带整流负载的交流同步脉冲发电机励磁控制的设计与仿真

张庆龙，张国友，李志新



带整流负载的交流同步脉冲发电机励磁控制的设计与仿真

张庆龙，张国友，李志新

(海军工程大学电气与信息工程学院，武汉 430033)

当同步发电机带整流负载工作在连续脉冲工况时，通过整流装置调节励磁电流以控制输出电流的难度较大。本文对系统各个环节进行了理论分析，建立了各个环节的数学模型，然后借助Matlab/Simulink工具箱，建立了系统的仿真模型，并且利用控制理论对发电机励磁的控制结构和参数进行了设计，最后将仿真波形与实际工程中的波形进行了比较分析，结果表明这种同步脉冲发电机励磁控制方式是可行的。

交流同步脉冲发电机 励磁调节装 数学模型 仿真

1 引言

在消磁勤务中，消磁主电源需要向工作线圈提供正负交替、幅值逐渐衰减的脉冲电流[1]如图1所示。以往的消磁主电源都采用脉冲直流发电机供电，随着被消磁舰船吨位的增大，所需消磁电流幅值大幅增加，这种直流电源模式已不能满足要求。现采用的是交流脉冲发电机，交流发电机有功率大、功率密度大、成本低等优点，但同步发电机直接带整流负载工作在脉冲工况下，通过控制励磁控制输出电流的难度较大，故交流发电机在消磁工况下的励磁控制设计是整个系统设计的关键。本文根据实际工程的需要，利用微机励磁装置，通过理论分析，构建系统各个环节的传递函数模型，进而设计该部分的控制策略，从而实现对该交流发电机输出电流波形的额控制，为实际工程中的控制方案的选择提供理论依据。

2 基于同步发电机的消磁主电源系统简介

主电源系统结构如图1，主电源系统共设置两台交流脉冲发电机机组，其中每台发电机机组都是一套完整独立的系统。每台发电机机组的工作过程如下：柴油机通过带动飞轮的转动，使发电机能在额定转速下工作，然后控制发电机励磁绕组的电流，使其输出交流电，再经整流输出的直流电通过转接柜接到负载上，励磁柜利用采集的负载电流与给定信号的偏差进行PID调节和可控硅整流后接到发电机的励磁绕组上，通过这样一个反馈环节从而达到控制发电机输出的目的。其中两台发电机机组共用一个转接柜，通过改变转接柜内部的接线方式可以实现两台发电机机组的单机运行和串联运行。

图1 消磁主电源系统

3 控制系统的数学模型

3.1 励磁调节器

励磁调节器主要是由PID控制器和可控硅整流装置组成，其输出直接到励磁绕组。这一环节的输入量是电路的控制电压1，输出量是整流电压2。由于晶闸管整流电路供电的交流电源存在换向电抗，且换向电抗有阻止电流从一个晶闸管向另一个晶闸管转换的作用，这就使得晶闸管的输出与控制信号存在滞后[2]。期滞后时间：

式中：m=3，为供电电源频率。

由于s很小，则可以把可控硅整流看成一个小惯性环[3]。

其中：1为整流输出电压，2是整流桥的输入电压。

PI环节如下：

其中V为控制信号。

则微机励磁装置可以简化为如下两个控制环节

图2 微机励磁装置的传递函数

3.2 交流发电机数学模型

本系统采用的交流发电机的励磁方式为他励，根据交流发电机的基本特性，可以得到电枢电流和励磁输入的数学关系。

图3 发电机结构框图

发电机励磁回路如图3所示，当发电机在运行区域时，不考虑发电机电压的饱和特性时，可以认为发电机端电压稳定幅值与励磁电压成正比，发电机的传递函数可以用一节惯性环节来表示[3]，即

式中：是发电机输出电压，为发电机端电压与励磁电压之比，为发电机正常运行时，励磁回路时间常数。

根据三相整流桥工作特性可知，在理想情况下，整流桥工作时，三相交流电只有两相是导通的。则其工作时可以近似成图4所示的电路图。

图4 三相整流桥工作时的近似电路

当发电机工作时电枢回路的微分方程为：

式中：R和f为电枢绕组的电阻和电感，和为负载的电阻和电感，s为相电压有效值。

令

这样就有：

式中为输出电流。

则交流发电机可以近似为两个惯性环节串联组成，所对应的方框图如图5：

图5 交流发电机的传递函数

4 系统模型仿真分析

实际工程中系统主回路的电路模型如图6所示，将给定信号与发电机输出反馈回来的信号进行比较，得到的偏差信号经过PID控制模块供给可控发电机输出的目的。

图6 系统主回路的电路模型

结合图6所示模型，搭建系统的仿真模型[4]，并利用稳定边界法可以得到整定参数如表1。

表1 PID参数整定

将表1参数带入仿真模型中的到的输出波形如图7，波形从上升到稳定时间1 s左右，其超调量在4%左右。将图7与图8进行比较可以发现脉冲在稳定之前都会有个较小的超调量。整个系统中电枢电流环节的惯性系数很小，系统中只有发电机励磁绕组这个大惯性环节，由于系统中只有一个大惯性环节，则通过PID控制很容易实现输出的电流波形的迅速上升。同时在实际工程中波形在下降沿没有超调，是因为所选用的微机励磁装置在脉冲时间结束时，其内部通过整流桥逆变的工作状态的灭磁作用，使励磁线圈内部的存储能量迅速降至零。

图8 实际系统的输出波形

5 结论

本文通过传递函数法建立了主电源供电系统的数学模型，并设计了系统的控制策略。通过采用Matlab/Simulink工具箱对该控制系统进行了仿真和优化[5]。结果表明该系统能实现要求的输出，并能稳定控制波形的输出。仿真实验与实际工程应用中的输出波形基本吻合，且符合工程应用中的要求，验证了这种脉冲发电机励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] 揭海宝. 基于智能控制的同步发电机励磁控制研究[D]. 成都: 西南交通大学,2012: 12-13.

[3] 丁尔谋. 发电厂励磁调节[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998: 16-18.

[4] 王正林, 王胜开. Matlab/Simulink与控制系统仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 89-90.

[5] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M] . 北京: 电子工业出版社, 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

张庆龙（1987-），男，研究生。研究方向：电磁环境与防护技术。