1、第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power ElectronicsVol.42， No.11November，20081 引 言在大容量同步发电机系统中，需采用直流励磁机励磁系统 。由于机械整流子在换流时比较困难，于是，容量在 100 MW 以上的大容量机组的励磁功率单元多采用交流发电机和半导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统 。相对于纯静止自励系统，该系统的优点是：励磁机与主机同轴，当系统发生故障时，因主机的大惯性，转速受影响小，能够照常励磁，可靠性较高 。相对于直流励磁机励磁系统，该系统的优点是机组的容量大，不受整流器容量的限制 。但其缺点是交流励磁机时间常数较大
2、；与同步发电机同轴的交流励磁机 、副励磁机加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加，造价提高；由于采用相控整流，励磁结构体积大，笨重，相控整流系统功率因数低 。为克服上述不足，提出应用斩波技术对其进行改造和优化 。2 结构拓扑分析交流励磁机励磁系统可分为他励交流励磁机和自励交流励磁机两种1。文中以他励交流励磁机为例，来分析交流励磁机带静止硅整流器方式励磁方案的特点，其结构原理如图 1 所示2。改造后的系统原理框图如图 2 所示 。改造后的系统少了一个与同步发电机同轴的励磁机，由斩波器调压代替相控调压，整个励磁体积减少 。3 斩波电路的工作原理及建模分析由三相不控桥式整流 VDB输出六脉波直流电，
3、经滤波电容 Cf后，其可以视为恒定的电压源 。这样就可以将斩控回路从系统中抽出来，如图 3 所示 。ui在 VT 导通时给 Lr充磁，电流 i 增大，在 VT 关断时，磁场能经 VD 释放给 Rr，电流 i 减小 。在 VT 的开关频率一定时，控制其占空比，便可控制电流的大小3。故电路本质是非线性 、时变的，用传统的方法对它建模较为困难 。这里用状态空间平均法来对其进行建模分析4。由于 VT 的开关频率较高，很容易满足 3 个假设，即交流小信号的频率 fg应远远小于开关频率 fs同步发电机励磁系统的建模与控制董锋斌 ， 皇金锋（陕西理工学院，陕西 汉中 723003）摘要 ：分析了同步发电机交
4、流励磁系统中存在的问题，提出应用斩波技术对其进行改造和优化 。斩波电路是一个动态的，非线性的电路，利用状态空间平均法和欧拉公式建立了其数学模型，应用工程设计法设计出相应的调节器 。依据发电机现场运行机理，组建了闭环自动控制系统，实验结果证明了该方案的可行性 。关键词 ：发电机；励磁；斩波 / 建模中图分类号 ：TM31 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X（ 2008） 11-0032-03Modeling and Controlling for Excitation System of Synchronous GeneratorDONG Feng-bin， HUANG Jin-f
5、eng（ Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， China）Abstract：The problem of AC-excited system for synchronous generator is analyzed.A new type of reconstruction and opti-mization excitation system based on chopped wave technique is presented.The chopped wave circuit is a nonlinear andtime-
6、varying dynamic system， the mathematical models are set up with average state space method and euler formula.Theregulator is designed with the engineering design method.According to the operational principle of synchronous generator，the closed loop control system is build.The experiment results veri
7、fy that this control scheme is feasible.It can present the-oretic direction on the reconstruction and optimization excitation system.Keywords：generator； excitation； chopped wave / modelingFoudation Project：Supported by Shaanxi Province Education Depatment Item （ No.07JK203）； Shaanxi Universtity ofTe
8、chnology Fund Item（ No.SLG0606）基金项目 ：陕西省教育厅项目 （07JK203）；陕西理工学院基金项目 （SLG0606）定稿日期 ：2008-09-2作者简介 ：董锋斌 （1973），男 ，副教授 ，研究方向为电力电子技术的教学和科研 。FL为副励磁机； L 为主励磁机；F 为发电机； CB 为电流互感器； B 为电压互感器；LLQ 为主励磁机励磁绕组； FLQ 为同步发电机转子绕组图 1 原结构原理图图 2 斩控式励磁调节系统结构图第 卷第 期年 月电力电子技术32的 低频假设；变换器的转折频率 f0远远小于开关频率 fs的小纹波假设；电路中各变量的幅值必须远
9、远小于相应的直流分量的小信号假设 。在忽略开关频率及其边频带，开关频率谐波与其边带，引入开关周期平均算子：Ts=1Tst+Tst乙x（ t） dt （ 1）式中 :x（ t）是变换器中某电量， Ts为开关周期 。VT 的驱动信号图如图 4a 所示 。一个开关周期电流的波形如图 4b 所示 。当 0tton时， VT 导通， VD关断， i 为流过转子绕组的电流，有下列方程式成立：Lrdidt=ui-Rri （ 2）在一个开关周期 Ts内，当变换器满足低频和小纹波假设时，可认为状态变量 i 与输入变量 ui在一个开关周期基本维持不变，用开关周期平均算子代替 。设占空比 d=ton/Ts， d=1
10、-d，式（ 2）可改写为：Lrdidt=Ts-RrTs（ 3）解式（ 3）得：i（ ton） =i（ 0） +1LrTs-RrTsdTs（ 4）当 tontTs时， VT 关断， VD 导通，同理可得：i（ Ts） =i（ ton） +1Lr-RrTsdTs（ 5）应用欧拉公式：dTsdt=ddt1Tst+Tst乙x（ t） d t =x（ t+Ts） -x（ t）Ts（ 6）利用式（ 4），（ 5），（ 6）得到：LrdTsdt=dTs-RrTs（ 7）引入小信号扰动，令 Ts=I+i赞； Ts=Ui+u赞i； d=D+d赞，其中 Ui， D， I 为稳态分量 。代入式（ 7），消去稳态分量
11、和高阶无穷小分量，取拉氏变换得到其数学模型：I赞（ s） =DLrs+RrU赞i（ s） +UiLrs+Rrd赞（ s） （ 8）4 同步发电机励磁自动控制策略4.1 同步发电机励磁控制系统数学模型分析按照其物理机理，被控量是同步发电机的机端电压 ut，忽略励磁饱和特性，以机端电压 ut为输出变量，以转子绕组所加的励磁电压 uf和定子电流 id为输入变量，其传递函数为：Ut（ s） =KGTdos+1Uf（ s） -TdoXds+XdTdos+1Id（ s） （ 9）式中： KG=Xad/Rf； Xad为电枢反应电抗； Rf为励磁绕组电阻； Td0=Xf/Rf为定子开路励磁绕组时间常数； Xf
12、为励磁绕组电抗； Xd，Xd分别为 d 轴暂态电抗和 d 轴同步电抗， Xd=Xd-X2ad/Xf。由等效励磁电路图容易得到 uf与电流 i 之间的传递函数为：Uf（ s） =（ Lrs+Rr） I（ s） （ 10）变压器 B 检测出机端电压 ut后，经整流 、滤波并分压，滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述，其传递函数是：GR（ s） =KR1+TRs（ 11）式中： KR为电压比例系数； TR为电压测量回路的时间常数，一般为 0.020.06 s 之间 。整个闭环系统的动态结构如图 5 所示 。其中为AVR 为调节器 。4.2 控制方案已知系统各个环节的数学模型，即可依据自动控制
13、原理的相关知识，利用频率法对其进行校正，以满足相关的动态 、静态性能，在按照工程设计法设计时，系统看重的是动态跟随性能，因此按照典型 系统设计5，其调节器的传递函数为：Gc（ s） =Kpi（ vs+1）vs（ 12）5 实验和结果分析根据以上分析结果，组建了双闭环自动控制系统，其中一个闭环是直流电动机转速闭环，另一个是同步发电机机端电压闭环 。其实验原理图如图 6 所示 。实验参数：直流电动机额定功率 3kW，额定转速1500r/min，副励磁机额定功率 0.75kW，频率 100 Hz，同步发电机额定功率 2kW，额定电压 400 V，额定电流 3.65A，额定励磁电压 56V，额定励磁电
14、流 3.54A，负载为三相对称阻感负载 。先启动直流电动机，使其稳定运行在 1 500 r/min，然后突加阶跃给定，其机端相电压 u1的响应曲线如图 7a 所示，稳态时 u1波形如图 7b 所示 。负载变化时测试数据如表 1。由实验曲线和数据可以看出，由该方案组建的自动控制系统能满足一定的静态性能 （下转第 62 页 ）Rr为同步发电机转子绕组电阻； Rx为等效电源内阻（可忽略）图 3 斩控电路图 4 驱动信号波形和电流的波形图 6 系统实验原理图图 5 闭环系统动态机构图同步发电机励磁系统的建模与控制33第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power Electron
15、icsVol.42， No.11November，2008（ 上接第 33 页 ） 动态性能要求，同时具有以下特点： 采用不控整流其位移因数接近 1，其总功率因数得到提高； 体积比相控整流体积小，因 IGBT 开关周期小，调节励磁反应速度快； 省去一个与同步发电机同轴的励磁机，因而缩短了发电机主轴的长度 。提出利用斩波技术对交流励磁系统进行优化，分析了这种方案的工作原理，利用状态空间平均法建立了其数学模型，理论分析和实验结果表明该方案具有可行性，为励磁改造和优化提供了理论指导 。参考文献1 朱振青 .励磁控制与电力系统稳定 M.北京：中国水利水电出版社， 1994.2 杨冠城 .电力系统自动装
16、置原理 M.北京：中国电力出版社， 2007.3 王兆安，黄 俊 .电力电子技术 M.北京：机械工业出版社， 2000.4 张卫平 .开关变换器的建模与控制 M.北京：中国电力出版社， 2006.5 陈伯时 .电力拖动自动控制系统 M.北京：机械工业出版社， 2005.6 何丙茂 .对同步发电机励磁系统若干问题的思考 J.电网技术， 1999， 23（ 3）： 27-30.机端线电压 /V 401 401 400 400 399负载电流 /A 1.00 3.00 3.61 4.01 4.50表 1 负载变化时机端线电压试验数据图 7 实验波形!写程序进行控制 。图 5 示出稳压稳流模式的程序流
17、程框图 。4 仿真及实验结果运用 Matlab/Simulink 分别搭建电流控制环和电压控制环仿真模型，通过 Scope 模拟示波器观察到的仿真波形如图 6 所示 。图中显示电流仿真波形具有一定超调量，但是系统响应的上升时间 tr10-4s，说明系统具有较好的动态性能；电压仿真波形没有超调量，响应的波形稳定，说明双闭环控制系统的设计以及参数的选取是合理的 。基于对小型电镀电源硬件电路及软件系统的理论分析，制作了实际电路 。当输入 220 V 交流电时，利用 TDS2012 型示波器的单次触发功能，捕捉电路输出电压暂态波形如图 7 所示 。由图 6b 和图 7 可见，实际输出电压波形与仿真波形
18、基本一致，验证了设计的合理性 。5 结 论所研究电源采用了双闭环控制系统和 DSP 控制，通过改变程序来满足各类小件对所需电镀电源输出电气性能的要求 。在研究过程中，用 Matlab 绘制了电压控制环和电流控制环开环传递函数的波特图，并对所取主电路参数及控制回路参数进行了反复仿真和实验，据此选取出一组合理参数，从理论上保证了设计的合理性，对实际电路设计具有指导意义 。分别对连续的电流控制器和电压控制器传递函数进行了离散化，实现了小型电镀电源的数字化控制 。从仿真波形可见，系统具有良好的动态性能和静态稳定性，而且仿真波形和实验波形相吻合，从而证明了设计的合理性 。参考文献1 朝泽云，徐至新，钟和
19、清 .基于 DSP 控制的恒流充电电源设计 J.电力电子技术， 2003， 37（ 6）： 50-52.2 杨 旭，裴云庆，王兆安 .开关电源技术 M.北京：机械工业出版社， 2007.3 罗守宾，王春芳，李 强 .半桥型电路小信号模型及双闭环控制系统设计 J.科技信息， 2007， 217（ 5）： 21-25.4 王兴贵，邹应炜，刘金龙 .全桥型 DC/DC 开关电源的建模与控制 J.电力电子技术， 2007， 41（ 7）： 86-88.5 王春芳，李 强 .基于 DSP 和单片机的逆变弧焊电源控制系统 J.控制工程， 2006， 13（ 9）： 108-111.图 7 实际输出电压波形图 6 输出电流电压仿真波形图 5 稳压稳流流程图62
