直流斬波技術在直流勵磁機控制方案優(yōu)化改造中的應用

【摘 要】由于自勵系統與他勵系統在同步發(fā)電機中存在著調磁電阻的耗損大、勵磁系統的效率低的缺點，直流勵磁機的控制方案的改造與優(yōu)化改為使用直流斬波。下文就具體闡述了對直流勵磁機的控制和改造、優(yōu)化方案，以及在實踐中的應用實例。

【關鍵詞】直流斬波技術；勵磁改造；可編程控制器

一、直流勵磁機的優(yōu)缺點

直流勵磁機的主要優(yōu)點有：勵磁機和主機有相同主軸，在系統突然發(fā)生故障，因為主機慣性過大，勵磁機的轉速受不到影響，可以正常勵磁；因為勵磁機能夠改變極性的特點，在切斷負荷之時可以很快地去磁；當系統突然發(fā)生故障，發(fā)電機的勵磁線圈組中所感應的交流電流能夠成為閉環(huán)回路，從而不至于使轉子過電壓。但同時也存在幾個缺點：其一，直流勵磁機的時間常數較大，因而電壓響應的速度過慢；其二，電磁式與機械式勵磁調節(jié)器響應時間過長；機械整理較復雜而且不可靠、維護繁瑣；流過調磁電阻的電流過大，電阻中消耗的電能很大，使勵磁系統的效果降低。

二、對于直流勵磁控制的方案討論

（1）自勵系統。自勵直流勵磁機的優(yōu)點在于相對他勵直流勵磁機而言設備數量少，可以降低自動調壓容量。缺點就是勵磁機的時間常數大，因而，電壓的響應速度很慢，且在電阻中電能的損耗大，勵磁系統的效率極低。（2）他勵系統。對于他勵系統的優(yōu)點是勵磁的時間常數相對于自勵直流的系統小，因此電壓的響應速度就變快了。其缺點是設備過多，電阻中電流的損耗值更大，使勵磁系統的效率更低。（3）自勵直流斬波勵磁系統。相對于自勵系統和他勵系統，自勵直流斬波系統存在著諸多優(yōu)點。一是其電阻值小，電流在其中耗損值小，也就是說是整個勵磁系統的效率提高。二是磁力機其時間常數更小，因此勵磁機響應較快。

三、工藝實踐

下面就此系統的軟件與硬件操作做一個簡單介紹。（1）系統硬件介紹。此圖為勵磁系統的結構框圖，其中，TA為電流互感器、SMK為滅磁開關、KQC為起磁接觸裝置。

圖1 勵磁系統的結構圖

（2）主要部分介紹。一是采用工業(yè)控制電腦作上位機，使用RS-485與PLC完成通信，在PLC中獲得工況消息，并向PLC下達命令。二是控制器選取S7-300系的PLC為控制器，該系機型擁有較高的可靠性，較強的抗干擾力，系統硬件配件較為齊全，維修方便等諸多優(yōu)點。三是觸摸屏的操作人員不僅僅可以在操作室內對其進行操控，并且可以隨時監(jiān)控系統的電流、電壓與勵磁電壓的數量值，及開關量的狀態(tài)和對應開關的信號輸出的狀況。同時，在觸摸板中你還可以了解到設備的歷史狀態(tài)曲線和設備的實時狀態(tài)等有效信息。四是此系統的執(zhí)行裝置為斬波器，即斬波主回路與PWM控制器所組成的操作系統。其中，斬波主回路的主要是由濾波電容、絕緣柵式雙極晶體管（IGBT），續(xù)流二極管等元件組成。而PWM控制器則主要由脈寬調壓控制器與保護電路所組建而成，使用占空比控制等技術。五是變送器一方面在為上位機與觸摸屏提供顯示數據的同時還擔負著為PLC供應機端電壓、勵磁電流與負載電流等數值。而其組成元件主要有電壓變送器與電流變送器兩部分。

四、軟件介紹

（1）調節(jié)器選擇。對于同步發(fā)電機，其數學模型在不計飽和的特征下，如假設輸出變量的機端電壓為Ud，那么勵磁電壓的輸入變量Ut與定子電流Ie的傳遞函數是：U■（S）=■-U■（S）-■I■（S），其中KG=X/R，X是電樞反應的電抗值，R是勵磁電阻，τ′■=X/R為定子開開路中勵磁組的時間常數，X是勵磁繞組電抗值，X′d=Xd-X2/X是d軸暫態(tài)下的電抗值，Xd是d軸同步電抗值。（2）軟件流程。軟件流程有以下步驟組成：通電開機→系統初始化進程→通信階段→開機前的檢查工作→手動、自動切換準備→遠程開機命令啟動→滅磁開關開啟→起磁接觸器運作→勵磁電壓施加→系統恒電自動調節(jié)→強制增減磁動作→自動檢測運作情況→（如有故障）停機。

選編程控制器——PLC作為勵磁控制器，使用可用工程設計法的設計調節(jié)器，選用工業(yè)控制機為自勵直流斬波系統的尚未機選。上位機采用RS-485與PLC進行通信，其中PLC可接受上位機控制命令，傳送工況現場。根據脈寬調控斬波機器數

學模型，同步機數學模型、依據工程設計方法擬定調節(jié)器控制的計算方法是積分微分——PLD。系統已得到實際證實。

參 考 文 獻

[1]董鋒斌，皇金鋒.斬波技術在小型水電站勵磁系統改造中應用[J].電力自動化設備.2006，26（7）

[2]陳光大，蔡維由，劉海峰.小型水電站綜合自動化系統的模式探討[J].中國農村水利水電.2001（12）