李志新，張國友

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

0 引言

消磁脈沖電源需產生圖1所示的正負交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，電流首脈沖幅值大，電流波形（上升下降時間、超調量等）要求嚴格。

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。基于市電整流的消磁脈沖電源一方面易對局部電網(wǎng)造成沖擊與污染，另一方面則對電網(wǎng)的局部容量和可靠性依賴性強；基于直流發(fā)電機的消磁脈沖電源，自成系統(tǒng)，對電網(wǎng)無污染也無依賴性，且有著易于控制等優(yōu)點。但存在換向、功率密度小、體積大、造價高等缺點，而且隨著所需脈沖電流的幅值不斷增大，其缺點日益突出。而同步發(fā)電機有著輸出功率大、功率密度大、造價低等優(yōu)點，能克服直流電機的缺點，故基于同步交流發(fā)電機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)電機不控制整流的消磁脈沖電源組成

基于交流發(fā)電機的消磁脈沖電源，可采用電機加可控整流模式，即保持發(fā)電機端電壓恒定，經(jīng)隔離變壓器，通過控制整流設備的導通角控制輸出脈沖電流的波形；也可采用電機加不控整流模式，即認為電機電樞轉速不變的情況下，通過控制勵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，在所達技術指標相當?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)電機不控整流的消磁脈沖電源的組成如圖2所示。工作時，柴油機拖動飛輪和同步發(fā)電機至額定轉速（1500 r/min），勵磁裝置根據(jù)接收到的控制信號和反饋信號給同步發(fā)電機提供勵磁電流，控制交流發(fā)電機端電壓，發(fā)電機輸出的交流電經(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，系統(tǒng)采用飛輪儲能，可減小對柴油機容量需求，減少建設成本。

圖2 基于同步發(fā)電機不控整流的消磁脈沖電源組成

2 勵磁控制系統(tǒng)建模分析

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

電機擴大技術成熟、可靠性高，控制繞組多，是傳統(tǒng)的消磁主電源勵磁裝置的首選。但擴大機作為特殊的直流發(fā)電機，本身時間常數(shù)大，且參數(shù)可調范圍有限，并不適用于圖2所示工況。研究和實踐表明，針對圖2所示的特殊工況，其勵磁裝置需采用適用于電機控制、參數(shù)可調范圍大、反應迅速的基于數(shù)字控制的整流式勵磁裝置，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)電機采用有刷勵磁、勵磁裝置功率部分采用晶閘管整流，通過傳感器將機端強電信號轉換成弱電信號作為反饋信號，經(jīng)模數(shù)轉換，與給定信號比較，經(jīng)數(shù)字PID調節(jié)形成控制信號控制晶閘管的開關，將三相交流電整成6脈波直流電，大小由控制信號決定，通過電刷給發(fā)電機勵磁繞組供電，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，但相對于消磁主電源系統(tǒng)的機械時間常數(shù)來說，其間隔時間可忽略，從控制的角度講圖3所示的模型可當做連續(xù)系統(tǒng)處理[1]。系統(tǒng)的儲能飛輪重達數(shù)噸，再加上其它機械結構，系統(tǒng)有很大的慣性，工作過程中電樞轉速可視為恒定：晶閘管整流部分可視為增益為k0、時間常數(shù)為T0的一階慣性環(huán)節(jié)；發(fā)電機勵磁繞組的電感為L、電阻為R；發(fā)電機電樞連同負載（包括不控整流裝置和消磁繞組）可視為增益為k1、時間常數(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數(shù)學模型如圖4所示。

圖4 消磁脈沖電源電氣部分數(shù)學模型

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

圖5 消磁脈沖電源勵磁控制模型

3 控制參數(shù)計算

由圖1可知，消磁脈沖電流最后一個脈沖的幅值很小，這就需要對發(fā)電機輸出的剩磁電壓進行控制。根據(jù)圖6所示的同步發(fā)電機短路特性曲線和圖7所示的空載特性曲線可知，要使最后一個脈沖滿足要求，發(fā)電機空載剩磁電壓須控制在20 V以下，而該發(fā)電機的空載剩磁電壓接近100 V，故勵磁裝置需產生偏置電流以補償剩磁電壓。補償后實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)電機勵磁繞組的電感為L=3.7 h，R=0.92 Ω，則

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

圖6 發(fā)電機空載特性曲線

系統(tǒng)工作時，給定信號為一系列脈沖，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，即把對偏差的微分改為對輸出量的微分，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)電機短路特性曲線

4 小結

調試實踐表明，勵磁裝置的性能決定了基于同步發(fā)電機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，最后得到消磁脈沖電源輸出的單個脈沖的輸出波形（2500 A）如圖8所示，連續(xù)脈沖波形（首脈沖5000 A）如圖9所示，達到了預期要求。通過研究發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了廉價可靠的機遇同步發(fā)電機不控整流的消磁脈沖電源。

圖8 單個脈沖波形

圖9 連續(xù)脈沖波形

[1] 張國友, 李志新, 張慶龍. 發(fā)電機模式的消磁主電源系統(tǒng)設計與實踐[J]. 2012年艦艇消磁發(fā)展方向研討會論文集, 2012.

[2] 胡壽松. 自動控制原理. 北京: 科學出版社, 2001.

[3] 許實章. 電機學. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1980, 03.

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

[5] 張蓋凡. 帶有高感性直流負載的橋式整流電路的計算.

[6] 徐松, 高景德, 鄭逢時. 帶整流負載同步發(fā)電機的數(shù)字仿真[J]. 電工技術學報, 1992.