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无锡科技职业学院毕业论文自动电压调节器的设计毕业设计（论文）报告题 目 自动电压调节器的设计 系 别 * . 专 业 * . 班 级 * . 学生姓名 * . 学 号 * .指导教师 * . 2011年 4 月摘要：文章主要研究了目前主流的发电机中的自动电压调节器的结构、工作原理、励磁系统，维持同步发电机电压在预定值或按照计划改变端电压的一种同步发电机调节器。当同步电机的端电压、无功功率等发生变化时，根据相应的反馈信号自动控制励磁机的输出电流，以达到自动调节同步电机端电压或无功功率的目的。1FC5发电机的AVR是控制励磁分流量来间接调节励磁电流，从而达到改变主发电机输出电压。它是在T6变压器次级即在静止整流器输入回路的一相与输出直流负极间进行分流。AVR通过改变可控硅的导通角来改变流过固定电阻R1的分流值。可控硅在被分流的一相过零和负半周时关断，在正半周时导通，导通的角度可以每次有所改变，因此它控制精度较高。关键字：无刷发电机 自动电压调节器 励磁调节器Abstract: This paper studies the current main generator automatic voltage regulator in the structure, working principle, excitation systems, maintenance of synchronous generator voltage at a predetermined value or in accordance with the plan to change a synchronous generator terminal voltage regulator. When the synchronous motor terminal voltage and reactive power and other changes, according to the corresponding automatic control of the feedback signal output current of the exciter in order to achieve automatic adjustment of synchronous motor terminal voltage or reactive power purposes. 1FC5 generators AVR to control the flow of excitation points to indirect regulation of the excitation current to achieve the change the main generator output voltage. It is in the T6 transformer secondary that is still a phase rectifier input circuit between the negative output of the DC shunt. AVR by changing the conduction angle of SCR to change the flow through a fixed resistor R1 of the shunt value. SCR being diverted through a phase of zero and negative half weeks off, when the positive half cycle conduction, conduction angle can be changed each time, so it controls the accuracy.Keywords: synchronous generator automatic voltage regulator AVR朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 目 录前言第1章 发电机的构造和原理51.1 无刷发电机的基本结构和原理5第2章 自动电调节器的结构和工作原理72.1自动电压调节器的结构72.2自动电调节器的基本工作原理82.2.1 测量比较单元92.2.2综合放大单元92.2.3 移相触发单元92.3自动电调节器的要求102.4 自动电压调节器各部分作用102.4.1 整流电路的分析102.4.2电容滤波电路122.4.3 综合放大电路的分析132.4.4测量比较电路的分析132.4.5触发电路的分析142.5 调试与运行15结论18附录1 1FC5系列发电机电气原理图19附录2 系统整体硬件原理图20附录3 元件清单23谢辞25参 考 文 献26前言电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它是把其他形式的能量由发电机转换为电能。因此，发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 自动电压调节器作为无刷发电机励磁系统中的重要组成部分，随着它越来越广泛的应用其要求也越是高，性能好，运行可靠也就要求成为必须。1FC5发电机的AVR是控制励磁分流量来间接调节励磁电流，从而达到改变主发电机输出电压的目的。它是在T6变压器次级即在静止整流器输入回路的一相与输出直流负极间进行的分流。这种设计不但控制方便，而且控制功率消耗小。与串联控制相比有较大的优越性。AVR通过改变可控硅的导通角来改变流过固定电阻R1的分流值。可控硅在被分流的一相过零和负半周时关断，在正半周时导通，导通的角度可以每次有所改变，因此它控制精度较高。在功率因数0.81.0时，可以使稳态电压调整率在0.5%以内，也就是说满载的电压降不超过额定值的1%。在发电机需要并联运行时，为使运行稳定、通过调节R2同轴电位器和AVR配合，定可使稳态电压调整率在0.5%2.5%范围内连续可调。在这里本文主要对1FC5系列发电机为例进行基本的介绍。第1章 发电机的构造和原理发电机作为目前使用最普遍的电机之一，在现代社会中有着广泛的应用。在这一章中我们会对发电机做个大致的分类和简单的介绍，并简述其工作原理，以增加对他的了解。1.1 无刷发电机的基本结构和原理传统的交流发电机都是有电刷的，因为旋转的磁场绕组必须通过电刷与滑环才能输之励破电流。六十年代起国外发展了无刷励磁，无刷励磁的发电机由主发电机，交流励磁机、旋转整流器及励磁装置组成。交流励磁机转子产生三相交流电经同轴旋转的整流器整流成直流后供主发电机转子励磁，这样主发电机转子励磁电路就免去了电刷和滑环。而交流励磁机的定子磁场电流由主发电机定子发出的交流电中出一部分经励磁装置整流成直流后提供的。无刷发电机的原理框图如图1-1所示。 图1-1 无刷发电机原理方框图 无刷励磁由于取消电刷与滑环，带来如下优点： 1. 干净，无炭粉，且避免了炭粉对绝缘的不良影响。 2. 安全、无火花，避免了火花产生的电磁干扰。 3. 彻底免去了由于电刷和滑环的磨损而需要经常更换和维修的工作，适合无人机舱及自动化电站。 图1-2 旋转整流器图 每个整流块内装二个串联的整流二极管，其内部结构如图1-2所示。三个整流模块组成三相桥式整流器。压敏模块内装有压敏电阻和电容器，压敏电阻能吸收超过750V的浪涌电压，从而保护了整流二极管。电容器则有效地抑制无线电干扰。第2章 自动电调节器的结构和工作原理2.1自动电压调节器的结构（1） 组成简介 1FC5系列发电机的AVR包括两个组件：调节组件和带有可控硅“补偿”旁路的触发组件，其功能如图2-1所示。（2） 功能 从上图克制发电机的三相电压有测量变压器T7、T8（V型接法）降到24V后加到AVR的端子17、18、19上。当发电机为额定电压时，从整流桥输出端得到约为30V的直流电压，这电压既为调节器中的运算放大器提供实测的脉动信号，同时又为调节器提供电源。 调节组件给输出端15提供110V的控制电压，这个电压正比于被调节带耐压的偏差值。在触发组件的控制回路中，端子15的控制电压和一个锯齿波电压相比较，产生导通角可调节的可控硅的触发脉冲，使可控硅“补偿”旁路的补偿电流与被调节电压的偏差值成比例，因而是相复励装置输给交流励磁机的励磁电流得到调节，从而发电机电压达到自动调节的效果。端子1和5之间的电压高于600V时，过压保护发出信号，使可控硅触发导通。AVR还设有内部电压调整定位器Usoll放大器灵敏度调节电位器Vr和时间常数调节电位器Tn,可以实现给定电压整定、灵敏度调节和时间常数调节，出厂时已调整到最佳状态。1F5C系列发电机的AVR可使单机运行对的稳态电率小于等于0.5%，发电机外特性的线性度非常好。差5%范围内平滑地整定。1、三相整流桥 2、给定值/实际值比较器 3、电源 4、调节放大器 5、顺发脉冲控制器 6、“补偿”回路的可控硅 7过电压保护装置图2-1 自动电压调节器AVR的方框图2.2自动电调节器的基本工作原理 半导体励磁调节器主要由测量比较、综合放大和移项触发三个基本单元组成。每个单元再由若干个环节组成。三个单元的相互作用如图2-2所示。图2-2 励磁调节器的组成2.2.1 测量比较单元测量比较电路时将综合放大的电路信号与额定的基准信号进行比较，将其放大信号后的信号与基准电压进行相减得到的U,再将U作为触发器的输入，使其控制可控硅产生脉冲信号。当使晶闸管导通，当晶闸管则不导通。如图2-3所示。图2-3 测量比较单元框图2.2.2综合放大单元以测量整流的输出作为输入，再经过补偿器、限定器和稳定器3个辅助输入信号，经过处理后输入放大电路将信号放大，如图2-3所示。图2-4 综合放大电路框图2.2.3 移相触发单元 经过基准电压和放大后的信号相比较得到的信号进过同步处理和移相后再形成所需要的脉冲信号，将此信号接在晶闸管的门极和阴极之间及控制晶闸管所形成的脉冲，如图2-5所示。图2-5 移相触发单元框图2.3自动电调节器的要求通常自动电压调节器的要求有稳态电压调整率U和电压设定范围。 1、稳态电压调整率U稳态电压调整率U表征发电机恒压性能的水平。指交流发电机连同它的励磁装置，在规定的原动机转速变化范围内，当励磁调节的整数值不变时，在规定的功率因数下，发电机自空载到满载之间的任一负载下，稳定电压与额定电压之差对额定电压百分比。即U=(U1-Un)/Un式中 U1：一一在规定的负载变化范围内的最大或最小的稳定电压。 Un：一一额定电压。通常同步发电机的稳态电压调整率为土5%，土3%、土1%。IFC5系列发电机则U=土0.5%、相当于工业电子稳压器的水平。可见其稳压精度是很高的。lFC5系列发电机的Un投定在o.5In处。当 1从0.5In减少至0时电压上升的限值不超过400xO.005=2V，I从0.5In上升至In时电压下降不超过400x 0.005=2V，这对用电器是十分有利的。2. 电压设定范围通常要求发电机空载电压超定范围为土5%Un。IFC5系列发电机具备这种功能。它可以用机内(AVR中的电位器UsoII)也可以用机外外接电压整定电位器方便地整定。在特殊要求时，还可扩大整定范围，但此时的输出容量要作适当的修改。2.4 自动电压调节器各部分作用2.4.1 整流电路的分析将交流电变换成直流电的过程称为整流。滤除交流成分，保留或提高直流成分的过程叫滤波。具有整流、滤波功能的电路称为整流、滤波电路。三相整流滤波电路图如图2-6所示。图2-6 三相整流滤波电路综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将六个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图2-7所示。由图可见，通过负载RL的电流以及电压的波形都是单方向的全波脉动波形。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。图2-7 整流电路波形2.4.2电容滤波电路以单相桥式整流电容滤波电路为例分析电容滤波的工作原理，电路如图所示，显然，该电路只是在桥式整流的负载电阻上并联了一个滤波电容C。电容滤波过程见图若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C 充电。此时C 相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。图2-8 电容滤波电路2.4.3 综合放大电路的分析所需要的信号经过整流滤波之后需要经过放大电路处理，其综合放大电路原理如图2-9所示，图2-9 综合放大原理框图其电路主要构成为差动放大电路，它是集成运算放大器的重要单元电路，电路经过差动放大器逐级放大，2.4.4测量比较电路的分析测量比较电路将放大后的信号作为输入，然后与经过稳压和滤波的基准电压进行比较后输出，图2-10为测量比较电路的原理图。U13为输入信号经过放大单元电路放大后的电压，直流稳压电源Ui通过V12、V20使V19两端的电压恒定，以提供基准电压（运算放大器的正输入端）。U13与基准电压相比较，若U13基准电压，U14为-U0（sat），若U13基准电压，U14为+U0（sat）， U14=-1/（R*C19）U13dt；因为R很小，所以U13与基准电压比较的结果被放大后才得到U14。 2-10 测量比较电路 2.4.5触发电路的分析电路将比较放大的信号作为输入，经过稳压，加到V14三极管的基极和发射极两端，基极和发射极之间的电阻上产生的压降用来控制三极管是否导通，再将其输出电压加到晶闸管的门极和阴极之间，用来控制晶闸管是否导通，以此来控制脉冲信号的输出。如图2-11所示。图2-11 触发电路当U14为+U0（sat），可控硅门极电压为正+U0（sat）4.7+0.7V，给可控硅一个导通的触发信号；当U14为-U0（sat），可控硅门极电压为负，可控硅无导通的触发信号。由此可以改变可控硅的导通角。从而改变电阻R30上流过电流的大小。图2-12是用可控硅元件对整流器进行直流侧向交流侧分流的线路。图中采用一只可控硅元件与整流桥中一只整流器反向并联、作分流控制，也就是将可控硅元件的阴极接整流桥的直流侧，阳极接交流侧，进行直流侧对交流侧分流的控制，以作电压校正，从而实现复合控制。当电动机的负载电压偏高时，通过自动电压调节器，使可控硅的导通角增大，R36上流过的电流增大，电动机的励磁电流增大，电动机的负载电压减小；当电动机的负载电压偏底时，通过自动电压调节器，使可控硅的导通角减小，R36上流过的电流减小，电动机的励磁电流减小，电动机的负载电压增大。图2-12可控硅分流电路图2.5 调试与运行（1）、 调试 lFC5系列发电机励磁系统的调试与一般谐振式相复励调试原理基本相同，但是由于设计不同，调试也有它的独到之处。现简述如下, 励磁系统的调整应在发电放热态时进行。先粗调，热态后再精调。(新造的发电机要先充磁，用直流6至24伏，F1为 ( “+”，F2为“-”。)第一步，不带AVR、调差为 0、调节电抗器的气隙，使发电机空载电压在108%至114%范围内，但电抗器的气隙不得大于5mm。然后再调整复励分量的大小，即调整单相电流互感器输出至T6整流变压器上接头位置 ，(三相接头位置尽可能对称)使额定负载时的电压在106%妾110%Un范围内，并且外特性不允许上撬。到此粗调结束。.这是由于AVR的精度高，外特性的直线性好，只要空载和满载这两点在规定范围内就可以，所以调整是十分方便的第二步，做带AVR、调差为0时的空载，满载 (COS=0.8与COS= 1.0)调试，检查数据是否正常。第三步，做带AVR、调差为零时1.O5UN和0.95UH时.的空教、满教调试。第四步，(对有并联运行要求的发电机)带AVR、调控调差电位器，使I = In”, COS = 0时电压下降6%Un, 或 COS= 0.8时电压下降3.6%Un”。第五步，最终调节检查，并利用外接电压整定电位器检查电压调节范围是否满足土5%Un可调的要求。在上述粗调中不带AVR时要求外特性高于最大稳定电压范围，这是为了使发电机并联运行时，不致因欠励而出现功率倒灌，同时保证可控硅调节器经常处于工作状态。 在最终调整后，还要检查空载自励过程。一是自励过程的频率，响应要求起励频率至少为0.Fn以下。二是空戴额定频率时的起励时间应大不于5。此外，还应检查电机器的负载。测量电抗器的 U相电流和U1 -U2，V1-V2、W1-W2之间的电压降，相电流不超过设计值的10%，. 各相电压偏差不超过平均值的15%。否则要进一步检查原因并排除超差的故障。原因可能是电抗器线圈、T6原边、或谐振电容器有问题。适应指出的是由于无刷励磁，实际上起励的时间很短，即起励很快，因此特别要注意安全。综上所述，不带AVR时空载电压器调节电抗器气隙来达到，负强电压调节由调整整流变压器上复励接头的位置来达到。用AVR中的电位器UsoII使电压在95%至105%Un范围内连续可调，也可用外部电压整定电位器使电压在95%至105%Un范围内连续可调。调节调差电位器，可使发电机的电压随着负载电流的增加或COS的降低而下垂。这样就可以使并联运行的各台发电机的电压外特性一致，运行时不需连接均压线，无功分配差度很小。（2）、运行出厂的发电机均按用户要求或标准调整好了，使用时励磁系统不需再调整。本系列发电机可以在低于额定转速下长期运行，励磁系统不会过载而破坏。在运行中发电时的励磁端子(F1和F2)不允许短路，否则将会产生过电压。如果需要灭磁，则必须先将发电机的负载卸掉，再特F1和F2短接。作单机运行，得要稳态调压率O.5%时，只要调节Rz将T4、T5的 副 边短路即可。(调节后必须将R2上的锁紧螺母锁紧)。.不论调节调差(改变外特性斜率)，还是稳定工作电压 (使外特性上下平移)都必须单机进行。在型号相同情况下，整套励磁装置或其中的单个部件均可互换，但是必须拄照接线图和出厂调试记录上原来的变压器接头位置联接。如果几台发电机中点联接，则要测显在各种负载情况下的中线电流，为了防止过热，必须用电抗器或其它设备加以限制，使中线电流最大不超过放定电流的50%。当用户的负载为电流输出后带有源负载，发电机的电压和电流有振荡时，可将AVR中的VR旋钮朝小的方向调、将TN旋钮朝大的方向调，使调节回路的调节作用减弱，电压电流趋向稳定，或者将自动电压调节器AVR切除，改为不可控相复励时需重新调整电抗器气瞅，便外特性阵到UN附近)。lFC5系列发电机在不可控运行时外特性比有则相复励发电机的直性线好，此时稳态电压调整率仍可达土2.5%以内。结论AVR是一种密封电子装置，通过控制低功率的励磁机磁场，调节励磁机电枢的整流输出功率，从而达到控制主机磁场电流，稳定无刷发电机之输出电压要求，具有低频与无输入信号保护装置。这种设计不但控制方便，而且控制功率消耗小。与串联控制相比有较大的优越性。AVR通过改变可控硅的导通角来改变流过固定电阻R1的分流值。可控硅在被分流的一相过零和负半周时关断，在正半周时导通，导通的角度可以每次有所改变，因此它控制精度较高。在功率因数0.81.0时，可以使稳态电压调整率在0.5%以内，也就是说满载的电压降不超过额定值的1%。在发电机需要并联运行时，为使运行稳定、通过调节R2同轴电位器和AVR配合，定可使稳态电压调整率在0.5%2.5%范围内连续可调。AVR设计得是否合理、可靠，制造得是否精良都将直接影响到电机的特性，且直接影响到电机的电压调整率精度、空载电压调节范围。 附录1 1FC5系列发电机电气原理图附录2 系统整体硬件原理图附录3 元件清单序号元 件名 称型号与规格数量（单位：只）1R3金属膜电阻 RTG0.5-56012R6金属膜电阻 RTG0.5-39013R11金属膜电阻 RTG0.5-33K14R10 R13金属膜电阻 RTG0.5-22K25R24金属膜电阻 RTG0.5-1M16R8 R9金属膜电阻 RTG0.5-56K27R12 R34 R38金属膜电阻 RTG0.5-10K38R15 R19金属膜电阻 RTG0.5-47029R7金属膜电阻 RTG0.5-180110R40 R41金属膜电阻 RTG0.5-47K211R16 R17 R27 R28 R2023金属膜电阻 RTG0.5-100K812R26 R31金属膜电阻 RTG0.5-15K214R33金属膜电阻 RTG0.5-8.2K115R42金属膜电阻 RTG0.5-6.8116R29金属膜电阻 RTG0.5-4.7K117R4 R32金属膜电阻 RTG0.5-1.5K218R35 R30 R39金属膜电阻 RTG0.5-1K319R1 R2线绕电