电磁式相复励自励系统的分析与研究

2015-10-14魏建勋高立夫

船电技术 2015年2期

魏建勋，高立夫

电磁式相复励自励系统的分析与研究

魏建勋1，高立夫2

（1. 湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭411101 2. 海军驻湖南地区军代表室，湖南湘潭411101）

以基于IGBT分流电路的电磁式相复励装置励磁系统的某船舶电站为平台，对该种相复励自励装置的原理进行分析，并对装置中各部件与发电机输出电压之间的关系进行分析与研究。指出了系统分流电阻、相复励特性曲线与系统稳定性之间的关系。本文的结论可以直接应用到实际的电磁式相复励自励系统的调试中。

电磁复合气隙电抗器相复励变压器分流电阻

0 引言

电磁式相复励自励装置因其励磁系统结构简单、高可靠性、稳定性好以及具有较好的动态性能而被广泛应用于船舶发电机组中。近几十年来，有许多文献对这种相复励自励装置原理和调整方式进行过分析与研究[1-7]。文献[1]以某典型船舶发电机的电磁叠加相复励装置为例，描述了相复励装置调整以及发电机试验的整个过程，但并没有分析出相复励装置各部分的调整与发电机输出电压之间的关系。文献[2]给出了一种相复励自动励磁的方案，对可能出现的故障原因进行了分析，并给出了相应的解决方案。

本文以一台基于IGBT分流电路的电磁式相复励装置为例，以某船舶电站系统为平台，对相复励装置中各部件参数的调整与发电机组输出电压的关系进行分析与研究，给出了影响系统稳定性的因素以及解决方案。

1 电磁式相复励自励系统的基本原理

图1所示为某同步发电机相复励装置的原理框图，它由五个主要部分组成：谐振电容1、带气隙的铁芯电抗器1、相复励变压器和三相桥式整流器rec，分流回路（电阻和IGBT）。其中电压反馈信号经过气隙电抗器移相90°后进入相复励变压器的电压绕组，负载电流直接穿过相复变压器的电流绕组，电压和电流信号经过相复励变压器的铁芯进行磁耦合，由副边线圈2输出，经过整流桥整流后，作为励磁机的励磁电源。谐振电容主要是用来加速电机的自励建压，IGBT和分流电阻构成的励磁分流回路，用来调节励磁电流的大小，AVR控制板检测发电机的电压和电流信号，经过相应的控制算法为IGBT提供分流驱动脉冲。文献[6]建立了基于图1所示相复励装置的同步发电机励磁简化模型，并对其进行了仿真和试验验证，但并未对系统中各部件之间的关系进行阐述。本文以这种相复励励磁系统装置为例，从其基本原理的角度出发，对其各部件的调整对发电机输出电压的影响进行分析与研究。

图1 相复励装置原理图

从图1中可知励磁电流与发电机输出电压和电流的关系式可由式（1）来表示[4]

其中=L/R，称为阻抗比。当发电机工作于额定频率时，C=2L。<1，称为谐振频率系数，12=21为电压绕组变比，32=32为电流绕组变比，发电机的负载电流相量。

12由发电机的空载状态来确定。已知发电机的空载直流励磁电流为i，则其等效交流励磁电流为I=i/β。令式（1）的空载状态输出电流等于I，可得12的关系式为

32由发电机的额定状态来确定。已知发电机额定状态的直流励磁电流i，则其等效交流励磁电流为I=i/β。令式（1）在时，其输出电流为。由式（1）解出32的表达式，并将12由关系式（2）进行代换，经整理得

2 特性分析

2.1移相电抗器

电抗器的气隙可调。气隙越大，电感值越小，电抗器输出能力越强；反之，电抗器输出能力越小。电抗器的气隙主要决定相复励装置的空载输出电压大小。经试验测量得出的电抗器气隙大小与相复励装置输出电压的关系如图2所示。

从图2中可以看出，电抗器气隙越大，相复励空载输出电压越高；反之，亦然。曲线的斜率由相复励变压器一、二次线圈匝数变比来决定。

图2 电抗器气隙与相复励输出电压的关系

2.2相复励变压器

相复励变压器分为一次侧的电压绕组1和电流绕组3，副边输出绕组2。在负载电流较大时，为了保证相复励变压器电流绕组的通流能力，采用单匝的粗铜排，因此一次侧电流绕组的匝数通常设置为1匝，而电压绕组一旦确定后不做更改，因此在调整相复励变压器时，一般只对二次侧的输出绕组匝数进行调整。

从式（2）可以看出，不仅电抗器的气隙会影响相复励的空载电压输出，相复励变压器的电压绕组变比也会对相复励的空载输出电压有所影响。发电机空载时，空载励磁电流由励磁机决定，为额定值。从式（2）可以看出此时电压绕组变比12越小，空载输出电压会越低；反之，空载输出电压越高。

从式（3）中可看出，电流绕组的变比决定了相复励输出电压特性曲线的斜率。32越小，对应的满载励磁电流越小，发电机满载输出电压越低，曲线下垂越多，相复励曲线特性越软，对应的满载输出能力变越小；反之，励磁电流越大，相复励曲线特性越硬，对应的满载输出能力越大。同时相复励曲线特性会影响发电机输出电压的调整范围。

图3所示为本装置中相复励变压器测试得到的副边输出绕组匝数与输出电压的关系，本装置中的相复励变压器副边共设置有6个抽头，分别为2.1～2.6，抽头位置越大，匝数越多。图中将U、V、W相的抽头位置定义为2.i、2.j、2.k（i、j、k=1，2，…，6），从图3可以看出抽头位置越大时，此时对应的电压绕组变比12和电流绕组变比32均越小，其相复励空载输出电压越低，且输出曲线下垂越多，曲线特性越软；反之亦然。从图中的曲线也可看出，在AVR分流相同的情况下，曲线特性越软（抽头位置为2.5，2.4，2.4），发电机输出电压可调整范围越宽（416.6～432.6）；反之，可调整范围越窄。

图3 相复励副边输出绕组与输出电压的关系

2.3谐振电容

加速发电机的自励建压。改变电容的大小值，可以改变发电机的起励点（对应不同的转速）。

2.4不控整流桥

将交流励电源转换成直流励磁电源，为励磁机提供励磁电流，由于是不控整流桥，因此当型号确定好之后，整流桥的输出就已经确定，且不可更改。

2.5分流电阻和IGBT分流回路

AVR控制板根据反馈回来的发电机端电压大小，产生不同占空比的脉冲控制IGBT的通断，从而改变分流的大小，提供稳定的励磁电流。

3 分流电阻大小对系统稳定性的影响

某相复励自励同步发电机系统在无差过载和过流试验时，发电机输出电压出现大幅波动，经查器件均无异常。后经过计算与分析发现在发电机无差满载工况下，其分流脉冲的占比均在5%以下。从控制角度来看，占空比过小会影响系统的调节能力，从而影响系统的稳定性。经分析发现调整分流电阻的值可以提高占空比的大小，从而改善系统的稳定性。其原理如下：

在相复励曲线不变，发电机系统无差满载工况下，其励磁机所需励磁电压和电流一定，因而其分流回路的分流大小值是一定的，此时分流大小可按式（4）进行计算

为AVR给出的脉冲占空比大小。

从式（4）中可以看出，当电流一定时，电阻越大，占空比就会越大；电阻越小，占空比就会越小。因此在发电机无差满载工况下，增加分流电阻的大小，就可以增加驱动脉冲的占空比，从而改善系统的稳定性。

经测试在本相复励励磁发电机系统中，当分流电阻为3.6 Ω，发电机满载时，其脉冲电压约为0.4～0.5 V左右，励磁电压约为33 V左右，代入式（4）可得

此时占空比约为3.3%。

将分流电阻调整为5 Ω，发电机满载时，其脉冲电压约0.7 V左右，代入（4）式可得

此时占空比约为4.7%。

将分流电阻调至5.6 Ω，发电机满载时，其脉冲电压约为0.9 V左右，代入（4）式可得

此时占空比约为5.3%。

从上述计算可知，在本装置所在发电机组中，当分流电阻小于5.6 Ω时，占空比会小于5%；当发电机处于热态时，励磁电流需求会更高，此时分流电流会更小，则分流占空比会进一步缩小，从而使得系统输出电压会发生波动。当分流电阻调至5.6 Ω时，占空比约为5.3%；当发电机进入热态时，虽然分流电流会进一步缩小，但基本上可以保证占空比在5%附近，因此保证了系统的稳定性。

但是分流电阻不宜调得太大，因为分流电阻过高，会影响系统的调压范围。系统的调压范围由相复励的特性曲线和分流电阻的大小共同决定：分流电阻越大，相复励特性曲线就需下垂越多，曲线特性越软，过流能力会越差；分流电阻越小，相复励特性曲线则需下垂越小，过流能力越强，但可能会影响系统的稳定性。只有在相复励特性曲线和分流电阻的大小值之间找到一个平衡点，才可以既保证满足系统的要求，又可保证系统的稳定性。

4 结论

从相复励自励系统的基本原理出发，以一台实际的相复励装置为测试对象，对相复励自励系统中各个部分参数的调整对发电机系统输出电压的影响进行了分析与说明，同时指出系统分流电阻与相复励特性曲线之间的矛盾关系，系统需要在两者之间找到稳定的平衡点，才能满足系统的稳定性要求。本文的结论可直接应用到该种相复励装置的调试中。

[1] 王文义. 船舶发电机电磁叠加相复励恒压装置的调试. 船海工程, 2012, 41(4): 92-97.

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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

1003-4862（2015）02-0074-03