同步发电机励磁控制系统实验报告.docx

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同步发电机励磁控制系统实验报告

同步发电机励磁控制系统实验

摘要：

本课题主要针对如何提高和维持同步发电机运行地稳定性,是保证电

力系统安全、经济运行,及延长发电机寿命而进行地同步发电机励磁方式,励磁原理,励磁地自动控制进行了深入地解剖.发电机在正常运行时,负载总是不断变化地,而不同容量地负载,以及功率因数地不同,对发电机励磁磁场地作用是不同地,对同步发电机地内部阻抗压降也是不一样地.为了保持同步发电机地端电压稳定,需要根据负载地大小及负载地性质调节同步发电机地励磁电流,因此,研究同步发电机地励磁控制具有十分重要地应用价值.本课题主要研究同步发电机励磁控制在不同状态下地情况,同步发电机起励、控制方式及其相互切换、逆变灭磁和跳变灭磁开关灭磁、伏赫实验等.主要目地是是同学们加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统地基本任务；了解自并励励磁方式和它励励磁方式地特点；了解微机励磁调节器地基本控制方式.

关键词：

同步发电机；励磁控制；它励

第一章文献综述

1.1概述向同步发电机地转子励磁绕组供给励磁电流地整套装置叫做励磁系统.励磁系统是同步发电机地重要组成部分,它地可靠性对于发电机地安全运行和电网地稳定有很大影响.发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故,这不但影响发电机组地正常运行而且也影响了电力系统地稳定,因此必须要提高励磁系统地可靠性,而根据实际情况选择正确地励磁方式是保证励磁系统可靠性地前提和关键.我国电力系统同步发电机地励磁系统主要有两大类一类是直流励磁机励磁系统,另一类是半导体励磁系统.b5E2RGbCAP

1.2同步发电机励磁系统地分类与性能

1.2.1直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源,供给发电机转子回路地励磁电流.其中直流发电机称为直流励磁机.直流励磁机一般与发电机同轴,励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流,形成有碳刷励磁.直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式.自励与他励地区别是对主励磁机地励磁方式而言地,他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机,因此所用设备增多,占用空间大,投资大,但是提高了励磁机地电压增长速度,因而减小了励磁机地时间常数,他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上.p1EanqFDPw

采用直流励磁机供电地励磁系统,在过去地十几年间,是同步发电机地主要励磁系统.目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统.长期地运行经验证明,这种励磁系统地优点是：

具有独立地不受外系统干扰地励磁电源,调节方便,设备投资及运行费用也比较少.缺点是：

运行时整流子与电刷之间火花严重,事故多,性能差,运行维护困难,换向器和电刷地维护工作量大且检修励磁机时必须停主机,很不方便.近年来,随着电力生产地发展,同步发电机地容量愈来愈大,要求励磁功率也相应增大,而大容量地直流励磁机无论在换向问题或电机地结构上都受到限制.因此,直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求.目前,在100MW及以上发电机上很少采用.DXDiTa9E3d

1.2.2半导体励磁系统

半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后,作为供给同步发电机励磁电流地直流电源.半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种.RTCrpUDGiT

1.2.2.1静止式半导体励磁系统

静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种

1）自励式半导体励磁系统

自励式半导体励磁系统中发电机地励磁电源直接由发电机端电压获得经过控制整流后,送至发电机转子回路,作为发电机地励磁电流,以维持发电机端电压恒定地励磁系统,是无励磁机地发电机自励系统.最简单地发电机自励系统是直接使用发电机地端电压作励磁电流地电源,由自动励磁调节器控制励磁电流地大小,称为自并励可控硅励磁系统,简称自并励系统.自并励系统中,除去转子本体极其滑环这些属于发电机地部件外,没有因供应励磁电流而采用地机械转动或机械接触类元件,所以又称为全静止式励磁系统.下图为无励磁机发电机自并励系统框图,其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端地整流变压器ZB提供,经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流,可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制.系统起励时需要另加一个起励电源.5PCzVD7HxA无励磁机发电机自并励系统地优点是：

不需要同轴励磁机,系统简单,运行可靠性高；缩短了机组地长度,减少了基建投资及有利于主机地检修维护；由可控硅元件直接控制转子电压,可以获得较快地励磁电压响应速度；由发电机机端获取励磁能量,与同轴励磁机励磁系统相比,发电机组甩负荷时,机组地过电压也低一些.其缺点是：

发电机出口近端短路而故障切除时间较长时,缺乏足够地强行励磁能力对电力系统稳定地影响不如其它励磁方式有利.由于以上特点,使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组地励磁系统中受到相当重视.jLBHrnAILg

（2）它励式半导体励磁系统

它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL和一台交流副励磁机FL,三套整流装置.两台交流励磁机都和同步发电机同轴,主励磁机为100HZ中频三相交流发电机,它地输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流.副励磁机为500HZ中频三相交流发电机,它地输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机地励磁电流,另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要地励磁电流.自动调励地装置也是根据发电机地电压和电流来改变可控硅地控制角,以改变励磁机地励磁电流进行自动调压.xHAQX74J0X它励式半导体励磁系统地优点是：

系统容量可以做得很大,励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态地影响.缺点是：

接线复杂,有旋转地主励磁机和副励磁机,启动时还需要另外地直流电源向副励磁机供给励磁电流.这种励磁系统多用于10万千瓦左右地大容量同步发电机.LDAYtRyKfE

1.2.2.2旋转式半导体励磁系统

在它励和自励半导体励磁系统中,发电机地励磁电流全部由可控硅＜或二极管）供给,而可控硅＜或二极管）是静止地故称为静止励磁.在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转地发电机转子提供励磁电流.滑环是一种转动接触元件随着发电机容量地快速增大,巨型机组地出现,转子电流大大增加,转子滑环中通过如此大地电流,滑环地数量就要增加很多.为了防止机组运行当中个别滑环过热,每个滑环必须分担同样大小地电流.为了提高励磁系统地可靠性取消滑环这一薄弱环节,使整个励磁系统都无转动接触地元件,就产生了无刷励磁系统,如图4所示.Zzz6ZB2Ltk

副励磁机FL是一个永磁式中频发电机,其永磁部分画在旋转部分地虚线框内.为实现无刷励磁,主励磁机与一般地同步发电机地工作原理基本相同,只是电枢是旋转地.其发出地三相交流电经过二极管整流后,直接送到发电机地转子回路作励磁电源,因为励磁机地电枢与发电机地转子同轴旋转,所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件,这就实现了无刷励磁.主励磁机地励磁绕组JLLQ是静止地,即主励磁机是一个磁极静止,电枢旋转地同步发电机.静止地励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流地控制,以维持发电机端电压保持恒定.无刷励磁系统地优点是：

取消了滑环和碳刷等转动接触部分.缺点是：

在监视与维修上有其不方便之处.由于与转子回路直接连接地元件都是旋转地,因而转子回路地电压电流都不能用普通地直流电压表、直流电流表直接进行监视,转子绕组地绝缘情况也不便监视,二极管与可控硅地运行状况,接线是否开脱,熔丝是否熔断等等都不便监视,因而在运行维护上不太方便.dvzfvkwMI1

1.3同步发电机励磁系统地发展史

由于电力系统运行稳定性地破坏事故,会造成大面积停电,使国民经济遭受重大损失,给人民生活带来重大影响,因此,改善与提高电力系统运行地稳定性意义重大.早在20世纪40年代,有电力系统专家就强调指出了同步发电机励磁地调节对提高电力系统稳定性地重要作用,随后这方面地研究工作一直受到重视.研究主要集中在2个方面:

一是励磁方式地改进,二是励磁控制方式地改进.rqyn14ZNXI

在励磁方式方面,世界各大电力系统广泛采用可控硅静止励磁方式,因为这种无旋转励磁机地可控硅自并励方式具有结构简单、可靠性高及造价低廉等优点。

在励磁控制方式上,针对静止励磁方式地控制器研究也取得了很大地进展,到现在为止,已经经历了3个阶段,即单变量控制阶段、线性多变量控制阶段、非线性多变量控制阶段.EmxvxOtOco

由于电力系统具有高度地非线性特性,当系统地运行点改变时,系统地动态特性会显著改变,此时,单一变量地控制方式和线性控制器就难以满足电力系统稳定地要求,只有非线性控制方式地控制器才能有效地提高电力系统稳定能力.SixE2yXPq5本文将综述半个多世纪以来专家学者在探索可控硅静止励磁控制方式中取得地成就

第二章实验装置及其工作原理

2.1实验操作台介绍

实验操作台是由输电线路单元、危机线路保护单元、负荷调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成.其中负荷调节和同期单元是由“TGS-03B6ewMyirQFL型微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03B微机准同期控制器”等微机型地自动装置和其对应地那个装置组成.而同步发电机励磁系统实验研究主要用了TGS-03B型微机调速装置和WL-04B微机励磁调节器.kavU42VRUs

2.1.1TGS-03B型微机调速装置介绍

TGS-03B型微机调速装置面板包括：

6位LED数码显示器,13个信号指示灯,7个操作按钮和一个多圈指针电位器等.其详细介绍如下：

y6v3ALoS89

信号指示灯13个

装置运行指示灯1个

电源指示灯1个

方式选择指示灯1个

并网信号指示灯1个

监控电机速度指示灯1个

增减速操作指示灯2个

开机、停机指示灯各1个

平衡指示灯2个

操作按钮4个区,共7个按钮

开机方式选择区有2个按钮,一个为模拟方式按钮,另一个为微机方式地自动、手动按钮.

显示切换有2个按钮可进行显示切换.

微机调节区有2个按钮,即为“增速”、“减速”操作.

停机开机有1个按钮

模拟调节区1个

数码显示器

2.1.2WL-04B微机励磁调节器装置介绍

WL-04B微机励磁调节器其励磁方式可选择：

它励自并励两种.微机励磁调节器地控制方式可选择恒UF、恒IL、恒、恒Q等四种.

设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬间限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能.设有按有功功率反馈地电力系统稳定器＜PSS）.励磁调节器控制参数可在线修改,在线固化,灵活方便,能做到最大限度地满足教案科研地灵活多变地需要.具有实验录波功能,可以记录UF、IL、UL、P、Q、等信号地时间响应曲线,供实验分析用.M2ub6vSTnP

微机励磁调节器面板包括：

8位LED数码显示器,若干指示灯和按钮,强、弱电测试孔.

8位LED数码显示器用途1：

用以显示同步发电机励磁控制系统状态量,包括：

发电机机端电压、发电机输出有功功率和无功功率发电机励磁电压、励磁电流发电机频率励磁调节器输出控制角等用途2：

用以查询、修改励磁调节器地控制参数,如：

PID反馈系数指示灯励磁调节器面板公有32只指示灯,共分成三个类型.第一类：

“控制电源”指示灯4只第二类：

励磁调节器“输出”触发脉冲指示灯6只第三类：

励磁调节器工作状态指示灯22只微机正常指示灯定子过压指示灯同步异常指示灯进相运行指示灯自励指示灯助磁指示灯功柜故障指示灯母线无压指示灯仪变断线指示灯调变断线指示灯灭磁指示灯减磁指示灯增磁指示灯恒IL指示灯恒UF指示灯恒指示灯它励指示灯参数设置指示灯欠励限制指示灯过励限制指示灯伏赫限制指示灯PSS指示灯测试孔励磁调节器面板共有14个测试孔,分为两个测试区.第一区：

弱电测试孔9个第二区：

强电测试孔5个操作按钮13只复位按钮灭磁按钮

减磁按钮增磁按钮恒IL按钮恒UF按钮恒按钮恒Q按钮参数设置按钮参数选择按钮＜11,12）“▲”增量显示和“▼”减量显示按钮RS232/RS485标准通讯口1个

2．2实验操作原理及其说明

同步发电机地励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成,它们和同

步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统,称为励磁控制系统.励磁控制系统地三大基本任务是：

稳定电压,合理分配无功功率和提高电力系统稳定性.0YujCfmUCw

第三章实验操作

3.1不同α角＜控制角）对应地励磁电压波形观测

实验操作步骤1.3.3其实验操作步骤如下：

＜1）合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态：

各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；

<2）励磁系统选择它励励磁方式：

操作“励磁方式开关”切到“微机它

励”方式,调节器面板“它励”指示灯亮；lzq7IGf02E

<3）励磁调节器选择恒α运行方式：

操作调节器面板上地“恒α”按钮选择为恒α方式,面板上地“恒α”指示灯亮；zvpgeqJ1hk

<4）合上励磁开关,合上原动机开关；

<5）在不启动机组地状态下,松开微机励磁调节器地灭磁按钮,操作增磁按钮或减磁按钮即可逐渐减小或增加控制角α,从而改变三相全控桥地电压输出及其波形.NrpoJac3v1

注意：

微机自动励磁调节器上地增减磁按钮键只持续5秒内有效,过了5秒后如还需要调节,则松开按钮,重新按下.1nowfTG4KI

3.1.2实验数据

实验时,调节励磁电流为表1规定地若干值,记下对应地α角<调节器对应地显示参数为“CC”）,同时通过接在Ud+、Ud-之间地示波器观测全控桥输出电压波形,并由电压波形估算出α角,另外利用数字万用表测出电压Ufd和UAC,将以上数据记入下表,通过Ufd,UAC和数学公式也可计算出一个α角来；完成此表后,比较三种途径得出地α角有无不同,分析其原因.fjnFLDa5Zo表3-1

励磁电流Ifd

0.0A

0.5A

1.5A

2.5A

显示控制角α

155.0°

85.1°

76.7°

励磁电压Ufd

2.5V

4.0A

22.7A

交流输入电压UAC

2.5V

2.5V

80V

由公式计算地α

实际励磁电流Ifd

0.05A

0.55A

1.51A

<6）调节控制角大于90度但小于120度,观察全控桥输出电压波形,并记载

来.

以下是调节控制角α=110.2°时地波形图：

图2全控桥输出电压波形图

<7）调节控制角大于120度时,观察全控桥输出电压波形,并把波形图记载来.

面是调节控制角α=155.0°时地波形图：

图3全控桥输出电压波形图

3.2同步发电机起励实验

同步发电机起励及其介绍1.2.3同步发电机地起励有三种：

恒UF方式起励,恒α方式起励和恒IL方式起励.其中,除了恒α方式起励只能在它励方式下有效外,其余两种方式起励都可以分别在它励和自并励两种励磁方式下进行.tfnNhnE6e5

恒UF方式起励,现代励磁调节器通常有“设定电压起励”和“跟踪系统电压起励”地两种起励方式.设定电压起励,是指电压设定值由运行人员手动设定,起励后地发电机电压稳定在手动设定地电压水平上；跟踪系统电压起励,是指电压设定值自动跟踪系统电压,人工不能干预,起励后地发电机电压稳定在与系统电压相同地电压水平上,有效跟踪范围为85%～115%额定电压；“跟踪系统电压起励”方式是发电机正常发电运行默认地起励方式,而“设定电压起励”方式通常用于励磁系统地调试实验.HbmVN777sL

恒IL方式起励,也是一种用于实验地起励方式,其设定值由程序自动设定,人工不能干预,起励后地发电机电压一般为20%额定电压左右；恒α方式起励只适用于它励励磁方式,可以做到从零电压或残压开始由人工调节逐渐增加励磁,完成起励建压任务.V7l4jRB8Hs3．2.2恒UF方式起励实验一、恒UF方式起励步骤

<1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式,投入“励磁开关”；<2）按下“恒UF”按钮选择恒UF控制方式,此时恒UF指示灯亮；<3）将调节器操作面板上地“灭磁”按钮按下,此时灭磁指示灯亮,表示处于灭磁位置；

<4）启动机组；

<5）当转速接近额定时,<频率≥47Hz）,将“灭磁”按钮松开,发电机起励建压.注意观察在起励时励磁电流和励磁电压地变化<看励磁电流表和电压表）.录波,观察起励曲线,测定起励时间,上升速度,超调,振荡次数,稳定时间等指标,记录起励后地稳态电压和系统电压.83lcPA59W9

上述地这种起励方式是通过手动解除“灭磁”状态完成地,实际上还可以让发电机自动完成起励,其操作步骤如下：

mZkklkzaaP

<1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式,投入“励磁开关”；<2）按下“恒UF”按钮选择恒UF控制方式,此时恒UF指示灯亮；<3）使调节器操作面板上地“灭磁”按钮为弹起松开状态<注意,此时灭磁

指示灯仍然是亮地）；

<4）启动机组；

<5）注意观察,当发电机转速接近额定时<频率≥47Hz）,灭磁灯自动熄灭,机组自动起励建压,整个起励过程由机组转速控制,无需人工干预,这就是发电厂机组地正常起励方式.同理,发电机停机时,也可由转速控制逆变灭磁.AVktR43bpw

改变系统电压,重复起励<无需停机、开机,只需灭磁、解除灭磁）,观察记录发电机电压地跟踪精度和有效跟踪范围以及在有效跟踪范围外起励地稳定电压.ORjBnOwcEd

按下灭磁按钮并断开励磁开关,将“励磁方式开关”改切到“微机它励”位置,恢复投入“励磁开关”<注意：

若改换励磁方式时,必须首先按下灭磁按钮并断开励磁开关！

否则将可能引起转子过电压,危及励磁系统安全）.本励磁调节器将它励恒UF运行方式下地起励模式设计成“设定电压起励”方式<这里只是

为了实验方便,实际励磁调节器不论何种励磁方式均可有两种恒UF起励方式）,

起励前允许运行人员手动借助增减磁按钮设定电压給定值,选择范围为0～110%额定电压.用灭磁和解除灭磁地方法,重复进行不同设定值地起励实验,观察起励过程,记录设定值和起励后地稳定值.2MiJTy0dTT

二、恒UF方式起励方式数据

选择它励恒UF方式,开机建压不并网,改变机组转速45Hz～55Hz,记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角α地关系数据.gIiSpiue7A表3-2

发电机频率

发电机电压

励磁电流

励磁电压

控制角

45Hz

46Hz

47Hz

48Hz

49Hz

50Hz

51Hz

52Hz

53Hz

54Hz

55Hz

3．2.3恒IL方式起励实验

一、恒IL方式起励步骤<1）将“励磁方式开关”切到“微机自励”方式或者“微机它励”方式,投

入“励磁开关”；

<2）按下“恒IL”按钮选择恒IL控制方式,此时恒IL指示灯亮；<3）将调节器操作面板上地“灭磁”按钮按下,此时灭磁指示灯亮,表示处于灭磁位置；

<4）启动机组；

<5）当转速接近额定时<频率≥47Hz）,将“灭磁”按钮松开,发电机自动起励建压,记录起励后地稳定电压.起励完成后,操作增减磁按钮可以自由调整发电机电压.uEh0U1Yfmh

二、恒IL方式起励实验数据

选择它励恒IL方式,开机建压不并网,改变机组转速45Hz～55Hz,记录频率

与发电机电压、励磁电流、控制角α地关系数据.IAg9qLsgBX表3-3

发电机频率

发电机电压

励磁电流

励磁电压

控制角α

45Hz

46Hz

47Hz

48Hz

49Hz

50Hz

51Hz

52Hz

53Hz

54Hz

55Hz

3．2.4恒α方式起励实验

一、恒α方式起励实验步骤：

<1）将“励磁方式开关”切到“微机它励”方式,投入“励磁开关”；

<2）按下恒α按钮选择恒α控制方式,此时恒α指示灯亮；

<3）将调节器操作面板上地“灭磁”按钮按下,此时灭磁指示灯亮,表示处于灭磁位置；

<4）启动机组；

<5）当转速接近额定时<频率≥47Hz）,将“灭磁”按钮松开,然后手动增磁,直到发电机起励建压；

<6）注意比较恒α方式起励与前两种起励方式有何不同.二、恒α方式起励实验数据：

选择它励恒α方式,开机建压不并网,改变机组转速45Hz～55Hz,记录频率与发电机电压、励磁电流、控制角α地关系数据.WwghWvVhPE表3-4

发电机频率

发电机电压

励磁电流

励磁电压

控制角α

45Hz

46Hz

47Hz

48Hz

49Hz

50Hz

51Hz

52Hz

53Hz

54Hz

55Hz

3.2.5恒Q方式实验

选择它励恒UF方式,开机建压,并网后选择恒Q方式<并网前恒Q方式非法,调节器拒绝接受恒Q命令）,带一定地有功、无功负荷后,记录下系统电压为380V时发电机地初始状态,注意方式切换时,要在此状态下进行.改变系统电压,记录系统电压与发电机电压、励磁电