廖自立，劉濤，鄭潔，尹中明

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京100072；2.北方車輛研究所，北京100072）

小型單相同步發(fā)電機的復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)研究

廖自立1，劉濤1，鄭潔2，尹中明2

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京100072；2.北方車輛研究所，北京100072）

通過對小型單相同步發(fā)電機普通無刷勵磁系統(tǒng)原理說明、存在問題分析，提出了一種電流互感器式復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)方案。通過實驗仿真結(jié)果表明，電流互感器式復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)能夠提高同步發(fā)電機響應(yīng)速度，改善電機瞬態(tài)電壓調(diào)整率動態(tài)性能指標，解決了小型單相同步發(fā)電機普通無刷勵磁系統(tǒng)存在的問題。

同步發(fā)電機，復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)，電流互感器

0　引言

同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)直接影響了發(fā)電機的性能、可靠性和技術(shù)指標，因此，研究勵磁系統(tǒng)是電機發(fā)展的一個重要課題。同步發(fā)電機的勵磁方式經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜，由低級到高級的發(fā)展過程。它由最早的手動勵磁調(diào)節(jié)方式發(fā)展到自動勵磁調(diào)節(jié)方式，由早期的動態(tài)特性差的負反饋調(diào)節(jié)原理發(fā)展到后來的動態(tài)特性好的擾動調(diào)節(jié)原理。為了適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，又出現(xiàn)了更為合理的現(xiàn)代勵磁方式——復(fù)合調(diào)節(jié)原理的勵磁系統(tǒng)，即可控復(fù)勵勵磁方式?？煽貜?fù)勵勵磁方式有電流互感器復(fù)勵方式、三次諧波復(fù)勵方式和可控相復(fù)勵方式等多種形式，采用可控復(fù)勵勵磁方式既可保證發(fā)電機系統(tǒng)具有高精度的靜態(tài)性能，又可使發(fā)電機系統(tǒng)具有良好的快速反應(yīng)的動態(tài)性能。

1　小型單相同步發(fā)電機普通無刷勵磁系統(tǒng)的工作原理及存在的問題

1.1普通無刷勵磁系統(tǒng)的工作原理

圖1　普通單相無刷勵磁系統(tǒng)原理圖

小型單相同步發(fā)電機普通無刷勵磁系統(tǒng)一般為交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器無刷勵磁方式，其原理圖如圖1所示。交流勵磁機為轉(zhuǎn)樞式同步發(fā)電機，電樞電流經(jīng)安裝在同軸上的旋轉(zhuǎn)整流器整流后直接向主發(fā)電機勵磁繞組WE供給勵磁電流，不需要集電環(huán)和電刷，通過調(diào)節(jié)交流勵磁機的勵磁來調(diào)節(jié)主發(fā)電機的勵磁，從而保持發(fā)電機輸出電壓的基本穩(wěn)定，這就實現(xiàn)了無刷勵磁。

1.2目前的無刷勵磁系統(tǒng)存在的問題

交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)一般為勵磁功率單元和電壓調(diào)節(jié)器（AVR）兩部分組成。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵磁電流；電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁控制系統(tǒng)是由電壓調(diào)節(jié)器，勵磁功率單元和發(fā)電機構(gòu)成的一個反饋控制系統(tǒng)。

目前大部分無刷勵磁系統(tǒng)的小型單相同步發(fā)電機產(chǎn)品是通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整交流勵磁機的勵磁電流來調(diào)整主機勵磁電流的。電壓調(diào)節(jié)器的勵磁功率源來自主機副繞組或主繞組抽頭，而副繞組或主繞組抽頭電壓與發(fā)電機輸出電壓在突加或突減負載時變化相反，對負載的變化不能及時跟蹤；按發(fā)電機電壓偏差的比例積分微分控制規(guī)律進行調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器考慮勵磁系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，其比例、積分和微分調(diào)節(jié)系數(shù)不能設(shè)計得過大，另外模擬式AVR的PID調(diào)節(jié)參數(shù)是固定的，不像數(shù)字AVR那樣可隨負載的變化而及時準確地跟蹤調(diào)整，這些因素都會導(dǎo)致整個勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢、調(diào)整慣性大、發(fā)電機輸出電壓的恢復(fù)時間較長和動態(tài)性能不好。

當(dāng)突加突減負載或啟動異步電動機時，動態(tài)性能不好的發(fā)電機電壓會突然大幅度上升或下降，如果電壓穩(wěn)定時間過長或電壓上升下降過多，將導(dǎo)致有些用電設(shè)備不能正常工作，例如正在運行的電動機因電壓穩(wěn)定時間過長，使電磁轉(zhuǎn)矩大幅度下降，從而造成轉(zhuǎn)速明顯降低甚至有停轉(zhuǎn)的危險。另外，動態(tài)性能不好也會造成整個電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，危害用電設(shè)備和人員安全。

2　電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)的工作原理及其特點

2.1電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)的工作原理

為解決上述原無刷勵磁系統(tǒng)所存在的缺陷，本文提出小型單相同步發(fā)電機電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)的方案，其原理如圖2所示。與原無刷勵磁系統(tǒng)相比，電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)在交流勵磁機定子上增加了另外一套勵磁繞組WE2，其勵磁電流由電流互感器副邊經(jīng)整流后提供；由于電流互感器原邊電流與發(fā)電機負載電流相同，勵磁繞組WE2的勵磁電流與負載電流成正比。這樣發(fā)電機空載時通過AVR提供勵磁電流給WE1建立空載電壓，負載變化時由電流互感器提供所需的復(fù)勵電流直接給WE2進行快速補償，保持發(fā)電機端電壓恒定。

圖2　電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)原理圖

2.2電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)的特點

如上所述，發(fā)電機采用電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)時，電流互感器未經(jīng)副繞組和AVR的PID控制環(huán)節(jié)直接給復(fù)勵勵磁線圈WE2提供與負載電流成正比的勵磁電流，不僅準確地抵消了發(fā)電機負載電流電樞反應(yīng)的去磁作用，而且由于電流互感器和整流電路的時間常數(shù)比模擬式AVR小得多，整個勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大提高，突加突減負載時發(fā)電機電壓恢復(fù)時間大大減小，電壓恢復(fù)時間的減小使得電壓上升和下降的幅度也隨之減小。因此，電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)有如下特點:

①勵磁系統(tǒng)無需經(jīng)過副繞組和AVR控制環(huán)節(jié)，響應(yīng)速度大大提高，這對改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可取得較好的效果。

②動態(tài)響應(yīng)速度高，突變負載下發(fā)電機電壓恢復(fù)時間快，電壓變化幅度小，發(fā)電機瞬態(tài)電壓調(diào)整率小，提高了電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

③具有普通無刷勵磁的特點。

3　數(shù)學(xué)模型的建立

3.1電壓校正器（AVR，一般統(tǒng)稱為自動電壓調(diào)節(jié)器）

電壓校正器通常由電壓給定、電壓測量、PI調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)等模塊組成，結(jié)果如下頁圖3所示。

在構(gòu)建AVR仿真模型時，將測得的發(fā)電機電壓與給定電壓比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出。AVR模塊的仿真模型如下頁圖4所示。

圖3　電壓校正器結(jié)構(gòu)

圖4　AVR模塊仿真模型

3.2交流勵磁機

勵磁機采用同步電機經(jīng)典的二階模型:

這樣某個暫態(tài)電抗的恒定電動勢為:

勵磁機的矢量圖如圖5所示:

圖5　勵磁機矢量圖

交流勵磁機電子電流中無功分量較大，功率因數(shù)較低，因此Ede很小，近似認為

3.3系統(tǒng)模型的搭建

整個復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)如圖6所示:

圖6　復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)模型

圖中GPI（s）、GPWM（s）、GD（s）、GS（s）分別為PI調(diào)節(jié)、PWM移相觸發(fā)、勵磁機、同步機的傳遞函數(shù)，在加復(fù)勵（圖6中虛線框內(nèi)）之前的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

在加復(fù)勵后，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

這樣從式子也可以看出在加上復(fù)勵后，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)額外多了一項，電流反饋會使得系統(tǒng)在負載變化時，電壓更容易很快恢復(fù)平衡。

4　單相同步發(fā)電機突加突減負載仿真試驗

為了驗證電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機的優(yōu)越性，本文在MATLAB/Simulink軟件中對一臺20 kW的單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機和電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機分別進行了建模與仿真，仿真模型如圖7所示，其中圖7（a）為普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機仿真模型，圖7（b）為電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機仿真模型。選擇發(fā)電機主要參數(shù)如下頁表1所示。

圖7　單相同步發(fā)電機仿真模型

表1　計算機仿真電機參數(shù)

實驗時負載為100%額定負載（PN=20 kW，cosφ= 0.9），先突加負載，待發(fā)電機電壓完全穩(wěn)定后再突減負載，根據(jù)仿真結(jié)果分析勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度及準確性。

4.1普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突加突減負載試驗

首先對普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機進行仿真實驗，突加負載發(fā)電機端電壓變化如圖8所示，從圖中看出電壓最低下降到197.9 V，經(jīng)0.52 s恢復(fù)到5%的誤差范圍內(nèi)，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為14.1%；突減負載發(fā)電機端電壓變化如圖9所示，圖中可以看出電壓最高上升到265.0 V，經(jīng)0.60 s恢復(fù)到5%的誤差范圍內(nèi)，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為15.2%。

圖8　普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突加負載端電壓曲線

圖9　普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突減負載端電壓曲線

4.2電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突加突減負載試驗

對電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機進行仿真實驗，突加負載發(fā)電機端電壓變化如圖10所示，從圖中看出電壓最低下降到206.3 V，經(jīng)0.15 s恢復(fù)到5%的誤差范圍內(nèi)，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為10.3%；突減負載發(fā)電機端電壓變化如圖11所示，從圖中看出電壓最高上升到258.6 V，經(jīng)0.18 s恢復(fù)到5%的誤差范圍內(nèi)，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為12.4%。

圖10　電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突加負載端電壓曲線

圖11　電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機突減負載端電壓曲線

經(jīng)圖8和圖10、圖9和圖11進行對比可以看出，未加復(fù)勵勵磁時，突加負載后電壓上升的初期出現(xiàn)一些振蕩，突加突減負載后電壓下降和上升的幅度較大；加復(fù)勵勵磁后在突加突減負載時輸出電壓能快速達到穩(wěn)定，電壓下降和上升的幅度明顯減小。這就說明在加復(fù)勵勵磁后發(fā)電機對于負載變化的抗干擾能力增強、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。

5　結(jié)論

本文通過分析普通單相無刷勵磁系統(tǒng)發(fā)電機存在響應(yīng)速度慢、電壓震蕩較大等問題，提出了采用電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)的方式。實驗仿真結(jié)果表明，采用電流互感器復(fù)勵式勵磁系統(tǒng)發(fā)電機對于提高同步發(fā)電機的響應(yīng)速度，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有明顯效果，能夠滿足當(dāng)前用電設(shè)備和用戶對電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性的要求。

［1］袁鵬，李紅江，甄洪斌.可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)仿真［J］.船電技術(shù)，2010，30（3）:22-25.

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［5］湯蘊璆.電機學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2014.

Study on Compound Excitation System of Small Single-phase Synchronous Generator

LIAO Zi-li1，LIU Tao1，ZHENG Jie2，YIN Zhong-ming2
（1.Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.The North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

A kind of current transformer inside the compound excitation system is established based on the analysis of a brushless excitation system of small single-phase synchronous generator.The simulation expressed that the current transformer of compound excitation system can improve the response speed of synchronous generator，the transient voltage and the dynamic performance index，which also solve the problem insisted in brushless excitation system of small single-phase synchronous generator.

synchronousgenerator，compoundexcitationsystem，currenttransformer

TM921

A

1002-0640（2016）06-0087-04

2015-05-08

2015-06-17

廖自立（1974-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士研究生，副教授。研究方向：電氣工程。