突加勵磁過程的理論分析及對發(fā)電機的影響

1、突加勵磁過程的理論分析及對發(fā)電機的影響 在消磁電源用無刷勵磁同步發(fā)電機整流系統(tǒng)中，為滿足消磁電流波形的要 求，發(fā)電機需要工作在特殊工況，即在 1s 內完成負載電壓的建立與消除。對此， 可以通過控制勵磁達到。 為了設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。本文根據基本電機過渡過程理論，對無刷勵磁同步發(fā)電機整流系統(tǒng)突加/突卸勵磁時， 負載電流的上升和下降時間進行了理論分析， 找到了決定這兩個時間 的主導時間常數， 并建立了相應的仿真模型， 對這兩個過程進行了仿真研究。 按 照理論與仿真分析實際， 搭接了實驗線路， 得到了實驗結果。 最

2、終的仿真結果與 理論分析吻合良好， 實驗波形所反映的變化趨勢亦與仿真及理論分析結果較為符 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。對于直流側負載，因為其電抗相對于電阻而言很小，可忽略不計。因此，可 把直流側負載看成電阻形式， 并將其折算到交流側， 看作定子繞組電阻的一部分， 運用如下的等效公式：R' = 0. 55R等效電路如所示。r是發(fā)電機定子繞組電阻： r' = r + R o可見，此時的發(fā)電機相當于運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，并根據短路的端口條件，可以對 系統(tǒng)的運行特性進行數學推

3、導， 但得到的結果無法體現參數之間的關系， 因此只 有尋求其他方法。應該指出的是，負載電流的完整表達式并不是我們必需的， 我 們關注的只是負載電流變化的過渡過程時間。 要求過渡過程時間，只需知道負載 電流變化的主導時間常數就夠了，35倍（95%98%穩(wěn)態(tài)值）的主導時間常數的值就是過渡過程時間。為此，有必要分析一下突加勵磁時，負載電流變化的 物理過程。假設電機沒有阻尼繞組， 在勵磁繞組上突加勵磁電壓后， 在勵磁繞組中將會 產生非周期電流，此非周期電流將引起定子繞組及轉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， 因此為了保持定子、 轉子回路的磁 鏈不變，定子繞組及轉子繞組內將

4、產生非周期電流。由于轉子以同步轉速轉動， 轉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子繞組中引起具有基波頻率的交流電流。 同時，由于轉子是不對稱的， 轉子繞組中的基頻交流電流所產生的磁場可分為兩 個分別與轉子轉向相同及相反的旋轉磁場，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 T a 衰減至 零，基波電流分量將以時間常數 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，實際電機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 載電流的衰減將由 5個時間常數 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)的表達式的特征方程得到T d'的表達式：T d&

6、#39; = T d 0 r 2 + x d' x q r 2 + x d x q 1. 3 考慮勵磁機的影響可以將勵磁機簡化為一 個一階慣性環(huán)節(jié)，設其時間常數為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，一段是勵磁機的建壓過程，另一段是主發(fā)電 機的建壓。 而實際上，勵磁機電壓建立的同時， 主發(fā)電機的電壓也在建立。 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。事實上，即使我們拋開時間常數 T ，對分析結果的影響也在 誤差范圍內。因此，后面對比實驗與仿真、理論結果時，我們干脆就

7、沒有再考慮T .2 突卸勵磁時的過渡過程對無刷勵磁同步發(fā)電機整流系統(tǒng)而言， 突卸勵磁包 含斷開勵磁機勵磁繞組電壓與令勵磁機勵磁繞組短路兩種方式由于勵磁機 的時間常數遠小于主發(fā)電機 (發(fā)電構建扼制體系即時摹擬機的實施) 的時間常數， 主勵磁繞組的電壓下降速度將小于勵磁機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定子繞組續(xù)流， 當勵磁機定子繞組上電壓 降為零后，再通過二極管續(xù)流。如前所述，我們忽略勵磁機的時間常數。

8、因此， 兩種卸勵磁的方式可看作均為通過二極管續(xù)流， 此時相當于普通交流同步發(fā)電機 勵磁繞組短路卸勵磁。 勵磁繞組短路， 相當于在原穩(wěn)定運行的整流系統(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，決定負載電流下降時間的時間 常數仍然是T d'( T q').由此可以認為，對無刷勵磁同步發(fā)電機整流系統(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與主發(fā)電機看作一個整體， 建立整個系統(tǒng)的數學模 型。采用(a b、c)實在值系統(tǒng)，用C語言編寫了仿真程序。由于

9、廠家無法提 供勵磁機的電氣參數， 因此我們只能對其進行近似的處理， 即將勵磁機等效為一 個端電壓與勵磁機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 > = <

10、U f d ， 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 =

11、0000 kcos 000 kcos - 2 3 000 kcos + 2 3 0003. 2整流負載電壓方程不失一般性， 我們在直流負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)電機和負載的方程合并為一個矩陣方程， 則 有：< U> = < R> < I> + < L > d dt < I> + < G> < I>

12、 實際情況下發(fā)電機和負載兩者 之間需要相互聯結形成實際回路， 而這種聯結關系會隨整流管的導通狀態(tài)發(fā)生變 化。這種變化可以用關聯變換矩陣 < T >來表示。關聯變換矩陣中的行對應于各 實際回路，列對應于各元件。對于本文所研究的系統(tǒng)，各元件包括：主發(fā)電機定 子 3 個元件，轉子 3 個元件，整流橋 6 個元件，勵磁機定子 3 個元件，轉子 1 個元件，整流橋 6 個元件以及負載 1 個元件，共 23 個元件。如果元件與實際回 路相關且元件的參考方向和實際回路的參考方向相同， 則關聯變換矩陣中對應的 元素取 + 1；如果元件與實際回路相關且元件的參考方向和實際回路的參考方向 相反，則關聯

13、變換矩陣中對應的元素取 - 1；如果元件與實際回路不相關， 則關聯 變換矩陣中對應的元素取 0，根據各整流管的導通情況由計算機自動生成關聯變 換矩陣，再對發(fā)電機方程和負載方程中的狀態(tài)變量進行變換得到實際的方程。對電壓、電流進行變換：< 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、; + < G' >< I' >根 據系統(tǒng)方程可以寫出狀態(tài)方程如下：d dt < I' > = < A > < I ' > + < B> 4實驗4. 1 發(fā)電機參數我們選用1FC5 352-4 TA4發(fā)電機。4. 2實驗原理拋開發(fā)電機原有的勵磁系統(tǒng)，我們對其采用他勵勵磁。同時， 由于柴油機的限制，我們僅驗證了負載電阻大于額定值的情況。實驗及仿真波形如所示（實驗波形中每一柵格代表 0. 1s篇幅所限，僅列出 60%額定負載時的情況） .由圖可得負載電流上升 /下降時間的仿真結果和實驗結 果，將

15、它們與理論計算值列在一起。4. 3對理論計算、 仿真及實驗結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， 無論是仿真結果還是實驗結果， 都是短路情況下的比開 路情況下的略大， 而且均是大了一點點， 可以忽略不計。 由此可以說明勵磁機的 時間常數對分析結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 磁機的時間常數不計是合理的、可行的。由比較表可見， 下降時間的實際結果與理論計算及仿真結果吻合良好， 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 因為勵磁機的緣故。 給勵磁機加恒定勵磁電壓， 其輸出電壓在整個系統(tǒng)建壓過程 中，會出現超過主發(fā)電機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，即使得仿真與實際結果同理論相比要小一些。同時，上升時間的仿真結果與實驗結果之間也存在著一定的差別， 這主要是 由于將勵磁機看作一個一階慣性環(huán)節(jié)的簡化存在誤差的緣故。為了驗證上述的分析， 我們可以拋開勵磁機， 對相應的交流同步發(fā)電機整流 系統(tǒng)進行一下仿真分析 （實驗無法進行） .負載電流的上升 /下降波形如所示 （負 載電阻額定、負載電壓與負載電流均為80%的額定值）.由1.2一節(jié)中得到的T' d表達式可得此時的理論計算結果t= 0. 43 （ s