract

With the power industry will 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 operation 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 performance 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 control 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 excitation 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 the 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 design

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目录

摘要 ..................................................................... I Abstract ............................................................... II 1 绪论 ......................................................... 1

1.1 励磁系统概述 ...................................................... 1 1.2 励磁系统的分类 .................................................... 2

1.2.1 直流励磁机系统 .............................................. 2 1.2.2 他励交流励磁机系统 .......................................... 2 1.2.3 静止并励励磁系统 ............................................ 2 1.3 励磁系统状态监测发展前景 .......................................... 3 2 励磁系统的建模分析 ................................................... 4

2.1 建模方法简介 ...................................................... 4 2.2 飞升曲线法简介 .................................................... 5 2.3 本次实验的方法及数据处理 .......................................... 7 3 控制器的设计 ......................................................... 10

3.1 PID励磁控制 ..................................................... 10 3.2 励磁调节器的 PID 算法 ............................................ 10 3.3 调节器的工程设计方法 ............................................. 11

3.3.1 工程设计方法的基本思路 ..................................... 12 3.3.2 典型Ⅰ型系统 ............................................... 12 3.3.3 典型Ⅱ型系统 ............................................... 14 3.4 励磁控制系统的设计 ............................................... 16

3.4.1 PID电压调节器参数整定 ..................................... 17

4 开关式自并励励磁系统的硬件设计 ................................... 18

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4.1 同步发电机励磁自动控制策略 ....................................... 18 4.2控制器的设计与应用 ............................................... 18

4.2.1 PWM调制器 ................................................. 18 4.2.2 驱动电路 ................................................... 22 4.3 机械功率输出部分的设计与应用 ..................................... 24 4.4 开关式并励励磁系统功率主回路的设计与应用 ......................... 25

4.4.1 降压斩波电路简介 ........................................... 25 4.4.2 功率回路分析 ............................................... 27 4.5 检测控制单元 ..................................................... 29

5 励磁自动控制系统的仿真及结果分析 ................................. 29

5.1 动态特性试验 ..................................................... 30 5.2 直流电源起励方式 ................................................. 30

5.2.1 起励流程 ................................................... 30 5.2.2 国家相关标准 ............................................... 31 5.2.4 MATLAB仿真图 .............................................. 32 5.3 抗扰动特性试验 ................................................... 32

结 论 ................................................................... 34 致 谢 ................................................................... 35 参考文献 ............................................................... 36

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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统主要由两部分组成：一部分是励磁功率单元，它向同步发

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