电励磁同步电机（共10篇）
电励磁同步电机 篇1
1 引言
交流电动机为高阶、强耦合及非线性系统,古典线性控制方法不能解决输入输出的耦合及输出的独立控制等问题,无法满足高性能调速系统的控制要求。国内外学者研究将非线性控制理论应用到交流电动机控制系统中,取得了进展。应用到交流电动机中的非线性控制理论主要有:反馈线性法、反步法、逆系统方法、无源理论及自抗扰技术等[1],这些非线性控制理论的应用改善了电动机的控制性能。
无源性控制(PBC)作为本质上的非线性控制,利用输出反馈使电动机闭环系统特性表现为无源映射,从电动机的能量方程入手,利用不影响稳定性的无功力简化控制器的设计[2,3]。
近几年来的无源性控制研究主要集中在异步电动机上[4,5,6],本文采用同步电动机的欧拉—拉格朗日形式的机电统一数学模型,并从能量函数出发,根据系统转矩给定、速度给定,设计渐近跟踪的无源控制器。由该方法设计的同步电机无源性控制器简单,不影响系统的稳定性,无奇异点且鲁棒性较好。
2 同步电机欧拉-拉格朗日数学模型
同步电机在两相同步旋转dq坐标系下的电压方程和电磁转矩平衡方程如下所示[7]:
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其中,Rs、Rf分别为定子、励磁绕组电阻;RD、RQ分别为阻尼绕组d、q轴电阻;Lsd、Lsq分别为定子d、q轴自感;LD、LQ分别为阻尼绕组d、q轴自感;Lmd、Lmq分别d、q轴电枢反应电感;Lf为励磁绕组自感;J为转动惯量;D为机械阻尼系数;TL为负载转矩;np为极对数;p为微分算子;ω为转子旋转角速度;ud、uq、uf分别为定子d、q轴电压和励磁电压;id、iq、if、iD、iQ分别为定子d、q轴、励磁和阻尼绕组d、q轴电流。
将电气方程和转矩平衡方程结合在一起,并整理可得同步电机E-L形式的电气—机械系统方程,如下所示:
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其中
xT=(idiqifiDiQω)=(x1x2x3
x4x5x6)为状态变量;
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u1,u2,u3为控制变量
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F(x)为反对称矩阵,即xTFx=0,G为对角正定矩阵。
取正定二次型能量函数:
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对式(2)求导后,代入式(1)中整理可得:
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对式(3)两边同时积分,可得:
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式(4)左边为整个电动机系统能量的增量,右边为外部电源供给电动机的能量,系统能量增量的总和小于外部注入能量的总和,则电动机系统是严格无源的。
3 控制器设计
3.1 磁链、转矩控制器设计
设系统期望的输出转矩为Td,转子磁链为Ψf,期望的磁链幅值为M,根据同步电机矢量控制的转子磁场定向的思想,采用id=0控制,转子磁链渐近跟踪磁链幅值,电磁转矩跟踪期望转矩,则跟踪问题转化为实现下列控制目标[3]:
(1) 电磁转矩渐近跟踪期望转矩:
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(2) 转子磁场渐近定向:
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(3) 转子磁链幅值渐近跟踪期望幅值:
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设xd=[x1dx2dx3dx4dx5dx6d]T为待设计的期望状态变量,设计xd使之满足控制目标,即下列相应的式子:
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令跟踪信号误差e=x-xd,代入式(1)可得误差系统的动态方程为:
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取误差系统的正定能量函数为:
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对式(6)求导后代入式(5)中,可得:
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由Lyapunov稳定性定理第二法[8]可得,若式(7)小于0,则e渐近收敛到0。因此,可令h=-Ke,K=diag(k1k2k3k4k5k6)。其中,k1,k2…k6均大于0,K为阻尼系数,是为改善系统的动态响应,降低控制系统对参数变化的灵敏度而增加的阻尼项,K的大小决定了e→0的速度。则式(7)变为:
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此时,系统在获得期望跟踪性能的同时,也保证了稳定性,这一过程可通过选择合适的xd来实现,称为能量成形。
由控制目标可得期望状态变量的计算方程为:
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无源性控制变量的计算方程为:
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由此设计出的控制器能实现电磁转矩的跟踪,同时又能实现对电气状态的控制目标。一般而言,因为转子阻尼绕组电流x4、x5不可测量,跟踪误差e4、e5无法得到,所以,常取k4=k5=0。
3.2 转速控制器的设计
转速外环建立转速误差反馈,采用PI控制器,就可以得到参考转矩:
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其中,kp、ki分别为比例增益和积分增益。
4 仿真验证
采用MATLAB对无源性控制系统进行仿真验证,同步电机参数[9]为:Rs=0.142Ω,Rf=0.375Ω,RD=RQ=0.823Ω,np=4,J=0.058kg·m2,D=0.01N·(m/s),M=1,Lsd=0.852H,Lsq=0.952H,Lmd=0.423H,Lmq=0.423H,Lf=0.823H,LD=0.823,LQ=0.623H。
系统空载启动,在0.5s时给定200r/min的转速信号,系统稳定后,2s时突增负载为8N·m,在3s时转速增加至400r/min。可得系统仿真结果如图1所示。
仿真结果可见,电机的实际转速能够快速、平稳地跟踪参考转速,在突加负载时,转速略有变化,随后能很快跟踪目标转速,稳态运行无静差,抗扰力较好;电动机输出的电磁转矩能够较快地跟踪负载转矩的波动;定子三相电流和转子位置角输出效果较好,还有的谐波量少。
5 实验验证
以TI公司的高性能浮点DSP TM320F28335为核心控制器,在一台2kW的电励磁同步电机上进行了实验,电机参数与仿真所用参数相同,实验波形如图2所示。
由图2(a)可以看出电机的实际转速能够很好地跟踪期望转速,稳态运行无静差;图2(b)为电机的转子位置角,可以看出电机转子位置能够实现快速跟踪;图2(c)为电机转速在300rpm时测出的A相定子电流波形,波形接近正弦,电流畸变较小。实验结果证明了电励磁同步电机无源性控制的合理性和有效性。
6 结论
本文建立了同步电动机欧拉—拉格朗日形式的机电统一数学模型,配置出不影响系统稳定性的无功力,迫使系统总能量跟踪预期的能量函数,保证了系统的稳定性。所设计的无源性控制器考虑了同步电机转子阻尼绕组对动态过程的影响,同时实现了间接的转子磁链定向和磁链幅值保持,从而实现了转速的渐近跟踪控制。仿真和实验结果表明了该控制方法的有效性。
值得注意的是,与传统的矢量控制有所不同,无源性控制器的磁通控制是开环的,参数的变化或者磁路的饱和都可能使实际磁通偏离给定值,从而影响系统的控制性能。
参考文献
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科电亿恒：电机励磁闯欧洲 篇2
中关村永丰产业基地，有中国最早的国家示范科技企业加速器。入驻加速器的企业，都有一个显著的特征，那就是发展速度迅猛，且单位面积产值高。2009年3月23日，北京科电亿恒电力技术有限公司（简称科电亿恒）在实创股份科技企业加速器创业示范基地，租下了1070平方米的办公场地。经过3年的发展，当时只有不到20人的小团队，如今已发展到60多人。从员工人数的扩张速度来说，这似乎并没有彰显出加速器企业的迅猛，但是从单位面积产值来衡量，科电亿恒已然一个小巨人。从2009年的1万元/平方米，增长至现在的5万元/平方米，这在世界范围内也堪称典范。
从2005年创立至今，科电亿恒一直呈直线上升的发展态势，其产品国内市场占有率高达40%以上，并出口巴西、白俄罗斯、印度等20多个国家。令科电亿恒总经理杨立强高兴的是，公司的最新产品柴油发电机数字AVR系统在性能上完全能与全球大佬ABB公司和巴斯勒公司抗衡，且已成功进入法国市场。虽然法国人对中国产的首款柴油发电机数字AVR系统提出了诸多苛刻的要求，但科电亿恒人最终都一一破解了。
外界好奇，作为高科技产业的“平民”，科电亿恒到底使用了怎样精密的战术，才能步步逼近ABB和巴斯勒耀眼的光芒？
技术换市场
科电亿恒早期的主打产品是电机励磁设备，通过这个设备，可以调节发电机的电压。通俗地讲，电机励磁设备就是一个自动控制装置，是电力自动化的一个细小分支。尽管是一个细小分支，但是要成为这个领域家喻户晓的专家，也绝非易事。
和很多大型公司的招投标销售方式不同，规模尚小的科电亿恒独辟蹊径，采用配套销售的方式，先将产品卖给发电机制造厂商，再由发电机制造厂商配套卖给发电厂。“这有点像渠道销售，先入为主，只要占住发电机制造厂商这个渠道，后来者就进不来了。”杨立强告诉记者，“能长期占领这个市场，科电亿恒靠的是技术实力。”
科电亿恒的前身是中国电力科学研究院励磁研究室，公司继承了中国电科院在电机励磁和保护监控系统几十年的科研成果，并成功将其进行了产业化发展。在创办科电亿恒之前，杨立强在中国电科院励磁研究室做了多年研发工作，如今已是教授级高级工程师。
对于机械制造行业的发电机制造厂商来说，自动控制技术并不是他们的强项，但是他们却有旺盛的市场需求。一方有市场没技术，一方有技术缺市场，如何达成双方互补共赢？这是杨立强当时最迫切的愿望。这一愿望在2005年与南京汽轮电机（集团）公司（简称南汽）的合作中如愿以偿。
科电亿恒获得与南汽合作的机会，在于它抓住了发电机自动控制从模拟时代到数字时代的升级契机，在关键时候为南汽解决了严重滞后市场需求的产品难题。
杨立强清楚地记得，当时为解决数字化更新换代难题，南汽在国内选择过南瑞集团，在国外选择过ABB公司。ABB公司的技术固然很先进，但是落地却比较困难，因为南汽的配套技术根本跟不上。而南瑞集团当时的做法是喜欢在市场上拼订单，对配套销售这块市场并不看好，对南汽提出的各种要求更是置之不理。科电亿恒的出现，恰好弥补了南汽的两次伤痛，不管是在技术方面还是在后续服务方面，科电亿恒都正中南汽下怀。
科电亿恒当时的情况是，公司刚成立不久，而且脱离了中国电科院的光环，虽然手里掌握了一定技术，但更需要市场来养活公司。如何获取订单成了压在杨立强心头的一块大石头。如果将目标客户锁定在大型发电机制造厂商的话，科电亿恒面临的竞争对手将是全球巨头ABB，以及国内的大型国有企业，正面交锋定将一败涂地。杨立强深知，要打破巨头的行业垄断无异于登天，所以他及时转换发展思路，将目标瞄准那些巨头无暇顾及的中小型发电机制造厂商。
因此在与南汽的合作过程当中，无论是从技术的交底，还是后续的跟踪服务，科电亿恒都兢兢业业。“前几台机组都是我们帮南汽进行投运、制造，甚至包括图纸都由我们共同设计。”凭借雄厚的技术实力和循循善诱的跟踪服务态度，科电亿恒最终取得了南汽的信任。从2005年开始一直到现在，与南汽合作的7年时间里，科电亿恒提供了1400多套产品，产值数亿元。
用同样的合作模式，科电亿恒在随后的2006年与2007年又分别与杭汽股份和长江动力成功合作。时至今日，科电亿恒已与国内超过2/3的发电机制造厂商建立了战略合作关系。
国际化升级
在国内市场站稳脚根后的科电亿恒又有了新的更高的追求，它要进军国际市场。杨立强还记得科电亿恒刚成立的时候，国内电力自动化领域绝大多数的产品是进口，而且主要是ABB公司的产品，一度占据中国电力行业80%的市场份额，近乎垄断。中国产品能否占据国外市场？杨立强决定一试。
“专注于一个细分领域，并占据龙头地位，同样能成为一家百年老店。”杨立强告诉记者，他在香港和欧洲看到很多公司，并不像GE、ABB那么大，但是在某些细分领域，却占据绝对话语权。正是受到这些小巨人公司的发展思路的启发，杨立强为科电亿恒寻找了一个全新的进军国际市场的突破口——柴油发电机数字AVR系统。
在科电亿恒着手之前，全世界有ABB和巴斯勒两家公司几乎垄断了柴油发电机的AVR控制器。尤其是巴斯勒公司做得更早，10台数字AVR系统柴油发电机里，大概有8-9台是由他们生产的。
科电亿恒进入柴油发电机数字AVR系统领域，缘于2011年初与法国一家公司的合作。这家公司的老总曾经担任过巴斯勒公司国际事业部的总裁。离职后，他创办了新公司，继续从事柴油发电机数字AVR系统行业，但是他需要重新选择一款跟巴勒斯公司产品性能相当的产品做市场推广。在考察了数百家公司之后，这位法国老总选择了科电亿恒。
能成为这家法国公司的合作伙伴，实属不易。在此之前，科电亿恒在国内市场已经占据40%以上的市场份额，是当之无愧的行业标准的代言人，但是跟这家法国公司合作以后才发现，与他们苛刻的专业要求还是有不少差距。然而科电亿恒仅通过1年多的时间，就达到了他们的要求，最后定制了一款符合欧洲市场的柴油发电机AVR控制器。在这1年多的时间里，科电亿恒对原有技术进行了全面升级，经过无数次的试验和研究，突破了各种瓶颈。
现在，科电亿恒生产的柴油发电机AVR控制器已经能与ABB公司和巴斯勒公司抗衡。在成功打入法国市场后，该产品在欧洲本土市场的销量逐渐增长，目前已成为科电亿恒新利润的增长点。“我们计划将这款产品进入对技术要求更高的核电备用柴发控制领域。”杨立强志在必得。据悉，日前该公司已与陕柴重工签约，为某核电项目提供AVR控制系统。
杨立强还有一个愿望，希望科电亿恒能在中关村三板市场融到资金。当高技术的产品插上资本的翅膀，科电亿恒定将飞越重洋闯欧洲、闯天下！
电励磁同步电机 篇3
常规双馈异步风力发电机和永磁直驱同步风力发电机存在低电压穿越能力差、无功输出能力不足等问题,很难满足我国对大规模风电并网越来越高的并网要求[3,4,5]。前端调速式风电机组由于采用了液力变距调速和直接并网型电励磁同步发电机,因此具有低电压穿越和无功输出能力强、电能品质好等优点,从根本上提高了风机并网运行的稳定性和可靠性[6],前端调速式风力发电机结构框图如图1所示。
对于前端调速式风力发电机,其输出电压的控制可以通过励磁控制实现。本文针对励磁系统的结构建立了机组电压控制模型,设计了用于输出电压控制的H∞励磁控制器,并在此基础上,将机组等效为单机无穷大系统模型,设计了保证机组并网稳定运行的H∞电力系统稳定器。
1 系统模型的建立
本文研究的电励磁同步风力发电机采用的无刷励磁系统如图2所示[7],该励磁系统由永磁同步电机和全控整流电路构成,通过励磁控制器控制励磁电流大小,调节发电机无功功率和电压。
同步电机的电压方程为[8]
式中:id和iq分别为直轴和交轴电流;iD和iQ分别为直、交轴阻尼绕组电流;if为励磁电流;Rs为定子电阻;RD为阻尼绕组电阻;Rf为励磁绕组电阻;ΨD和ΨQ为直、交轴总磁链;ΨD和ΨQ为阻尼绕组直、交轴总磁链;Ψf为励磁绕组总磁链;p为微分算子d dt;ωe为磁链转速对应的定子电度角时间导数。
同步发电机功率方程为
忽略阻尼绕组作用、定子绕组暂态作用及转速变化的影响,得到简化的Park方程
式中:Pe为同步发电机电磁转矩;Eq′为交轴暂态电动势;Xd,Xq分别为直、交轴电抗;Xd′为直轴暂态电抗。
PWM整流器的d,q坐标轴下的数学模型为[10]
式中:Ψ为磁链;ωr为转子角速度。
为解决三相PWM整流器的d,q轴分量相互耦合问题,采用前馈解耦控制[11]。设G(s)为电流调节器的传递函数,i*sd和i*sq为isd和isq给定值,usd和usq的控制方程为
或
将测量环节等效为小惯性环节并与电流环和PWM环节合并,得到:
考虑到,代入上式得:
考虑励磁对系统稳定性的影响,结合同步发电机的摆动方程[11],可得电励磁同步发电机低频振荡的矩阵方程为
其中
2 DL-H∞控制器设计
2.1励磁控制器设计
考虑如图3所示系统,其中,e为电压偏差,u为控制量,w为扰动,W1,W2,W3分别为灵敏度函数S、输入灵敏度函数R和补灵敏度函数T的加权函数,K(s)为将要设计的控制器,P(s)是线性时不变广义受控对象。
广义控制对象P为
其状态空间描述为
式中:x为n维状态变量;ω为r维信号向量;u为p维控制向量;z和y是期望输出和测量输出。
从ω到z的闭环传递函数为
H∞标准设计问题是对于给定的广义被控对象P,判断是否存在控制器K具有给定的H∞性能γ,使得闭环系统内部稳定,且Tzω(s)的无穷范数小于1。对于式(9)所示广义被控对象,基于求解线性矩阵不等式的H∞标准设计问题是设计具有以下状态空 间实现的 输出反馈H∞控制器u(s) = K(s) y(s),使得从ω到z的输出有界[12]。
内环控制结构框图如图4所示,系统以发电机端电压和励磁电压为反馈信号与给定电压相比较,并将差值送入H∞控制器进行调节励磁系统输出电流,进而调节发电机的输出电压。
在式(3)中,令y = Eq′,则含励磁系统的同步发电机的系统方程为
其中
带入参数进行控制器设计,选取加权函数W1,W2,W3分别为
参照线性矩阵不等式LMI的求解方法[14],求解式(11),得到控制器:
2.2电力系统稳定器设计
在本文中,为同时考虑受控对象的不确定性和抑制干扰,将PSS设计问题归结为混合灵敏度问题[16]。
在单机无穷大系统中以Dω为输入,以Dus为输出,如图5所示,得到由H∞方法设计的PSS。系统变量为x =[DωDδDEq′ DEf]T,系统输入为控制器输出DuE,输出为系统角度增量Dδ,由式(9)系统的状态方程和输出方程为
通过将参数带入式(13),求得矩阵As的特征根为
由于弱阻尼极点(0.020 5±j5.339 4)在虚轴附近,当系统故障时运行点发生变化会导致系统失稳,将其配置为(2.22±j5.339 4),因此选取:
考虑电力系统低频振荡频率分布为0.7~2 Hz,选取V2(s) = (0.000 2s + 0.01) (0.5s + 1)。
通过求解方程得到一个18阶控制器,将其降阶为一个零极点稳定的3阶控制器:
3 仿真分析
图6给出了系统侧故障时不同电压跌落情况下机组的定子电压和无功功率。从图6中可以看出,采用H∞励磁控制的同步发电机输出电压在无功补偿作用下能迅速恢复稳定,并且在加入保持系统暂态稳定的H∞PSS后,发电机输出电压和无功功率相对仅采用H∞励磁控制器更加平稳。
为验证加入H∞PSS对系统暂态性能的影响,在1 s时分别设置三相短路故障,故障持续120 ms,从图7a可以看出,当系统发生短路故障时,励磁系统能够快速响应,输出无功功率,对电力系统进行无功补偿。
在故障清除后,机组输出电压能快速恢复稳定,发电机转速恢复平稳运行状态,如图7b所示。相对于单一的H∞励磁控制,采用H∞PSS和H∞励磁控制双重控制保证了系统的暂态稳定,又能使系统在故障发生时快速响应,故障清除后快速恢复稳定。
4 结论
随着大规模风电场接入电网,风电机组输出稳定的电压对于电力系统的稳定运行具有重要影响。当电力系统运行条件的改变,同步风力发电机励磁系统参数会相应发生变化,模型的近似导致实际控制对象模型的不确定性,使得系统难以在较宽的范围内得到理想的控制效果。基于H∞控制理论设计的励磁控制器和电力系统稳定器将电力系统的高度非线性作为不确定因素纳入控制器设计,因而具有良好的鲁棒性,在有效控制机组输出电压的同时提高了系统的稳定性。充分体现了双环H∞控制在快速励磁系统中实现电压和无功功率控制的有效性。
摘要：针对前端调速式电励磁同步风力发电机励磁系统的快速性、时变性等特点,提出了一种基于H∞控制的同步风力发电机输出电压的DL-H∞控制方法。在该方法中,采用了简化的无刷励磁系统结构,建立了系统数学模型,设计了用于励磁控制的内环H∞励磁控制器;针对快速励磁引起发电机振荡和失步等问题,设计了保证同步风力发电机并联稳定运行的外环H∞电力系统稳定器,有效解决了同步发电机快速励磁和暂态稳定之间的矛盾。仿真结果表明,基于H∞理论的同步风力发电机输出电压DL-H∞控制在快速性和稳态性能上优于单一H∞励磁控制。
析主发电机励磁系统的实船应用 篇4
船舶技术是国家综合实力的反映，船舶电站是船舶的重要组成部分。船舶电站的自动化程度是船舶技术先进与否的重要标志之一。船舶电站是在船舶上将非电形态的能量转换成为符合要求的电能并向船舶电网供电的设备的总称，其一般由船舶发电机组（原动机、发电机）以及由开关电器、保护装置、测量仪表、控制设备等构成的配电盘组合而成。船舶电站是船舶电力系统最重要的组成部分，是船舶电力系统的核心，它的工作质量直接影响到全船整体性能。随着社会的发展，船舶电站自动化程度越来越高。船舶电站自动化装置从20世纪6O年代采用继电器控制技术及其后来的晶体管分立元件控制技术，到70年代的小规模集成电路及其后来的中大规模集成数字，模拟电路控制技术，至80年代的微处理控制技术，9O年代的PLC、微机控制技术，以及发展到今天的集监、控、管于一体的网络型计算机控制的船舶电站自动化系统，船舶电站已形成完善的船舶自动电力管理系统。，船舶发电机的励磁系统（调压装置）也由最先的带直流励磁机的自动调压励磁装置，经历不可控和可控相复励调压器后，伴随着半导体技术的发展，自动调压器迈入可控硅时代以及当代超前的自适应控制等先进技术。伴随着自动化程度越来越先进，对其管理也相应地要求越来越严格，实现对其可靠性、经济性、保证船舶安全性等的严格要求越来越重要，要求管理人员具备丰富的实践操作经验来管理自动化设备，并且必须非常了解其运作的原理和维护保养。
船舶主发电机作为船舶电站最重要的组成元素，是船舶的非特殊情况下的最基本的也是唯一的电源，它必须能够可靠的连续工作。其电压以及无功功率的特性直接影响船舶电站供电电能质量的重要因素，熟悉其自动调压器的原理、结构和参数对管理船舶电站至关重要。本文对船舶电站知识的简单论述，就“新漳州”轮发生的2号发电机励磁系统的故障进行简单的分析并总结。
1 船舶主发电机励磁系统概述
“新漳州”轮主发电机励磁系统采用三种控制方式，即自动控制，手动控制和自动手动一起控制。下图1给出了主发电机励磁系统组成简图，由此可以看出其励磁系统由五大部分组成，分别是：发电机定子部分、转子部分、自动调压器U1（COSIMAT N+）、手动调压器U5和励磁电流监控继电器U19（XE2）。
1.1 定子部分
电压降变压器T6，为电流互感器，负责为自动调压器采集电流信号，以便计算发电机电压降。
辅助励磁绕组G3，产生辅助励磁电压，为自动调压器COSIMAT N+的电源或为手动调压器的励磁电源，由两套单向绕组组成。
励磁机G2的励磁绕组，为调压器直接控制对象，其流过的电流大小决定发电机的电压大小。
1.2 转子部分
转子部分主要有发电机的励磁绕组、励磁机的电枢绕组、旋转整流器V1和旋转变阻器R11等组成。其中旋转整流器V1为发电机励磁绕组提供直流励磁电流，旋转变阻器R11保护转转整流器。
1.3 COSIMAT N+自动调压器
COSIMAT N+自动调压器为AVK生产的自动调压器系列之一，功能强大。其工作原理将在3.3节介绍。
1.4 手动调压器
在新漳州轮主配电板的各个发电机控制屏下均有一自耦变压器（T20）和励磁方式选择开关（S5）。自耦变压器（T20）为手动励磁装置的主要元件，负责控制励磁机的励磁绕组的电流大小。方式开关S5有三种状态，即1为手动（MANUAL），2为手动-自动（MANUAL-AUTO），3为自动（AUTO）。
1.5 励磁电流监控继电器
励磁电流监控继电器U19，为一直流继电器，负责励磁电流的保护，其辅助触点串联在发电机主开关的失压线圈控制回路中，当励磁电流异常时断开主开关。其功能将在下一章介绍。
另外，还有一电压调节电阻R11，调节发电机的额定电压。不用时可以短接。
2 多方式励磁控制的实现
选择哪种方式控制决定G3的性质和励磁机励磁绕组中励磁电流的来源。
1.手动控制：G3连接手动调节的自耦变压器的原边，副边通过整流后输出端接励磁机励磁绕组的两段，此时G3为励磁电源。
2.自动控制：G3连接到自动调压器COSIMAT N+的UH1/UH2、WH1、WH2，为自动调压器的工作电源。励磁机励磁绕组的两段与自动调压器的输出端J1、K1相连。
3.自动、手动两盒控制：G3用于以上两种功能，自耦变压器整流后的输出和自动调压器的输出都接入励磁机励磁绕组两端。
手动励磁：由于励磁方式不选择仅仅通过选择开关S5的档位来选择连接不同的线路，下面就选择以手动励磁为代表来说明励磁的实现。
当S5处于1位置时，G3一输出端24通过UH1，UH1R后送入S5开关接点19处，接点19连接20后没有接出线。因此，此回路没有接通，COSIMATN+没有工作电源。G3的另一绕组的14端通过WH1、WH1R后与S5的接点1、2后连接T20的V、U原边到接点14、13 回到WH2R、WH2 形成回路。另外，T20副边整流器V21“+”端通过闭合的32、31、25后通过短接的J1到XE2I+、I-通过励磁机励磁绕组回到K1及K1R会中到达整流器V21的“-”端形成回路。
3 COSIMAT N+型自动调压器概述
自动调压器为AVK的COSIMAT N+型，AvK自动调压器（AVR）的一个特别之处就在于其丰富的调压功能，这是其他产品所无法企及的。COSIMAT N+ AVR可满足全部日常应用要求： 在任何工作条件下都能够保证调压的高精确性， 在并联运行中的高稳定性，欠速保护功能（情形历次功能强行励磁功能） 。其功能框图如图2所示： 可以看出他由六大模块组成，即电源单元、电压测量、电压降测量、PID控制器和PWM控制器、分流模块和比较器模块等部分组成。其工作原理自动调压器采集三相电压信号和V相电流信号，以此测量端电压和电压降，并将此信号送至PID调节器最终通过控制晶闸管（可控硅SCR）的导通来控制MOSFET管电路的通断（开关频率不变，改变导通的时间）去分流励磁电流，从而达到控制发电机电压，维持发电机在允许的范围内。从其原理框图2可以总结原理如图3。
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1.电源单元COSIMAT N+的电源由嵌在发电机定子的两个单相辅助励磁绕组产生的辅助励磁电压供给。在原理框图上用UH1/UH2和WH1/WH2表示，原副边相位之差为900，在额定电压时输出电压为80VAC ±20%。
2.电压测量单元
自动调压器从发电机三相上取出电压信号分成两路，一路送至电压测量单元，另一路送至电压降测量单元。
电压测量单元将采集的电压信号整流成直流信号，并进行简单处理后作为PID控制器的一个信号输入。
3.期望值（参考值）的设定
首先，可以通过输入端“n”来调整期望值；再者，电位器R4用于粗调发电机的期望值；
最后，当发电机出并联运行时，期望值也会受电压降的直接影响。
4.电压降
如前面说明的一样，当发电机带载时，因为无功电流的原因发电机的端电压会出现下降的趋势。COSIMAT N+的电压调整特性曲线如图4所示：
从图中可以看出，当无功电流等于额定电流时，发电机端电压为额定电压的94%，电压降为6%。但是，COSIMAT N+的电压调整特性可以通过变阻器R7来调节，电压降调节范围是 0 6%。
5.PID核心控制器（图5）
COSIMAT N+采用简单可靠、参数容易调整的PID调节器来控制励磁电流，虽然PID控制系统有很多不足，但是其简单有效的控制满足船舶追求可靠性的要求。通过对时变的电压（励磁电流）进行简化变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。如同PID控制器的普遍规律一样，COSIMAT N+中PID中的微分环节为可选功能，可以不用但比例环节必不可少。比例环节（P），比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例参数K的大小通过调节变阻器R1（500KΩ）的大小来改变，调节范围为：从水平向右逆时针旋转一直到水平向左，且比例系数变小。在调节过程中，顺时针调节过度会导致紊乱，逆时针调节过度导致功能错误。积分环节（I），为消除比例环节不能解决的偏差问题引入积分环节。参数积分时间TI的大小通过调节开关S1来实现。其中S1分为15档次，每一档次差值为0.22μF，由0.22 0.85μF，用C1来表示。微分环节（D）参数微分时间的大小改变S2.4的位置来实现，当S2.4=OFF时，为10.1μF；S2.4=ON时为32.1μF。用C2表示。在实际的操作过程中，新漳州轮为4250标箱的船舶，电站负载相对于电站的容量并未表现出大的惯性，PI控制就能满足船级社对电站的各项要求，因此并未采用微分控制环节，因此接下来将切除微分环节来讨论PI控制器的参数变换对系统的影响。
PID控制器的参数整定
比例环节是主要控制作用，有利于快速控制减少动态偏差，有利于稳定性，积分环节是辅助控制作用，目的在于消除静态偏差。由PI控制的调节规律可以知道：1.增大比例环节的比例系数Kp可以使系统调节更迅速但同时带来系统超调量的变大；2.增大积分环节的积分时间TI可以使超调量变小但是系统调节时间将会变长而且太大会让系统震荡。总之，根据经验被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间，如仍有振荡，可适当减小比例增益。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间。下面给出了本调压器不同比例增益、不同积分时间情况下电压的变化情况。
6.COSIMAT N+的其他功能
1.强行励磁（欠速保护）：为了防止突加负载时造成调压器过励磁以及过热烧坏等损失，该调压器通过R3可以设定强行励磁的开始频率值，初始设定为f/fn=0.95。当频率低于0.95时，强行励磁功能在延时2s后触发功能，如图6。。
2.最大励磁电流时间限制：为防止可控硅SCR一直导通造成励磁电流一直处于最大状态对励磁系统造成伤害，该调压器监控系统对最大励磁电流的时间限定在8～10s。
另外，还对控制器和可控硅进行状态监控。
4 励磁电流监控继电器XE2
直流继电器XE2用于监控无刷发电机励磁电流的总体情况。它能够对励磁电流总体监视、提供过电流、欠电流保护以及整流二极管故障保护等。XE2的直流线圈串入励磁机励磁电流回路，其副触点接入主发电机主开关的失压线圈控制回路，当励磁电流异常时，控制失压线圈失电断开发电机与汇流排的连接，以保护发电机。另外，XE2还通过自己面板的指示灯给出故障的原因，以便修理人员了解故障情况（但是只有在主开关断开而发电机没有停机情况下才显示，停机后将不再显示）。
5 励磁系统故障实例
主开关跳闸故障分析及排除
“新漳州”轮在2012.4.晚上因过老铁山水道机动航行时，驾驶台请求启用艏侧推，按照当时的工况，船舶电站启动两台主发电机已满总艏侧推的功率要求。在正常运行过程中，监控系统突然给出2号发电机异常报警，并且随后2号主开关跳闸。另外，在2012.5.航行于香港水道时也发生相同的故障。在故障发生后第一时间调出发电机的电压、电流图像进行了查看，结果显示故障发生瞬间电压骤降，造成主开关跳闸。
第一次故障发生时，根据现象判断出为励磁电流异常导致了发电机欠压，主开关失压脱扣跳闸。当时以为是调压器接线松动，事后对调压器接线进行了紧固处理。但是，在间隔不长的时间内在此发生相同的故障，判断原因不是接线松动，而是另有原因。当时，在发电机组还未停机前打开主配电板2号主发电机控制屏发现励磁电流监控继电器XE2上的灯光指示为励磁电流。由此判断出是调压器故障，决定更换调压器。
6 调压器参数调试
更换调压器后要对调压器的各项参数进行调节，以使发电机的参数满足要求。调节过程分空载调试和负载调试。
调节步骤如下：
1.首先可视检查，核对接线是否正确和并将各项参数调节器放置在规定位置。
2.对各项参数设定值进行初始设定。低速保护R3右手边到底、电压设定调节R4左手边到底、比例系数调节R1中间位置、积分时间调节S1位置4、电压降调节R7中间位置、正常电流调节R6左手边到底。
3.希望值设定。启动发电机至额定转速；设置外部电压调节电位器置于中间位置。
4.调节R4，以调节发电机空载电压（发电机电压也可用外部电压调节电位器调节至额定值）。
5.发电机带负载运行，调节R1和S1，整定比例参数和积分参数是电压稳定。如果在调节过程中，参数的初始化设置导致电压持续波动，慢慢调节R1向左。
6.低速保护调节。调节发电机转速至0.95FN（0.95 Hz），逆时针调节R3使H1灯亮起；再慢慢顺时针调节至H1灭；最后调节发电机转速至正常转速。
7.电压降调节。给发电机施加额定电流，测量AC电压（如果加载部分负荷，可以等比例调节设定值）。
8.如果多台机并联运行，电压降必须一致。
以下流程图形式给出调节步骤。
参考文献
[1]吴志良.船舶电站及其自动化系统.大连：大连海事大学出版社，2010.
[2]赵殿礼 ，张春来.船舶电站控制及管理技术.大连：大连海事大学出版社，2009年。
[3]“新漳州”轮AVK发电机说明书.
电励磁同步电机 篇5
交交变频电励磁同步电机系统具有转换效率高、过载能力强的特点,在大功率及特大功率低频场合,如矿井提升、轧钢、船舶推进和大型发电机交流励磁等领域有着广泛应用。
为了实现高性能调速,交交变频电励磁同步电机通常采用基于气隙磁链定向的矢量控制方法。全速范围气隙磁链的获取是实现同步电机矢量控制的基础[1]。气隙磁链估计器可分别通过电流模型和电压模型获取。电流模型使用电流求取磁链,在低速和零速下可准确获取磁链,但由于需要参数较多,在速度较高时磁链计算误差较大。电压模型是通过对定子电动势积分求取磁链,速度低时定子电动势小, 导致计算误差大,适用于在较高转速范围计算磁链。 在实际应用中电压模型存在积分器饱和[2-3]、初始积分误差[4-6]、数字控制系统相位滞后误差[7]等问题。 针对电压模型中存在的问题,出现了很多改进方法。 文献[8]使用低通滤波器代替纯积分器来改善电压模型,这种方法取得了一定的效果,但是该方法对磁链的幅值和相位估计都产生一定的误差。文献[9] 在低通滤波方法的基础上根据定子磁链计算值和定子电流进行零漂和电阻误差在线估计,对相应变量进行校正来消除观测结果中的直流分量,该方法的效果较好,但实现较复杂。文献[10]使用基于锁相环原理内置比例—积分(PI)速度跟踪调节器的磁链估计器,本质上是假设电动势的磁链轴分量为零,但这在动态过程中不成立。文献[11]将高通滤波器和坐标变换相结合来消除纯积分环节带来的问题,并对电压同步角频率分量的相位进行补偿,该方法简单,但是由于定子电压的谐波含量大,该方法无法滤除高频分量,导致了相位和幅值误差。而且对于交交变频而言,当电流较小时会出现断续现象,这加剧了电压波形的畸变。
为了消除电压模型的不足,本文提出了一种适用于全速范围的磁链估计器,该估计器由基于比例谐振控制的电压模型磁链估计器和电流模型磁链估计器相结合构成。
1磁链估计器及电流模型
1.1磁链估计器
全速范围磁链估计器如图1所示。
该磁链估计器在低速时使用电流模型,在高速时使用新型电压模型。电流模型和电压模型根据转速进行线性过渡。电压模型采用本文提出的基于比例谐振控制器的电压模型。
1.2电流模型
电流模型通过电流求取磁链,可分为基于电流给定值的电流模型和基于电流实际值的电流模型。 两种方法都要用到dq轴主电感和阻尼绕组开路时间常数等参数,这些参数在电机运行过程中会发生一定变化,影响了电流模型的准确度。因此,电流模型一般在低速和零速时使用。由于可以完成励磁电流调节任务,因此基于气隙磁链定向的电励磁同步电机矢量控制系统采用基于电流给定值的电流模型,其原理如图2所示[7]。
2基于比例谐振控制器的电压模型
2.1比例谐振控制器
谐振控制器可以对单一频率交流信号的幅值进行积分,且对其他频率信号的输出为零。谐振控制器对某频率信号进行提取的原理如图3所示。
图3环节可以等效为传递函数,即
式中:k为比例系数;ω 为谐振频率。
对于直流分量,s=0,代入式(1)可知,增益为0。由此可以看出,该环节可以有效抑制直流输入信号。对于基波角频率(谐振频率)s=jω,增益为1,相位误差为0。由此可以看出,该环节对谐振角频率分量的幅值和相位均能做到无差跟踪。
由上述分析可知,将比例控制器和谐振控制器相结合,构成比例谐振控制器,可以实现谐振频率信号的提取,其传递函数为:
式中:kp为比例系数;τi为谐振控制器时间常数。
引入比例环节后,系统的快速性增强,但是稳态精度受到影响,具体参数的选取可参考文献[12]。
2.2基于坐标变换的磁链估计算法
电动势和磁链的关系为:
式中:Ψ 为磁链值;φ为磁链位置角;ω1为同步角频率。
令
磁链的大小可以通过式(5)得到,即
由于磁链相位比电动势e2滞后90°。因此可以通过坐标变换计算磁链,如图4所示。
基于坐标变换的磁链计算方法简单,由两个除法器和坐标变换构成,但是在实际使用时由于电动势同步角频率分量e2获取较困难,导致使用效果不理想。该算法中涉及的两个重要变量:ω1和e2,二者均与同步角频率有关。
2.3同步角频率检测
在稳态时,同步电机的转子磁链和气隙磁链相对静止,电机的同步角频率可通过转子转速直接计算得到。在动态时,同步电机的转子和气隙磁场相对运动,电机的同步角频率如果通过转子转速直接计算得到会存在一定的偏差。
由于转子和气隙磁链之间的角度差δ可通过电流模型获取,因此同步角频率可由式(6)计算得到。
式中:ωr为转子角频率。
2.4基于比例谐振控制器的同步电动势提取算法
同步电机的感应电动势eα和eβ分别为:
式中:R为定子绕组电阻;Lσs为定子漏感;uα和uβ由定子电压通过3/2变换得到;iα和iβ由定子电流通过3/2变换得到。
通过式(7)计算得到电动势,首先,由于电压中高频信号含量较高而且控制系统受到采样和计算频率的限制,含有一定的高频成分;其次,在磁链变化时包含e1分量,因此不能直接用于式(5)。 通过2.2节的分析可知,e2和 Ψ 是相对静止的,即e2对应交流量的频率为同步频率。比例谐振控制器可实现交流信号的无差跟踪,因此本文使用比例谐振控制器提取e2,同时抑制其他频率成分。图5给出了基于比例谐振控制器电动势滤波算法框图,其中使用了基于比例谐振控制器的电动势负反馈闭环。该滤波算法的思路是:比例谐振控制器输出eα′为频率等于电机同步角频率ω1(此处ω1=ω)的eα的交流分量,该交流分量和eα中频率为ω 的分量幅值若有偏差,则经过比例谐振控制器的调节,使得输出等于输入,从而实现谐振频率信号的提取。
2.5基于比例谐振控制器的电压模型
根据上述分析,设计了基于比例谐振控制器的电压模型,如图6所示。首先根据式(7)计算出α,β轴的感应电动势,然后根据图5对感应电动势进行滤波,最后根据图4计算出磁链。
3交交变频器对电压模型中电动势提取的影响
使用比例谐振控制器对同步电机电动势同步角频率分量进行提取时,要兼顾系统的稳定性、稳态精度和响应速度。如果由式(7)得到的信号谐波含量尽量少,那么系统更加稳定,同时稳态精度和响应速度也会进一步提高。由于交交变频器的等效开关频率较低(约为300 Hz),对基波电动势提取影响较大,因此在交交变频控制系统采样信号中减少多余谐波显得尤为重要。下面针对交交变频存在的特有问题进行处理,旨在尽量减少电动势信号中的多余谐波。
3.1电流断续补偿算法
交交变频器采用的功率器件是晶闸管,晶闸管是开通时刻可控、关断时刻不可控的半控型功率器件,半控器件存在非线性移相。如果负载电感为无穷大时,输出电流连续,晶闸管变流器的移相特性是线性的。而实际应用中负载电感值是有限的,因此在当电流较小时会产生断续现象,断续使相应的输出电压绝对值偏大,晶闸管变流器的移相特性变为非线性。
针对移相特性的非线性区,采用电流断续补偿环节可以实现控制信号和输出信号的线性特性。电流断续补偿环节的输入变量是电流给定信号i0*,根据断续临界点和电流断续的预控角计算得到补偿角 Δα。对于补偿角 Δα一般采用线性补偿的方法来实现。为了提高补偿精度,本文在测量断续电压、电流的基础上采用分段线性补偿的方法,分段个数根据精度要求来决定。图7为3段补偿算法示意图。 3段补偿算法需要4个实测点。
阻感负载加入断续补偿前后相电流对比波形如图8所示。
从滤波前后波形均可以看出,未加入断续补偿的电流过零附近波形明显畸变,加入断续补偿后正弦度较好。
3.2电压、电流滤波算法
交交变频输出的电压、电流谐波较大,如果将采样到的电压、电流直接参与矢量控制,产生的误差较大,会导致转矩脉动等问题。
晶闸管变流器是离散工作的,每当触发脉冲作用时,改变一次输出状态,但是在两次脉冲之间是不可控的,工作周期长度由触发脉冲间隔决定。通常的数字控制系统都是固定周期采样,所以采样值无法与变周期的触发脉冲同步。本文利用较高频率的固定周期采样和与触发脉冲同步的变周期滤波来实现电压、电流的信号获取。该方法的实现如图9所示。
AD采样的频率为6kHz,这一频率远高于约为300Hz触发脉冲输出频率。在第k-1个触发脉冲输出时刻采样计数器清零,此后每次AD采样点到来时将采样值记录下来并将采样计数器加1。当第k个触发脉冲输出时,采样计数器的值为nk,即有nk个采样值被记录下来。将之前记录的nk个值累加求和,然后除以nk就得到第k-1和第k个触发脉冲之间的采样平均值。采样滤波效果可以从图8中看出,经过滤波后电流脉动明显变小。
4仿真研究
仿真使用的同步电机参数见附录A表A1。同步电机定子为两套绕组,两套绕组空间相位互差30°。
4.1新型电压模型磁链估计器的稳态特性
为了模拟实际采样存在的零点漂移,仿真时在电压采样环节叠加了一个0.2% 的直流量。图10为采用传统积分算法和采用比例谐振控制算法电压模型估计到的磁链,其中磁链为标幺值。从图10中可以看出:基于传统积分算法磁链估计波形产生偏置;基于比例谐振控制器的电压模型估计出的磁链并无直流偏置和饱和问题。
4.2新型电压模型磁链估计器的动态特性
为了分析提出新型电压模型的动态特性,对磁链突然变化和负载突然变化两种情况进行了仿真。
磁链给定在1.5s由80%突变为100%。由于电机主要通过励磁电流来调节磁链,励磁绕组电感较大,实际磁链没有发生突变。参考磁链和基于比例谐振控制器算法估计磁链如图11所示,实际磁链产生变化。从图11中可以看出,基于比例谐振控制器算法的电压模型可以较好地跟踪参考磁链。
为了验证在带载动态过程中基于比例谐振控制器电压模型的有效性及其对矢量控制的影响,对负载突然变化情况进行了仿真。系统在1.5s时突然加入25%的负载,仿真结果如图12所示。图中,速度和转矩为标幺值。
通过图12(a)和图12(b)可知,采用比例谐振算法估计磁链可以保证矢量控制系统的动态性能。在稳态时转子角频率为同步角频率,但是在动态特别是带载动态过程中,转子角频率和同步角频率不同步。图12(c)和图12(d)对比了角频率补偿与否对磁链幅值和角度的影响,可以看出,在动态情况下, 如果没有角频率补偿,磁链幅值会发生较大畸变,明显偏离参考值,但角频率补偿对磁链角度的影响相对较小。
4.3全速范围内的磁链估计
使用图1所示的磁链估计器在全速范围内对磁链估计效果如图13所示。
电流和电压模型的过渡区间为转速的10% ~ 20%。从图13中可以看出,估计到的磁链和参考磁链基本重合,因此该磁链估计器在全速范围内都可以有效地估计磁链。
5实验研究
为了验证本文提出的磁链估计器,在一台功率为1.6 MW的交交变频同步电机上进行实验。实验使用的同步电机参数和仿真一致,见附录A表A1。
空载工况下,按转子位置定向矢量控制系统突加励磁时,使用提出的磁链估计器得到的估计磁链波形见附录A图A1。此时输入电压的基波频率为5Hz,磁链估计器使用电压模型。可以看出,估计结果能够较好地跟踪励磁电流变化。
在轻载工况下,由于定子电流较小,气隙磁链主要受到转子电流的影响。在重载工况下,气隙磁链受到转子和定子电流的共同影响,系统对磁链估计器的要求更为严格。在重载工况下,按气隙磁链定向矢量控制系统在全速范围内使用本文提出的磁链估计器得到的控制结果见附录A图A2。
从附录A图A2(a)可以看出:实际转速能够很好地跟踪给定,说明系统的跟踪性能良好;转矩波动较小说明交交变频器控制的精度高。从图A2(b)可以看出,相电压幅值和转速成正比,这说明在全过程中磁链基本维持恒定。从图A2(c)可以看出,电压相位与电流相位一致,由于实际定子电流励磁分量给定为0,因此可以说明定子电流基本为转矩分量, 且图A2(a)中励磁电流可以很好地跟踪转矩电流, 从而说明电流模型计算正确。从图A2(d)可以看出,估计出的磁链消除了初始积分误差和积分饱和问题,在整个运行过程中气隙磁链幅值变化较小。
6结语
本文提出了一种可用于交交变频同步电机矢量控制系统的全速范围磁链估计器,并改进了交交变频器特有的电流断续和采样问题,对该磁链估计器进行仿真与实验。结果表明:基于比例谐振控制器的电压模型无传统电压模型的饱和及初始误差问题;综合了电流模型和基于谐振控制器电压模型的新型磁链估计器在交交变频电励磁同步电机全速范围内都可以有效地估计磁链,保证了系统的调速性能。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc. com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：交交变频电励磁同步电机矢量控制系统在大功率及特大功率低频场合有着广泛的应用,磁链估计是实现电励磁同步电机矢量控制的基础。提出了一种新型磁链估计器,估计器由电流模型磁链估计器和新型的基于比例谐振控制的电压模型磁链估计器相结合而成。采用分段线性方法对交交变频的电流断续进行补偿,采用高频采样和变周期滤波方法提取基波信号。仿真分析了估计器在稳态、动态以及全速范围的工作情况。960V/1.6MW机组实验结果表明,提出的磁链估计器在交交变频电励磁同步电机矢量控制的全速范围内均能保证系统的调速性能。
电励磁同步电机 篇6
电励磁凸极同步电动机目前广泛应用于煤矿矿井提升机系统中。交-直-交矢量控制系统是一种较为成熟的凸极同步电机控制方案。根据相关文献得到的凸极同步电动机的数学模型, 可求出其矢量控制算法, 得到相应的同步电动机矢量控制系统。可以选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴, 本文采用按气隙磁链定向的矢量控制系统理论。
1 控制系统空间矢量图
定义mt旋转坐标系, 使m轴与气隙合成磁链矢量ψδ重合, t轴与m轴正交, 空间矢量图如图1所示。
ψδ由ψδd和ψδq合成, 由相关资料可知,
同步电动在mt旋转坐标系中的转矩方程为:
定子电压方程为:
2 凸极同步电动机矢量控制系统结构图
凸极同步电动机基于气隙磁链定向的矢量控制系统结构图如图2所示。系统采用转速、磁链和励磁电流的闭环控制系统结构。
3 系统工作原理
3.1 转速控制
调速系统的控制目标是转速可控, 采用速度闭环结构, 速度调节器ASR采用PI调节器, 可实现无静差调速。ASR的输出为系统的期望转矩Te*, Te*的极性表示系统期望的电磁转矩的极性。此结构及原理同直流电机调速系统。根据式 (3) , 转矩期望值Te*除以同步机的气隙磁链ψδ, 得到合成定子电流is的转矩分量i*st。气隙磁链ψδ由磁链电流模型得到, 磁链模型如图3所示。
3.2 电流控制
定子电流矢量is的两个分量ism、ist采用两个电流环实现闭环控制。励磁电流分量的期望值i*sm由期望的φ*和期望的i*st得到。
实际的ism、ist由检测到的三相定子电流iA、iB、iC经过C3s/2s坐标变换得到iα、iβ, 再经过旋转变换得到ism、ist。
式中, λ—m轴的空间位置角, 即m轴与A轴的夹角。λ=θr+θδ。两个电流调节器的输出作为定子电压空间矢量us的两个分量的期望值u*sm1、u*st1。
3.3 定子三相电压控制
在图2中, 定子电压期望值us*的两个分量u*sm、u*st和前馈给定e*sm、e*st组成, e*sm、e*st的生成由式 (6) 、 (7) 得到。u*sm、u*st经旋转坐标变换矩阵C2r/3s得到与其相对应的三相交流电压期望值uA*、uB*、uC*, 再经正弦波脉宽调制得到六相驱动脉冲, 经三相逆变桥输出三相脉宽调制的交流电压。C2r/3s变换阵为:
3.4 励磁电流控制
在本矢量控制系统中, 对转子励磁电流的控制目标是保证气隙磁链ψδ恒定不变, 因此设置气隙磁链闭环结构, 期望的ψδ*为一固定数值, 反馈量为检测计算得到的实际气隙磁链ψδ。磁链调节器AψR采用PI调节器, 其输出量为转子励磁电流的期望值If*。转子励磁电源为晶闸管可控整流器, 采用励磁电流闭环控制结构。If*为励磁电流期望值, 励磁电流调节器ACR为PI调节器。
4 仿真验证
本文对整个矿井提升过程进行仿真, 包括启动阶段、加速阶段、等速阶段和爬行阶段。下面给出电机的实际转速波形、定子三相电流波形及电磁转矩波形, 如图4-图6所示。通过仿真结果可以看出电机实际转速曲线与所给定的转速期望曲线是完全吻合的, 并且在不同的运行阶段内, 电机定子三相电流的幅值和频率是变化的, 转速越高, 定子三相电流频率越高。而且由电机运动学方程知, 在不同的运行阶段内电机电磁转矩是变化的, 在加速阶段, 电磁转矩大于负载转矩, 而在等速阶段电磁转矩等于负载转矩, 在减速阶段电磁转矩小于负载转矩。
5 结论
通过对凸极同步电动机基于气隙磁链定向的矢量控制系统的原理分析与仿真验证, 说明系统是正确可行的, 能够满足当前煤矿主井电控提升系统的要求。
摘要：本文建立了基于气隙磁链定向的凸极同步电动机矢量控制系统, 通过MATLAB仿真软件对该系统进行了仿真验证, 仿真结果表明控制系统结构是正确的。
关键词：凸极同步电动机,矢量控制,气隙磁链定向,MATLAB
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[2]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社, 2007.
电励磁同步电机 篇7
1 变流器原理概述
电励磁直驱全功率变流器采用矢量和无位置控制技术, 能够四象限运行, 具有独立的有功、无功调节能力和先进的信号采集技术、接口技术、光纤技术等, 具备良好的电磁兼容性, 宽范围的无功功率调节能力和对电网电压的支撑能力。同时, 具有齐备的通讯接口可选模块, 可满足与主控进行实时、可靠通讯的要求。
网侧变流器:网侧变流器为四象限变流器, 将直流电流转换成三相交流电流送回电网, 空间矢量控制技术实现有功、无功解耦控制。
机侧变流器:发电机的功率通过机侧变流器流到中间直流电路, 电机控制采用空间矢量控制。
网侧滤波器:直驱变流器电网侧滤波器采用LCL滤波器用来抑制交流电压的畸变和电流谐波, 在较小的滤波参数下保持好的滤波特性。
机侧滤波器:电机侧滤波器采用du/dt滤波器, 防止IGBT功率模块的尖峰电压传输至发电机绕组, 抑制长电缆反射在电机绕组上引起的过电压。
直流侧crowbar:耗能电阻与全控半导体开关器件IGBT串联后并联在变流器直流侧, Crowbar以滞环方式维持直流电压稳定, IGBT的开关信号采用光纤传递。
2 励磁控制
变流器冷启动:在风力发电机组冷启机条件下, 励磁随变流器并网命令加载初始励磁电流15A, 随即加载到额定励磁电流65A, 继续启动流程。
变流器热启动:在风机并网期间, 达不到机侧发电机转速之前, 转速逼近发电机转速时, 在4.5转开始加载到额定励磁65A, 随即准备发电。
励磁切出:风速较低, 风机低于发电转速后, 若持续没有转速上升, 达不到发电转速, 则5分钟后, 撤销65A额定励磁, 维持15A初始励磁基值, 1小时后撤销初始励磁基值, 变流器网侧分闸。
随脱网切出:手动或自动脱网命令发出后, 撤销初始励磁基值, 变流器网侧分闸。
3 励磁原理
全功率电励磁直驱变流器励磁装置采用风冷散热, 散热风扇采用三进风三出风, 散热良好。输入薄膜电容具有长寿命、低损耗, 适合恶劣的风场环境。IGBT功率模块组件采用高功率及散热密度设计, 把导热硅脂表贴在铝散热片上, 铝散热片采用锯齿状铝散热片, 保证散热片最大的散热能力。IGBT功率模块组件和输出滤波电感采用专门风道给其散热, 输出电流HALL具有高精度、动态响应快、工作频带宽、跟踪速度灵敏、可测量任意波形的电流信号, 吸收电容用于保护IGBT功率模块过压失效。功率模块组件采用1700V电压等级, 光纤隔离驱动方式。
电励磁回路是降压斩波电路, 电励磁风力发电机组在永磁型风力发电机组的基础上增加了一个为发电机提供励磁电流的装置。
励磁控制方式:采用全数字化控制、闭环控制方式, 直流软起励, 与变流器进行协调控制。
励磁保护:IGBT过流保护;过压/欠压保护;IGBT故障报警功能;输入欠压保护;接地防雷保护;过流限制;欠流限制;防误强励。
4 励磁回路故障
电励磁直驱风力发电机组变流器报侧变流器错误, 故障现象为励磁模块完全炸开, 网侧断路器的故障按钮也弹开。SOE日志显示在网侧脉冲使能3秒后报出故障, 网侧并网后才开始启动励磁, 故障时刻机侧未并网且励磁电流刚刚启动就损坏。
故障时刻直流电压已经建立, 在励磁启动过程中导致模块损坏, 由于励磁模块损坏后, 能量从网侧向电励磁方向流动, (下转第59页) 励磁模块损坏后直流侧正负对地已经出现短路现象, 此时网侧模块通过电流较大将网侧快熔损坏2个, 并导致网侧2回路B相模块瞬间通过较大电流, 将模块损坏。从模块损伤程度来看, 励磁模块完全损坏, 而主回路模块只是失效, 未出现爆炸变黑的想象, 分析原因是由于励磁模块损坏后导致网侧模块出现故障, 能量全部通向励磁回路, 导致励磁回路开关SW出现保护断开, 网侧由于电流比较大, 断路器触发三段式保护断开。
励磁模块损坏的直接原因:励磁模块上管作为斩波电路中的IGBT使用, 下管当作二极管使用, 在正常情况下下管IGBT不导通, 由于驱动异常或者下管反并联的二极管突然失效时, 导致励磁回路的正负极直接短路。
5 总结
本文详细介绍了电励磁直驱变流器的原理、励磁原理以及励磁控制, 并以励磁回路故障为例, 对电励磁变流器常见故障进行了简要介绍。随着电励磁风力发电机组的发展, 全功率电励磁直驱风力发电机组变流器将面临更加广阔的市场, 其励磁技术研究显得尤为重要。
参考文献
[1]雷向福, 张颗等.2MW电励磁直驱同步风力发电机研制[J].大电机技术, 2013.
电励磁同步电机 篇8
目前, 大型同步电机广泛应用于大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业, 其在工作中发挥着重要的作用。同步电机的可靠起动、稳定运行、失步再整步、安全停机直接关系着它本身的使用寿命, 励磁控制系统对同步电机的可靠性和稳定性起着决定性作用。因此, 对励磁控制技术的研究对于同步电机的工效提高和寿命延长有着重要意义[1,2]。
1 当前励磁控制技术
目前, 大型同步电机中的励磁控制装置主要采用二极管和晶闸管元器件作为励磁装置的主要器件, 这种控制装置由于受到控制技术和电路中元器件的影响, 造成技术性能差、故障发生率高。
1.1 失步保护不可靠
1.1.1 断电失步
大型同步电机在工作过程中, 当电网由于供电网络发生相间短路的缘故而造成电压下沉时, 此时同步电机会发生失步, 为了保护电机, 一般采取欠压继电保护动作跳闸的方式对同步电机进行保护。然而, 当瞬间短路故障排除, 电网电压恢复时, 由于之前的跳闸, 同步电机已停机, 此时造成排灌站、泵站以及企业连续生产的中断。另一种情况, 当电网进线发生误操作引起跳闸, 由于没有准备备自投BZT或者重合闸ZCH, 无法自动恢复供电, 此时又由于同步电机已作欠压跳闸处理, 从而同步电机也会出现断电失步, 同样造成排灌站、泵站以及企业连续生产的中断。
1.1.2 带励失步
同步电机发生带励失步时, 此时, 虽然仍有直流励磁, 但是由于励磁电流和定子电流因失步产生强烈脉振, 同步电机也会遭受强烈脉振, 严重时甚至产生电气共振、机械共振等, 这种带励失步的往复工作引起同步电机的疲劳损伤, 最终甚至发展成短路事故或断轴事故等。
1.1.3 失励失步
同步电机发生失励失步时, 在轻载情况下, 电机丢转情况不明显, 此时, 电机负载基本保持不变, 定子电流会产生波动, 其峰值电流超出了电机额定电流的0.7倍左右, 其谷值电流超出了电机额定电流的0.2倍左右, 虽然此时电机无异常声音, 但是GL型继电器往往拒动或者因为动作时间过长, 会引起电机转子绕组的过热、变形以及开焊等问题出现[3]。
1.2 起动损伤
目前同步电机中的控制装置主回路主要有半控桥和全控桥2种形式。
由于同步电机在起动过程中存在转差, 因此在定子绕组中能够感应一交变电势, 当转子感应电势在正半周时, 此时产生电流+If, 当转子感应电势在负半周时, 此时产生电流-If, 由于正半周产生的电流+If和负半周产生的电流-If不对称, 引起电机的脉振转矩, 从而引起电机受到强烈振动, 当电机牵入同步时, 这种强烈振动才会消失, 其发生时间长, 从而会造成电机的损伤[4]。
2 新型励磁控制技术
针对以上对目前的同步电机励磁控制技术存在问题的分析, 本文提出了一种改进式的新型同步电机励磁控制技术, 并从电机励磁装置主电路接线方式、主回路元件、控制系统、控制环节等4个方面对其进行分析。
2.1 主电路接线方式
图1是改进后的主电路, 新型同步电机励磁主电路在原来的全控桥基础上进行改进。这种主电路形式与半控桥式相比, 其波形更加对称, 谐波分量更小, 励磁电流小时不易发生失控现象。但是需注意的是在电机停机时, 一般采用逆变灭磁的方式, 这种灭磁方式要求苛刻, 需保证电网电压相对稳定, 主电路及控制回路完好, 停机时主电路电源不能马上停止才能顺利的完成逆变灭磁[5]。
2.2 主回路元件选择
2.2.1 灭磁电阻的选择
灭磁电阻是影响同步电机的起动性能的重要元件。合理的灭磁电阻对应着电机的异步驱动特性。当电阻较小时, 会出现凹坑, 当电阻较大时, 电机的稳态转速低, 从而可能造成电机转速不能进入临界转差, 无法达到真正的同步。因此, 灭磁电阻需合理选择。
2.2.2 晶闸管、二极管的选择
图1中主电路中的晶闸管和二极管是构成励磁主电路的重要组成元器件。选择晶闸管和二极管时, 需要考虑主电路在工作过程中的特殊情况。如当同步电机在正常运行时, 需要满足不停机的情况下能够进行在线更换插件, 亦能够满足工作时出现的各种暂态扰动对元器件的冲击。又如当电网不正常时, 往往会发生短暂波动、负载波动等问题, 由于这些不正常现象的发生会使同步电机的转子回路产生2~3个周波的感应交变电势。这种电势需要释放, 由于受到瞬间电流的强烈冲击, 元件需要承受额定电流的数倍, 从而造成晶闸管等元器件的损坏。
2.3 控制系统
本研究设计的励磁控制而言, 其控制系统须具备以下2个方面的功能:
(1) 基本逻辑功能。控制系统能够对电机的运行状态进行检测, 能够对起动时的投励时序进行控制, 能够对电机的实时运行进行控制, 能够对电机出现的故障进行诊断和保护, 能够对电机停机时序进行控制。
(2) 控制系统具备的新技术。本控制系统的核心部件采用集成微机控制器进行控制, 这种控制器的CPU采用看门狗定时器和低电压复位电路来防止控制器死机以及程序跑飞, 所有的外部电路接口全部采用光电进行隔离, 以保证处理器的可靠工作, 通信接口采用RS485主从式通信接口, 支持多记联网和远程操作。
2.4 主要控制环节
2.4.1 异步驱动环节
本文设计的新型同步电机励磁主电路无续流二极管。其具有较好的异步驱动特性和同步运行特性。当电机在异步驱动状态时, 由于主电路的控制元器件在较低的电压下便能够开通, 从而能够满足带载起动及再整步的要求;当电机在同步运行状态时, 由于主电路的控制元器件在过电压情况下才会开通, 不易出现误导通, 此时既对元器件起到保护作用, 同时不会影响电机的正常运行。
2.4.2 失步保护环节
对于带励失步和失励失步的保护电路, 其所取的信号是从串接在励磁回路中的分流器上测量得到, 此时测得的是不失真的毫伏信号, 通常需要经过放大处理、变换处理、光耦隔离处理后输入到微处理器的控制系统中, 控制系统再对其波形特征进行智能分析和判断。
2.4.3 灭磁环节
灭磁环节是同步电机励磁控制技术中的重要环节。工作时, 根据具体的工作状况, 选择合适的每次方式进行灭磁。常用的是阻容灭磁和断励续流灭磁。本文设计的新型励磁控制系统可采用多种闭环调节运行方式, 采用微处理器为指挥中心, 通过软件编程进行控制, 从而实现励磁控制技术的数字化控制, 其控制方式高效可靠[6]。
3 结语
励磁控制技术是实现大型同步电机可靠稳定工作的关键技术。通过研究目前励磁控制技术存在的问题并加以改进, 解决了目前励磁控制技术中存在的失步和起动损伤等问题, 并设计了一种新型励磁控制技术, 其在大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业的运行稳定、工作性能可靠, 具有重要的应用价值。
摘要：大型同步电机因其运行稳定、输出功率大、能向电网发送无功功率、支持电网电压、提高功率因数等优点被广泛应用于大型电力排灌站、大型水利枢纽泵站以及冶金、机械、化工等大型企业的生产中。励磁控制系统是同步电机的重要组成部分, 其特性好坏直接影响到同步电机的可靠性和稳定性。文章针对目前同步电机中励磁控制技术存在的弊端加以改进, 提出切实可行、行之有效的改进技术措施, 大大提高了电机工作的可靠性和稳定性。
关键词：同步电机,励磁控制,失步,起动脉振
参考文献
[1]姚志刚.励磁控制技术的研究与应用[J].电工技术杂志, 2003 (5) :60-61, 79.
[2]魏东海.浅析励磁系统的应用[J].中国科技博览, 2012 (24) :612-612.
电励磁同步电机 篇9
关键词：船舶发电机 励磁系统 故障处理
1 概述
HFC6船用无刷发电机由韩国现代电气工程有限公司（Hyundai Electrical Engineering Co. Ltd.）采用西门子技术生产制造，其性能指标及工作原理与同年代我国无锡电机厂（现无锡汾锡电机有限公司）按西门子专利许可制造的1FC5、1FC6基本一致。由于该类型发电机具有技术先进、运行可靠、维护管理简单等特点，受到船东和船舶管理公司的青睐，在上世纪90年代广泛应用于韩国建造的各类船舶上。目前我公司有2艘1995年韩国建造的4 960总吨392TUE集装箱船舶装备了该类型发电机，作为船舶主发电机。随着使用年限的增加，该类型发电机的故障逐渐增多，一些隐性的缺陷也开始显现，本文以HFC6 456-84K船舶发电机为研究对象，介绍一起较典型的励磁系统故障处理方法与日常维护管理要点，以供同行借鉴。HFC6 456-84K船舶发电机主要参数如表1所示。
表1发电机主要参数
序号参数名称参数值
序号参数名称参数值
1额定容量500KVA
2额定转速900r/min
3额定电压445V
4额定电流648.7A
5额定频率60Hz
6功率因数0.8（感性）
7绝缘等级F级
2 励磁系统基本原理
HFC6 456-84K 船用无刷同步发电机励磁系统如图1所示，G1发电机，G2同轴励磁机，A1电压调整器，L1线性电抗器，T1、T2、T3为单相电流互感器，T4压降补偿中间电流互感器，T6整流变压器，C1、C2、C3谐振电容器，V28励磁分流可控硅，R48串联限流电阻，V29静止整流模块，V2旋转整流器，U压敏电阻。
发电机组启动后，残留在发电机转子铁芯磁极上的剩磁与定子三相绕组相互作用，在定子三相绕组上产生较小的剩磁三相交流电压Us。该电压作为发电机调压装置的自励分量 Lu，经L1线性电抗器降压和移相后输入到T6整流变压器，经整流变压器电磁耦合，输出至V29静止整流模块整流。静止整流模块输出的直流励磁电压加载给予发电机同轴的交流励磁机G2的定子励磁绕组，交流励磁机转子绕组上便产生相应的三相交流电压。励磁机输出电压经V2旋转整流器整流后，形成发电机的励磁电压供给发电机G1转子励磁绕组。在此励磁电压作用下，发电机的定子绕组产生更高的三相交流电压。这种正反馈的作用使发电机输出电压迅速上升到空载特性曲线1和励磁特性曲线2的交汇点A，如图2所示，也即额定电压Ue （445V），从而完成发电机的自励起压过程。
图2 励磁系统自励起压过程
电容C1、C2、C3在系统中的作用是：在发电机运行于0.9额定频率附近的起压阶段，通过LC串联电压谐振作用，增大输入整流变压器的电压，使图2中的励磁特性曲线2右移，成为特性曲线3，从而快速越过B、C点，以避免电压稳定在该两点上，使发电机迅速起压。电压增大到一定值后，由于非线性阻抗迅速减小，励磁特性曲线又逐步恢复到特性曲线2上。
T1、T2、T3单相电流互感器将发电机的各相负载电流，即发电机的复励分量 Li输送至整流变压器复励绕组，复励分量 Li作为发电机电枢反应去磁效应和内阻抗压降的补偿，在整流变压器上与自励分量 Lu进行电磁（磁势）矢量叠加、耦合后经整流变压器输出绕组输出，共同加载给发电机的励磁系统，从而完成发电机的相复励调压。整流变压器在其中的作用是对电压和电流进行变换，通过电磁综合电压和电流分量，同时隔离励磁电路和发电机主回路。利用等值电路分析，可以画出相位和电流补偿时静止整流模块V29交流侧励磁电流 L的矢端轨迹，如图3所示。
图3交流侧励磁电流I的矢端轨迹图
在进行等值电路分析时，我们是用变换到副边的电流相迭加的方法来得到 L的，这只是一种分析、计算的方法，实际上两分量只有电磁联系而没有电的联系，计算分析方法中等值电路中的那些电流实际上都是磁势的表征，它的迭加实际上也是磁势的迭加，即电压与电流分量是通过电磁关系而迭加的，如图4所示。
图4相复励系统磁势迭加矢量图
电磁叠加相复励调压系统具有电流补偿和相位补偿功能，由于调压和发电机电压的变化几乎是同时进行的，因此调压动作速速，动态特性好，能满足对发电机电压的动态调整率要求。
发电机的静态电压调整主要由图1中的A1电压调整器来完成的，其调节原理：发电机的输出电压经A1电压调整器的1、3端引入，与电压调整器A1中设置的基准电压进行比较，差值经电压调整器A1中的积分比例单元电路放大后去控制可控硅的触发单元。触发单元则根据差值信号的大小和方向控制可控硅V28的导通角，以调节发电机励磁电流分流作用的大小，达到输出电压精调的目的。电压调整器A1和分流可控硅V28共同作用，来满足发电机输出电压的静态调整率。电压调整器A1在系统中的实际功能就是一个电压校正器，理论上静态电压可以做到无差调节。
为了使发电机能并联运行，励磁系统中增加了一个压降补偿电流互感器T4，其功能是与电压调节器A1中的专设元器件共同作用，来保证发电机输出外特性曲线有一定的斜率，即对输出电压进行调差。
R48在可控硅回路中进行限流，保护可控硅不受过电流的冲击。旋转整流器电路中的电容C和压敏电阻U防止瞬间过高的励磁电压对旋转整流器V2的冲击。
3 励磁系统故障现象与检查
nlc202309021332
2013年3月10日，某轮海上航行中准备对正在运行的1#辅机进行常规检修，便启动2#发电机组。运行15分钟后成功并网，并在负载转移后将1#发电机解列。此时，发现2#发电机电压突然由445V降到400V左右，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。值班人员随即通知驾驶台停主机及相关辅助设备。这些操作完成后，发现2#发电机电压回升至410V左右，船舶电气管理人员卸载部分负荷后迅速将2#主开关分闸，同时合上1#主开关，启动相关辅助设备，待恢复主机动力及正常航行后，船舶电气管理人员查看2#发电机，电压又恢复到445V。为安全起见，船舶使用1#发电机直至靠港，同时将故障情况E-MAIL报公司，寻求岸基支持。
船舶靠妥码头后，笔者上船对2#发电机调压系统进行了全面检查，发电机各接线未发现有松动及脱落现象。检查电压调整器A1板子，也未发现有明显的烧灼和脱焊假焊痕迹。进一步检查励磁控制系统的各整流设备及其他部件，也未发现有异常，检查中仅发现静止整流器模块环氧封装面上有一条裂缝，见图5。
图5 静止整流器模块
随后启动2#发电机，将转速调到额定转速，电压为445V，将2#发电机并网，转移功率后分闸1#主开关。2#发电机电压再次降至415V左右，此时发电机频率为60Hz，功率为50kW，调节A1电压调整器上的调压钮，电压变化不大。
4 励磁系统故障分析与处理
在上述故障现象检查的基础上，对故障进行了分析。首先空载电压正常，说明发电机的自励部分及相关设备工作是正常的；发电机加上正常航行功率120kW，电压下降到400V左右，切断为主机服务的辅助设备后，电压略有上升为415V左右，说明发电机的电压是随着负荷的增加而下降的。因此，判断故障应发生在复励部分和电压调整器A1主板及整流器部分。根据以往经验，在本发电机的励磁系统中，比较容易发生故障的是电压调整器主板及整流器部分。电压调整器主板发生故障，有可能发出错误的调压信号，导致电压错调。整流模块元器件老化，有可能发生元器件可逆性击穿现象，即元器件在一定的端电压下能正常工作，但当端电压超越该值后发生击穿类似于稳压管的反向工作特性，当端电压恢复到该值以下后又恢复原先的特性，故此我把它定义为元器件的可逆性击穿。整流元器件的可逆性击穿故障，笔者曾在二十几年前的原装西门子IFC4发电机故障中碰到并处理过。相对而言，发生在T1、T2、T3单相电流互感器及T6整流变压器的概率较小。
本发电机调压系统中更换电压调整器A1主板（全插件式）和整流器模块还是比较方便的，因此我们首先考虑更换整流器模块。旋转整流器虽然运行环境较恶劣，但由于励磁电压低，整流元件超配容量大，发生损坏的概率较小，以往的管理中也较少发生这类情况，为此我们决定先更换静止整流器模块V29，况且它环氧封装面上已有一条裂缝。
但更换备用静止整流模块V29后开机试车，故障如前。然后，更换备用电压调整器A1主板，换妥后启动发电机组试车，发电机故障依旧。
进一步检查旋转整流器和T1、T2、T3单相电流互感器及整流变压器T6接线，外部连接线正常。然后将各线逐步拆除检查电流互感器T1、T2、T3和整流变压器T6，发现T3电流互感器次级绕组回路不通，拆卸下T3电流互感器检查，发现互感器引线至接线桩处断裂。对断线处重新进行了焊接处理后，将T3电流互感器装复。检查确认各拆接线连接无误后，开机试车，发电机恢复正常。我们将原更换下的静止整流模块V29和电压调整器A1主板等备件换回发电机，进行试验，发电机运行正常。由此我们确认故障是由T3电流互感器次级绕组引线处断裂所致。
5 管理中应注意的问题
对故障电流互感器T3检查发现，引线断裂处应该在生产时就存有瑕疵，经过这么多年的使用，瑕疵处不断被氧化，最终导致断裂。但由于该设备安装在发电机输出接线铜排的下端半封闭位置处，见图6，平时检查一般不会检查到这一步，发电机进厂进行预防性修理时也常常会被忽略。由设备老化和疏于检查导致的这一故障，提醒我们船舶发电机进厂进行预防性修理时，对平时容易被忽略的检查部位和项目有必要做细致的检查，尽可能将故障隐患消除在萌芽状态，从而控制和降低船舶的营运风险。
图6 电流互感器T1、T2、T3安装位置
船舶电气管理人员具备一定的专业知识是相当重要的，公司已在该船舶储备了足够的更换备件，船舶电气管理人员应有能力对这类故障进行自修处理，但该轮电气管理人员由于缺乏这方面的技能，致使船舶一台发电机运行到靠港，船舶和公司均承担了很大的风险。因此在船舶电气管理人员队伍整体技能滑坡的今天，加强对船舶电气管理人员上岗前的技能审核，培养在职船舶电气管理人员的责任意识和综合职业素养是十分重要的，也是十分必要的。在船舶电气管理人员技能培训、岗位收入等环节增加必要的投入，是确保航运企业船舶营运安全的有效途径之一。
参考文献
[1] 黄伦坤，朱正鹏，刘宗德。船舶电站及其自动装置[M]。北京：人民交通出版社，1981
[2] HFC6 456-84K船用无刷同步发电机使用手册
电励磁同步电机 篇10
交流励磁发电机定子侧接电网,转子上采用三相对称分布的励磁绕组,由变频器提供对称交流电励磁,且励磁电压的幅值大小、频率、相位、相序都可根据要求加以控制,使得交流励磁发电机具有良好的稳定性及转速适应能力、独立的有功与无功调节能力和较强的进相运行能力,性能超越传统同步发电机和感应发电机,因而有着广阔的应用前景[1,2]。
变频器输出电压含有谐波,必定使交流励磁发电机转子电流、定子电流和感应电势含有谐波,抑制感应电势和电流谐波、保证输出电能质量是一个重要课题,同时还应竭力避免变频器对电网造成谐波污染、提高变频器输入功率因数。本文首先在Saber仿真平台下对矩阵式交-交变频器的性能进行仿真分析,研究发电机定、转子电流和感应电势及变频器输入电流波形,并作相应的谐波分析,然后与交-直-交变频器和交-交变频器作励磁电源时发电机的运行特性进行了对比分析。展示了以矩阵式交-交变频器作为交流励磁发电机励磁电源的可行性,并为交流励磁发电机的励磁系统工程设计提供了一定的理论参考依据。
1 矩阵式交-交变频器励磁的交流励磁发电机特性研究
根据交流励磁发电机系统对励磁变频器要求,提出采用矩阵式交-交变频器作为交流励磁发电机的励磁电源。矩阵式变频器主电路结构简单,号称“全硅”变频器,负载频率不受限制,可获得正弦波的输入和输出电流,任何负载时都可在接近于1的功率因数下运行;矩阵式变换器可实现能量双向流动,无中间直流环节,结构紧凑,体积小,效率高。如图1所示。
根据所建立的交流励磁发电机励磁控制系统的仿真模型,对交流励磁发电机稳态有功、无功、转速调节特性和暂态特性进行了仿真计算,研究表明,交流励磁比传统同步发电机具有更好调节特性,达到了发电机有功、无功、转速独立控制的目的[3]。
本文利用混合信号系统仿真软件Saber对矩阵式交-交变频器励磁的交流励磁发电机系统的谐波进行了仿真研究。研究结果如图3所示,从图可看出变频器的输入位移因数很高,输入相电流主要由基波分量和频率为输入滤波器截止频率的谐波分量组成。
2 矩阵式交-交变频器与其它变频器作励磁电源的比较
目前流行的变频装置为交-直-交变频器和交-交变频器[4,5],本文建立了交-直-交变频器的元件级仿真模型及交-交变频器的原理性仿真模型,将之用作交流励磁发电机的励磁电源进行仿真,并与矩阵式交-交变频器作励磁电源进行了比较。
2.1 矩阵式交-交变频器与交-直-交变频器的比较
采用PWM逆变电路的交直交变频器可以使输出电流接近正弦,也可用作交流励磁发电机的励磁电源。本文建立了交直交电压型变频器的元件级仿真模型,采用二极管不控整流,逆变级采用输出线电压空间矢量调制,其拓扑结构如图4所示。
交流励磁发电机在图2所示工况下运行时感应电势和定子电流、转子线电压和电流、交直交变频器输入相电压和相电流的仿真计算曲线及相应的频谱图如图6所示。
经计算,感应电势和定、转子电流波形的正旋性畸变率比矩阵式交交变频器作励磁电源时(见表1),这是由于矩阵式变频器的虚拟中间直流电压是以6倍工频脉动的,而交直交变频器的中间直流环节有大容量储能电容起稳压作用,其输出线电压所含谐波的幅值应比矩阵式变频器小。但交直交变频器输入相电流波形的正弦性畸变率比矩阵式变频器大,还可看出输入相电流滞后于相电压。
2.2 矩阵式交-交变频器与交-交变频器的比较
图5为三相交交变频器接线图,该变频器效率较高,可实现四象限工作,低频输出波形接近正弦波;但接线复杂,电力电子器件多,输出频率受电网频率和变流电路脉波数的限制,输入功率因数较低,输入电流谐波含量大,频谱复杂[6]。
本文利用余弦交点法调制算法模板,建立了交交变频器的原理性仿真模型,图7(a)～图7(f)为交流励磁发电机以该变频器为励磁电源运行于图2所示工况下相应的波形图和频谱图。
经仿真计算,此时感应电势和定、转子电流波形的正弦性畸变率分别为2.3%、1.4%、1.9%,交交变频器输入相电流波形的正弦性畸变率为32.3%,均比矩阵式交交变频器或交直交变频器作励磁电源时大。
2.3 三种变频器作交流励磁发电机励磁电源的性能比较
表1对三种变频器作交流励磁发电机励磁电源的性能进行了比较,矩阵式交交变频器比其余两种变频器的输入功率因数高,对电网的谐波污染小。交交变频器的输出频率从2 Hz变为10 Hz时,输入功率因数显著降低,对电网的谐波污染明显增大,发电机定、转子电流波形畸变严重,故6脉波交交变频器不宜用于风力发电等变速恒频发电领域。
仿真分析表明:(1)矩阵式交交变频器励磁与不控整流交直交变频器相比,主要优点在于能方便地将转子回路的能量回馈电网,输入功率因数高,对电网的谐波污染小。(2)矩阵式交交变频器励磁与交交变频器相比,主要优点在于输出电流谐波含量小,输出频率范围宽,输入功率因数高,发电机系统对电网的谐波污染小。
3 结束语
本文分别以交-交变频器或交-直-交PWM变频器作交流励磁发电机的励磁电源进行仿真分析,前者输出电压中含有大量的谐波,输入侧功率因数也很低,对电网和发电机均有严重的谐波污染和负面效应;后者虽然改善了输出性能,但不控整流加电容滤波的变换造成输入电流畸变、谐波增大,输入功率因数低下,且需要大体积的直流贮能电容,更为不利的是难以实现同步速上、下运行时交流励磁电源必需的功率双向流动。因此交流励磁发电技术实现的关键在于寻求一种输入、输出特性好,无电力谐波,功率可双向流的“绿色”变频器。矩阵式交-交变频器正是能满足这些要求的功率变换器。本文在Saber仿真平台下对矩阵式变频器与交-交变频器或交-直-交PWM变频器进行性能对比分析,结果表明矩阵式变频器不但具有再生运行能力,解决了交流励磁发电机转子回路能量的回馈问题,而且其输入功率因数高,输入电流波形正弦性比交直交、交交变频器好,对电网的谐波污染较小,因此它将可能成为交流励磁发电机理想的励磁电源。
参考文献
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