張慶龍，張國(guó)友，李志新

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帶整流負(fù)載的交流同步脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的設(shè)計(jì)與仿真

張慶龍，張國(guó)友，李志新

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033)

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載工作在連續(xù)脈沖工況時(shí)，通過(guò)整流裝置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以控制輸出電流的難度較大。本文對(duì)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了理論分析，建立了各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，然后借助Matlab/Simulink工具箱，建立了系統(tǒng)的仿真模型，并且利用控制理論對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后將仿真波形與實(shí)際工程中的波形進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明這種同步脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式是可行的。

交流同步脈沖發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝 數(shù)學(xué)模型 仿真

1 引言

在消磁勤務(wù)中，消磁主電源需要向工作線圈提供正負(fù)交替、幅值逐漸衰減的脈沖電流[1]如圖1所示。以往的消磁主電源都采用脈沖直流發(fā)電機(jī)供電，隨著被消磁艦船噸位的增大，所需消磁電流幅值大幅增加，這種直流電源模式已不能滿足要求?，F(xiàn)采用的是交流脈沖發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)有功率大、功率密度大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同步發(fā)電機(jī)直接帶整流負(fù)載工作在脈沖工況下，通過(guò)控制勵(lì)磁控制輸出電流的難度較大，故交流發(fā)電機(jī)在消磁工況下的勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文根據(jù)實(shí)際工程的需要，利用微機(jī)勵(lì)磁裝置，通過(guò)理論分析，構(gòu)建系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型，進(jìn)而設(shè)計(jì)該部分的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該交流發(fā)電機(jī)輸出電流波形的額控制，為實(shí)際工程中的控制方案的選擇提供理論依據(jù)。

2 基于同步發(fā)電機(jī)的消磁主電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

主電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主電源系統(tǒng)共設(shè)置兩臺(tái)交流脈沖發(fā)電機(jī)機(jī)組，其中每臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)組都是一套完整獨(dú)立的系統(tǒng)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)組的工作過(guò)程如下：柴油機(jī)通過(guò)帶動(dòng)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)能在額定轉(zhuǎn)速下工作，然后控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電流，使其輸出交流電，再經(jīng)整流輸出的直流電通過(guò)轉(zhuǎn)接柜接到負(fù)載上，勵(lì)磁柜利用采集的負(fù)載電流與給定信號(hào)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和可控硅整流后接到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組上，通過(guò)這樣一個(gè)反饋環(huán)節(jié)從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)輸出的目的。其中兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)組共用一個(gè)轉(zhuǎn)接柜，通過(guò)改變轉(zhuǎn)接柜內(nèi)部的接線方式可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)組的單機(jī)運(yùn)行和串聯(lián)運(yùn)行。

圖1 消磁主電源系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要是由PID控制器和可控硅整流裝置組成，其輸出直接到勵(lì)磁繞組。這一環(huán)節(jié)的輸入量是電路的控制電壓1，輸出量是整流電壓2。由于晶閘管整流電路供電的交流電源存在換向電抗，且換向電抗有阻止電流從一個(gè)晶閘管向另一個(gè)晶閘管轉(zhuǎn)換的作用，這就使得晶閘管的輸出與控制信號(hào)存在滯后[2]。期滯后時(shí)間：

式中：m=3，為供電電源頻率。

由于s很小，則可以把可控硅整流看成一個(gè)小慣性環(huán)[3]。

其中：1為整流輸出電壓，2是整流橋的輸入電壓。

PI環(huán)節(jié)如下：

其中V為控制信號(hào)。

則微機(jī)勵(lì)磁裝置可以簡(jiǎn)化為如下兩個(gè)控制環(huán)節(jié)

圖2 微機(jī)勵(lì)磁裝置的傳遞函數(shù)

3.2 交流發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)采用的交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式為他勵(lì)，根據(jù)交流發(fā)電機(jī)的基本特性，可以得到電樞電流和勵(lì)磁輸入的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖3 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路如圖3所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行區(qū)域時(shí)，不考慮發(fā)電機(jī)電壓的飽和特性時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定幅值與勵(lì)磁電壓成正比，發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)可以用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示[3]，即

式中：是發(fā)電機(jī)輸出電壓，為發(fā)電機(jī)端電壓與勵(lì)磁電壓之比，為發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)三相整流橋工作特性可知，在理想情況下，整流橋工作時(shí)，三相交流電只有兩相是導(dǎo)通的。則其工作時(shí)可以近似成圖4所示的電路圖。

圖4 三相整流橋工作時(shí)的近似電路

當(dāng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)電樞回路的微分方程為：

式中：R和f為電樞繞組的電阻和電感，和為負(fù)載的電阻和電感，s為相電壓有效值。

令

這樣就有：

式中為輸出電流。

則交流發(fā)電機(jī)可以近似為兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，所對(duì)應(yīng)的方框圖如圖5：

圖5 交流發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)

4 系統(tǒng)模型仿真分析

實(shí)際工程中系統(tǒng)主回路的電路模型如圖6所示，將給定信號(hào)與發(fā)電機(jī)輸出反饋回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID控制模塊供給可控發(fā)電機(jī)輸出的目的。

圖6 系統(tǒng)主回路的電路模型

結(jié)合圖6所示模型，搭建系統(tǒng)的仿真模型[4]，并利用穩(wěn)定邊界法可以得到整定參數(shù)如表1。

表1 PID參數(shù)整定

將表1參數(shù)帶入仿真模型中的到的輸出波形如圖7，波形從上升到穩(wěn)定時(shí)間1 s左右，其超調(diào)量在4%左右。將圖7與圖8進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)脈沖在穩(wěn)定之前都會(huì)有個(gè)較小的超調(diào)量。整個(gè)系統(tǒng)中電樞電流環(huán)節(jié)的慣性系數(shù)很小，系統(tǒng)中只有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組這個(gè)大慣性環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)，則通過(guò)PID控制很容易實(shí)現(xiàn)輸出的電流波形的迅速上升。同時(shí)在實(shí)際工程中波形在下降沿沒(méi)有超調(diào)，是因?yàn)樗x用的微機(jī)勵(lì)磁裝置在脈沖時(shí)間結(jié)束時(shí)，其內(nèi)部通過(guò)整流橋逆變的工作狀態(tài)的滅磁作用，使勵(lì)磁線圈內(nèi)部的存儲(chǔ)能量迅速降至零。

圖8 實(shí)際系統(tǒng)的輸出波形

5 結(jié)論

本文通過(guò)傳遞函數(shù)法建立了主電源供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制策略。通過(guò)采用Matlab/Simulink工具箱對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化[5]。結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)要求的輸出，并能穩(wěn)定控制波形的輸出。仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程應(yīng)用中的輸出波形基本吻合，且符合工程應(yīng)用中的要求，驗(yàn)證了這種脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式的可行性。

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[5] 劉金琨. 先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M] . 北京: 電子工業(yè)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

張慶龍（1987-），男，研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。