（电力系统及其自动化专业论文）发电机动态模拟实验系统的研究与开发.pdf

a b s t r a c t ，_ - l h eg e n e r a t o ra y n a m l cs i m u l a t i o ni sas y n t h e s i se x p e r i m e n ts y s t e m b a s e d0 1 1 h i g h l ya u t o m a t i cs i m u l a t i o ng e n e r a t o ro p e r a t i o no fm o d e m e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m t h ep l a t f o r mc a np r o v i d ee l e c t r i c a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n tw i t h a c o m p r e h e n s i v ep h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l s y s t e mo f e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，a n dt h er e q u i r e m e n t so ft h eo p e n n i n g ， i n n o v a t i o na n d c o m p r e h e n s i v e n e s sc a nb es a t i s f i e d b a s e do nf u r t h e rr e s e a r c ho ne x i s t e de l e c t r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ， a n dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no ft h i s s y s t e m ， a n i n t e g r a t e dc o n t r o lp a t t e mw i t hs p e e dg o v e r n o r ，e x c i t a t i o na n du n i t c o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm o d u l ei si n t r o d u c e dw h i c hi sf i tf o re x p e r i m e r i t s y s t e m e n t i r es y s t e mi sa no p e nm o d u l a r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，m a i n l y c o m p o s e do ft h ep r i m em o v e rg o v e r n o rm o d u l e ， e x c i t a t i o na d j u s t o r m o d u l e ，u n i tc o n t r 0 1m o d u l ea n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e g e n e r a t o rd y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ep r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o no f p r i m em o v e ra n de x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sa n a l i z e d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l f o re x c i t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d ， a n dt h em e c h a n i c a l f u n c t i o no fd ce l e c t r o m o t o rb ye m p l o y i n gb i o f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m t os i m u l a t et h es e l f - b a l a n c i n gc h a r a c t e r i s t i co ft u r b i n ei s i m p r o v e d m o r e o v e r ，s c re x c i t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o np r o g r a mi se m p l o y e dt o s i m u l a t es e m i c o n d u c t o rs e l f - p a r a l l e le x c i t a t i o na n ds e p a r a t ee x c k m i o n b a s e d0 1 1p l ct h ep r i m em o v e rs y s t e ma n de x c i t a t i o n c o n t r o l l e r e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o nd e v i c e sa r e d e s i g n e d o nw h i c ht o t a l d i g i t a l i z a t i o no fp r i m em o v e rs y s t e ma n de x c i t a t i o nc o n t r o l l e rc a nb e r e a l i z e d a n dd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea sw e l lw a sa l s o c o m p l e t e d t h ef l o wd i a g r a mo fu n i ta u t o m a t i co p e n i n ga n d p a r k i n gi sd e s c r i b e d t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e np l ca n dt o u c hs c r e e nc a nb ec a r r i e do u tb y u s i n gm a c r oc o m m a n df u n c t i o na n dm o n i t o r i n gf u n c t i o ni ns y s t e mi s i n t r o d u c e d ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dc o m p u t e ri sr e a l i z e db y c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，f r e e p o r tc o m m u n i c a t i o na n dm o d b u sp r o t o c 0 1 s t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es e l f - b a l a n c e n c h a r a c t e r i s t i co fp r i m em o v e rg o v e r n o ra n d s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r e x c i t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nc a nb eb e t t e rc o n t r o l l e db yt h ee x p e r i m e n t d e v i c e t h ec o n t r o lp r e c i s i o n ， r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e mh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y 1 1 1 ev a r i o u sk i n d so fp a r a m e t e r s m a ym e e tt h ea n t i c i p a t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t si nt h es c h e m ea n di th a s b e t t e rp e r f o r m a n c ec o s tr a t i oa n d p r o d u c t i o na p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：g e n e r a t o r ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a ld e v i c e s p e e dc o n t r o l l e r ；e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：互毕 园期：丛年上月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：斗导师签名纽n 日期：盟年上月- 日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 国民经济和工业生产的迅速发展对电力系统提出了越来越高的要求，电力 系统正在不断的发生变化：发电机组的容量越来越大，远距离电力传输的电压 越来越高，电力网( 输电网和配电网) 的区域也越来越大。相应，在理论上和实 践上出现了许多垦待解决的问题：各种新型的理论需要加以验证，各种新技术 和新设备需要进行试验等等。而由于电力系统对其运行的安全性和可靠性有很 高的要求，因此在实际电力系统进行实验常常受到很多限制，不可能进行充分 广泛的实验，有些实验甚至是不可能在实际系统中进行。电力系统动态模拟是 解决这一问题的重要方法之一，也是对实际电力系统进行研究、设计、和运行 的一个重要有力的实验工具i l - 3 i 。 模拟也称仿真，是一种专门用来进行试验研究的方法。它不是直接对某一 实际系统或实际过程进行研究。而是利用模拟理论建立一个对被研究对象进行 研究的物理模型。求得模型结果。由此而得到原型系统的结论【4 - 5 1 。 电力系统动态模拟的实质就是在实验室中根据相似性原理建立电力系统的 模型研究电力系统的特性。电力系统模拟手段可分为：物理的和数学的。物理 模型反映了原型的物理过程，现象直观、丰富，能直接带模拟式自动化装置， 但使用不够灵活，不可能模拟很复杂的系统，建造比较困难；数学模拟就是建 立数学模型，这种方法比较灵活、计算精度高、能模拟很复杂的系统、计算数 据能处理和存储，但实时性差，直接带模拟式自动化装置困难 6 - 7 1 。另外，由于 人们对实际设备的认识有限，数学模型并不能完全反映原型的物理过程【8 】。由 于两种手段各有特点，所以在许多情况下不能互相取代，应该相互补充。 电力系统物理模拟的内容包括 9 1 ：同步发电机、同步调相机及其励磁系 统的模拟。电力变压器的模拟。输电线路的模拟。负荷的模拟。原动 机和调速系统的模拟。系统中其他元件的模拟。 原动机仿真系统，是电力系统动态模拟实验室重要的设备之一，主要包括 调速器仿真和原动机自平衡特性的仿真，通过电力系统的动态模拟技术，它把 电力系统中的设备或元件都放到了实验室内，组成室内电力系统，用来在实验 室里对电力系统的真实原动机( 主要是水轮机和汽轮机) 及其调速器进行模拟， 以便于研究电力系统中的大干扰问题和机电暂态过程【肛1 1 】。原动机仿真系统， 无疑是对电力系统和原动系统进行研究的最经济、最便利而又安全的重要工具。 同时模拟励磁系统可用于在动态模拟实验室中研究励磁系统的性能。实际 励磁系统在现场试验时，为了测量励磁调节器的动态特性必须在工业现场开启 发电机，使整个机组全部运行起来。而每一次试验都是对发电机或电网的一次 硕士学位论文 第一章绪论 冲击，发电机必须承受多次启停和多次冲击才能完成试验，同时在试验中还要 消耗大量的燃油或水。即使是这样，有的试验仍然不易实现，比如机端三相短 路试验。在实际运行中这样的故障是有可能发生的。故障发生后，机组运行情 况将如何，励磁调节器的强励特性能不能发挥应有的作用，现场试验根本无法 测试。当发电机组进入大修期间，对应的励磁调节器也要调整和测试【1 2 - 1 s l 。在 现有情况下，通常要等发电机组大修完毕才能进行励磁调节器的动态调整和测 试。如果能够同时进行发电机组大修和励磁调节器的各项动态模拟试验和调整， 就可以缩短整个整修时间，所带来的经济效益是显而易见的。 1 1 课题研究背景及意义 实践教学是大学教育的重要环节， 际操作能力、分析和解决问题的能力， 作用。 高水平的实验教学平台在培养学生的实 以及创新思维能力方面起着极其重要的 我校原有的发电机动模实验系统装置是为自动化专业学生“工厂供电”、“电 力系统自动化”等课程的实验而自行开发的。目前，学院新开办了“电气工程及 其自动化”专业，开设了“电力系统及其自动化”、“电力系统继电保护”、“电力 系统分析”等课程和相关的课程设计。因此，急需对现有的实验装置进行改造更 新，开发具有自主知识产权的综合性的电力系统物理仿真实验系统。 为了满足对开放式、创新性、综合型的实验装置要求，设计开发了一套高 度自动化、开放式的具有多台发电机互联的电力系统综合实验平台，使它能够 反映现代电能的生产、传输、分配和使用的全过程，充分体现现代电力系统高 度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护 和调度的自动化。发电机动态模拟系统是其中的重要内容之一，为今后建立整 个电力系统动态模拟与综合自动化实验系统打下很好的基础。 本课题来源于学院实验室建设的项目，前期投资4 0 万元，组装两个单机一 无穷大系统实验台。为本科生课程实验、工程实践提供平台；同时方便研究生 进行后续课题研究；更为重要的是为同步发电机励磁、调速、同期、测控和保 护一体化装置的研究打下了坚实的基础。 在深入研究了本科教学要求后，结合实验室特色，以满足电站的综合自动 化与电站的电气设备配置及保护、运行监视、控制等功能具体要求，设计了以 p l c 控制器与通用保护装置相融合的控制保护方案。该平台模拟水轮发电机组 及辅助设备p l c 控制系统工程，为学生提供p l c 调试，发电机开停机，发电 机调速、励磁，同期检测等各种电气工程课程实验，并且可以定性地、反复地、 2 硕士学位论文 第一章绪论 直观地实现观测实际电力系统的各种运行状态，有利于引导学生进行思考，从 而进一步加深对电力系统运行状态特性的理解，也有利于培养学生的综合分析 能力，有利于对学生进行实际操作和实验研究能力的培养和训练，从而用有限 的教育经费开出更多的高水平教学实验【1 6 1 。 1 2 发电机动模实验系统的研究现状 发电机动态模拟的内容很多，主要有原动机( 水轮机、汽轮机) 及其调速系 统的模拟与同步发电机励磁系统的模拟，也是研究现代电力系统运行及其动态 过渡过程时所必须考虑的。 早在2 0 世纪5 0 年代前苏联建立了电力系统物理模拟系统，对古比雪夫水 电站到莫斯科的2 2 0 k v 输电线路进行试验；国内对电力系统动态模拟的研究从 5 0 年代末开始。中国电力科学研究院与清华大学在1 9 5 8 年最早建成了电力系 统动态模拟实验室，此后，天津大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科 技大学、浙江大学、南京自动化研究院、湖南大学等院校和研究单位建立了电 力系统动态模拟实验室。目前，全国已经有2 0 多个院校或研究所建立了电力系 统动态模拟实验室。 1 2 1 模拟原动系统的研究现状 前苏联科学家于4 0 年代创立了相似定理，并由此而建立了原动机仿真系统 的数学模型，由最初的直流电动机一交流扩大机发展到6 0 年代末的直流电动机 一静止变流器。 1 9 7 3 年，国际电工委员会对原动机( 水轮机和汽轮机) 的数学模型规定了一 个统一的标准。此后，以此统一标准为依据，人们开始对原动机仿真系统广泛 研究。 我国自5 0 年代末在清华大学建成第一座电力系统动态模拟实验室以来，对 电力系统原动机及其运行特性模拟的研究经历了旋转电机、电子管电路到半导 体变流装置、模拟运算控制两个主要阶段。 到8 0 年代中期，国内大多数电力系统动态模拟实验室的仿真模型，多数采 用常规的可控硅直流传动装置作为仿真手段。其不足之处是，难以实现自平衡 特性和调速系统的仿真，因而使得电力系统动态模拟实验难以反映原动机的静 态和暂态过程。 9 0 年代开始，随着计算机技术的高速发展和c p u 价格的下降，清华大学、 华中科技大学、湖南大学、天津大学、水利电力科学院等都开展了试用数字电 路取代模拟电路的研制工作，并取得了较大进展。 硕士学位论文 第一章绪论 湖南大学于1 9 9 2 年，成功研制出模拟控制原动机系统动态仿真装置并投入 市场，从而对原动机系统的研究迈上了实用性的发展阶段。1 9 9 5 年，湖南大学 研制成功“模拟原动机专用模型”，1 9 9 6 年，又着手研究采用数字电路取代模拟 电路，详细地提出了数字调速器的硬件和软件设计，并对其正确性进行了仿真 验证。 1 9 9 8 年，华中理工大学杨德先老师对原动机调速系统的动态仿真技术也进 行了研究，对调速系统动态仿真中过分忽略物理因素的问题，从原型原动机调 速系统结构框图及传递函数入手，分析了研究原动机调速系统的动态特性，考 虑到错油门、失灵区、限幅等因素的仿真系统框图，说明了仿真的实现方法和 效果【1 7 1 。 9 0 年代末期到本世纪初，随着虚拟仪器技术的不断成熟与发展，虚拟仪器 技术在各行业逐步得到了广泛的应用。基于p c 机的虚拟仪器系统，充分利用 了p c 机强大的数据处理能力和灵活的可编程功能，同时，p c 机的多媒体功能、 网络功能、可视化和友好的人机界面也使其具有很强的竞争力。基于虚拟仪器 的原动机及其调速系统的模拟方案，不但顺应了调速系统全数字化的发展趋势， 实现更复杂的数学模型和更高的精度，而且具有开发周期短、编程灵活、原动 机运行方式和参数调整更加方便、控制方案调整容易、调试方便、可扩充性强、 可视化和人机界面友好等优点【1 8 1 。 湖南大学受南京南瑞继保电气有限公司委托，并得到湖南省2 0 0 2 年自然科 学基金资助，成功开发了d f y - 0 2 同步发电机原动系统仿真屏，它以单片机 8 0 c 1 9 6 k c 为主控制芯片，控制移相触发芯片t c 7 8 7 形成触发脉冲，其控制是 半数字半模拟化的。该系统综合了原动机仿真系统数学模型的已有成果。对系 统中的调速器、电流调节器和触发器，利用灵活的计算机软件去实现其功能， 不仅使硬件线路大为简化，且使整个系统的控制精度、可靠性和稳定性等大幅 度地提高，而且与模拟电路的设计方案相比，具有明显的优势。 2 0 0 4 年，华中理工大学毛承雄教授采用3 片8 0 c 1 9 6c p u 实现了原动机及 其调速系统的动态模拟。该系统的突出特点在于：仿真计算采用3 2 位二进制定 点进行，其中4 位为整数位，2 8 位为小数位，计算精度高，可大幅度减小仿真 计算中的累计误差；数值大小表示范围可以满足原动机及其调速器的标么值系 统计算要求，同时加入了数值溢出检验；该模拟系统可以稳定、灵活地模拟各 种功率的原动机系统，设置了完备的保护功能，同时解决了原有模拟系统电机 测速装置安装复杂的问题【1 9 】。 2 0 0 6 年，湖南大学得到了湖南省科技攻关项目( 0 5 g k 3 5 0 7 ) 的支持，以 d f y - 0 2 同步发电机原动系统仿真屏为基础，利用专用于电机控制的高性能数字 4 硕士学位论文 第一章绪论 信号处理芯片( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 做为系统数据处理的核心，同时将调节器 和晶闸管移相触发的功能也由数字系统来完成，利用计算机控制技术，通过计 算机软件去实现和取代模拟电路的功能，克服了模拟电路的缺点。此外还设置 了液晶显示器和人机通讯接口，可将原动机仿真系统的运行参数和调节参数以 数字信号的形式传输到监控系统或者p c 机，操作直观、便于监视。从而实现 真正意义上的全数字控制。 国外，俄罗斯比较注重电力系统动态模拟技术，于二十世纪4 0 年代建立了 世界上第一个电力系统动态模拟实验室。 原动系统仿真技术经过6 0 多年的发展，国内现有的原动系统仿真模型，形 成了分立元件与集成电路、数字控制与模拟控制并存的局面【2 0 】，模拟式向数字 式控制发展经历了从模拟一数模混合全数字的发展【2 l - 2 2 各种仿真模型都有 其各自的优缺点及最佳适应范围。 ( 1 ) 初期的原动系统仿真模型大多采用分立元件模拟电路，它具有响应快 的优点田】，但存在结构复杂、电子元件易老化、易受环境温度影响、抗干扰能 力差等缺点。而采用k j k c 或t c 7 8 5 集成触发电路的原动系统仿真模型与分立 元件模拟电路相比，虽然取得了很大的进步，但尚存在以下问题【冽：第一， k j k c 或t c 7 8 5 集成触发电路必须采用双电源1 5 v 供电，且电路功耗较大( 以 k j 0 0 4 为例，电源的正电流 ( 2 - 1 ) 1 fj - - - 0 1 同理可以得到u ( k 一1 ) 的表达式，然后用u ( k ) 一u ( k - 1 ) 可得式 u ( k2 e ( k 2 ) 1) = 一1 ) + 七p 【p ( 七) 一p ( 七一】+ 等p ( 七) + 孚【p ( 七) 一一1 ) + p ( 七一 1 f ( 2 - 2 ) 令巧：、k ：竿、：丝t ，则上式便转换为 硕士学位论文 第二章发电机动模实验系统总体方案设计 材( 七) = “( 七一1 ) + i q , p ( 一e ( k 一1 ) 】+ k 甙七) + ，d m 七) 一z e ( k 1 ) + p ( 七一2 ) 】( 2 3 ) 其中巧、c , 、分别为比例、积分、微分系数，它们对p i d 控制的效果 起决定性影响。 上式即为励磁调节器一般采用的增量式算法。在p l c 励磁调节器中采用的 也是增量式p i d 算法。 2 6 本章小结 本章主要对发电机动模实验系统的设计提出总体方案。首先阐述了实验系 统总体设计原则与思想，确定了系统结构与功能框图。其次就本系统的主要功 能与特点进行了详细介绍。在满足系统总体功能要求的前提下，选用西门子 s 7 2 0 0 小型p l c 作为本系统主控制器。考虑动态模拟实验室的本质要求与经济 性要求，确定了整个系统采用以p l c 控制器为主，各功能模块化，单一和总体 功能均完实现的设计方案。硬件方案主要包括硬件整体和各功能模块的介绍， 绘制了原理图，并阐述了主控制器p l c 的硬件与其i o 的基本分配。软件方案 设计介绍p l c 程序设计特点与设计思想，按功能将主程序分成各个功能模块； 监控系统软件采用w i n d o w s2 0 0 0 开放式操作系统和北京太力e p s y n a l l 电站自 动化软件组合，并给出了软件结构图。最后按功能要求确定了调速器与励磁调 节器分别采用p i 、p i d 调节算法。 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 第三章原动机动态模拟系统设计 原动机仿真系统是电力系统动态模拟实验室最重要的设备之一。原动机特 性对电力系统静态稳定和动态稳定都有着很大的影响，因此，在研究电力系统 稳定运行和过渡过程时，原动机特性对电力系统的影响是必须考虑的。在研究 电力系统静态稳定运行和过渡过程时，对原动机的静态特性( 也称自平衡特性) 和动态特性( 水锤效应和容汽惯性) 的模拟是非常必要的【3 4 。3 6 1 。本文中自平衡特 性、调速器特性以及水汽管道特性的仿真通过p l c 和晶闸管直流调速系统来实 现。 3 1 原动系统动态模拟的原理 原动机动模系统主要包括调速器模拟和原动机自平衡特性的模拟，通过仿 真技术把电力系统的设备或元件等都放到实验室内，组成室内电力系统，从而 对电力系统的真实原动机及调速器进行模拟。同步发电机原动系统的仿真主要 包括原动机、调速器和水、汽管道等三个方面的仿真。其主要特性是机械惯性 时间常数、自平衡特性( 静态机械特性) 和调速器、水汽管道特性的仿真特性。 其中机械惯性时间常数通过增减机组飞轮片达到与原型一致【3 。 3 1 1 原动系统简介 原动系统包括调速器、原动机以及水汽管道三个部分1 2 0 】。 ( 1 ) 调速器 调速器一般由测量、积分放大、执行等环节组成，现行调速器有离心飞摆 式、机械液压式和电气液压式等。各种调速器的构成各异，它们主要区别在于 测量元件，而它们的构成原理和液压传动系统是基本相似的【3 引，因此它们的主 要环节和参数是基本一致的，主要部件微分方程式的形式是相同的。 ( 2 ) 原动机与水汽管道 原动机将流体的能量( 热能、势能或动能) 转化为机械能，通过主轴带动发 电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力 机等。调速器根据转速变化控制进入原动机的动力元素。对于汽轮机，由于调 节汽门和第一级喷嘴之间有一定的空间的存在，当汽门开启或关闭时，进入汽 门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能立即改变，这就形成了机械功 率滞后于汽门开度变化的现象，称为汽容影响。对于水轮机，则要考虑水锤效 应的影响。水锤效应是由流动着的水的惯性所引起的。压力导管中的水在稳态 硕士学位论文第三章 原动机模拟系统的结构与设计 下，水的流速是一定的，但当迅速关小导向叶片的开度时，导管中的压力将急 剧上升，而当迅速开大导向叶片的开度时，导管中的压力将急剧下降。这种现 象称为水锤现象。它使水轮机功率不能追随开度的变化而有一个滞延。 3 1 2 发电机原动系统的主要特性 自平衡特性是所有作旋转运动机械的普遍规律，只不过因为能量来源及其 通道、机械结构等的差别，而具有不同数值的自平衡系数鲜。原动机自平衡系 数群5 1 3 9 1 。本系统利用它励直流电动机来模拟原动机，直流电动机鲜= 3 0 - 4 0 ， 在不采取措施的情况下，自平衡特性是难以实现的，因此必须软化直流电动机 的自平衡特性，使之具有与原动机相同的自平衡系数 4 0 - 4 2 。当大幅度关闭门( 或 水门) 时，耳 1 ，难以实现自平衡特性的模拟。为此对电 动机控制方案作改进，这里采取的解决方案采用电枢电流( 蜀，) 负反馈，再加上 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 转速( k ，z ) 负反馈，形成双闭环自控系统模拟原动机自平衡特性，采用双闭环后 的电动机控制系统框图如图3 3 所示。 。 图3 - 3 双闭环直流电动机控制系统框图 则受扰动后电枢负载电流方程 ，：堡一墼，l r + k k lr + x k ( 同样可得 彰= 铽 当k o d 时 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 霹：了ko_n,(3-9) k i i c 只要k 足够大，与k 无关，要模拟原动机自平衡特性，即要求霹= 1 ， 只需整定毛吃= k d , l i p - - f 。 3 2 原动机动态模拟系统组成 构建原动机仿真系统的基本思想是采用一台直流电动机代替真实的原动机 ( 包括气轮机和水轮机) ，并采用数字控制方法，对原动机的自平衡特性及其调 速系统进行仿真。其工作流程如图3 _ 4 所示，在主回路上接入三相交流电源， 经过三相可控整流桥电路输出到直流电动机，直流电动机与三相交流发电机联 接在同一转轴上，从而带动三相交流发电机旋转，并利用测速器，测量出电动 机的转速n 传送到p l c ，反馈速度n 与给定的转速n e ( n e = 1 5 0 0 转分) 比较后 产生差值，经过判断处理后，经d a 转换输出模拟量加到智能晶闸管的控制输 入端。给三相交流发电机加入励磁电流，直流电动机带动模拟发电机发电，给 发电机带上一定的负载运行。利用电动机的电枢电流i d ，机端电压u d 反馈量经 过调节器输出电压控制移相触发单元的脉冲，改变可控硅晶闸管的触发角，从 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 而控制电动机的工作电压，最终控制电动机的转速。 发电机正常运行时，机组转速稳定，当负载给定增加时，调速器的输出量 就会发生变化，移相角前移，直流电动机工作电压提高，增加电枢电流与转矩 输出；反之，当负载给定减小时，移相角后移，电动机工作电压就会降低，电 枢电流与转矩输出同时变小，从而带动发电机稳定运行，达到仿真的目的。 原动机仿真系统由软件部分与硬件部分组成，而硬件部分是由原动机及调 速系统动模控制器和主回路组成。图3 _ 4 是原动机及其调速系统的动态模拟系 统结构图。以p l c 为核心的控制系统通过对调速器及原动机相关环节的仿真模 拟技术，控制直流电动机使之动态行为模拟出原型中的原动机特性【1 9 1 。 图3 - 4 原动机动态模拟系统结构图 如图3 _ 4 ，整个原动机模拟系统由p l c 控制器、智能晶闸管三相全控桥模 块、电源系统、保护系统、显示系统、模拟原动机等组成。在模拟系统中，原 型系统中的水轮机或汽轮机是用直流电动机来模拟。采用三相全控桥式晶闸管 整流电路来提供电动机的电枢电源。3 8 0 v 交流电源经3 8 0 w 1 9 0 v 整流变压器， 通过可控整流电路向直流电动机供电和调节机组转速。直流电动机的励磁电源 采用实验平台内2 2 0 v 直流电源供电。 在主回路中，直流电动机的电枢电压u d 、电枢电流i d 的采样是经过霍尔电 压传感器和霍尔电流传感器进行隔离、变换后，再经过电量采样电路进行相应 电平转换，最后送入p l c 的模拟量输入输出扩展模块进行a d 转换及处理。 速度信号采用光电编码盘直接获得相应的方波，送入p l c 的高速计数口计 数并进行对应转速值转换。 开关量的输入输出直接接至p l c 的数字i o 口，操作与控制按钮、开关都 由触摸屏模拟输入后直接操作p l c 的m 继电器区。从而实现如下功能：对主 回路上各开关进行控制，完成信号报警等功能；通过对主回路的信号采集处理， 给主回路的三相可控整流桥各晶闸管提供合适的触发脉冲；检测主回路工作状 况并判断故障情况，通过操作回路切断主回路的电源。 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 3 3 原动机动模系统硬件设计 3 3 1 电枢主回路 采用直流电动机来模拟原动机，需要提供直流电源作为电枢电源，对电动 机转速的调节是通过改变电枢电压的大小来实现的，设计的三相可控硅整流桥 电路，将电网中的三相交流电源转变为电压大小可调的直流电源。其电路如图 3 5 所示。 o o o n u 图3 - 5 电枢主回路电路 图中k m l 为交流接触器，作为主回路的电源开关；t m l 为三相电源变压 器( 变比为3 8 0 1 9 0 ) ，其容量根据不同的机组而有所不同。智能晶闸管模块构成 整流桥，由内部集成的控制电路形成的六路触发脉冲可分别控制相应晶闸管的 导通，外部只用输入0 , - , 1 0 v 直流电压即可以改变整流输出电压的大小；t d v l 、 t d v 2 分别为电流传感器和电压传感器，m 1 和m 2 将反映电枢电流实际值和电 枢电压实际值的模拟信号传递给数据采集与处理电路进行处理；l k 为平波电抗 器，使直流侧电流变得连续平滑；r z o 为制动电阻：r c 板，压敏电阻用来抑制 过电压；f u 实现过流、短路保护。 根据三相全波相控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电 抗器，组成可调直流电源。 1 主变压器的参数选择 ( 1 ) 二次侧相电压计算 一般输出直流电压u d 一定时，如整流桥路的交流输入电压u 2 太高，则晶 闸管运行时控制角口过大，造成直流电压谐波分量增大，功率因数变坏，无功 功率增大；若u 2 选择过低，则可能在口= 0 0 时仍不能达到负载要求的电压额定 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 值。在许多情况下，晶闸管整流桥路所要求的交流供电电压与电网不一致。另 外如要求晶闸管主电路与电网隔离，减小电网与整流装置的相互干扰，限止高 次谐波电流流入电网，使晶闸管在较大的功率因数下运行，都需要配置整流变 压器。 整流变压器的基本参数为次级电压值与变压器容量，这是设计选用变压器 的依据。要比较精确的计算次级相电压必须考虑以下因素： 电网电压的波动。一般的电力系统，电网电压的波动允许范围在+ 5 一1 0 ，令b 为电压波动系数，则p 在0 9 1 0 5 之间变化，这是选择以的依据 之一。考虑电网电压最低的情况，设计中通常取1 3 - - o 9 o 9 5 。 整流元件( 晶闸管) 的正向压降。在对整流电路的分析中，没有考虑整流 元件的正向压降对输出电压的影响，实际上整流元件要降掉一部分输出电压， 设其为坼。由于整流元件与负载是串联的，所以导通回路中串联元件越多， 降掉的电压也就越多。桥式电路疗= 2 。如果桥臂上有元件串联，力也要做相应 的变动。这样由于整流元件降掉的电压为刀坼。 直流回路的杂散电阻。直流回路中，接线端子、引线、熔断器、电抗器 等都具有电阻，统称杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，记为阢在额 定工作条件下，一般x u 占额定电压的0 2 0 2 5 。 换相重叠角引起的电压损失。由整流电路的分析可知，换相重叠角引起 的电压降以由交流回路的电抗引起，可由整流变压器漏抗正表示。变压器漏 抗主要与变压器的短路电压百分比u k 有关。不同容量的变压器其短路电压百 分比也不一样，通常为：容量小于1 0 0 k v a 的变压器取5 ；容量在 1 0 0 , - , 1 0 0 0 k v a 范围时，u k 在5 7 之间选取；容量大于1 0 0 0 k v a ，u k 的取 值范围为7 1 0 。 整流变压器电阻的影响。 考虑了以上因素后，变压器次级电压的计算公式为 4 y l ： 以：j 尘堕型l 一 ( 3 1 0 ) q a p ( c o s a u - c u k 1 2 | i 五3 、 式中乩一最大整流输出直流电压； 坼一整流元件的正向导通压降； 刀一电流通过的整流元件数，现取疗- 2 ； 彳一理想情况口= 0 0 时整流电压与次级电压之比，三相桥式取 彳= 2 3 4 ： c 一线路接线方式系数，三相桥式取c = o 5 ； u k 一变压器短路电压比，1 0 0 k v a 以下取u k = 0 0 5 ，1 0 0 k v a 以上取 3 l 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构| j 设计 u k 2 0 0 5 - 4 ) 1 ： 一最小控制角。对本系统可取1 0 0 1 5 0 ； 厶厶。一变压器次级实际工作电流与变压器次级额定电流之比。 ( 2 ) 初次级电流与容量 直流电机负载电流基本上是直流，因而晶闸管电流为方波。变压器的各相 绕组与一个( 半波) 或两个( 桥式) 晶闸管连接，所以变压器次级电流也为方波，其 有效值厶与负载电流厶成正比关系，比例系数决定于电路的接线形式，所以 厶= 蜀2 厶 ( 3 1 1 ) ， 对于三相桥式整流电路，比例系数k ，：= o 8 1 6 。本文中是电动机负载，式 ( 3 - 1 1 ) 中的l 应取电动机的额定电流而不是堵转电流，因为堵转电流仅出现在启 动后的很短的一段时间，这段时间变压器过载运行是允许的。 二次侧电压以理想情况计算 2 兹 ( 3 - 1 2 ) 所以变压器二次侧容量为 = 3 厶= 3 兹x 0 3 1 6 i d2 l 0 5 厶( 3 q 3 ) 由于变压器二次侧电流厶的波形为正负对称的矩形波，没有直流分量，电 流f 2 全通过变压器的磁耦合反映到一次侧绕组中去，因此可得一次侧电流f 1 的有 效值 tn l1 厶2 茸如 ( 3 1 4 ) 所以一次侧容量等于二次侧容量。 经计算，本文中变压器t m i 选用3 8 0 v 1 9 0 v ，y a 1 l ，3 k v a 干式变。 2 平波电抗厶的计算 晶闸管整流装置的输出电压可分解成一个恒定直流分量与一个交流分量， 通常负载需要的只是直流分量，对电机负载来说，过大的交流分量会使电机换 向恶化和因铁芯损耗增大而引起电机过热。抑制交流分量的有效办法是串接平 波电抗器，使交流分量基本上降落在电抗器上，而负载上能得到比较恒定的支 流电压与电流。 电流的临界连续值与主电路的接线形式、整流变压器的二次电压有关。其 实，它与控制角也有关，一般认为控制角在9 0 0 附近时负载电流有效值最小， 也最容易出现断续，因此，保证负载电流连续为目的的电感厶可由下式来计算 3 2 硕士学位论文第三章原动机模拟系统的结构与设计 厶= 蚝 ( 3 1 5 ) d 脚面 式中厶为整流回路总电感，单位为m h ，它包括电抗器的电感和电机电枢 的电感以及其它杂散电感。系数k ：，叫做l 临界电感计算系数，对于三相桥式整流 可取为0 6 9 3 。 总的电感量除电抗器的电感外还应包括电动机电枢的电感岛和整流变压 器的等效漏感厶。电抗器的电感量岛应为厶减去厶和厶。 = 厶一厶一厶 ( 3 - 1 6 ) 电动机电枢的电感量与电机的结构、极对数、额定电压、额定电流、额定 转速等因素有关，即 = 彘p h i i 1 1 0 3 ( 棚) z ( 3 1 7 ) 式中u n 一电动机的额定电压o ，n 一电动机的额定电流： 刀一电动机的额定转速； p 一电动机的极对数； k d 一计算参数，对于无补偿电机，一般取8 到1 2 ；对于快速无补 偿电机，一般取6 到8 ；对于有补偿电机，可取5 到6 。 变压器的漏感在前面已有过相应的分析，其计算公式 k = 如等鲁( 删 ( 3 _ 1 8 ) 式中以一整流变压器的次级电压有效值； 厶一负载电流平均值( a ) ； u k 一整流变压器短路比； k r l 一与整流器主电路接线形式有关的系数，取3 9 0 。 采用上式计算，本文中先用4 5 m h ，2 4 a 平波电抗器。 3 晶闸管的参数选择 选择晶闸管元件主要根据晶闸管在整流装置的工作条件下，正确确定晶闸 管型号规格，使能得到满意的技术效果。同时由于晶闸管电流过载能力很差， 在电机负载时，最大输出电流要考虑启动电流过载倍数与电机允许的过载能力。 考虑了上述因素之后，晶闸管的额定电流还要比查表计算值大1 5 2 倍。晶闸 管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。考虑电源电压的波动 与抑制后的过电压，晶闸管的额定电压必须大于线路实际承受最大电压的2 3 3 3 硕十学位论文 第三章原动机模拟系统的结构与设计 倍。 经计算，三相全控桥采用m j y s q k z l 5 5 智能晶闸管模块，额定参数为 4 5 0 v ，5 5 a 。智能模块的最大特点是采用全数字移相触发集成电路，控制电路 与晶闸管主电路集成于一体，集成全数字移相触发电路采用0 - - 一i o v 直流信号 控制，可对主电路输出电压进行平滑调节。 3 3 2 主回路的保护电路 由于在动模实验系统中，完善、可靠的报警保护系统对于保证试验过程中 的人身安全和设备安全具有重要意义，本文重点研究和实现了完善的保护功能。 主要包括： 1 ) 过速保护与测速失灵保护；2 ) 过流保护；3 ) 过压保护；4 ) 失磁保护。 下面具体介绍各种保护： 1 过压保护 产生过电压的原因有如下几个m ： 操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电 磁过程引起的过压。 浪涌过压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。 电力电子器件关断过电压：电力电子器件关断时产生的过压。 在电力电子变换器电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流 侧直流电压过高产生的过压。也称为泵升电压。 过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附 加电路，当达到一定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成 通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上， 保护了电力电子器件。保护电路形式很多，也很复杂。 ( 1 ) 阻容保护电路 将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能 突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分 过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。 r c 阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。也可将r c 保 护电路直接并在主电路的元件上，有效地抑制元件关断时的关断过压。 图3 _ 4 中下虚线框里电阻和电容共同构成阻容保护电路，对晶闸管进行有 效的保护。 关于阻容参