基于同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源勵(lì)磁控制系統(tǒng)研究

李志新，張國友

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

消磁脈沖電源需產(chǎn)生圖1所示的正負(fù)交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，電流首脈沖幅值大，電流波形（上升下降時(shí)間、超調(diào)量等）要求嚴(yán)格。

現(xiàn)有的消磁脈沖電源的電能主要來自市電或直流發(fā)電機(jī)?；谑须娬鞯南琶}沖電源一方面易對(duì)局部電網(wǎng)造成沖擊與污染，另一方面則對(duì)電網(wǎng)的局部容量和可靠性依賴性強(qiáng)；基于直流發(fā)電機(jī)的消磁脈沖電源，自成系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)無污染也無依賴性，且有著易于控制等優(yōu)點(diǎn)。但存在換向、功率密度小、體積大、造價(jià)高等缺點(diǎn)，而且隨著所需脈沖電流的幅值不斷增大，其缺點(diǎn)日益突出。而同步發(fā)電機(jī)有著輸出功率大、功率密度大、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，能克服直流電機(jī)的缺點(diǎn)，故基于同步交流發(fā)電機(jī)的消磁脈沖電源是消磁主電源的發(fā)展趨勢[1]。

1 基于同步發(fā)電機(jī)不控制整流的消磁脈沖電源組成

基于交流發(fā)電機(jī)的消磁脈沖電源，可采用電機(jī)加可控整流模式，即保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定，經(jīng)隔離變壓器，通過控制整流設(shè)備的導(dǎo)通角控制輸出脈沖電流的波形；也可采用電機(jī)加不控整流模式，即認(rèn)為電機(jī)電樞轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過控制勵(lì)磁電流的大小控制輸出消磁脈沖的波形。在脈沖大電流工況下，不控整流與可控整流相比，在所達(dá)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)?shù)那闆r下，有著成本低、可靠性高的顯著優(yōu)勢。

圖1 消磁脈沖電源電流波形

基于同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源的組成如圖2所示。工作時(shí)，柴油機(jī)拖動(dòng)飛輪和同步發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速（1500 r/min），勵(lì)磁裝置根據(jù)接收到的控制信號(hào)和反饋信號(hào)給同步發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，控制交流發(fā)電機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)不控整流整成直流電，換向柜根據(jù)脈沖電流的方向需求將直流電輸送至消磁繞組。針對(duì)消磁主電源輸出電流首脈沖幅值大、所需功率大、而平均功率不大的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用飛輪儲(chǔ)能，可減小對(duì)柴油機(jī)容量需求，減少建設(shè)成本。

圖2 基于同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源組成

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)建模分析

圖2所示的基于同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源廉價(jià)、可靠，但此工況的交流發(fā)電機(jī)直接帶整流負(fù)載，處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，如何使其端電壓從幾百伏到幾伏連續(xù)可調(diào)、輸出消磁電流波形從幾千安培到幾安培滿足要求，對(duì)勵(lì)磁電流的控制提出了新的要求。

電機(jī)擴(kuò)大技術(shù)成熟、可靠性高，控制繞組多，是傳統(tǒng)的消磁主電源勵(lì)磁裝置的首選。但擴(kuò)大機(jī)作為特殊的直流發(fā)電機(jī)，本身時(shí)間常數(shù)大，且參數(shù)可調(diào)范圍有限，并不適用于圖2所示工況。研究和實(shí)踐表明，針對(duì)圖2所示的特殊工況，其勵(lì)磁裝置需采用適用于電機(jī)控制、參數(shù)可調(diào)范圍大、反應(yīng)迅速的基于數(shù)字控制的整流式勵(lì)磁裝置，得到消磁脈沖電源電氣部分物理模型如圖3所示。

圖3 消磁脈沖電源電氣部分物理模型

消磁脈沖電源交流發(fā)電機(jī)采用有刷勵(lì)磁、勵(lì)磁裝置功率部分采用晶閘管整流，通過傳感器將機(jī)端強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，與給定信號(hào)比較，經(jīng)數(shù)字PID調(diào)節(jié)形成控制信號(hào)控制晶閘管的開關(guān)，將三相交流電整成6脈波直流電，大小由控制信號(hào)決定，通過電刷給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電，從而控制消磁電流波形。

雖然圖3所示模型中晶閘管整流部分和不控整流部分都是離散的工作模式，但相對(duì)于消磁主電源系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)來說，其間隔時(shí)間可忽略，從控制的角度講圖3所示的模型可當(dāng)做連續(xù)系統(tǒng)處理[1]。系統(tǒng)的儲(chǔ)能飛輪重達(dá)數(shù)噸，再加上其它機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有很大的慣性，工作過程中電樞轉(zhuǎn)速可視為恒定：晶閘管整流部分可視為增益為k0、時(shí)間常數(shù)為T0的一階慣性環(huán)節(jié)；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感為L、電阻為R；發(fā)電機(jī)電樞連同負(fù)載（包括不控整流裝置和消磁繞組）可視為增益為k1、時(shí)間常數(shù)為T1的一階慣性環(huán)節(jié)；反饋通道視為增益為k2、時(shí)間常數(shù)為T2的一階慣性環(huán)節(jié)，則消磁主電源電氣部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 消磁脈沖電源電氣部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

圖4所示模型中，勵(lì)磁裝置的時(shí)間常數(shù)為毫秒級(jí)；交流發(fā)電機(jī)直接帶整流負(fù)載，非對(duì)稱工作模式，可認(rèn)為它總是處于超瞬態(tài)，交流電機(jī)電樞的超瞬態(tài)電抗很小[3-6]，電樞連同負(fù)載的時(shí)間常數(shù)為0.1 s左右；反饋環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)約為數(shù)十毫秒；交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)一般可達(dá)數(shù)秒，所以消磁主電源電氣部分的慣性主要來自發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，在計(jì)算PID控制環(huán)節(jié)參數(shù)時(shí)，可先不計(jì)其它各環(huán)節(jié)的影響，在不考慮PID環(huán)節(jié)的D參數(shù)時(shí)（D參數(shù)在后面考慮），得到簡化的消磁脈沖電源勵(lì)磁控制模型如圖5所示。

圖5 消磁脈沖電源勵(lì)磁控制模型

3 控制參數(shù)計(jì)算

由圖1可知，消磁脈沖電流最后一個(gè)脈沖的幅值很小，這就需要對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的剩磁電壓進(jìn)行控制。根據(jù)圖6所示的同步發(fā)電機(jī)短路特性曲線和圖7所示的空載特性曲線可知，要使最后一個(gè)脈沖滿足要求，發(fā)電機(jī)空載剩磁電壓須控制在20 V以下，而該發(fā)電機(jī)的空載剩磁電壓接近100 V，故勵(lì)磁裝置需產(chǎn)生偏置電流以補(bǔ)償剩磁電壓。補(bǔ)償后實(shí)際輸出空載剩磁電壓小于2 V。

圖5所示模型的閉環(huán)傳函為：

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電感為L=3.7 h，R=0.92 Ω，則

綜合考慮消磁主電源對(duì)消磁電流上升時(shí)間和超調(diào)量的要求[2]，取阻尼比ξ=0.707，上升時(shí)間tr=1 s，計(jì)算得kp=34.3，kI=130。實(shí)際系統(tǒng)中還有晶閘管整流、電樞、不控整流、反饋等各個(gè)環(huán)節(jié)的影響，所以在實(shí)際系統(tǒng)中kp=35.3，kI=120。

圖6 發(fā)電機(jī)空載特性曲線

系統(tǒng)工作時(shí)，給定信號(hào)為一系列脈沖，頻繁變化，輸出容易出現(xiàn)振蕩，充分利用PID環(huán)節(jié)中的D參數(shù)，采用微分先行，即把對(duì)偏差的微分改為對(duì)輸出量的微分，很好地解決了給定值頻繁變化帶來的系統(tǒng)振蕩。

圖7 發(fā)電機(jī)短路特性曲線

4 小結(jié)

調(diào)試實(shí)踐表明，勵(lì)磁裝置的性能決定了基于同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源的成敗和輸出脈沖電流波形的品質(zhì)，最后得到消磁脈沖電源輸出的單個(gè)脈沖的輸出波形（2500 A）如圖8所示，連續(xù)脈沖波形（首脈沖5000 A）如圖9所示，達(dá)到了預(yù)期要求。通過研究發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)可靠的機(jī)遇同步發(fā)電機(jī)不控整流的消磁脈沖電源。

圖8 單個(gè)脈沖波形

圖9 連續(xù)脈沖波形

[1] 張國友, 李志新, 張慶龍. 發(fā)電機(jī)模式的消磁主電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 2012年艦艇消磁發(fā)展方向研討會(huì)論文集, 2012.

[2] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[3] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980, 03.

[4] 高景德, 張麟征. 電機(jī)過渡過程的基本理論及分析方法.科學(xué)出版社, 1982.

[5] 張蓋凡. 帶有高感性直流負(fù)載的橋式整流電路的計(jì)算.

[6] 徐松, 高景德, 鄭逢時(shí). 帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)的數(shù)字仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1992.