魏建勛，高立夫

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電磁式相復(fù)勵(lì)自勵(lì)系統(tǒng)的分析與研究

魏建勛1，高立夫2

（1. 湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南湘潭411101 2. 海軍駐湖南地區(qū)軍代表室，湖南湘潭411101）

以基于IGBT分流電路的電磁式相復(fù)勵(lì)裝置勵(lì)磁系統(tǒng)的某船舶電站為平臺(tái)，對(duì)該種相復(fù)勵(lì)自勵(lì)裝置的原理進(jìn)行分析，并對(duì)裝置中各部件與發(fā)電機(jī)輸出電壓之間的關(guān)系進(jìn)行分析與研究。指出了系統(tǒng)分流電阻、相復(fù)勵(lì)特性曲線與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。本文的結(jié)論可以直接應(yīng)用到實(shí)際的電磁式相復(fù)勵(lì)自勵(lì)系統(tǒng)的調(diào)試中。

電磁復(fù)合 氣隙電抗器 相復(fù)勵(lì)變壓器 分流電阻

0 引言

電磁式相復(fù)勵(lì)自勵(lì)裝置因其勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、穩(wěn)定性好以及具有較好的動(dòng)態(tài)性能而被廣泛應(yīng)用于船舶發(fā)電機(jī)組中。近幾十年來(lái)，有許多文獻(xiàn)對(duì)這種相復(fù)勵(lì)自勵(lì)裝置原理和調(diào)整方式進(jìn)行過(guò)分析與研究[1-7]。文獻(xiàn)[1]以某典型船舶發(fā)電機(jī)的電磁疊加相復(fù)勵(lì)裝置為例，描述了相復(fù)勵(lì)裝置調(diào)整以及發(fā)電機(jī)試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，但并沒(méi)有分析出相復(fù)勵(lì)裝置各部分的調(diào)整與發(fā)電機(jī)輸出電壓之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[2]給出了一種相復(fù)勵(lì)自動(dòng)勵(lì)磁的方案，對(duì)可能出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。

本文以一臺(tái)基于IGBT分流電路的電磁式相復(fù)勵(lì)裝置為例，以某船舶電站系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)相復(fù)勵(lì)裝置中各部件參數(shù)的調(diào)整與發(fā)電機(jī)組輸出電壓的關(guān)系進(jìn)行分析與研究，給出了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素以及解決方案。

1 電磁式相復(fù)勵(lì)自勵(lì)系統(tǒng)的基本原理

圖1所示為某同步發(fā)電機(jī)相復(fù)勵(lì)裝置的原理框圖，它由五個(gè)主要部分組成：諧振電容1、帶氣隙的鐵芯電抗器1、相復(fù)勵(lì)變壓器和三相橋式整流器rec，分流回路（電阻和IGBT）。其中電壓反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)氣隙電抗器移相90°后進(jìn)入相復(fù)勵(lì)變壓器的電壓繞組，負(fù)載電流直接穿過(guò)相復(fù)變壓器的電流繞組，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)相復(fù)勵(lì)變壓器的鐵芯進(jìn)行磁耦合，由副邊線圈2輸出，經(jīng)過(guò)整流橋整流后，作為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源。諧振電容主要是用來(lái)加速電機(jī)的自勵(lì)建壓，IGBT和分流電阻構(gòu)成的勵(lì)磁分流回路，用來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，AVR控制板檢測(cè)發(fā)電機(jī)的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制算法為IGBT提供分流驅(qū)動(dòng)脈沖。文獻(xiàn)[6]建立了基于圖1所示相復(fù)勵(lì)裝置的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁簡(jiǎn)化模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，但并未對(duì)系統(tǒng)中各部件之間的關(guān)系進(jìn)行闡述。本文以這種相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)裝置為例，從其基本原理的角度出發(fā)，對(duì)其各部件的調(diào)整對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響進(jìn)行分析與研究。

圖1 相復(fù)勵(lì)裝置原理圖

從圖1中可知?jiǎng)?lì)磁電流與發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的關(guān)系式可由式（1）來(lái)表示[4]

其中=L/R，稱為阻抗比。當(dāng)發(fā)電機(jī)工作于額定頻率時(shí)，C=2L。<1，稱為諧振頻率系數(shù)，12=21為電壓繞組變比，32=32為電流繞組變比，發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流相量。

12由發(fā)電機(jī)的空載狀態(tài)來(lái)確定。已知發(fā)電機(jī)的空載直流勵(lì)磁電流為i，則其等效交流勵(lì)磁電流為I=i/β。令式（1）的空載狀態(tài)輸出電流等于I，可得12的關(guān)系式為

32由發(fā)電機(jī)的額定狀態(tài)來(lái)確定。已知發(fā)電機(jī)額定狀態(tài)的直流勵(lì)磁電流i，則其等效交流勵(lì)磁電流為I=i/β。令式（1）在時(shí)，其輸出電流為。由式（1）解出32的表達(dá)式，并將12由關(guān)系式（2）進(jìn)行代換，經(jīng)整理得

2 特性分析

2.1移相電抗器

電抗器的氣隙可調(diào)。氣隙越大，電感值越小，電抗器輸出能力越強(qiáng)；反之，電抗器輸出能力越小。電抗器的氣隙主要決定相復(fù)勵(lì)裝置的空載輸出電壓大小。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量得出的電抗器氣隙大小與相復(fù)勵(lì)裝置輸出電壓的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，電抗器氣隙越大，相復(fù)勵(lì)空載輸出電壓越高；反之，亦然。曲線的斜率由相復(fù)勵(lì)變壓器一、二次線圈匝數(shù)變比來(lái)決定。

圖2 電抗器氣隙與相復(fù)勵(lì)輸出電壓的關(guān)系

2.2相復(fù)勵(lì)變壓器

相復(fù)勵(lì)變壓器分為一次側(cè)的電壓繞組1和電流繞組3，副邊輸出繞組2。在負(fù)載電流較大時(shí)，為了保證相復(fù)勵(lì)變壓器電流繞組的通流能力，采用單匝的粗銅排，因此一次側(cè)電流繞組的匝數(shù)通常設(shè)置為1匝，而電壓繞組一旦確定后不做更改，因此在調(diào)整相復(fù)勵(lì)變壓器時(shí)，一般只對(duì)二次側(cè)的輸出繞組匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

從式（2）可以看出，不僅電抗器的氣隙會(huì)影響相復(fù)勵(lì)的空載電壓輸出，相復(fù)勵(lì)變壓器的電壓繞組變比也會(huì)對(duì)相復(fù)勵(lì)的空載輸出電壓有所影響。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，空載勵(lì)磁電流由勵(lì)磁機(jī)決定，為額定值。從式（2）可以看出此時(shí)電壓繞組變比12越小，空載輸出電壓會(huì)越低；反之，空載輸出電壓越高。

從式（3）中可看出，電流繞組的變比決定了相復(fù)勵(lì)輸出電壓特性曲線的斜率。32越小，對(duì)應(yīng)的滿載勵(lì)磁電流越小，發(fā)電機(jī)滿載輸出電壓越低，曲線下垂越多，相復(fù)勵(lì)曲線特性越軟，對(duì)應(yīng)的滿載輸出能力變?cè)叫?；反之，?lì)磁電流越大，相復(fù)勵(lì)曲線特性越硬，對(duì)應(yīng)的滿載輸出能力越大。同時(shí)相復(fù)勵(lì)曲線特性會(huì)影響發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)整范圍。

圖3所示為本裝置中相復(fù)勵(lì)變壓器測(cè)試得到的副邊輸出繞組匝數(shù)與輸出電壓的關(guān)系，本裝置中的相復(fù)勵(lì)變壓器副邊共設(shè)置有6個(gè)抽頭，分別為2.1～2.6，抽頭位置越大，匝數(shù)越多。圖中將U、V、W相的抽頭位置定義為2.i、2.j、2.k（i、j、k=1，2，…，6），從圖3可以看出抽頭位置越大時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓繞組變比12和電流繞組變比32均越小，其相復(fù)勵(lì)空載輸出電壓越低，且輸出曲線下垂越多，曲線特性越軟；反之亦然。從圖中的曲線也可看出，在AVR分流相同的情況下，曲線特性越軟（抽頭位置為2.5，2.4，2.4），發(fā)電機(jī)輸出電壓可調(diào)整范圍越寬（416.6～432.6）；反之，可調(diào)整范圍越窄。

圖3 相復(fù)勵(lì)副邊輸出繞組與輸出電壓的關(guān)系

2.3諧振電容

加速發(fā)電機(jī)的自勵(lì)建壓。改變電容的大小值，可以改變發(fā)電機(jī)的起勵(lì)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速）。

2.4不控整流橋

將交流勵(lì)電源轉(zhuǎn)換成直流勵(lì)磁電源，為勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流，由于是不控整流橋，因此當(dāng)型號(hào)確定好之后，整流橋的輸出就已經(jīng)確定，且不可更改。

2.5分流電阻和IGBT分流回路

AVR控制板根據(jù)反饋回來(lái)的發(fā)電機(jī)端電壓大小，產(chǎn)生不同占空比的脈沖控制IGBT的通斷，從而改變分流的大小，提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流。

3 分流電阻大小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

某相復(fù)勵(lì)自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在無(wú)差過(guò)載和過(guò)流試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)，經(jīng)查器件均無(wú)異常。后經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)無(wú)差滿載工況下，其分流脈沖的占比均在5%以下。從控制角度來(lái)看，占空比過(guò)小會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)調(diào)整分流電阻的值可以提高占空比的大小，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其原理如下：

在相復(fù)勵(lì)曲線不變，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無(wú)差滿載工況下，其勵(lì)磁機(jī)所需勵(lì)磁電壓和電流一定，因而其分流回路的分流大小值是一定的，此時(shí)分流大小可按式（4）進(jìn)行計(jì)算

為AVR給出的脈沖占空比大小。

從式（4）中可以看出，當(dāng)電流一定時(shí)，電阻越大，占空比就會(huì)越大；電阻越小，占空比就會(huì)越小。因此在發(fā)電機(jī)無(wú)差滿載工況下，增加分流電阻的大小，就可以增加驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經(jīng)測(cè)試在本相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)分流電阻為3.6 Ω，發(fā)電機(jī)滿載時(shí)，其脈沖電壓約為0.4～0.5 V左右，勵(lì)磁電壓約為33 V左右，代入式（4）可得

此時(shí)占空比約為3.3%。

將分流電阻調(diào)整為5 Ω，發(fā)電機(jī)滿載時(shí)，其脈沖電壓約0.7 V左右，代入（4）式可得

此時(shí)占空比約為4.7%。

將分流電阻調(diào)至5.6 Ω，發(fā)電機(jī)滿載時(shí)，其脈沖電壓約為0.9 V左右，代入（4）式可得

此時(shí)占空比約為5.3%。

從上述計(jì)算可知，在本裝置所在發(fā)電機(jī)組中，當(dāng)分流電阻小于5.6 Ω時(shí)，占空比會(huì)小于5%；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于熱態(tài)時(shí)，勵(lì)磁電流需求會(huì)更高，此時(shí)分流電流會(huì)更小，則分流占空比會(huì)進(jìn)一步縮小，從而使得系統(tǒng)輸出電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)分流電阻調(diào)至5.6 Ω時(shí)，占空比約為5.3%；當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入熱態(tài)時(shí)，雖然分流電流會(huì)進(jìn)一步縮小，但基本上可以保證占空比在5%附近，因此保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

但是分流電阻不宜調(diào)得太大，因?yàn)榉至麟娮柽^(guò)高，會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)壓范圍。系統(tǒng)的調(diào)壓范圍由相復(fù)勵(lì)的特性曲線和分流電阻的大小共同決定：分流電阻越大，相復(fù)勵(lì)特性曲線就需下垂越多，曲線特性越軟，過(guò)流能力會(huì)越差；分流電阻越小，相復(fù)勵(lì)特性曲線則需下垂越小，過(guò)流能力越強(qiáng)，但可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有在相復(fù)勵(lì)特性曲線和分流電阻的大小值之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，才可以既保證滿足系統(tǒng)的要求，又可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

從相復(fù)勵(lì)自勵(lì)系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，以一臺(tái)實(shí)際的相復(fù)勵(lì)裝置為測(cè)試對(duì)象，對(duì)相復(fù)勵(lì)自勵(lì)系統(tǒng)中各個(gè)部分參數(shù)的調(diào)整對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的影響進(jìn)行了分析與說(shuō)明，同時(shí)指出系統(tǒng)分流電阻與相復(fù)勵(lì)特性曲線之間的矛盾關(guān)系，系統(tǒng)需要在兩者之間找到穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，才能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。本文的結(jié)論可直接應(yīng)用到該種相復(fù)勵(lì)裝置的調(diào)試中。

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The Phase Compound Self-excited System with Electromagnetic-Compounding

Wei Jianxun1, Gao Lifu2

(1. Xiangtan Electric Manufacturing Group, Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TM771

A

1003-4862（2015）02-0074-03

2014-09-03

魏建勛（1977-），男，工程師。研究方向：電氣控制。