帶整流橋負(fù)載的雙繞組異步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方法研究

摘要：針對(duì)雙繞組異步發(fā)電機(jī)所帶不可控整流橋直流側(cè)電壓的穩(wěn)定問題，提出了一種在控制繞組側(cè)補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)所需無功勵(lì)磁電流的新方法。該方法通過鎖相環(huán)（PLL）檢測(cè)出控制繞組中基波電壓相位并超前90°作為實(shí)際應(yīng)補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/勵(lì)磁">勵(lì)磁無功電流的相位，再根據(jù)檢測(cè)出的功率繞組整流橋直流側(cè)的實(shí)際電壓與參考電壓作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)確定靜止無功發(fā)生器（SVG）發(fā)出的勵(lì)磁電流的幅值大小，實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)，對(duì)控制繞組中所需的勵(lì)磁電流的大小和頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。并用實(shí)驗(yàn)和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：雙繞組異步發(fā)電機(jī)；鎖相環(huán)；靜止無功發(fā)生器

1 引言

在船舶電站中需要用到的高質(zhì)量直流電，是由交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過整流得到。目前，在船舶電站中，廣泛應(yīng)用的為同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，若采用異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)整流得到直流電，與同步發(fā)電機(jī)相比，具有功率密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，制造成本低，維護(hù)方便等突出的優(yōu)點(diǎn)。但感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須依靠轉(zhuǎn)子剩磁，通過在感應(yīng)電機(jī)定子端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙萜髯詣?lì)建壓，在加負(fù)載時(shí)，引起發(fā)電機(jī)的端電壓下降，端電壓的降低，導(dǎo)致了勵(lì)磁的容性電流減小，使端電壓進(jìn)一步下降，因此，異步發(fā)電機(jī)在突加負(fù)載時(shí)端電壓會(huì)下降很快，在突加重載時(shí)可能導(dǎo)致電壓的崩潰。在感應(yīng)發(fā)電機(jī)中，要穩(wěn)定端電壓，就必須對(duì)容性勵(lì)磁電流加以控制，但異步機(jī)不同于同步機(jī)，它的容性勵(lì)磁電流和產(chǎn)生功率的有功電流是耦合在一起的，這給控制帶來了困難。本文針對(duì)帶整流橋負(fù)載的雙繞組異步發(fā)電機(jī)提出了穩(wěn)定整流橋直流側(cè)電壓的一種勵(lì)磁控制方法。

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在本文所提的雙繞組發(fā)電機(jī)中，有兩套三相定子繞組，一套繞組對(duì)負(fù)載提供功率，稱為功率繞組，另一套接靜止無功發(fā)生器（SVG）來補(bǔ)償功率繞組所并電容器產(chǎn)生的容性無功勵(lì)磁電流的變化，稱為控制繞組。由于共用同一個(gè)磁場(chǎng)，在兩套繞組中，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)的頻率是相同的，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)由于所需的電磁轉(zhuǎn)矩不同，轉(zhuǎn)差率必然發(fā)生改變，發(fā)出的交流電的頻率也發(fā)生變化，經(jīng)過過渡過程穩(wěn)定后，對(duì)于一個(gè)確定的輸出功率必然對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的頻率。因此本文所提的控制思路為：檢測(cè)控制繞組中基波電壓的頻率作為應(yīng)補(bǔ)償?shù)膭?lì)磁電流的頻率，將功率繞組整流側(cè)的實(shí)際電壓和參考電壓作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后確定SVG發(fā)出的勵(lì)磁電流的幅值大小，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)，對(duì)控制繞組中所需的勵(lì)磁電流的大小和頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的，并獲得好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

整個(gè)控制方案如圖1所示，具體控制過程如下文所述。

圖1 異步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在圖1中設(shè)畸變的控制繞組端電壓為

(1)

式中：E_n,θ_n為各次電壓有效值和初相角，其中θ₁=0。

2.1 產(chǎn)生所需的參考勵(lì)磁補(bǔ)償電流i^＊_c1的指令

電路采用鎖相環(huán)（PLL）實(shí)時(shí)跟蹤控制繞組側(cè)相電壓e_ca的基波相位ωt,通過將其相位超前π/2，得到所需的勵(lì)磁無功相位；把整流橋直流側(cè)的實(shí)際電壓u_dc與參考指定電壓udc＊作比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到所需勵(lì)磁電流的幅值I_m,這樣就確定了參考勵(lì)磁補(bǔ)償電流i^＊_c1的相位和幅值，也就確定了。

（2）

2.2 靜止無功發(fā)生器直流側(cè)電容電壓U_c的穩(wěn)定

要使SVG能正常地工作，就必須維持SVG直流側(cè)電容上工作電壓的穩(wěn)定。根據(jù)三相電路的瞬時(shí)無功理論可知，a，b，c三相的瞬時(shí)有功功率分別為

（3）

式中：

（4）

由式（3）及式（4）得

p_a＋p_b＋p_c=p；q_a＋q_b＋q_c=0 （5）

由以上分析可知，各相的瞬時(shí)無功功率之和為0，但在單獨(dú)觀察某一相時(shí)，其瞬時(shí)無功功率不為0，這表明各相瞬時(shí)無功功率只是在三相之間交換，其交換的強(qiáng)度由q表征，因此，對(duì)于SVG而言，瞬時(shí)無功功率不會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換。考慮到直流側(cè)電路的損耗，不對(duì)電容器的電壓加以控制的話，電容器上的工作電壓就不能維持，就必須引入適當(dāng)?shù)挠泄﹄娏髯尳涣骱椭绷鱾?cè)交換一定的能量。在本文提及的控制方案中，采用電容器上電壓的實(shí)際值u_c與參考值u_c^＊作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到所需的有功電流的幅值i_p，通過PLL實(shí)時(shí)跟蹤e_ca的基波相位ωt,得到控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定所需的有功電流相位，這樣通過確定其相位和幅值就確定了控制SVG直流側(cè)電容電壓的指令電流信號(hào)。

（6）

2.3 控制SVG的PWM信號(hào)的形成

在圖1中SVG需要產(chǎn)生電流的參考信號(hào)i^＊_c為

i^＊_c=i_＊c1＋i^＊_uc （7）

把i^＊_c和實(shí)測(cè)的i_c信號(hào)通過電流跟蹤控制電路產(chǎn)生PWM信號(hào)，再讓PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制SVG中主電路的工作。

（8）

3 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.1 雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

發(fā)電機(jī)空載特性如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)空載特生