電磁式相復(fù)勵自勵系統(tǒng)的分析與研究

魏建勛，高立夫

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電磁式相復(fù)勵自勵系統(tǒng)的分析與研究

魏建勛1，高立夫2

（1. 湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭411101 2. 海軍駐湖南地區(qū)軍代表室，湖南湘潭411101）

以基于IGBT分流電路的電磁式相復(fù)勵裝置勵磁系統(tǒng)的某船舶電站為平臺，對該種相復(fù)勵自勵裝置的原理進(jìn)行分析，并對裝置中各部件與發(fā)電機輸出電壓之間的關(guān)系進(jìn)行分析與研究。指出了系統(tǒng)分流電阻、相復(fù)勵特性曲線與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。本文的結(jié)論可以直接應(yīng)用到實際的電磁式相復(fù)勵自勵系統(tǒng)的調(diào)試中。

電磁復(fù)合 氣隙電抗器 相復(fù)勵變壓器 分流電阻

0 引言

電磁式相復(fù)勵自勵裝置因其勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、穩(wěn)定性好以及具有較好的動態(tài)性能而被廣泛應(yīng)用于船舶發(fā)電機組中。近幾十年來，有許多文獻(xiàn)對這種相復(fù)勵自勵裝置原理和調(diào)整方式進(jìn)行過分析與研究[1-7]。文獻(xiàn)[1]以某典型船舶發(fā)電機的電磁疊加相復(fù)勵裝置為例，描述了相復(fù)勵裝置調(diào)整以及發(fā)電機試驗的整個過程，但并沒有分析出相復(fù)勵裝置各部分的調(diào)整與發(fā)電機輸出電壓之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[2]給出了一種相復(fù)勵自動勵磁的方案，對可能出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。

本文以一臺基于IGBT分流電路的電磁式相復(fù)勵裝置為例，以某船舶電站系統(tǒng)為平臺，對相復(fù)勵裝置中各部件參數(shù)的調(diào)整與發(fā)電機組輸出電壓的關(guān)系進(jìn)行分析與研究，給出了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素以及解決方案。

1 電磁式相復(fù)勵自勵系統(tǒng)的基本原理

圖1所示為某同步發(fā)電機相復(fù)勵裝置的原理框圖，它由五個主要部分組成：諧振電容1、帶氣隙的鐵芯電抗器1、相復(fù)勵變壓器和三相橋式整流器rec，分流回路（電阻和IGBT）。其中電壓反饋信號經(jīng)過氣隙電抗器移相90°后進(jìn)入相復(fù)勵變壓器的電壓繞組，負(fù)載電流直接穿過相復(fù)變壓器的電流繞組，電壓和電流信號經(jīng)過相復(fù)勵變壓器的鐵芯進(jìn)行磁耦合，由副邊線圈2輸出，經(jīng)過整流橋整流后，作為勵磁機的勵磁電源。諧振電容主要是用來加速電機的自勵建壓，IGBT和分流電阻構(gòu)成的勵磁分流回路，用來調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，AVR控制板檢測發(fā)電機的電壓和電流信號，經(jīng)過相應(yīng)的控制算法為IGBT提供分流驅(qū)動脈沖。文獻(xiàn)[6]建立了基于圖1所示相復(fù)勵裝置的同步發(fā)電機勵磁簡化模型，并對其進(jìn)行了仿真和試驗驗證，但并未對系統(tǒng)中各部件之間的關(guān)系進(jìn)行闡述。本文以這種相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)裝置為例，從其基本原理的角度出發(fā)，對其各部件的調(diào)整對發(fā)電機輸出電壓的影響進(jìn)行分析與研究。

圖1 相復(fù)勵裝置原理圖

從圖1中可知勵磁電流與發(fā)電機輸出電壓和電流的關(guān)系式可由式（1）來表示[4]

其中=L/R，稱為阻抗比。當(dāng)發(fā)電機工作于額定頻率時，C=2L。<1，稱為諧振頻率系數(shù)，12=21為電壓繞組變比，32=32為電流繞組變比，發(fā)電機的負(fù)載電流相量。

12由發(fā)電機的空載狀態(tài)來確定。已知發(fā)電機的空載直流勵磁電流為i，則其等效交流勵磁電流為I=i/β。令式（1）的空載狀態(tài)輸出電流等于I，可得12的關(guān)系式為

32由發(fā)電機的額定狀態(tài)來確定。已知發(fā)電機額定狀態(tài)的直流勵磁電流i，則其等效交流勵磁電流為I=i/β。令式（1）在時，其輸出電流為。由式（1）解出32的表達(dá)式，并將12由關(guān)系式（2）進(jìn)行代換，經(jīng)整理得

2 特性分析

2.1移相電抗器

電抗器的氣隙可調(diào)。氣隙越大，電感值越小，電抗器輸出能力越強；反之，電抗器輸出能力越小。電抗器的氣隙主要決定相復(fù)勵裝置的空載輸出電壓大小。經(jīng)試驗測量得出的電抗器氣隙大小與相復(fù)勵裝置輸出電壓的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，電抗器氣隙越大，相復(fù)勵空載輸出電壓越高；反之，亦然。曲線的斜率由相復(fù)勵變壓器一、二次線圈匝數(shù)變比來決定。

圖2 電抗器氣隙與相復(fù)勵輸出電壓的關(guān)系

2.2相復(fù)勵變壓器

相復(fù)勵變壓器分為一次側(cè)的電壓繞組1和電流繞組3，副邊輸出繞組2。在負(fù)載電流較大時，為了保證相復(fù)勵變壓器電流繞組的通流能力，采用單匝的粗銅排，因此一次側(cè)電流繞組的匝數(shù)通常設(shè)置為1匝，而電壓繞組一旦確定后不做更改，因此在調(diào)整相復(fù)勵變壓器時，一般只對二次側(cè)的輸出繞組匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

從式（2）可以看出，不僅電抗器的氣隙會影響相復(fù)勵的空載電壓輸出，相復(fù)勵變壓器的電壓繞組變比也會對相復(fù)勵的空載輸出電壓有所影響。發(fā)電機空載時，空載勵磁電流由勵磁機決定，為額定值。從式（2）可以看出此時電壓繞組變比12越小，空載輸出電壓會越低；反之，空載輸出電壓越高。

從式（3）中可看出，電流繞組的變比決定了相復(fù)勵輸出電壓特性曲線的斜率。32越小，對應(yīng)的滿載勵磁電流越小，發(fā)電機滿載輸出電壓越低，曲線下垂越多，相復(fù)勵曲線特性越軟，對應(yīng)的滿載輸出能力變越??；反之，勵磁電流越大，相復(fù)勵曲線特性越硬，對應(yīng)的滿載輸出能力越大。同時相復(fù)勵曲線特性會影響發(fā)電機輸出電壓的調(diào)整范圍。

圖3所示為本裝置中相復(fù)勵變壓器測試得到的副邊輸出繞組匝數(shù)與輸出電壓的關(guān)系，本裝置中的相復(fù)勵變壓器副邊共設(shè)置有6個抽頭，分別為2.1～2.6，抽頭位置越大，匝數(shù)越多。圖中將U、V、W相的抽頭位置定義為2.i、2.j、2.k（i、j、k=1，2，…，6），從圖3可以看出抽頭位置越大時，此時對應(yīng)的電壓繞組變比12和電流繞組變比32均越小，其相復(fù)勵空載輸出電壓越低，且輸出曲線下垂越多，曲線特性越軟；反之亦然。從圖中的曲線也可看出，在AVR分流相同的情況下，曲線特性越軟（抽頭位置為2.5，2.4，2.4），發(fā)電機輸出電壓可調(diào)整范圍越寬（416.6～432.6）；反之，可調(diào)整范圍越窄。

圖3 相復(fù)勵副邊輸出繞組與輸出電壓的關(guān)系

2.3諧振電容

加速發(fā)電機的自勵建壓。改變電容的大小值，可以改變發(fā)電機的起勵點（對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速）。

2.4不控整流橋

將交流勵電源轉(zhuǎn)換成直流勵磁電源，為勵磁機提供勵磁電流，由于是不控整流橋，因此當(dāng)型號確定好之后，整流橋的輸出就已經(jīng)確定，且不可更改。

2.5分流電阻和IGBT分流回路

AVR控制板根據(jù)反饋回來的發(fā)電機端電壓大小，產(chǎn)生不同占空比的脈沖控制IGBT的通斷，從而改變分流的大小，提供穩(wěn)定的勵磁電流。

3 分流電阻大小對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

某相復(fù)勵自勵同步發(fā)電機系統(tǒng)在無差過載和過流試驗時，發(fā)電機輸出電壓出現(xiàn)大幅波動，經(jīng)查器件均無異常。后經(jīng)過計算與分析發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機無差滿載工況下，其分流脈沖的占比均在5%以下。從控制角度來看，占空比過小會影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)調(diào)整分流電阻的值可以提高占空比的大小，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其原理如下：

在相復(fù)勵曲線不變，發(fā)電機系統(tǒng)無差滿載工況下，其勵磁機所需勵磁電壓和電流一定，因而其分流回路的分流大小值是一定的，此時分流大小可按式（4）進(jìn)行計算

為AVR給出的脈沖占空比大小。

從式（4）中可以看出，當(dāng)電流一定時，電阻越大，占空比就會越大；電阻越小，占空比就會越小。因此在發(fā)電機無差滿載工況下，增加分流電阻的大小，就可以增加驅(qū)動脈沖的占空比，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經(jīng)測試在本相復(fù)勵勵磁發(fā)電機系統(tǒng)中，當(dāng)分流電阻為3.6 Ω，發(fā)電機滿載時，其脈沖電壓約為0.4～0.5 V左右，勵磁電壓約為33 V左右，代入式（4）可得

此時占空比約為3.3%。

將分流電阻調(diào)整為5 Ω，發(fā)電機滿載時，其脈沖電壓約0.7 V左右，代入（4）式可得

此時占空比約為4.7%。

將分流電阻調(diào)至5.6 Ω，發(fā)電機滿載時，其脈沖電壓約為0.9 V左右，代入（4）式可得

此時占空比約為5.3%。

從上述計算可知，在本裝置所在發(fā)電機組中，當(dāng)分流電阻小于5.6 Ω時，占空比會小于5%；當(dāng)發(fā)電機處于熱態(tài)時，勵磁電流需求會更高，此時分流電流會更小，則分流占空比會進(jìn)一步縮小，從而使得系統(tǒng)輸出電壓會發(fā)生波動。當(dāng)分流電阻調(diào)至5.6 Ω時，占空比約為5.3%；當(dāng)發(fā)電機進(jìn)入熱態(tài)時，雖然分流電流會進(jìn)一步縮小，但基本上可以保證占空比在5%附近，因此保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

但是分流電阻不宜調(diào)得太大，因為分流電阻過高，會影響系統(tǒng)的調(diào)壓范圍。系統(tǒng)的調(diào)壓范圍由相復(fù)勵的特性曲線和分流電阻的大小共同決定：分流電阻越大，相復(fù)勵特性曲線就需下垂越多，曲線特性越軟，過流能力會越差；分流電阻越小，相復(fù)勵特性曲線則需下垂越小，過流能力越強，但可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有在相復(fù)勵特性曲線和分流電阻的大小值之間找到一個平衡點，才可以既保證滿足系統(tǒng)的要求，又可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

從相復(fù)勵自勵系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，以一臺實際的相復(fù)勵裝置為測試對象，對相復(fù)勵自勵系統(tǒng)中各個部分參數(shù)的調(diào)整對發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的影響進(jìn)行了分析與說明，同時指出系統(tǒng)分流電阻與相復(fù)勵特性曲線之間的矛盾關(guān)系，系統(tǒng)需要在兩者之間找到穩(wěn)定的平衡點，才能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。本文的結(jié)論可直接應(yīng)用到該種相復(fù)勵裝置的調(diào)試中。

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The Phase Compound Self-excited System with Electromagnetic-Compounding

Wei Jianxun1, Gao Lifu2

(1. Xiangtan Electric Manufacturing Group, Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TM771

A

1003-4862（2015）02-0074-03

2014-09-03

魏建勛（1977-），男，工程師。研究方向：電氣控制。