張慶龍，張國友，李志新

?

帶整流負載的交流同步脈沖發(fā)電機勵磁控制的設(shè)計與仿真

張慶龍，張國友，李志新

(海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033)

當同步發(fā)電機帶整流負載工作在連續(xù)脈沖工況時，通過整流裝置調(diào)節(jié)勵磁電流以控制輸出電流的難度較大。本文對系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行了理論分析，建立了各個環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，然后借助Matlab/Simulink工具箱，建立了系統(tǒng)的仿真模型，并且利用控制理論對發(fā)電機勵磁的控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了設(shè)計，最后將仿真波形與實際工程中的波形進行了比較分析，結(jié)果表明這種同步脈沖發(fā)電機勵磁控制方式是可行的。

交流同步脈沖發(fā)電機 勵磁調(diào)節(jié)裝 數(shù)學模型 仿真

1 引言

在消磁勤務(wù)中，消磁主電源需要向工作線圈提供正負交替、幅值逐漸衰減的脈沖電流[1]如圖1所示。以往的消磁主電源都采用脈沖直流發(fā)電機供電，隨著被消磁艦船噸位的增大，所需消磁電流幅值大幅增加，這種直流電源模式已不能滿足要求?，F(xiàn)采用的是交流脈沖發(fā)電機，交流發(fā)電機有功率大、功率密度大、成本低等優(yōu)點，但同步發(fā)電機直接帶整流負載工作在脈沖工況下，通過控制勵磁控制輸出電流的難度較大，故交流發(fā)電機在消磁工況下的勵磁控制設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本文根據(jù)實際工程的需要，利用微機勵磁裝置，通過理論分析，構(gòu)建系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型，進而設(shè)計該部分的控制策略，從而實現(xiàn)對該交流發(fā)電機輸出電流波形的額控制，為實際工程中的控制方案的選擇提供理論依據(jù)。

2 基于同步發(fā)電機的消磁主電源系統(tǒng)簡介

主電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主電源系統(tǒng)共設(shè)置兩臺交流脈沖發(fā)電機機組，其中每臺發(fā)電機機組都是一套完整獨立的系統(tǒng)。每臺發(fā)電機機組的工作過程如下：柴油機通過帶動飛輪的轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機能在額定轉(zhuǎn)速下工作，然后控制發(fā)電機勵磁繞組的電流，使其輸出交流電，再經(jīng)整流輸出的直流電通過轉(zhuǎn)接柜接到負載上，勵磁柜利用采集的負載電流與給定信號的偏差進行PID調(diào)節(jié)和可控硅整流后接到發(fā)電機的勵磁繞組上，通過這樣一個反饋環(huán)節(jié)從而達到控制發(fā)電機輸出的目的。其中兩臺發(fā)電機機組共用一個轉(zhuǎn)接柜，通過改變轉(zhuǎn)接柜內(nèi)部的接線方式可以實現(xiàn)兩臺發(fā)電機機組的單機運行和串聯(lián)運行。

圖1 消磁主電源系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

3.1 勵磁調(diào)節(jié)器

勵磁調(diào)節(jié)器主要是由PID控制器和可控硅整流裝置組成，其輸出直接到勵磁繞組。這一環(huán)節(jié)的輸入量是電路的控制電壓1，輸出量是整流電壓2。由于晶閘管整流電路供電的交流電源存在換向電抗，且換向電抗有阻止電流從一個晶閘管向另一個晶閘管轉(zhuǎn)換的作用，這就使得晶閘管的輸出與控制信號存在滯后[2]。期滯后時間：

式中：m=3，為供電電源頻率。

由于s很小，則可以把可控硅整流看成一個小慣性環(huán)[3]。

其中：1為整流輸出電壓，2是整流橋的輸入電壓。

PI環(huán)節(jié)如下：

其中V為控制信號。

則微機勵磁裝置可以簡化為如下兩個控制環(huán)節(jié)

圖2 微機勵磁裝置的傳遞函數(shù)

3.2 交流發(fā)電機數(shù)學模型

本系統(tǒng)采用的交流發(fā)電機的勵磁方式為他勵，根據(jù)交流發(fā)電機的基本特性，可以得到電樞電流和勵磁輸入的數(shù)學關(guān)系。

圖3 發(fā)電機結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)電機勵磁回路如圖3所示，當發(fā)電機在運行區(qū)域時，不考慮發(fā)電機電壓的飽和特性時，可以認為發(fā)電機端電壓穩(wěn)定幅值與勵磁電壓成正比，發(fā)電機的傳遞函數(shù)可以用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來表示[3]，即

式中：是發(fā)電機輸出電壓，為發(fā)電機端電壓與勵磁電壓之比，為發(fā)電機正常運行時，勵磁回路時間常數(shù)。

根據(jù)三相整流橋工作特性可知，在理想情況下，整流橋工作時，三相交流電只有兩相是導(dǎo)通的。則其工作時可以近似成圖4所示的電路圖。

圖4 三相整流橋工作時的近似電路

當發(fā)電機工作時電樞回路的微分方程為：

式中：R和f為電樞繞組的電阻和電感，和為負載的電阻和電感，s為相電壓有效值。

令

這樣就有：

式中為輸出電流。

則交流發(fā)電機可以近似為兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，所對應(yīng)的方框圖如圖5：

圖5 交流發(fā)電機的傳遞函數(shù)

4 系統(tǒng)模型仿真分析

實際工程中系統(tǒng)主回路的電路模型如圖6所示，將給定信號與發(fā)電機輸出反饋回來的信號進行比較，得到的偏差信號經(jīng)過PID控制模塊供給可控發(fā)電機輸出的目的。

圖6 系統(tǒng)主回路的電路模型

結(jié)合圖6所示模型，搭建系統(tǒng)的仿真模型[4]，并利用穩(wěn)定邊界法可以得到整定參數(shù)如表1。

表1 PID參數(shù)整定

將表1參數(shù)帶入仿真模型中的到的輸出波形如圖7，波形從上升到穩(wěn)定時間1 s左右，其超調(diào)量在4%左右。將圖7與圖8進行比較可以發(fā)現(xiàn)脈沖在穩(wěn)定之前都會有個較小的超調(diào)量。整個系統(tǒng)中電樞電流環(huán)節(jié)的慣性系數(shù)很小，系統(tǒng)中只有發(fā)電機勵磁繞組這個大慣性環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)中只有一個大慣性環(huán)節(jié)，則通過PID控制很容易實現(xiàn)輸出的電流波形的迅速上升。同時在實際工程中波形在下降沿沒有超調(diào)，是因為所選用的微機勵磁裝置在脈沖時間結(jié)束時，其內(nèi)部通過整流橋逆變的工作狀態(tài)的滅磁作用，使勵磁線圈內(nèi)部的存儲能量迅速降至零。

圖8 實際系統(tǒng)的輸出波形

5 結(jié)論

本文通過傳遞函數(shù)法建立了主電源供電系統(tǒng)的數(shù)學模型，并設(shè)計了系統(tǒng)的控制策略。通過采用Matlab/Simulink工具箱對該控制系統(tǒng)進行了仿真和優(yōu)化[5]。結(jié)果表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)要求的輸出，并能穩(wěn)定控制波形的輸出。仿真實驗與實際工程應(yīng)用中的輸出波形基本吻合，且符合工程應(yīng)用中的要求，驗證了這種脈沖發(fā)電機勵磁控制方式的可行性。

[1] T.M.Baynes, G. J. Russell,and A. Bailey. Comparison of stepwise demagnetization techniques [J]. IEEE Transac- tions on Magnetics, Vol. 38, No. 4, July 2002.

[2] 揭海寶. 基于智能控制的同步發(fā)電機勵磁控制研究[D]. 成都: 西南交通大學,2012: 12-13.

[3] 丁爾謀. 發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)[M]. 北京: 中國電力出版社, 1998: 16-18.

[4] 王正林, 王勝開. Matlab/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 89-90.

[5] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M] . 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

Design and Simulation of AC Synchronous Pulse Generator Excitation Control System with Rectifier Load

Zhang Qinglong, Zhang Guoyou, Li Zhixin

(College of Electrical and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM302.1

A

1003-4862（2013）04-0062-03

2012-08-06

張慶龍（1987-），男，研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護技術(shù)。