同步发电机自动调节励磁装置方案设计

『壹』 同步发电机励磁自动调节的作用是什么

励磁自动调节的作用是：

如果功率因数或者电压没有在设定的范围内，会快速做出反应，自动调整到设定的范围内，保证发电机按照设定的要求运行。

同步发电机励磁调节系统的工作原理

（一）控制发电机的端电压

维持发电机的端电压等于给定值是电力系统调压的主要手段之一，在负荷变化的情况下，要保证发电机的端电压为给定值则必须调节励磁。

（二）控制无功功率的分配

当发电机并联于电力系统运行时，它输出的有功决定于从原动机输入的功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关。为分析方便，假定发电机并联在无穷大母线运行，即其机端电压UG恒定。

(1)同步发电机自动调节励磁装置方案设计扩展阅读：

在现代电力工业中，同步发电机广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。

若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

『贰』 同步发电机励磁系统的基本任务是什么

同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分（或称为功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部分

『叁』 求船舶电站同步发电机励磁系统方面的最新硕士论文，高手进！~

摘 要

从当前的发展来看，调压系统已经成为交流同步发电机中最重要，最核心的组成部分之一，对于同步发电机的性能有着至关重要的作用。本文主要论述采用相复励变压器，PID控制器为调节装置的励磁调压系统。先对整个同步发电机系统，包括调压系统，同步发电机，负载建立计算机模型，然后对各个环节的参数选取进行研究，并使用Matlab对系统进行仿真计算，分析所得结果，完成对调压系统的仿真。
相复励装置运行可*，保证了发电机的自激起压及强励性能，动态性能好，但相复励装置的调节精度不太高，形成电压偏差。PID控制器进一步对相复励装着的调节进行校正，保证同步发电机稳定地运行在所需电压工况上。这里主要使用PI调节方式。

关键词：同步发电机；相复励装置；PID调节器；Matlab/Simulink；

ABSTRACT
In view of modern develop, excitation system is one of the best important part of the exchange synchronous generator. It is of most importance to the performance of the synchronous generator. This paper mainly introces that excitation system utilize reply and encourage voltage transformer and PID control equipment as adjustment device. Have set up the computer models of the whole synchronous system of generator, including excitation system, the synchronous generator, and load, then analyses the method of choosing suitable parameters of each link, and carry on emulation to the system with Matlab, Finally, analyses the result, finish the emulation of excitation system.
Reply and encourage excitation runs reliably and has automatic ability of excitation adjustment itself, but have not high precision. It will make decimeter of voltage. The PID controller makes the developed adjustment of the reply and encourage excitation system, guarantees the synchronous generator is operated on the operating mode of the necessary voltage steadily This paper main introction regulate with PI.

Key words: synchronous generator; reply and encourage; PID controller; Matlab/Simulink

目 录
第1章 绪论 1
1.1 同步发电机自动调压器应用的必要性 1
1.2 励磁系统的作用和基本要求 1
1.3 同步发电机电压变化的原因 2
1.4 自动励磁系统的分类 4
1.4.1 按照直流励磁电源的获得方法分类 4
1.4.2 按照励磁调节器的作用原理分类 5
1.4.3 按照励磁装置所使用的元件分类 6
第2章 各类自动调压器基本原理 7
2.1 相复励自励恒压励磁系统的基本原理及特点 7
2.2 可控硅自励恒压励磁系统的基本原理及特点 8
2.3 无刷励磁同步发电机励磁系统的原理与特点 10
2.4 谐波励磁系统的原理与特点 10
2.5 本章小结 12
第3章 MATLAB/Simulink环境 13
3.1 MATLAB简介 13
3.2 Simulink交互式仿真集成环境 15
3.2.1 Simulink的使用 15
3.2.2 Simulink模块库 16
3.3 电力系统仿真模块集介绍 16
3.4 本章小结 18
第4章 同步发电机系统的工作原理 19
4.1 同步发电机原理 19
4.1.1 同步发电机的结构特点 19
4.1.2 凸极式同步发电机的向量图 20
4.1.3 凸极同步发电机的运行状态 20
4.2 PID控制器 21
4.3 相复励励磁系统 22
4.3.1 相复励励磁调节的工作原理 23
4.3.2 相复励装置实现恒压的条件 26
4.3.3 相复励装置常用接线方式 27
4.4 本章小结 32
第5章 同步发电机系统的数学模型 34
5.1 同步电机的数学模型 34
5.2 相复励变压器励磁系统的数学模型 38
5.3 电压校正器和负载的传递函数 40
5.4 系统的结构 41
5.5 本章小结 42
第6章 调压系统的仿真结果及分析 43
6.1 参数设定及仿真结果 43
6.2 本章小结 50
结论 51
参考文献 52
致谢 53

第1章 绪论
1.1 同步发电机自动调压器应用的必要性
各种电气设备都要求在额定电压下工作，同步发电机的端电压变化很严重的情况下，电机本身，负载和整个电力系统都会受到极大的不利影响，甚至直接影响整个系统的工作和生存。因此，保持一定的电压水平，是供电质量的重要指标之一。在运行中，电压的变化是随机的，迅速的，不可能实现人工调节。因此需要给同步发电机加入自动电压调整器。
同步发电机的稳定性主要取决于其电磁参数。电机参数特别是自动励磁调节系统的参数对其有很大影响。同时，为了使多台同步发电机组高效稳定的并联运行，也需要良好的自动励磁调节系统。
1.2 励磁系统的作用和基本要求
为保证提供高质量的电能，自动励磁装置应具有下列一些主要功能：
1. 在发电机组起动后，转速接近额定转速时，自动励磁装置应能保证发电机可*起励，建立额定空载电压。对于有励磁机的他励系统来说，*励磁机励磁建立空载电压，对于无励磁机的自励系统来说，应要求励磁装置能确保发电机自励建立电压。交流同步发电机的剩磁较小，而磁场回路的总电阻又比较大，还存在炭刷—滑环接触电阻和整流元件正向电阻这样的非线性电阻，所以交流同步发电机的自励比较困难。
2. 当负载大小或负载功率因数发生变化时，自动励磁装置应保证发电机端电压的波动在允许范围之内。发电机在负载缓慢变化时的端电压波动，用静态电压变化率ΔUs％来表示
3.
式中
Un--发电机的额定电压(V)，
U--发电机在规定的负载变化范围内端电压的极值取Umax和Umin中绝对值较大的。
4. 当投入或切除大容量的感应电动机时，自动励磁装置应能保证发电机的瞬时电压波动和端电压恢复至稳定值的时间在允许范围之内。
5. 当电力系统出现突然短路时，自动励磁装置应该有足够的强励能力以产生一定数值的短路电流，使选择性保护装置准确动作，并在短路故障电路被切除以后使发电机的端电压迅速回升。为此励磁装置必须要有足够的强行励磁电压和较高的励磁电压上升速度。
6. 当两台或两台以上的同步发电机并联运行时，自动励磁装置应保证无功功率按发电机容量成比例分配，以防止个别机组电流过载，并使总的效率得到提高。并联机组之间无功电流不按比例分配的原因在于并联的发电机和励磁系统的标幺值参数不一致，其中尤以励磁系统的标幺值参数不一致为多见。因此励磁装置应有无功电流分配和稳定功能，以克服由于这种参数不一致而引起的发电机电枢电路中的无功环流。
1.3 同步发电机电压变化的原因
负载时，气隙中的磁场由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生。电枢反应使气隙磁场发生畸变，由此引起发电机电压U发生变化。
发电机电压平衡方程： （1.1）
激磁电动势： （1.2）
得到 （1.3）

主极磁场由励磁电流If产生，由此可知，要使同步电机端电压U保持恒定，须相应调整同步发电机的励磁电流If。因此对同步发电机端电压的控制可以通过两个途径来实现，一是引入I和功率因数cosφ作为控制量使I和功率因数cosφ的变化引起的主磁场变化和If的变化引起的主磁场变化相抵消，减小电枢反应去磁或增磁效应的影响，从而使U保持稳定。这种方法的静态特性从原理上讲是比较差的，但是动态特性比较好（如图1.2）。二是引入端电压U和给定电压的差值，采用负反馈的方法控制励磁电流If。从而使端电压U保持恒定。这种方式的静态特性比较好，能够保持较高的电压调整精度（如图1.3）。

1.4 自动励磁系统的分类
船用同步发电机的自动励磁装置类型很多，分类方法也不一致。通常可以按照直流励磁电源的获得方法、励磁调节器的作用原理及励磁装置的组成元件等进行分类。
1.4.1 按照直流励磁电源的获得方法分类
按照直流励磁电源的获得方法进行分类，可分为直流励磁机他励、静止自励和交流励磁机他励等三种类型。
(1)直流励磁机他励方式。这是最早采用的一种励磁方式。陆上大电站多采用这种方式。直流励磁机可以由发电机轴传动，也可以用单独的电动机传动。直流励磁机电磁惯性大，又有换向器这样的薄弱环节，所以不宜在船舶电站中使用。
(2)静止自励方式。船舶电站同步发电机的容量较小，采用像直流发电机那样的自励方式是比较适宜的。但只有在大功率半导体整流元件大量应用以后，这种用发电机定子交流电流经整流后供给转子励磁的自励方式才有了实现的可能。静止自励方式简单可*。因为变压器、电流互感器、半导体整流器等静止部件，不怕冲击振动和盐雾潮湿，特别适宜于船舶上使用。这种自励方式的电磁惯性小，励磁系统有优良的动态性能。特别是相复励装置，由于具有电流复励，能够直接起动与发电机容量相近的异步电动机。
(3)交流励磁机他励方式。普通的交流同步发电机的转子绕组必须通过滑环和炭刷与外部电路保持电的联系。滑环和炭刷仍然是一个薄弱环节。因为滑动接触可能因油垢、灰尘和机械原因而造成接触不良，炭刷磨损下来的炭粉也可能落入绕组，使发电机的绝缘电阻降低。随着现代船舶自动化程度的提高和无人机舱的采用，希望有一种更可*的交流同步发电机供给船舶电站使用，于是就出现了以交流励磁机他励的无刷励磁方式。通常的交流同步发电机为转场式，与之相配合的交流励磁机则为转枢式。交流励磁机的电枢电流经硅整流元件整流后给交流发电机的磁场提供直流励磁电流。硅整流元件与电机转子部分一起旋转。由于整个机组的旋转部分和静止部分之间没有任何滑动电接触，去掉了电刷和滑环所以称这种励磁方式为无刷励磁方式。交流励磁机不但可*性比直流励磁机好，而且动态性能也比直流励磁机优良。但是由于交流励磁机随电枢旋转，制作工艺要求高，设计比较复杂。
1.4.2 按照励磁调节器的作用原理分类
按照励磁调节器的作用原理，可分为按电压偏差调节，按扰动调节和复合调节三类。原理如前所述，同步电机的主要扰动即电枢电流。按偏差调节的励磁调节器也称为负反馈型励磁调节器，是一种比较通用和完善的调节器。它能减小被调量的偏差而与引起偏差的原因无关，不需对扰动进行测量而能克服多个扰动的影响。选择足够大的增益和采取适当的校正环节从理论上说可以使静态和动态电压变化率达到任意规定的数值范围。按扰动调节的励磁调节器结构简单，它不是等输出量出现偏差后再进行反馈调节，而是直接根据扰动量的大小进行前馈调节，工作可*，强励能力强，动态响应性能好。复合式励磁调节器通常以扰动补偿为主，以偏差调节为辅，后者常称为AVR。它既具有调压精度高、无功分配均匀等按偏差调节的主要优点，又具有强励倍数大、动态性能好等按扰动调节的主要优点，是一种比较理想的励磁调节器。现代船舶电站的主发电机绝大多数采用复合式励磁调节器。
1.4.3 按照励磁装置所使用的元件分类
按照励磁装置所使用的元件分类通常可分为下列几种：
(1)炭阻式励磁装置。这种励磁装置多采用直流励磁机。调节器采用铁心、线圈、衔铁、杠杆等机电元件，通过调节发电机励磁回路的电阻或励磁机励磁回路的串联炭片电阻进行励磁调节。由于机电惯性大，工作可*性差，使用的功率受限制等原因，目前已很少应用。但它是最早的按偏差调节的励磁调节器。
(2)相复励装置。这种励磁装置采用变压器、电流互感器、电抗器以及半导体整流器等静止元件，电磁惯性较小，可*性高，因而得到广泛的应用。通常做成可控相复励式。早期采用磁放大器和饱和电抗器做成的AVR，其电磁惯性较大。如今普遍用半导体元件做成的AVR，惯性很小，放大倍数很大，体积和重量也相当小。
(3)三谐波励磁装置。这种励磁装置采用发电机中增设的三谐波绕组产生三谐波电势，经半导体整流器整流后给发电机励磁，结构简单，可*性高。通常也加上半导体AVR，做成可控谐波励磁装置。
(4)可控硅励磁装置。这种励磁装置采用半导体二极管、三极管、可控硅等元件，具有体积小、重量轻、反应快、放大倍数高等特点是目前使用的按电压偏差调节的励磁装置的主要型式。

『肆』 同步发电机励磁调节系统的工作原理

同步发电机励磁调节系统的工作原理
（一）控制发电机的端电压
维持发电机的端电压等于给定值是电力系统调压的主要手段之一，在负荷变化的情况下，要保证发电机的端电压为给定值则必须调节励磁。
（二）控制无功功率的分配
当发电机并联于电力系统运行时，它输出的有功决定于从原动机输入的功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关。为分析方便，假定发电机并联在无穷大母线运行，即其机端电压UG恒定。
（三）提高同步发电机并联运行的稳定性
通常把电力系统的稳定性问题分为三类，即静态稳定（Steady state stability）、暂态稳定（Transient stability）及动态稳定（Dynamic stability）问题。
所谓静态稳定是指电力系统在受到小干扰作用时的稳定性，即受到小干扰作用后恢复原平衡状态的能力；
暂态稳定是指电力系统在受到大干扰（主要是短路）作用时的稳定性，即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状态下稳定工作；
而动态稳定是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干扰），在考虑了各种自动控制装置作用的情况下，长过程的稳定性问题。

『伍』 同步发电机，调节励磁目的

在一定范围内，单机运行的发电机调励磁，就是调电压。对于并入大网的发电机，调节励磁就是改变无功和功率因数。

『陆』 同步发电机励磁自动调节的作用是什么拜托各位大神

并网的发电机抄一般袭是恒功率因数运行，孤网运行的发电机是恒电压运行，励磁自动调节的作用是：如果功率因数或者电压没有在你设定的范围内，会快速做出反应，自动调整到你设定的范围内，保证发电机按照你设定的要求运行。

『柒』 同步发电机自动调节励磁装置的主要作用是什么

自动稳压，合理分配无功，强励提供短路电流。

『捌』 同步发电机微机励磁调节装置的作用 急！急！急！！！

同步发电机微机励磁调节装置是发电机励磁调节器的升级换代产品；它对发电机有较完善的保护功能和扩展控制功能。

『玖』 请问哪里可以找到关于数字式同步发电机励磁调节器设计的资料

同步发电机是电力系统以及工业生产中的重要元件其励磁装置的性
能直接影响同步发电机运行的可靠性和稳定性目前国内生产的同步电
动机励磁装置大多数采用模拟控制电路这种控制电路存在硬件多控制
板数量多接线复杂可靠性差等缺点对于现场人员使用和维护都造成
了一定困难微机控制技术的发展为解决以上问题提供了技术支持
我公司从80 年代起研制并生产了大量的微机控制整流设备特别是在
晶闸管的控制技术上有比较丰富的经验
针对励磁装置中存在的一些问题我公司采取微机控制技术并且吸
取了现有励磁设备的精华其中包括1972 年原机械工业部电器工业管理局
的统一设计的技术关键和同步发电机失步保护和带载自动再整步技术精
华研制出了新型微机控制同步发电机晶闸管励磁装置该装置具有控制
集成度高控制精度高运行可靠性高稳定性好现场使用和维护方便
等优点
微机控制同步发电机励磁装置分为HRKLF11 和HRKLF12 两个系列11
系列供拖动非冲击性负载的同步发电机恒定励磁用12 系列供有冲击性负
载的同步发电机按负荷自动调节励磁维持无功电流恒定之用该装置均具
有失步保护和带载自动再整步功能适用于200-10000KW 同步发电机配套
1 控制电路采用MCS-89C51 系列单片微机控制控制板集成度高,软件
中有丰富的设备自检功能
2 具有良好的失步保护功能和带载自动再整步功能
3 全压起动时起动至亚同步转速顺极性投入励磁使电机牵入同步运行
4 同步发电机起动和停车时自动灭磁以免感应过电压击穿设备
5 可手动调节励磁电流电压进行功率因数调整
6 本设备所带放电电阻RF 阻值为所配用的同步发电机转子励磁绕
组直流电阻的10 倍其长期允许电流为同步发电机额定励磁电流的 按负荷自动调整励磁基本保持同步发电机无功电流恒定
2 具有零励磁保护功能
本装置的主电路包括整流变压器三相半控整流桥阻容灭磁环节
和起动环节等控制电路主要由单片机MCS-8751 励磁电流调节器电
流给定与反馈环节投全压和投励环节失步检测环节强励环节无功
补偿环节微机触发环节和自检环节等组成以上控制电路主要集成到一块控制板上具有同步发电机的起动正常励磁失步检测和保护强励
自动关桥以及无功补偿等功能
下面分别介绍各部分组成和原理
1 三相半控整流电路
整流变压器将交流380V 电源电压降至励磁所需的电压其二次输出线
电压为U21
每个主桥晶闸管及整流二极管在一个电周期360 度内轮流导通120 度
晶闸管由其相应的触发插件提供的触发脉冲开通整流二极管为自然换流
整流桥直流输出电压为
Ud 1.35 U21(1+cos )/2
式中U21 整流变压器二次侧线电压V
晶闸管的控制角
Ud 0.3-1.2Ufe
Ufe 电机额定满载励磁电压
2 阻容灭磁环节
阻容灭磁的任务是关断主桥晶闸管停止主桥向电机输出励磁电压和
电流
输出励磁电压和电流采用阻容灭磁不仅灭磁速度快而且关桥可靠
下列情况下阻容灭磁动作
1 电机发生带励失励失步时阻容灭磁动作关断主桥使电机转入异
步运行失步源消失后实现带载自动再整步
2 当电机发生断电失步时阻容灭磁动作关断主桥电机励磁绕组储
存的磁场能量经附加电阻RF 及电容C10 和C11 衰减当励磁电流lf 由额定值
Ife 衰减到0.368Ife 时实现断电失步再整步
3 当电机正常或事故停机时阻容灭磁动作关断主桥避免在下一次
开机时因主桥未关断而误投励
电容C10 由交流26OV 电源经单相全波整流充电至34OV 左右
当灭磁插件发出灭磁脉冲后灭磁晶闸管KP4 开通C10 上予充电压反
向加于主桥两端为保证主桥可靠关断CM1 容量的选择应保证施加反压的
时间大于主桥晶闸管的热态关断时间在施加反压的同时C10 经电机励磁
绕组向C11 放电
当Vc10 Vc11 时流过KP4 的电流近似为零KP4 自动关断
3 起动环节
主要技术要求
l 在电机投励前的整个异步起动过程中当励磁绕组有正向感应电压时
起动晶闸管 KP5 应可靠开通以便附加电阻 RF 在有正负半周感应电压时均
能接入励磁绕组使电机获得良好的对称起动特性而投入正常励磁后KP5
应可靠关断并转入高开通值高开通值应保证电机在正常励磁强励及灭磁时不误开通以避免长期接入附加电阻而烧毁在电机励磁绕组出现
过电压时KP5 应开通对励磁绕组起过电压保护作用
2 起动控制回路中的R21 选择满足高开通值外并应满足正常运行时的
热稳定要求
工作原理在电机半压起动油开关闭合后J1-2 闭合此时WHK2 4 闭
合在未投励时此时R21 与R22 并联并联后阻值较低R23//RW21 回路可
分得较高电压因R21 阻值较高R23//RW21 分得电压就低KP5 就需在较高主
桥电压下开通改变R21 R22阻值可获得所需的KP5 高低开通值
4 励磁电流调节器
电流调节器由运算放大器U302B 组成的比例积分放大器和二极管限幅
环节组成电流给定由电位器POT 构成电流反馈由ID 输入电流调节器
的输出值经过电阻R235 和R236 分压后送给模数转换器A/D0804 经过转
换后的数字量输入到微机去控制晶闸管的触发角
为了把电流限制在某个最大允许值电流调节器具有限流功能即电流
截止功能调节电位器RW35 可以调节限流值调节电位器RW37 R334 和
C311 可以改变电流调节环的比例积分参数
调节环的输出电压与移相角之间存在着非线性关系为了使得操作人
员调节方便使励磁电压或电流能够线性跟踪电位器的给定变化在
单片机控制程序中设置了非线性校正环节
5 投全压和投励环节
同步发电机在整个起动过程中其转子感应交变电压的频率是随着转
子的加速而变化的转速越高感应交变电压的频率就越低电机刚起动
瞬间转子感应电压频率与定子回路频率f1 相同为50HZ 而达到任一
转差S 时的转子感应电压频率f 为 f=fl S=50S
当同步发电机加速至同步转速的90 时转差s 0.1 投入全压
当同步发电机加速至亚同步时同步转速的95 转差S 0.05 顺
极性投励此时转子感应电压频率为
f=50 0.05=2.5 周
一个周期时间为T l/f=l/2.5 0.4 秒
电机进入亚同步转速时投励环节接收到频率为2.5Hz 的转子感应电
压信号后顺极性感应电流方向与励磁电流方向相同发出脉冲去触
发主回路晶闸管从而投入励磁将同步发电机牵入同步运行
6 触发脉冲形成与放大环节
触发脉冲的形成与放大电路的原理为由单片机P1 口发出120 度电
角度方波送入与门74LS08 的一个输入端与门另一端输入高频的脉冲列
FO 其输出端即输出120 度的宽脉冲列然后经过上拉电阻加以放大输出
此信号接入脉冲变压器的原边脉冲变压器的副边接入晶闸管的门极和阴极7 强励环节
当定子回路三相交流电压降至某一百分比如80 时进行突出强
励强励时间为10 秒
8 无功补偿环节仅HRKLF12 型用
拖动冲击负载的同步发电机当负载增加仍为恒定励磁时其输出无功
电流减少超过额定负载时减少得更为严重甚至变为从电网吸取感性无
功电流这不利于电机运行和电网电压的稳定冲击负载的大型同步电动
机对电网影响大需要按照电机负载的大小自动调节励磁
HRKLF12 型设备用无功补偿插件检测同步发电机定子回路有功电流信
号用来在负载增加时实现自动增磁使冲击负载的同步发电机以输出较
稳定的无功电流运行
此环节由二极管开关式相敏桥和双T 滤波器组成
9 装置运行状况检测与显示
该装置具有微机自动检测功能且有数字显示各种状态在设备启动和
运行过程中微机能自动检测设备状况当有故障出现时会自动停机且显
示表示故障种类代码如快熔熔断器熔断后显示7 数字显示如表5.1
所示