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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 introduces 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 introduction 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。