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自动控制理论课程设计 设计题目：同步发电机励磁控制系统 的分析与校正 （电2009，2012.2.20-2012.2.24） 指导教师：王明东 王金凤 齐歌 李景丽 海德伦 程子霞 蒋建东 设计准备：自动控制理论实验，熟悉MATLAB命令 关于发电机励磁系统： 励磁系统供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备。一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统 电压控制及无功功率分配 发电机启动后，励磁系统建立磁场，产生电动势，从而产生机端电压，通过调节励磁电流即可调节电压。 励磁电流是发电机建立电压的基础，是电力系统唯一的电压资源。电压资源是无功功率存在的前提，无功功率的平衡是电压质量的保证。 提高电力系统运行的稳定性 励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。 自励：励磁机的励磁绕组由其电枢并联供电 他励：有副励磁机。副励磁机、主励磁机、发电机三者同轴。 交流励磁机励磁系统 自励 他励 设计的4个步骤：建模，分析，校正（传递函数设计，校正电路设计），校核 励磁控制系统数学模型 励磁控制系统＝同步发电机+控制器+励磁系统（交流励磁机） 解析法建模 同步发电机 在额定转速下，发电机空载时，忽略铁心饱和的影响，近似记为 由气隙特性决定，即 （1） 式（1）中，，—空载励磁电流 对于励磁绕组，由 得 （2） 式（2）中，—励磁绕组在定子绕组开路条件下的时间常数。由式（1）、（2）得发电机机端电压与励磁电压的动态关系 因 ，——空载励磁电压 故 （发电机参数：取，，） 交流主励磁机和三相整流桥 同步发电机空载时，交流励磁机的负载较轻，可以忽略主励磁机铁心饱和的影响。类似于与的关系，可得主励磁机机端电压与其励磁电压之关系 式中 三相整流桥可看作比例环节 不计负载效应，将主励磁机和整流桥合并，得 式中 （励磁机参数：，，。发电机空载时） 3.三相全控桥和移相触发电路 对三相全控桥 式中 ——永磁式副励磁机机端电压，在额定转速下，（取200V） 对余弦移相触发电路 式中 ——控制电压，——同步电压有效值，——同步变压器变比（取13）。 综上可有 即 式中 4、串联校正单元 式中 ——串联校正环节传递函数。校正前取 5．测量单元 式中 ——低通滤波器传递函数。 （，，，） 在上图中，运放A1的注入电流 反馈电流 由理想运放的虚断特性 可得 其中 ， （可取1） 忽略负载效应，机端电压测量环节的传递函数为 式中 6．比较放大单元 式中 。 7、系统模型框图 忽略各单元之间的负载效应，可得全系统的模型框图： 为分析方便，可化为标幺增益的形式。以各环节额定空载情况下输入输出变量稳态数值为基准，可求得各环节的标幺增益传递函数。例如，对发电机环节 可有 由，得 类似有 设的稳态增益等于1，则，由本题目数据计算，得 （当发电机空载运行时，，，） 系统标幺增益模型为： 图中，为系统标幺开环增益。 如近似认为测量环节,即得到单位反馈系统形式的模型框图。 分析、校正可采用三种不同形式的系统模型： （1）基本系统模型 √（2）标幺增益系统模型 （3）单位反馈模型 二、系统性能指标 （1）稳态性能指标： 自然调差率（表示负荷无功电流从0变到额定值时，发电机端电压的相对变化。反映发电机外特性曲线的斜度，决定并联机组无功分配。） 式中，为发电机的空载电压，为发电机带额定无功功率负荷时的端电压。有励磁调节的发电机调差系数一般较小（小于1%），不利于无功的合理分配，需人为调整到3%~5% （2）暂态性能指标： 时域性能指标： 同步发电机空载建立额定电压（单位阶跃响应）的最大超调量，调节时间 。 对应的频域性能指标： 增益裕量 ，相位裕量 。 三、校正前系