突加勵磁過程的理論分析及對發(fā)電機(jī)的影響

1、突加勵磁過程的理論分析及對發(fā)電機(jī)的影響 在消磁電源用無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)中，為滿足消磁電流波形的要 求，發(fā)電機(jī)需要工作在特殊工況，即在 1s 內(nèi)完成負(fù)載電壓的建立與消除。對此， 可以通過控制勵磁達(dá)到。 為了設(shè)計有效的勵磁控制規(guī)律， 有必要對無刷勵磁同步 發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)突加 /突卸勵磁時的過渡過程作出具體的分析。本文根據(jù)基本電機(jī)過渡過程理論，對無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)突加/突卸勵磁時， 負(fù)載電流的上升和下降時間進(jìn)行了理論分析， 找到了決定這兩個時間 的主導(dǎo)時間常數(shù)， 并建立了相應(yīng)的仿真模型， 對這兩個過程進(jìn)行了仿真研究。 按 照理論與仿真分析實(shí)際， 搭接了實(shí)驗(yàn)線路， 得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 最

2、終的仿真結(jié)果與 理論分析吻合良好， 實(shí)驗(yàn)波形所反映的變化趨勢亦與仿真及理論分析結(jié)果較為符 合。1 突加勵磁的過渡過程 1. 1 合理簡化為分析問題簡便起見， 可以先忽略勵磁 機(jī)。對于直流側(cè)負(fù)載，因?yàn)槠潆娍瓜鄬τ陔娮瓒院苄?，可忽略不計。因此，?把直流側(cè)負(fù)載看成電阻形式， 并將其折算到交流側(cè)， 看作定子繞組電阻的一部分， 運(yùn)用如下的等效公式：R' = 0. 55R等效電路如所示。r是發(fā)電機(jī)定子繞組電阻： r' = r + R o可見，此時的發(fā)電機(jī)相當(dāng)于運(yùn)行在定子繞組三相對稱短路狀態(tài)。1. 2突加勵磁過程的理論分析由派克方程，并根據(jù)短路的端口條件，可以對 系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)學(xué)推

3、導(dǎo)， 但得到的結(jié)果無法體現(xiàn)參數(shù)之間的關(guān)系， 因此只 有尋求其他方法。應(yīng)該指出的是，負(fù)載電流的完整表達(dá)式并不是我們必需的， 我 們關(guān)注的只是負(fù)載電流變化的過渡過程時間。 要求過渡過程時間，只需知道負(fù)載 電流變化的主導(dǎo)時間常數(shù)就夠了，35倍（95%98%穩(wěn)態(tài)值）的主導(dǎo)時間常數(shù)的值就是過渡過程時間。為此，有必要分析一下突加勵磁時，負(fù)載電流變化的 物理過程。假設(shè)電機(jī)沒有阻尼繞組， 在勵磁繞組上突加勵磁電壓后， 在勵磁繞組中將會 產(chǎn)生非周期電流，此非周期電流將引起定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組中磁鏈的突變。我們知道無源閉合電路有保持其磁鏈不變的性質(zhì)， 因此為了保持定子、 轉(zhuǎn)子回路的磁 鏈不變，定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)將

4、產(chǎn)生非周期電流。由于轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)子繞組中的非周期電流還會在定子繞組中引起具有基波頻率的交流電流。同 樣，定子繞組中的非周期電流也會在轉(zhuǎn)子繞組中引起具有基波頻率的交流電流。 同時，由于轉(zhuǎn)子是不對稱的， 轉(zhuǎn)子繞組中的基頻交流電流所產(chǎn)生的磁場可分為兩 個分別與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同及相反的旋轉(zhuǎn)磁場，后者將在定子中引起二次諧波電流。定子電流的非周期電流分量及二次諧波電流分量將以時間常數(shù) T a 衰減至 零，基波電流分量將以時間常數(shù) T d'( T q')衰減至其穩(wěn)態(tài)值，且T d '與T q'是相等的。我們知道，實(shí)際電機(jī)的阻尼繞組電阻往往較勵磁繞組電阻要大得多。因此，

5、阻尼繞組中非周期電流分量的衰減要比勵磁繞組中非周期電流的衰減快得多。 阻 尼繞組中非周期電流分量的衰減時間常數(shù)為 T d( T q).如前所述，勵磁 繞組非周期電流的衰減時間常數(shù)為 T d'( T q').同時，T a與T d'相比也 小得多，大約只有額定頻率的一周左右。因此，盡管在有阻尼繞組的情況下，負(fù) 載電流的衰減將由5個時間常數(shù)T d、T q、T d '、T q'、T a共同決定， 但真正對上升時間起決定作用的將是 T d'( T q').我們可以通過求解i d( i q)的表達(dá)式的特征方程得到T d'的表達(dá)式：T d

6、9; =T d 0 r 2 + x d ' x q r 2 + x d x q 1.3考慮勵磁機(jī)的影響可以將勵磁機(jī)簡化為一 個一階慣性環(huán)節(jié)，設(shè)其時間常數(shù)為T，那么上升沿時間t s可記為t s = 3( T + T d')，即將建壓過程分割為兩段，一段是勵磁機(jī)的建壓過程，另一段是主發(fā)電 機(jī)的建壓。 而實(shí)際上，勵磁機(jī)電壓建立的同時， 主發(fā)電機(jī)的電壓也在建立。 因此， 這樣的考慮方式只會使理論計算值大于實(shí)際系統(tǒng)建壓時間， 即我們這樣的分析是 一種保守的處理。事實(shí)上，即使我們拋開時間常數(shù) T ，對分析結(jié)果的影響也在 誤差范圍內(nèi)。因此，后面對比實(shí)驗(yàn)與仿真、理論結(jié)果時，我們干脆就沒有再考慮

7、 T .2 突卸勵磁時的過渡過程對無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)而言， 突卸勵磁包 含斷開勵磁機(jī)勵磁繞組電壓與令勵磁機(jī)勵磁繞組短路兩種方式由于勵磁機(jī) 的時間常數(shù)遠(yuǎn)小于主發(fā)電機(jī)(發(fā)電構(gòu)建扼制體系即時摹擬機(jī)的實(shí)施) 的時間常數(shù)， 主勵磁繞組的電壓下降速度將小于勵磁機(jī)輸出電壓的下降速度。 因此，幾乎在突 卸勵磁瞬間， 主勵磁繞組上的電壓將大于勵磁機(jī)整流輸出電壓， 主勵磁繞組有一 個續(xù)流的問題。 開路突卸勵磁時， 主勵磁繞組直接通過整流橋二極管續(xù)流； 短路 突卸勵磁時， 主勵磁繞組先通過勵磁機(jī)定子繞組續(xù)流， 當(dāng)勵磁機(jī)定子繞組上電壓 降為零后，再通過二極管續(xù)流。如前所述，我們忽略勵磁機(jī)的時間常數(shù)。因此， 兩

8、種卸勵磁的方式可看作均為通過二極管續(xù)流， 此時相當(dāng)于普通交流同步發(fā)電機(jī) 勵磁繞組短路卸勵磁。 勵磁繞組短路， 相當(dāng)于在原穩(wěn)定運(yùn)行的整流系統(tǒng)勵磁繞組 上加上大小與初始勵磁電壓相等、 方向相反的恒定電壓， 如所示。 此時的物理過 程與突加勵磁時的物理過程是完全一致的。 因此，決定負(fù)載電流下降時間的時間 常數(shù)仍然是T d'( T q').由此可以認(rèn)為，對無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng) 而言，突卸勵磁過渡過程的時間將大致與突加勵磁過渡過程時間相等。3 仿真分析我們將勵磁機(jī)與主發(fā)電機(jī)看作一個整體， 建立整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型。采用(a b、c)實(shí)在值系統(tǒng)，用C語言編寫了仿真程序。由于廠家無法提

9、 供勵磁機(jī)的電氣參數(shù)， 因此我們只能對其進(jìn)行近似的處理， 即將勵磁機(jī)等效為一 個端電壓與勵磁機(jī)勵磁電流成正比的基波電壓源。3. 1無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)方程正方向的規(guī)定及派克方程， 可列出無刷勵磁同 步發(fā)電機(jī)方程如下： < U F > = < R F > < I F > + < L F > d dt < I F > + < G F > < I F >其中： < L F > = L ZF L L F ，< G F > = G ZFG L F < U F > = < U f d

10、 ， 0，0，u a， u b， u c， U lf d ， u la， u lb ， u lc > T < I F > = < I f d ， I ld ， I lq ， i a， i b， i c， I lf d， i la， i lb， i lc > T < R F > = diag< R f d， R ld， R lq，- r a，- r a， - r a， R lf d ， - r， - r， - r> L LF = diag< L L f f d ， - x t，- x t，- x t > G L F = 0000

11、kcos 000 kcos - 2 3 000 kcos + 2 3 0003. 2整流負(fù)載電壓方程不失一般性， 我們在直流負(fù)載中加入反電勢與電感等 因素，則有： U dc = U - d c + L dc di dc dt + R d c i dc 其中 L d c、 R dc、 U - dc 分 別為直流負(fù)載的電感、電阻和反電勢。3. 3系統(tǒng)方程將前面已得到的發(fā)電機(jī)和負(fù)載的方程合并為一個矩陣方程， 則 有：< U> = < R> < I> + < L > d dt < I> + < G> < I> 實(shí)際情況

12、下發(fā)電機(jī)和負(fù)載兩者 之間需要相互聯(lián)結(jié)形成實(shí)際回路， 而這種聯(lián)結(jié)關(guān)系會隨整流管的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生變 化。這種變化可以用關(guān)聯(lián)變換矩陣 < T >來表示。關(guān)聯(lián)變換矩陣中的行對應(yīng)于各 實(shí)際回路，列對應(yīng)于各元件。對于本文所研究的系統(tǒng)，各元件包括：主發(fā)電機(jī)定 子 3 個元件，轉(zhuǎn)子 3 個元件，整流橋 6 個元件，勵磁機(jī)定子 3 個元件，轉(zhuǎn)子 1 個元件，整流橋 6 個元件以及負(fù)載 1 個元件，共 23 個元件。如果元件與實(shí)際回 路相關(guān)且元件的參考方向和實(shí)際回路的參考方向相同， 則關(guān)聯(lián)變換矩陣中對應(yīng)的 元素取 + 1；如果元件與實(shí)際回路相關(guān)且元件的參考方向和實(shí)際回路的參考方向 相反，則關(guān)聯(lián)變換矩陣中

13、對應(yīng)的元素取 - 1；如果元件與實(shí)際回路不相關(guān)， 則關(guān)聯(lián) 變換矩陣中對應(yīng)的元素取 0，根據(jù)各整流管的導(dǎo)通情況由計算機(jī)自動生成關(guān)聯(lián)變 換矩陣，再對發(fā)電機(jī)方程和負(fù)載方程中的狀態(tài)變量進(jìn)行變換得到實(shí)際的方程。對電壓、電流進(jìn)行變換：< U' > = < T> < U> < I> = < T > T v| ' >變換后的 系統(tǒng)方程可寫為：< U ' > = < R' > vl' > + < L ' > d dt < I' > + &

14、lt; G' >< I' >根 據(jù)系統(tǒng)方程可以寫出狀態(tài)方程如下：d dt < I' > = < A > < I ' > + < B> 4實(shí)驗(yàn)4. 1 發(fā)電機(jī)參數(shù)我們選用1FC5 352-4 TA4發(fā)電機(jī)。4. 2實(shí)驗(yàn)原理拋開發(fā)電機(jī)原有的勵磁系統(tǒng)，我們對其采用他勵勵磁。同時， 由于柴油機(jī)的限制，我們僅驗(yàn)證了負(fù)載電阻大于額定值的情況。實(shí)驗(yàn)及仿真波形如所示（實(shí)驗(yàn)波形中每一柵格代表 0. 1s篇幅所限，僅列出 60%額定負(fù)載時的情況） .由圖可得負(fù)載電流上升 /下降時間的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié) 果，將它們與理論

15、計算值列在一起。4. 3對理論計算、 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析比較開路突卸勵磁與短路突卸勵磁 時下降時間的大小可見， 無論是仿真結(jié)果還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 都是短路情況下的比開 路情況下的略大， 而且均是大了一點(diǎn)點(diǎn)， 可以忽略不計。 由此可以說明勵磁機(jī)的 時間常數(shù)對分析結(jié)果的影響可忽略不計， 同時也證明， 我們在理論分析中拋開勵 磁機(jī)的時間常數(shù)不計是合理的、可行的。由比較表可見， 下降時間的實(shí)際結(jié)果與理論計算及仿真結(jié)果吻合良好， 但上 升時間則有一定差別，特別是與理論計算值相比，差別竟接近 65% ，這主要是 因?yàn)閯畲艡C(jī)的緣故。 給勵磁機(jī)加恒定勵磁電壓， 其輸出電壓在整個系統(tǒng)建壓過程 中，會出現(xiàn)超過主發(fā)電機(jī)正常勵磁電壓的情況。 此過電壓將加速輸出電流變化的 過渡過程，即使得仿真與實(shí)際結(jié)果同理論相比要小一些。同時，上升時間的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間也存在著一定的差別， 這主要是 由于將勵磁機(jī)看作一個一階慣性環(huán)節(jié)的簡化存在誤差的緣故。為了驗(yàn)證上述的分析， 我們可以拋開勵磁機(jī)， 對相應(yīng)的交流同步發(fā)電機(jī)整流 系統(tǒng)進(jìn)行一下仿真分析 （實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行） .負(fù)載電流的上升 /下降波形如所示 （負(fù) 載電阻額定、負(fù)載電壓與負(fù)載電流均為80%的額定值）.由1.2一節(jié)中得到的T' d表達(dá)式可得此時的理論計算結(jié)果t= 0. 43 （ s