交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘 要】交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是低頻交流，在有效調(diào)控勵(lì)磁電流頻率、幅值、相序和相位的情況下，可使交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)以超同步速、同步速和次同步速工作運(yùn)行，也就是可以變速的恒頻發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)供應(yīng)有功功率和無(wú)功功率。

【關(guān)鍵詞】交流勵(lì)磁 發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁控制系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁與老式同步發(fā)電機(jī)相比控制更自由，運(yùn)行性能更強(qiáng)。它的運(yùn)行特性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：穩(wěn)定性和適應(yīng)性強(qiáng)、有功功率和無(wú)功功率調(diào)節(jié)獨(dú)立、進(jìn)行運(yùn)行能力強(qiáng)。

一、基于動(dòng)態(tài)同步軸系的雙通道解耦控制原理

在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中，定子遵從發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子遵從電動(dòng)機(jī)慣例。轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，標(biāo)記轉(zhuǎn)差率s為正[1]，如果電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)相反，也為正，這樣就得出了基于同步坐標(biāo)系的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓電流方程，利用該方程，可以推得同步坐標(biāo)軸系下的計(jì)算有功功率和無(wú)功功率的公式：（有功功率計(jì)算公式）（無(wú)功功率計(jì)算公式）。

然后可以在導(dǎo)納矩陣中可以找到Y(jié)11、Y13、Y14、Y21、Y23、Y24等項(xiàng)的對(duì)應(yīng)項(xiàng)，它們只受電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)差率的影響。通過(guò)計(jì)算得出基于同步坐標(biāo)軸系，有功功率和無(wú)功功率的條件都受到Urd、Urq的影響，所以實(shí)現(xiàn)不了有功、無(wú)功的解耦控制。運(yùn)用導(dǎo)納矩陣這組公式計(jì)算可以得出：Y13=Y24，Y23=-Y14。這樣就可以得到基于動(dòng)態(tài)同步坐標(biāo)軸系的有功、無(wú)功公式，在基于動(dòng)態(tài)同步軸系的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的解耦數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，能夠創(chuàng)建動(dòng)作同步軸系下的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模型。用U，rd0和U，rq0分別表示勵(lì)磁電壓在動(dòng)態(tài)同步軸系d，軸上的檢測(cè)分量和給出控制分量，U，rd和U，rq分別是勵(lì)磁電壓在動(dòng)態(tài)同步軸系q，軸上的檢測(cè)分量和給出控制分量，ΔP是當(dāng)前檢測(cè)到的有功輸出和上一次檢測(cè)到的有功輸出之差，用誤差調(diào)節(jié)來(lái)追蹤原動(dòng)機(jī)輸出的有功功率變動(dòng)情況，Δs表示的是接受反饋的轉(zhuǎn)差率和設(shè)定的轉(zhuǎn)差率的差值，ΔQ是設(shè)定的無(wú)功輸出和接受反饋的無(wú)功輸出的差值，KP、KQ、KS分別是反饋系數(shù)。按照反饋系數(shù)的選取規(guī)定，其取值必須滿足：KP>0、KQ>0、KS>0。從而得出不需要測(cè)量轉(zhuǎn)子電壓電流，就能夠?qū)涣鲃?lì)磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁控制。

二、勵(lì)磁控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

勵(lì)磁控制系統(tǒng)使用的完成方式是雙CPU。主控CPU作為勵(lì)磁控制系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和勵(lì)磁控制算法，另一個(gè)CPU根據(jù)主控CPU發(fā)出的勵(lì)磁信號(hào)，通過(guò)PWM波形，控制勵(lì)磁主回路的交直交變頻器，提供三相勵(lì)磁電壓；雙CPU是使用雙端口存儲(chǔ)器進(jìn)行連接的，它們可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，協(xié)作完成對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制。

三、勵(lì)磁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

勵(lì)磁控制系統(tǒng)是使用主控CPU上的程序來(lái)進(jìn)行交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制算法的運(yùn)行的。軟件設(shè)計(jì)框主要分為信號(hào)檢測(cè)和勵(lì)磁控制算法兩部分。

（一）信號(hào)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

要完成對(duì)發(fā)電機(jī)定子三相電壓、電流瞬時(shí)值、轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)差率的測(cè)量，可以使用定子電壓檢測(cè)模塊、定子電流檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)子位置角檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)差率檢測(cè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在交流信號(hào)檢測(cè)中，使用富氏算法分析通過(guò)在發(fā)電機(jī)定子三相電壓和電流一周期內(nèi)等間距采樣收集到的32個(gè)樣本數(shù)據(jù)，得出電壓和電流相量，從而完成對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)。在軟件設(shè)計(jì)中，要注意測(cè)量定子電壓周期，使用倍頻方法確保電壓電流一周期中的等間距采集數(shù)據(jù)。

（二）勵(lì)磁控制算法的設(shè)計(jì)

功率計(jì)算、有功和無(wú)功通道調(diào)節(jié)、變換坐標(biāo)和參數(shù)計(jì)算等共同構(gòu)成了勵(lì)磁控制算法。

功率計(jì)算：

坐標(biāo)變換：變換發(fā)電機(jī)定子三相電壓瞬時(shí)值坐標(biāo)后，d軸相對(duì)于定子A相繞組的電角度。

參數(shù)計(jì)算：電機(jī)導(dǎo)納矩陣中的Y11、Y21、Y以及同步軸系和動(dòng)態(tài)同步軸系間角度δ可以使用電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)差率s計(jì)算得出。

（三）數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

在實(shí)踐中會(huì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中因?yàn)檗D(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓含有諧波，會(huì)引起定子電壓電流也含有很多諧波，這樣就會(huì)使反饋得到的有功、無(wú)功諧波含量變大?？梢允褂米冮L(zhǎng)度濾波法，并且采用多次測(cè)量求取平均值的方法進(jìn)行數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果：交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之前和并網(wǎng)之后的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流波動(dòng)大并且較密集。

圖1 圖2

四、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的研究，在基于動(dòng)態(tài)同步坐標(biāo)軸系的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)了雙通道解耦勵(lì)磁控制，更進(jìn)一步地求證出了在雙通道環(huán)境下的進(jìn)行勵(lì)磁控制這一選擇的正確性。為了保證勵(lì)磁控制的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須使用數(shù)字濾波方式。希望本設(shè)計(jì)在今后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠給大家以啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張浩.交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.