QF-62型同步发电机励磁控制系统基本设计毕业设计论文.doc

东北电力大学毕业设计（论文） 题目qf-62型同步发电机励磁控制系统基本设计61摘 要同步发电机励磁控制在保证电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要的作用，本次设计以qf-6-2发电机为主，对其励磁系统进行设计和性能分析。主要路采用自并励方式，用三相全控整流桥整流，根据励磁控制系统的任务，性能，结合工程实际需要，对主回路和控制回路进行设计和选择，同时，适当选择过电压和过电流的保护方式。性能分析部分主要应用自动控制的有关知识，彩用根轨这，时域响应曲线及相应的计算机软件上机进行调试分析，并对发电机并网后的稳定性和对系统的影响作一浅析。关键词：励磁系统 可控硅 自并励 自动控制目 录目 录i前 言1第一部分 qf-6-z型同步发电机励磁控制系统基本设计2第一章 绪论21-1 概述21-2 方案论证及选择5第二章 励磁系统主回路的设计92-1 整流变压器zb的设计92-2 整流回路的原理及分析122-3 半导体励磁系统的保护152-4 整流元件参数确定及元件选择182-5 起励设计232-6 五磁设计24第三章 励磁系统控制回路的设计253-1 控制回路的作用、构成253-2 测量比较单元263-3 综合放大单元323-4 移相触发单元33第二部分 励磁系统的性能分析40第一章 数学模型的建立401-1测量比较单元401-2综合放大单元的传递函数411-3功率主大单元的传递函数411-4同步发电机传递函数42第二章 动态性以分析442-1励磁控制系统的稳定性442-2利用时域仿真校验励磁控制系统的暂态性能指标472-3移态误差的计算49第三章 励磁系统控制对电力系统动态稳定影响及改善的分析493-1同步发电机的动态疗程线性化条件503-2同步发电机动态方程及稳定数据50结 论60前 言励磁系统是同步发电机的重要组成部分。它的技术性能及运行的可靠性，对供电质量，继电保护可靠动作，加速电动机自启动和电力系统的稳定运行都有重大的影响，随着超高压远距离输电系统的建立，以及大容量发电机标幺电抗的增大，也可按电网的条件采用高超响应和高顶值电压的励磁系统。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量，无功功率的分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要的作用。励磁系统是提供同步发电机可调励磁装置的组合。它包括励磁电源装置，自动，手动调整励磁装置，自动灭磁装置，励磁绕组过电压保护装置和上述装置的控制，信号，测量仪表等，为了保证更高可靠性，可根据需要装设备用励磁系统。近年来，国内，外励磁系统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。本文以qf-6-2发电机为例，对其主回路设计，励磁方式以及控制系统的稳定和调节性能进行了初步论述。第一部分 qf-6-z型同步发电机励磁控制系统基本设计第一章 绪论1-1 概述主要技术参数发电机型号：qf-6-z额定容量：6mw定子额定电压：6.3kv定子额定电流：688a转速：3000功率因数sos0.8效率100%:96.4定子接线:y空载励磁电流:95a空载励磁电压:31.7v满载励磁电流:248a满载励磁电压:115.3v同步电抗xd:205.9%瞬变电抗xd:19.9%定子线圈开路时励磁线圈时间常数:6.36s励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。励磁系统一般由两部分组成，另一部分是励磁功率单元，向同步发电机励磁绕组提供直流励磁电流，第二部分是励磁调节器，根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，vx满足发电机运行的需要。无论在稳定运行或暂态过程中，同步发电机的运行状态在很大程度上与励磁系统有关。优良的励磁系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。为此，在正常运行或事故情况下，却需要调节同步发电机的励磁电流，励磁调节应执行下列任务。1、电压控制及无功分配在发电机正常运行情况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。当发电机负荷改变而端电压随之变化时，同干励磁调节器的调节作用，励磁系统将自动地增加或减小供出的励磁电流，使发电机端电压回复到给定水平，保证调压的精度，当机组用负荷时，通过励磁系统的调节作用，应限制机流电压使之不致于过分升高，另外，若几台机组并列运行时，通过励磁调节系统应能稳定地分配机组的无功功率。2、提高同步发电机并列运行时的稳定性。保证发电机稳定运行是电力系统可靠供电的首要条件，系统运行中随时会受到外来干扰，扰动后机组能恢复到原状态或过渡到新的运行状态，则称系统是稳定的。对静态稳定励磁系统能有效地提高静态稳定功率极限，对于暂定稳定强行励磁可减少加速面积，增大减速面积，改善暂态稳定性。对励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应控制信号，经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。对其要求如下：1、系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压的高低以维持发电机电压的给定水平，并能合理分配组间的无功功率和便于实现无功功率的转移。2、对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行要求励磁调节器设有共灵区。3、能迅速反应系统故障，具备强行励磁导控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。4、具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。5、结构简单可靠，操作维护可靠方便，并逐步做到系统化，标准化。对励磁功率单元的要求：1、具有足够的调节容量。2、具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度，励磁顶值电压ufd(h)是励磁功率单元在强励时可能提供的最高输出电压值，该值与额定工况下，该值与额定工况下励磁电压ufd(h)之比称为强励倍数ke，涉及制造成本导因素，一般取1.6-2.0。励磁电压上升速度是衡量励磁功率单元动态行为的一项指标，定与试验条件和所有规定有关。随着励磁系统的发展及系统装机容量的增大，传统的靠利用同轴的直流发电机作为励磁机的励磁方式存在下列问题：一是直流励磁机受制造容量的限制；二是整流子和炭刷的维护麻烦，三是励磁调节大慢，在这些矛盾的解决上诞生了半导体励磁系统。1-2 方案论证及选择1、励磁方式的选择。众所周知，同步发民机的励磁电压源实质上是一个对室的直流电源。为了满足正常运行的需要，发电机的励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。在设计励磁系统方案时，首先要考虑它的可靠性，为了防止外系统故障对它的影响，励磁功率单元应作为发电机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简单方便。在电力系统发展初期，同步发电机的容量大，励磁电流由与发电机同轴的直流发电机供给，即所谓直流励磁机系统。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流子在换流方面遇到了困难，而大功率半导体，整流之体制造工艺又日益成，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁系统，一般都是与主机同轴旋转，为了缩短主轴长度，降低造价减少环节，最近对提出用发电机自身作为励磁电源的方法，即这次设计的发电机自并励系统。同步发电机的主要励磁纹式有两种，直流励磁系统和义流励磁系统。1、直流励磁机励磁系统在电系统发展初期，机组容量不大，励磁电流由与发电机同轴的直流发电机供给，它是靠机械整流子换向整流，当励磁电流过大时，换向很困难，所以这种方式足能在10万kw以下容量机组采用，分为自励式和它励式。2、交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态不同，可分为以下几种：a) 他励交流励磁机系统是指带有他励电源一中频副励磁机可以是静止的，也可是旋转的，所以分为交流励磁机带静止硅整流方式和交流励磁机带转动的硅型整流器（无刷励磁）两种方式，都带有副励磁机。b) 自励交流励磁机系统与自励直流励磁机系统一样，自励交流励磁机的励磁电源也是从本机直流获取的，所不同的是直流励磁机为了调整电压，需要一个磁场变压器，而自励交流机为了维持端电压恒定，则改用了可控硅元件，同样分为自励交流带静止可控硅方式和义流带静止硅整流方式，这两种励磁系统的可取之处是不用副励磁机。本次设计采用的是自并励系统，发电机自并励系统与单元机组厂用电接线类似，发电机的励磁电源取自发电机本身，它的共同特点是用励磁变压器耦合供给励磁，使整个励磁系统没有转动部分。基优点是：（1）励磁系统接线和设备简单，无转动部分，维持费用小，可靠性高。（2）于需由轴励磁机，可缩短主轴长度，减少基建投资。（3）直接以晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压咱应速度，可以近似认为是有阶跃函数的响应速度。（4）由发电机机端取得励磁能量。对于这种励磁方式，人们常有两种疑虑：第一，发电机近端短路时，能否满足强励要求，机组失磁；第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否会拒绝动作。国内外的分析研究和试验表明，这种励磁纹式的缺点，并没有设备的那么严重，在短路刚开始的0.55以内，自励方式与他励方式的励磁是很接近的，只在短路0.55以后才发生明显差别。因此，只要配合快速保护，并适当提高强励倍数，这种励磁方式还是可以采用的。至于带时限继电保护的动作问题，也可采用一些措施加以解决。所以自并励方式被广泛采用。2、整流方式的选择整流电路一般按整流方式可分为可控硅整流和不可控硅整流两大类，可控硅整流又分为：单相半波整流，单相半控桥式整流；两相零式整流；三相半控桥整流；三相全控桥式整流。本设计采用三相全控桥式整流，它从三相半波整流回路发展而来，六个桥臂全部采用可控硅三件，共阳及组和共阴级组都触发导通，与半控桥相比较脉动电压小，且频率高，脉冲间隔60，较半控桥小，所以全控桥动态响应快，调整及时，而且根本解决了先控问题，是目前较为理想的整流方式。3、起励方式选择励磁变压器接在机端的自并发电机，当机组起励后，转速接近额定值后，机端电压为残压，基值太低，励磁调节器触发回路中同步电压太低，不能使发电机建立电压，必须先供给发电机初始励磁，使发电机逐步建立一定电压，此过程为起励。起励方式分为残压起励和他励起厉，而他励起励又分为厂用电起励和蓄电池起励。本设计采用厂用电起励，原因：本设计针对机组有相对独立的机组母线，并且有可靠的自投入电源；厂用电所带负荷较小，所以考虑将厂用电线做为起励电源，从而解决起励问题；励磁变投入，整流桥侧即有全电压整流桥和励磁调节器均能正常工作。4、灭磁方式的选择当发电机内部故障时，以及变压器短路时，必须迅速而又彻底地消灭磁场才能有效地保护发电机。常用的灭磁方式有：单独的励磁和灭磁；灭弧栅灭磁；利用可控硅逆变灭磁；非线性电阻灭磁；放电电阻灭磁。本设计采用放电电阻灭磁，其优点是：接线简单，运行可靠，可满足小的励磁电流的要求，原理和参数计算下一部分。另外，以种灭磁为事故时，正常运行时采用可控硅逆变灭磁即可。第二章 励磁系统主回路的设计励磁系统主回路包括接在发电机出口的整流变压器zb和三相全控整流电路，各元件的保护装置，以及磁、起励回路。主回路的设计旨在使整个励磁系统满足各方面的技术要求和性能指标外，应尽量节省投资，并力标接线简单明了且功能完备。在发电机正常运行时，整流变压器，可控硅在满足各方面的要求时，还要留有一定的裕度，以保证事故时的强励要求，所以，选择的各元件应具备一定的事故过负荷能力。2-1 整流变压器zb的设计整流变压器的作用是提供发电机的励磁功率，是励磁功率单元的核心部分，由于发电机出口电压较高，所以通过它的降压后，能得到适合于整流回路的工作电压。所以通过它的降压后，能得到适合于整流回路的工作电压。另外，它还有隔离和匹配的作用，隔一次系统与励磁系统，使一次系统故障时，励磁系统所受影响最小，并满足容量的要求。1、整流变压器的工作特性整流变压器所接的负载是非线性负载，这是不同于普通电力变压器的方面，另外换流过程造成的损耗大，相当于瞬间短路过程，因此也带来了一系列设计上的特殊要求，首先，非线性的电流可以分解成一系列的正弦波，这些谐波分星使整流变压器的铜损增加，这要求整流变压器设计容量的裕度，比普通变压器大，使整流变压器的效率降低，其次，整流变压器二次侧上出线所用的电缆不能是钢铠的否则高次庇岐分量在铁磁物质中感应使其发热，所以在设计和现场施工中必须充分地予以考虑，否则，在机组投入运行后，可能会发生不良后果。2、变压器变化的确定从改善电力系统运行条件和提高电力系统稳定性来说，希望功率单元有较大的强励能力和快速反应能力，励磁顶值电压是励磁功率单元在强励时，可能提供的最大电压输出值，该值与额定情况下励磁电压的比值称为强励倍数ke一般在1.52.0之间，这里为1.8。（1）变压器二次电压的初步计算。ke=1.8 u1(q)强励顶值电压 u1(e)额定励磁电压则u2=207.54(v)由于采用发电机端提供功率单元的自并励励磁方式。则初选整流变压器变比为=30.36本设计取=31，则u2=203.26(v)（2）整流变压器二次电流的计算。由于采用三相全控桥整流，有i2=248=202.49(a)（3）整流变压器容量的计算se=u2i2=203.26202.49=71.3kva1、考虑到留有一定裕度，故选容量为72kva，变比为31。2、根据初选变压器进行精确计算。对三相全控桥有：1.35u1cosmin=keufd(e)+keifd(e)xr+式中：电压降之和，包括导通两臂的硅元件正向压降，线路电阻压降及转子滑不与炭刷间压降，计算中取24或忽略，此取=4v r换流电抗，对于变压器供电方式，取e等于变压器漏抗，4%8%，对于交流励磁机提供电方式，可采用公式r= ，因此换流过程可视为不对称短路的次暂态过程，此设计为变压器供电，r取为8%。min强励时可硅制角min的值，有的资料建议取min=20，有的资为取min=5，在计算中可根据实际情况，取min=（520），这里取min =20。（1）校验强励倍数：整流变压器漏抗r折算到二次侧为：r=uk=0.08=0.0464强励倍数校验ke=1.998满足强励要求（2）励磁系统三种典型运行方式计算一般按空载，额定，强励三种工况进行计算，计算的目的是看这些控制角是否一般所希望的范围之内，并在调试中将实侧的控制与计算值比较。对三相全控桥有：a)空载时：ufd(o)=31.7v ifd(o)=p5a0=cos-1() = cos-1() =62.5e=180-e=117.5强励电压：u1(q)=keufd(e) 2.1631115.3=24p4054v各种工况计算得下表：i1(q)=keifd(e)=2.1631248=536.4488au（v）i（a）a空载31.7p582.197.9额定115.3248117.5强励249.4054536.448810170由表可知，选定的变压器以及控制角能满足各种工况下的运行要求。为消除高次谐波的影响，特别是三次谐波的影响，至少有一侧为型接线，故采用y/11接线，冷却方式为油浸自冷式。2-2 整流回路的原理及分析本设计的主回路中整流回路采用三相全控桥式整流。三相全控桥电路是六个桥臂全部采用可控硅元件。如（a）图共阴极和共阳极组都可触发相继导通。如图示a.b.c点分别为可控硅scr1，scr3，scr5的自然换相点，c,a,b点分别为可控硅scr2，scr4，scr6的自然换相点。图（b）电压波形图分析知，可控硅scr1scr6触发脉冲的次序应为scr1，scr2scr6且触发脉冲的间隔依次相差60电角度，为保证后一可控硅触发导通时，前一可控硅处于导通状态，要求触发脉冲的宽度大于60的电角度，或者在给一可控硅触发脉冲的同时也给前一可控硅以触发脉冲，形成双脉冲触发。并以a,c,b,a,c,b点为起点的180区间内发出，使触发脉冲与相应交流电压保持同步。下面分别讨论一下，在各种控制角情况下的整流情况，见下面图：a=30时，在触发脉冲ugb,ug1作用下，scr6，scr1导通，输出电压umn=uab，经60电角度后，在ugl,ug2作用下，scr1保持导通，scr2也导通，因此时b相电压高于a相电压，scr1在反相电压uba作用下关逝，输出电压umn=uab,以下的工作状况相类推，作出umn波形如图a所示，a=60时的整流输出电压波形如图b所示，与a=30类似，当60a0,故在负载中建立电流ifh,到wt2时刻uab=0，负载电流ifh有减少的趋势，在负载电感l中产生感应来势来阻止ifh的减少，其极性如图中所示（n端为正，m端为负）这一电势对于scr6，scr1来说是正向电压，因而ifh通过scr6，电回路scr1流通，如图（d）中头所示。（a图：控制角a=30时全控桥umn波形）。（b图：控制角a=60时全控桥umn波形）（c图：控制角60a90时全控桥umn波形)在wt2以后，虽然b相电压高于a相电压，即uab0,但负载电感lk感应由势数值tbuab大，故scr6，scr1仍处在正向电压下，保持导通状态，因此在wt2wt3区间内，umn=uab0的反向电压而关断，scr6中电流转换到scr2中，输出电压umn=uab，以后的工作状况与上述类似，作出umn波形如图c所示。由c图可见，输出电压umn瞬时值有负值部分，在60a90条件下，正值部分面积大于负值部分面积，因而总的平均值仍是正值，当控制角a增大时，正值部分面积减小，负值部分面积增大，总的平均值降低，当a角增大到90时，正值部分面积和负值部分面积相等，输出电压平均值降为零，即umn.p5=0。综上所述，当三相全控桥式整流回路工作的整流状态时，控制角a应小于90 ；在电源变化一周期内，umn的波形分为均回六段，每段内的平均值即是umn.pi求得为umn.pi=1.35u-.cosa,可以看出，当a0,电路工作在整流状态，改变控制角a，就可以改变umn.pi的大小，满足自动调节励磁装置对自控硅实行控制的要求。2-3 半导体励磁系统的保护整流装置中的硅元件是半导体励磁装置中的重要器件。为保证它们安全可靠地工作，除了提高硅元件的产品质量，正确选择硅元件的参数之外，还必须在装置中适当地采用保护措施。主要是过电压及过电流保护。（一）过电压保护产生过电压的原因，除了大气过电压外，主要是由于系统中断路器操作过程，以展示控硅元件本身换相关断电压，在电路中激起电磁能量的互相转换和传递引起的过电压。过电压的来源：1、由输电线路供电的降压变，因进线遭雷击或静电感应过电压时，变压器副方也产生过电压。2、整流电源变压器高压侧合闸的瞬间，由于高压绕组与低压绕组之间的分布民容与低压绕组对铣芯之间的分布电容的耦合，使得高压侧入侵电压按电容反比分配给低压侧，尤其是变比较大的变压器，低压侧感应过电压的倍数就更高。3、变压器高压绕组的漏抗与低压绕组分布电容组成振荡回路，在变压器合闸瞬间，突然加工厂创跃电压，产生过电压。4、当以高压侧数开空载变压器时，由于激磁电流及其成比例的磁通量突然消失使变压器绕组感应很高的瞬变过电压。5、当整流装置负载被切除，或整流装置有直流侧开关断开时，在交流电源回路的电感上，特别在整流变漏抗止因电流突变而产生过电压。6、处于导通状态的硅元件，体内积蓄载流子的存在，当施反向电压时，原来积蓄的载流子会以硅元件流出形成反向恢复电流，当恢复电流被迅速截断时，电感上会感应出高电压。7、当发电机在运行中突然短路或先步时，在转子励磁绕组回路将产生很高的过电压。由此可见，有多方面原因引起过电压，威胁硅元件的安全工作，而硅元件承受过电压的能力又较低，因此必须采用抑制过电压的保护。过电压保护1、阻容保护由电阻，电空串联形成的rc过电压保护原理，利用电容器而商奄压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了减少引起电感，电容应尽量靠近元件处，一般采用并联方式。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开断瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率di/dt，以及避免电容与电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻。从而构成阻容吸收保护，一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧，下流侧及硅元件本身的过电压保护。阻容保护元件参见下一部分。2、压敏电阻在敏电阻一般是由氧化锌掺杂化锌，再有其它多种金属氧化物烧结而成的陶瓷基片的非线性电阻，是有齐纳二极管的非线性仗安特性。如图（a）在正常电压下，压敏电阻呈高阻状态，流过只有极其微弱的泄漏电流。当发生浪涌（异常）过电压时，境界层便迅速变为低阻抗，使浪涌电流通过，被压敏电阻吸收掉，过电压得到了抑制，与硒堆等非线性元件比较，其特点有：（1）非线性系数大，残压低，抑制过电压能力强，i=ku，式中k为器件常数，a为非线性系数，相当于器件静态电阻与动态电阻的比值，即（u/i）/（du/di）。（2）通流容量（浪涌承受量）较大，伏安特性对称，交直流均可使用。正反浪涌均可吸收。（3）漏电流水。（4）可靠性较高，本设计采用压敏放电阻做为直流侧的过电压保护。3、硒堆吸收装置由若干片掺入适当杂质的硒片，互相串联组成硒堆吸收五环节，可以获得与齐纳二级管相似的转折特性，原理当外加电压超过转折电压时，反向电流侧隐剧真加，可抑制电压的上升。如果浪涌电压的能量地大，使硒堆出现击穿电流，由限制电压u上升到极限电压时，在硒堆片之间将有放远销点发生击穿。引起硒的蒸发，但吸收浪涌电流之后，小孔自行恢复，即是有“自愈”特性，其特点是：正常运行时，基本上不吸收多大的功率，发热量小，使用上具有任意组合的灵活性，但是体积较大。容量受朝而特性改变。（二）过电流保护引起整流元件过电流的原因大致为：（1） 励磁回路某处发生短路。（2） 整流桥中某一元件坪，引起其它元件过电流。（3） 发电机过负荷，因电磁感应关系，可控硅整流回路中，也将引起冲击过电流。由于硅整流元件过载能力很差，其原因是可控硅过载时，将导致结温升高，当升高到180以上时，可控硅反向漏电流急剧上升，最后将导致pn结被烧毁，安全失去整流作用，因此，常采用快速熔断器，快速开关，以及快速过电流继电器等保护措施。在本次设计采用了快速熔断器的保护，快速熔断器是过电流保护中最简单的一种方式，它是专供半导体元件使用的，它的结构简单，而且保护范围广，能保护内部故障，外部短路，逆向电流及某些过载等因素引起的过电流，它是有极优越的快速性，与普通熔断器相比在同样的过载倍数下，它的熔断时间要短得多。2-4 整流元件参数确定及元件选择由于整流元件过负载能力相对励磁变压器而言要差一些，因此在整流元件参数的选择一般都以整流元件所允许通过的最大电流以及所能承受的最大反向压降来决定。在三相全控桥中，各种电流以最强劲时最大。并且应考虑元件工作的可靠性与经济性。1、scr元件额定电压vte的计算。桥臂的反向工作电压最大瞬时值varm=u1=203.26=287.41v可控硅的额定电压，即重复正向阻断电压varm或重复反向峰值电压的计算；选择时应与使元件的额定正向与反向电压比实际工作中所承受的正向与反向峰值电压最大值高2倍以上（考虑到电压波动及抑制后的过电压）。故按下式计算：vte=varm=kv.kcg.varm式中：kv电压裕度尔数，为提高可靠性，取值大于2，在此取2 kcg过电压冲击系数，取1.31.6，视过电压保护完备情况而定，此取kcg=1.4 kb电源电压升高系数，通常取1.051.1，此取1.1 则vte=21.41.1287.41=885.22v2、scr元件额定电流it（av）的计算。额定工况下，由于流过可控硅的电流量是方波，一周期导通三分之一，且整流下直流侧电流id(e)=ifd(e),桥臂平均电流ia(av)= ifd(e)= 248=82.67,由此可选硅元件的额定正向平均电流为：it(av)=kiia(av)=(3-5)ia(av)=(248413.33)aki电流裕度系数，此取33 强励工况下： ifd(q)=keifd(e)=2.1631248=536.4488aia(av)= ifd(q)=178.8163aia(av)=ki ia(av)2.2178.82=393.40aki强劲工况下电流裕度系数，此取2.22-5交直流侧保护参数计算整流变压器（励磁变压器）参数有vk%=5%，iq%=1.5%se=72kva v2=203.26v i2=202.4pa则v（0）2=5%203.26=1016vi(0)2=1.5%202.4p=3.04a1、阻容保护交流侧：cs交流侧：cs=10000=10000=59.84frs=(0.30.36)=1.001.20所选电容量的额定电压，应小于交流侧最高工作电压，峰值的1.11.5倍，即vce203.26 1.1=316.15v，故选400v。电阻功率取：pr=（23）（0.25i(0)2）2r =（23）（0.253.04）20.35 =（1.161.73）0.35 =0.410.61wr取 0.35直流侧：cd=70000=70000=418.88frd=0.1=0.33pr=(23) rd =(4.56.23)w式中 ：v8纹1皮电压，取频率最低，幅值最高的谐波电压 fn与vn对应的谐波频率hz2、关断的过电压保护防止元件关断过程引起的过电压，可以在每个硅元件的两端分别并接阻容保护cb.rb，其值可按下式计算。cb=(25)it(av) 10-3rb=(13)式中lc变压器漏感，h式中lc|变压器漏感h3、硒堆吸收装置每串硒堆的牌数n可按下式选择n=（1.31.5）vl/vn=(1.31.5)203.26/20=13.215.24片式中：vn：硒堆每片反向电压有效值，通常有20，25，30，40等12户等吸规格，此处取vn=20v，因为它的特性较好，此处取15片。vi：被保护电路的线间电压有效值（v）4、压敏电阻保护（浪涌吸收器）采用人形接线，按下式来选择标称电压u1ma1.33u=1.33203.26=382.25v 故选600v式中u：代表相电压有效值采用形接线时，按下式计算。u1mak6u/0.9=1.05203.26/0.9=335.31u式中：k6为电网电压升高系数，一般为1.051.10，此取1.05，其值可根据整流装置具体情况而定。u：线电压有效值5、转子过电压保护种类：（1）阻容保护 （2）硒堆做成的浪涌吸收器 （3）转子放电器 （4）可控硅跨接器 （5）非线性电阻rnl本设计选用（1）（2）（3）（5）配合使用，如下图：（1）阻容保护：正常时电阻要消耗一些功率，若为减少功率而加大电阻，又影响限制过电压的效果。（2）硒堆做成的浪涌吸收器：正常运行时消耗功率不大，使用时可注意组合，早期小容量的整流励磁装置上采用此种保护。（3）转子放电器：采用具有磁吸熄弧间隙放电特性的放电器，作为转止过电压保护，结构简单，正常时可耗功率。（4）非线性电阻rnl，在同步发电机上采用非线性电阻与大局磁绕组并接，作为非线性电阻灭磁，同时，又兼做电压抑制装置。发电机灭磁开关虽可做发电机内部故障时的快速灭磁，但对于大容量的机组，通常的灭磁开关难于完善地承担灭磁任务时，也还可依靠其它的转子过电压保护器件的合理配合来减轻灭磁开关的负担。6、过电流保护本设计采用具有快速熔断特性的熔断器，其熔断时间一般在0.015以内，专门用作硅元件的过电流保护的器件。通常是每个硅元件串联一个快速熔断器，熔体额定电流计算如下：首先，熔件的额定电流应等于硅元件额定电流的有效值，即：ir=1.57it(av)=1.570.3=0.471ka再次，熔体的熔断特性的值与整流装置中元件的短时过载能力相配合2-5 起励设计本设计采用自并励励磁，功率单元电源来自发电机机端。由于发电机启动时残压较低，提供的功率和电流可能使发电机自身空载电压达到额定值。这时励磁调节器中的触发电器，由于同步电压太低，还可能正常工作，可按硅平开放，平能送出励磁电流使遇机建立电压，因此必须采取措施，先供给发遇机的初始励磁使发电机逐步建立起一定的电压，这一过程称为起励。励磁变压器接在机端的情况下，起励措施有两类：第一类称为他励起励，即另没起励电源及起励回路，供给初始励磁，另一类称为残压起励，利用机组剩磁所产生的残压，供给初始励磁。本设计采用他励起励，起励电源取自厂用低压母线，因为厂用母线一般情况下常带电，所以可靠性比较高，另外厂用母线带负荷不大，所以可以提供足够的功率来初始励磁。考虑到本设计是6mw的大功率发遇机，要求起励容量比较大，故可用蓄电池起励，必要时，作为后备。原因是如果起励电源是厂用电，当厂用电消失时机咀就可能起励，这尤其是对于系统弱联第的电站更为重要。厂用电起励原理图如图，起励电源用厂用电经整流即可，zc为直流接触器，担任起励回路的接入及切除，起励时接解器zc闭合，由起励回路供给初始励磁电流，发电机电压使逐步升高，当达到成超过发电机电压额定值的30%，则断开起励回路，进行自并励。起励电源的容量估算如下。当发电机达到容载 f的30%，相应的转子励磁电流约为发电机空载额定电压时转子励磁电流ifdo的40%，故需起励电源功率约为发电机定载额定电压电源功率的12%，约折合额定励磁功率的2.5%即se=se=72=1.8kva为了较快速建立发电机电压，按10s内计算，这样选择的起励电源电压大约为额定励磁电压的1/4，即u2=vfd(e) =115.3=28.83v如选厂用母线380v，则考虑留有一定的裕度，u2取40v，则要求起励电压度比为380/40=9.5，容量为20kva的变压器，作起励度。2-6 五磁设计发电机五磁方式很多，有：1）单独励磁机五磁 2）放电电阻五磁3）非线性电阻五磁 4）五弧栅五磁5）可按硅逆变五磁本设计应用放电电阻五磁，非线性电阻作为辅助五磁。其五磁原理如图（a），发电机正常运行时，五弧栅开关fmk处于合闸状态，励磁机l经触头fmk，供给发电机转子励磁电流ifd，五磁时fmk，跳闸、触头fmk2，首先闭合，使发电机转子的励磁绕组接入放电子表电阻rm然后断开触头fmk，以防止转子励磁绕阻从励磁机切换到放电电阻时发生开路而产生过电压。rm(45) 0.846=3.3844.23()第三章 励磁系统控制回路的设计3-1 控制回路的作用、构成可按硅励磁系统控制回路又称为半导体，励磁调节器它的基本任务是测量发生电机端的电压偏差，并与辅助装置送来的稳定限制，补偿等信号综合放大，然后作为控制信号作用于移相触发单元来改变励磁功率单元之中触发脉仲的相角，得以控制可控硅导通的大小，使可控硅整流回路输出的励磁电流适应负载的需要，以保持发电机端电压的恒定，其自动励磁调节器的好坏，决定着励磁装置能否稳定，持久，可靠运行。因此它是励磁系统的一户重要环节。励磁调节器工作时，当vf降低，输出电流增大，它与励磁机配合，控制发电机端电压的自动调节，在电力系统运行中自动调节器应有比例自动调节的基本调节特性。励磁调节器由基本装置和辅助装置两部分组成，基本装置是主体部分，包括侧量比较、综合放大，移相触发异单元。3-2 测量比较单元测量比较单元是调节器的敏感单元，作用是测量发生机电压并变换为直流电压信号（测量整流电路）与给定的直流基准电压进行比较（比较整定电路）最后送出发电机电压偏差信号ub.测量比较单元的组成，如图3-2图3-2 测量比较单元组成1、调差环节设计及分析调差环节的作用在于人为地改变调节器的调差系数，以保证并列运行机组间无功功平稳定合理的分配。图3-3基本装置调差电路的原理图，在此电路中，测量变压器zb副边输出的a、b、c相上，a相调差电阻ra接b、c相电偏差，b相调差电阻rb接c、a相电流差，c相调差电阻rc接a、b相电流差，输出相电压为：va=va-ibcravb=vb-icaravc=vc-iabraa) cos4=1（纯有功负载） 加在测量变压器原方的电压三角形abc与原来的发电机电压三角形abc基本上相等，即调差装置平反应有功电流。见图3-4（a）b) cos4=0（带纯无功负载）加到测量变压器原方的相电压是发电机电压互感器的副方电压与无功电流所产生的附加电压的代数和，使得电压三角形abc大于原来的电压三角形abc，这样测量变压器感受到的电压大些，经调节器的作用自动减小发电机励磁，使发电机电压下降，因而增大了调差系数图3-4（b）c)0cos41这时定子电流可分解为有功电流分里和无功电流分里，从上通分析可知，电压三角形abc仪与无功电流有关，基本上与有功电流有关，abc仍为一等边三角形，随无功电流分量的增大而增大，测量变压器感受到的发电机电压“虚假”上升，使调节器作用于减小励磁，降低发电机电压，因而增大了调差系数3-4（c）为了使调差系数在需要的范围内调整，调差电阻一般由若干段电阻串联组成，由转换开关调整（分档），逐档增减调差电阻时，调差系数也相应增减，一般可在05%范围内调整。2、测量整定环节本设计采用三相桥式整流，如图3-5，测量变压器cb原方为三相，副方有两组三相绕组分别接到两组三相整流桥，两桥在直流侧并联，接线组别为/-12，/y-11，两组相和30对元相桥式整流的直流电压按富氏级数展开，得vd=0.987vm(1+cos12wt-cos24wt+)其中式中vm=v2 v2一线电压幅值由上式知，元相桥式整流输出电压中最低次交流谐波频率为基波频率的十二倍，当电源频率为50hz时，最低次谐波频率为600hz，其副值为直流分量的1.4%，基佗高次谐波，频率愈高其幅值愈小，所以六相整流后直流电压不是很平稳。3、滤波电路为了提高调节器在电力系统平对称短路情况下调节的灵敏度，励磁调节器中通常在测量变压器与励磁电压互感器之间装有正序电压滤波器，作用是当电力系统发生平对称短路引起三相电压平衡时，正序电压滤波器输出对称的，数值降低了正序电压。测量整流电路输出的是脉动的直流电压，除直交流外还有少量谐波分量，为了整定电路和在平滑电压下良好的工作，所以应有滤波电路，针对元相整流桥的设计，滤波电路选择桥式滤波器，其原理是滤去某一选定频率的谐波电压，由于它能快速地反应输入电压的变化，滤波器的时间常数很小，所以又称为快速滤波器，当输入谐波电压的频率等于滤波器波过频率fo时，电桥处于平衡：=式中：z3r3 c1串联支s路阻抗 z4r4 c2并联支路阻抗多相整流的谐波电压中最低次谐波的幅值最大，称为主谐波是选频滤波的对象，对于六相桥式整流应选600hz。此外，可再加一层型波器，相当于一级电容滤波和一级t形滤波，先经电容滤波滤去一部分交流成分，然后再由t型滤波器滤去一部分交流成分，由于经两级滤波，使交流分量大大降低，输出电压的脉动更小。4、比较整定电路比较整定电路是侧量比较单元的核心环节，它的任务是进行电压比较和电压整定。电压比较，通常是把侧量整定电路输出的与发电机端电压比例的直流电夺vc（称为测量电压）与比较电路中的基准电压相比较，输出一个与电压偏差成比例的直流电压vb作为输入列综合放大单元的电压偏差信号。电压整定，一般是调整整定电位置器滑动触点的位置，它的作用是改变发电机给定值。励磁调节器中，模拟式比较，整定电路通常采用由稳压管和电阻组成的桥式电路，常用的有对长工比较桥和不对称比较桥，本设计采用的是对称比较桥电路。如图（a）当输入的测量电压vc由0逐渐增加时，第一条支路中，在稳压管wy1击穿以前，可以看成为开路，支路无电流通过vcb=0，当vc等于或大于稳压管的wy1击穿电压vw后，第一条支路的电流通过，v点电位上升，而第二条支路在wy2未击穿以前，p点电位随随入电压逐渐升高，当vc-vw稳压管wy2击穿后，vbo=un保持平度，比较桥输出的电压（比较）vb取自对角线c点和d点，cd两点的电位差，为比较桥的输出特性。为了使发电机端电压在一定范围内可以人为调整，比较桥的整定电压值vz应能在一定范围内改变，通常采用电位器分压或降压的方法来调节整定电位值，当接入分压电路，电位器w1，在某一位置时，比较桥的实际输入电压usruc，必须vc更大一些，支路2的稳压管才被击穿，其输出特性如b图2，其斜率少了一些，同理1的斜率也减少一些，曲线1与2之差的输出特性4，其整定电压值vz变大了，而工作段的斜率减小了，改变整定电位器w1，滑动触点的位置，可得到不同的输出特性和整定电压值w1，滑动触点处于中间位置时，对应于发电机空载额定电压，上、下调节器滑动触点的位置，可以改变整定电压的15%3-3 综合放大单元综合放大单元是半导体励磁调节器中沟通测量比较单元，与移相触发单元的一个中间单元，它不仅有效放大信号和综合信号以及功放输出入限幅等任务，并且能实现多种调节规律，由于它放大的是缓慢变化的信号，所以采用的是直流放大器。半导体励磁调节器中综合放大单元的任务是：根据励磁调节装置应实现的功能，线性地综合测量，反馈以及限制等直流信号，并加以放大，用来得到满足移相触发单元所需要的控制电压。对综合放大单元的要求是：1）具有线性地综合多个输入控制信号的能力。2）具有较高的运算精度3）反应速度快，时间常数小4）工作稳定，输出阻抗小，带负载能力强。同时考虑到运算放大器具有：（1）开环放大倍数相当大，并引入深度负反馈。（2）零点漂移相当于小等特点，本设计采用集成元件运算放大器构成的励磁调节器综合放大单元，同时在其余输出端外接一级互补射极跟随器，作为功率放大，其电路如图3-7所示。此电路是由商放大倍数的固体组件放大器加上深度负反馈，以及输出输入限幅和功率放大等环节构成，输入端可综合我种信号，包括比较整定电路率和电压偏差信号以及其他控制附加信号，集成元件放大经负反馈电阻构成闭环后，闭环放大倍数由几倍到几十倍可调，转换开关hk改变固定的负反馈电阻作为精调，电位器w4作为放大器的放大倍数细调。运算放大器的输入端和输出端均外接二级管双向限幅电路，且根据移相触发单元移相范围的要求，把控制电压vk限制在一定范围内。集成元件运算放大器本身带负荷能力较差，则在输出端外接一级互补射跟随时器，作为功率放大，限制电阻r10、r11可防止跟随器输出端短路进烧坏管子，其阻值根据输出t1、t2管元件最大集电极电流计算和选择。当然，电阻值可能太大，否则会降低输出级功率。外接调零电路（w1）用来保证输入电压为零时，输出电压也为零。可采用稳压电源经电阻与电位器分压，引入同相输入端来辅助调零。外接消振电路（c1、rb）用来消除高频自激振荡，用rc消振比单独用电容消振好，且消振后的频带较宽。3-4 移相触发单元半导体励磁调节器中，移相触发单元的任务是产生可以改变相应的脉中，用来触发整流桥中的可控硅，使其控制角随综合放大来的控制电压vk的大小而改变，从而达到自动调节励磁的作用。移相触发单元的组成图如3-10，一般由同步、移相脉冲形成，脉冲放大等几个基本环节组成，为了改进脉冲质量，可加上整形、放大、反馈等辅助环节，本设计设加但为了更好地可靠性，本设计加了一个自动跟踪手动控制部分，在pc断线进可以自动切换到手动控制。（一）移相触发的手中类半导体励磁调节器的常用的移相触发电路有下列四种：1、单结晶体管触发电路，直接输出脉冲去触发。在中、小型机组中应用较广。2、锯齿波移相触发电路，以锯齿波作为同步电压，线性度好，对称度也好，移相范围较宽。3、余弦波移相触发电路，以余弦波作为同步电压，因而整流桥输出的直流电压与机端电压变化线性关系。线性度好，在大中型机组成应用较广。4、单稳态移相触发电路，采用控制单稳态触发器暂移时间的方法来接制输出脉冲相应，线性度稍差。基于综合原因考虑，本设计是6mw的大型机组，故采用线性较好的矩齿波移相触发电路。（二）同步电压的要求可控硅整流电路要求在可按硅每次随正向电压的时候。向它的控制级发出触发脉冲，而且当控制电压一定时，每个周期送出的第一个脉冲对应于阳极电压的时刻去应相同，即控制角义相同，可控硅触发脉冲与主回路之间的这种相应配合关系为同步。三相合控整流电路中，共阳极组的可控硅是有在基阳极电位最高的一般区间内有才可能导通，艺阳极组的触发脉冲在这一区间发出才有效。三相触发脉冲按+a、+b、+c相的顺序相隔120，同理基阳极组的三相触发脉冲按-c、-a、-b相顺序隔120发出，这样六相