三級(jí)無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的建模及仿真分析

李蔚超，吳顏飛

（襄陽(yáng)航力機(jī)電技術(shù)發(fā)展有限公司，湖北 襄陽(yáng)441052）

1 引言

論文主要分析交流發(fā)電機(jī)當(dāng)中的調(diào)壓系統(tǒng)在幅頻方面的特性，并對(duì)其建模。這種三級(jí)式無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)主要是由主發(fā)電機(jī)以及勵(lì)磁機(jī)還有副勵(lì)磁機(jī)組成，在這其中，主發(fā)電機(jī)作為一種旋轉(zhuǎn)式的磁極式發(fā)電機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)則是一種電樞式的發(fā)電機(jī)，副勵(lì)磁機(jī)則是作為一種永磁發(fā)電機(jī)而存在。在交流式的勵(lì)磁機(jī)上，有一種旋轉(zhuǎn)的整流器。發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，就會(huì)從勵(lì)磁機(jī)的電樞當(dāng)中產(chǎn)生一種交流電，這種交流電在經(jīng)過整流器時(shí)直接整合為電流發(fā)送給主電機(jī)，從而達(dá)到供電的效果。而副勵(lì)磁機(jī)主要是幫助調(diào)壓器進(jìn)行電壓的調(diào)控，從而控制電流大小，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。這樣一種發(fā)電機(jī)能夠避免出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，因此，使用過程當(dāng)中具有實(shí)用性，而且不需要人工進(jìn)行維護(hù)。在電壓調(diào)節(jié)器當(dāng)中，通過對(duì)勵(lì)磁機(jī)的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就能夠達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。并且在對(duì)調(diào)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析時(shí)，主要就是將這樣一種操作的流程用控制的理論知識(shí)進(jìn)行分析，特別是對(duì)其中的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在受到一些外界的干擾之后，其流動(dòng)的電壓是否穩(wěn)定。論文主要是通過物理建模來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別使用了一些新的分析方法對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的電壓、電流的穩(wěn)定性進(jìn)行全面的分析。通過對(duì)這些影響進(jìn)行分析研究，從而促進(jìn)系統(tǒng)更加完善。

2 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的發(fā)展背景

以前發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行研制的過程當(dāng)中，為了確定調(diào)壓器和整個(gè)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，需要先研制一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，并且進(jìn)行長(zhǎng)期的運(yùn)行試驗(yàn)，完善系統(tǒng)當(dāng)中的參數(shù)設(shè)計(jì)，最終才能夠確立最合理的調(diào)壓模型。因此，在整個(gè)過程當(dāng)中的研制成本特別高，并且試驗(yàn)的時(shí)間也很長(zhǎng)。如果通過仿真的技術(shù)來(lái)進(jìn)行模擬運(yùn)作，通過模擬這樣的發(fā)電機(jī)與調(diào)壓器，最終模擬出一個(gè)特別合理的參數(shù)，這樣就能夠減少在研制過程當(dāng)中的成本，也可以縮短研究的周期[1]。

隨著這些年的計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在仿真方面的技術(shù)也開始逐漸發(fā)展，特別是當(dāng)前的仿真軟件已經(jīng)運(yùn)用到了各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。1998年開始提供電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)Power System Blockset(PSB)，模塊庫(kù)中有特別多的電力系統(tǒng)以及一些專門用于電力驅(qū)動(dòng)的元件。利用模塊庫(kù)的功能能夠較好地對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中各個(gè)元件進(jìn)行仿真模型的建立，適用于一些系統(tǒng)建設(shè)中的仿真分析。

3 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的建模

3.1 三級(jí)發(fā)電機(jī)建模

對(duì)于恒速的發(fā)電系統(tǒng)，忽略了當(dāng)前發(fā)電機(jī)當(dāng)中存在的一些阻撓作用以及運(yùn)行當(dāng)中的變壓器出現(xiàn)電勢(shì)變化的狀況。勵(lì)磁式的同步發(fā)電機(jī)也可以形成一種等效的慣性環(huán)節(jié)，將這樣的線性函數(shù)表述為，其中，K 是發(fā)電機(jī)當(dāng)中為電壓增益的一個(gè)常數(shù)，t 則是發(fā)電機(jī)的使用時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與整體負(fù)載的大小有很大的關(guān)系。

3.2 調(diào)壓器建模

在利用仿真軟件對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行建模的過程當(dāng)中，可以將模塊分為1：1 的等效環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，硬件的主要目的就是加快這種調(diào)壓系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的響應(yīng)。在進(jìn)行模塊調(diào)制的過程當(dāng)中，主要是由三角波和放大補(bǔ)償?shù)男盘?hào)進(jìn)行交割，最終輸出一種PWM 信號(hào)，這些措施都能夠體現(xiàn)將仿真軟件與硬件相結(jié)合的特性，因此，這一類方法都是可行的。通過對(duì)仿真模型圖進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，副勵(lì)磁機(jī)的整流輸出與勵(lì)磁機(jī)之間如果放置一個(gè)變換器，就能夠?qū)⒅靼l(fā)電機(jī)當(dāng)中反饋過來(lái)的電壓與基準(zhǔn)的電壓進(jìn)行比較，最終產(chǎn)生一種脈寬可變的PWM 波形。通過對(duì)勵(lì)磁機(jī)當(dāng)中的電流變化進(jìn)行調(diào)節(jié)與穩(wěn)定，使得最終輸出電壓能夠維持穩(wěn)定。

4 調(diào)壓系統(tǒng)的特性分析

對(duì)系統(tǒng)的幅頻特性曲線進(jìn)行分析之后可以看出，如果不進(jìn)行任何的校正環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下就會(huì)出現(xiàn)低頻增益低的現(xiàn)象。同時(shí)，系統(tǒng)當(dāng)中高頻衰減特性差，容易受到一些信號(hào)的干擾，如果出現(xiàn)突然的負(fù)載變化時(shí)，就容易凸顯出這樣的缺陷。為了使得這個(gè)系統(tǒng)能有更大的增益性，在系統(tǒng)當(dāng)中可以進(jìn)行一系列的校正環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的改善，而PID 串聯(lián)校正正好可以滿足這樣的系統(tǒng)需求。通過對(duì)主發(fā)電機(jī)的波形輸出進(jìn)行分析研究可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)當(dāng)中的調(diào)壓系統(tǒng)有特別良好的動(dòng)態(tài)性能，其勵(lì)磁電流脈動(dòng)小，在輸出電壓的過程當(dāng)中非常平穩(wěn)。在出現(xiàn)了復(fù)雜變化的情況之下，主發(fā)電機(jī)在電壓輸出的30 秒當(dāng)中就能夠恢復(fù)正常的值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)三級(jí)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行幅頻特性的分析之后，采取一種帶有低通濾波器的PID 策略。增加調(diào)壓系統(tǒng)的增益，特別是提高了當(dāng)前系統(tǒng)的一種截止頻率，能夠促進(jìn)系統(tǒng)在響應(yīng)方面的速度。通過對(duì)發(fā)電機(jī)與調(diào)壓器進(jìn)行建模仿真，最終模擬出一個(gè)特別合理的參數(shù)，可以減少研制過程當(dāng)中的成本，縮短研制的周期。