电机励磁控制（精选11篇）
电机励磁控制 篇1
0 引言
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
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电机励磁控制 篇2
1 1MW 及以下水轮发电机，对一点接地故障，宜装设定期检测装置，1MW以上水轮发电机，应装设一点接地保护装置。
2 100MW 以下汽轮发电机，对一点接地故障，可采用定期检测装置。对两点接地故障，应装设两点接地保护装置。
3 转子水内冷汽轮发电机和100MW 及以上的汽轮发电机，应装设励磁回路一点接地保护装置，并可装设两点接地保护装置，
对旋转整流励磁的发电机，宜装设一点接地故障定期检测装置。
4 一个控制室内集中控制的全部发电机，公用一套一点接地定期检测装置。
每台发电机装设一套一点接地保护装置。
能够正常投入运行的两点接地保护装置，每台发电机装设一套。
正常不投入运行，一点接地后再投入运行的两点接地保护装置，在一个控
制室内集中控制的全部发电机可共用一套。
浅谈发电机励磁系统 篇3
在电气运行工作中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。例如发电机的开机升压、停机降压及其日常发电机电压的调整都通过励磁系统完成。学习好励磁系统对于发电机的学习有着很大的帮助。
关键词：励磁系统；自并励励磁系统；带旋转整流器励磁系统；发电机端电压
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0022-02
汽轮发电机励磁系统概述：根据同步发电机工作的基本原理，必须在汽轮发电机转子绕组中通以直流电流才能建立起主磁场，当汽轮机拖动转子旋转时，就能在定子电枢绕组中产生感应电动势。励磁系统的主要任务就是根据发电机的运行状态，向发电机电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。励磁系统的作用：（1）维持发电机机端电压。（2）在并列运行的发电机间合理分配无功功率。（3）提高电力系统的静态.暂态稳定性。
励磁方式的分类：（1）直流发电机供电的励磁方式，这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大故在10MW以上的机组中很少采用。（2）交流励磁电源加半导体整流器的励磁方式，这种励磁系统中的直流励磁电源是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的（简称半导体励磁方式）。根据交流励磁电源的不同种类，半导体励磁系统又可分为两大类。
1.他励励磁系统。这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励磁系统由于交流励磁电源取自主发电机之外的独立电源，故称为他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机称为交流励磁机，也可称为交流励磁机励磁系统。根据半导体整流器是静止的还是旋转的，又可分为交流励磁机静止整流器励磁系统和交流励磁机带旋转整流器励磁系统。其中后者由于半导体整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主发电机转子励磁绕组供给励磁电流，不需要经过转子滑环及碳刷引入，也称为无刷励磁系统。
2.自励励磁系统。这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统。自励励磁系统又可进一步细分为多种具体的实现方式，如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器或串联变压器，则构成自复励方式。根据励磁变压器和串联变压器结合的方式又可分为：直流侧并联自复励方式；直流侧串联自复励方式；交流侧并联自复励方式；交流侧串联自复励方式。
（1）自并励励磁系统，由励磁变压器、可控硅功率整流装置、自动励磁调节装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。从发电机的出口母线获得三相交流电，经过励磁变压器变为符合要求的电压较低的交流电，再经过可控硅整流装置后，通过直流刀闸到主备励切换柜，然后到灭磁及过电压保护柜，最后上发电机转子，完成了发电机的励磁过程。开机起励时起励电源经过起励元件到灭磁及过电压保护柜FLM。这种励磁系统的特点是：1）无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅整流器供给发电机励磁绕组励磁；2）无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少；2）励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快；4）可以提供较大的励磁功率。采用自并励励磁系统主要缺点有：1）在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的强励倍数。2）接于地区网络的发电机，由于短路电流的衰减快，继电保护的配合较复杂，给继电保护来了问题。同样是发电机近端发生三相短路时，自并励系统的强励能力将显著降低，在某些情况下不能使发电机的短路电流维持在使过电流保护动作的水平，带时限的继电保护可能会拒绝动作。
（2）交流励磁机带旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统），无刷励磁系统用交流励磁机作为主发电机的励磁电源，根据交流励磁机励磁绕组所取励磁电源的不同，无刷励磁系统又可分为有辅助励磁机和无辅助励磁机两种形式。
（3）无刷励磁系统，此系统中辅助励磁机采用的是永磁发电机。辅助励磁机发出的交流电经过可控硅整流器整流为直流电供给主励磁机的励磁绕组。主励磁机是一台旋转电枢式三相同步发电机，即它的电枢绕组是旋转的，励磁绕组则是静止的，发出的三相交流电经同轴旋转的三相旋转整流器整流为直流电，通入主发电机转子绕组，供给发电机励磁。其中两个整流器，在外部的为可控的整流器与励磁调节器连接，通过控制这个整流器达到控制发电机励磁。内部的为不可控整流器与主轴同轴旋转。无辅助励磁机的无刷励磁的励磁电源则是取自主发电机的端电压或者厂用电。这种励磁方式又可进一步分为端电压励磁、基波谐波混合励磁、谐波励磁和相复励励磁等几种方式，其中相复励励磁是一种较好的励磁方式。无刷励磁的优点：1）结构紧凑。2）没有滑环和碳刷，不需要进行这方面的维护工作，不会因此发生故障，运行的可靠性提高了。3）因为没有碳粉和铜末引起电机绕组污染，故绝缘的寿命较长，4）由于无滑环、碳刷，即使周围环境有易燃易爆气体存在，也不会因整流子、滑环和碳刷间产生火花而造成事故。
有刷励磁和无刷励磁的区别：
通过上面的介绍可以看出，取消了滑环和碳刷是无刷励磁与有刷励磁系统最大的区别。滑环和碳刷的作用就是将发电机励磁电流送到转子磁极上励磁绕组中的桥梁。发电机能够正常发电的两个必要条件：磁场、切割磁力线的运动。大容量发电机均采用旋转磁场，电枢绕组（线圈）安装在定子上，为了将磁场的励磁电流从发电机外部送到发电机转子上，通常采用滑环和碳刷进行电气连接。由于碳刷属于损耗性元件，平均3-4个月需要更换，那么在更换时就会有一定的安全隐患。在淮安热电分厂实习期间，通过工作中的观察，发现了更换时所存在的几点风险。1）碳刷属于带电元件，更换时工作人员有被电击的危险。2）工作人员在更换时需要接近旋转中的主轴，工作人员的衣物有被大轴挂住的危险。3）运行中的碳刷会有火花冒出，会有点燃易燃物的危险。4）在更换时如果操作不当，致使滑环损坏，那么发电机需要停机进行。因此滑环和碳刷的取消降低了运行维护的工作量，回避了由于更换所带来的风险。但是无刷励磁系统取消了滑环和碳刷后也带来了一些问题。由于不可控整流装置同轴旋转，对整流器的可靠性要求很高，并且不能直接控制主励磁电流，因此在调压和灭磁的速度上对技术提出了更高的要求。但是随着科技的发展，今后无刷励磁的一个发展方向是采用光控晶闸管，通过光脉冲触发调节光控晶闸管的导通角，就可调节主励磁电流的大小。由于是直接控制主励磁电流，消除了励磁机这一很大的惯性环节，励磁系统的动态性能有很明显的提高。
无刷励磁系统的整流装置、主励磁机的电枢绕组和发电机的转子绕组，在同一轴上旋转，也就是上图中的旋转元件，而在旋转体上的设备就存在着一定风险。因为旋转着的设备会受到较大的旋转力，并且转动的主轴上会产生振动，这都提高了设备损坏的可能性。无刷励磁的旋转元件当发生故障需要维修时，其维修时间较长，会影响到厂里的生产效益。那么我们要如何降低这种风险呢？我对这个问题进行自己的一个分析；由于设备是成套生产的，在出厂环节有厂家保证。在设备安装环节能最大程度降低旋转元件的损坏风险，对旋转元件在安装时的牢固程度和抗震能力必须要严格监督，要完全符合技术规范。在发电机运行时，由于设备旋转，无法对设备进行维护，我们运行人员可以保证发电机有一个良好的运行环境，在日常工作对发电机的温度要进行时刻的检测，保证发电机温度在规定范围。
参考文献：
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电机励磁控制 篇4
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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发电机自并励励磁机硬件设计 篇5
【关键词】自并励;励磁系统
励磁系统是同步发电机重要组成部分，直接影响发电机运行性能。自励直流励磁机励磁系统中发电机转子绕组由专用的直流励磁机供电，调整励磁机磁场电阻，可改变励磁机励磁电流，从而达到人工调整发电机转载电流的目的，实现对发电机励磁的手动调节。
一、设计方法
自并励励磁机由主回路（励磁控制单元）和控制回路（励磁调节器）组成。原理框图如图1.1所示，交流电源取自机端，经整流回路供给发电机可控励磁。控制回路由测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元及调差单元组成。控制回路是根据机端电压变化输出可调脉冲作用于可控硅控制极，来调节主回路输出直流励磁电压的大小。
图1.1 自动励磁系统基本原理框图
在三相电网的功率因数测量中，一般假设电网是三相平衡的，此时任意一相的功率因数就相当于三相系统的功率因数。本文利用电网三相电压、电流间的相位角关系，通过直接检测相电流和线电压的相邻的两个方波的上升沿的时间差，来确定功率因数以及功率因数的超前滞后情况，从而通过运算得到三相电网的功率因数。设θ为线电压滞后相电流的相角，相电流滞后相电压的相角为Φ。把电压和电流方波信号经异或门之后的方波作为过零点的检测信号，为了节省外部中断，采用一个反相传输门和模拟开门相结合的电路。由P3.0控制模拟开关的选通。这样就可以控制用于脉宽测量的定时器T1的计数值n，即当方波的上升沿到来的时候，计数器T1启动，开始计数;当方波的下降沿到来的时候，T1停止计数。得到对应的脉宽计数值n。假设测量工频的半个周期所对应的计数值N，通过N，n的关系推导出θ和Φ值，如公式所示。
单片机很容易完成上述计算，对Φ取余弦就得出功率因数cos?，如果sin?为正值，则说明负载呈感性，反之则说明负载呈容性。
调差系数δ表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化。调差系数δ表征了励磁控制系统维持发电机电压的能力。调差系数用δ表示，其定义为：
式中—发电机额定电压;
、—分别为空载运行和带额定无功电流时的发电机电压。
为实现上述的功能，励磁控制器需具备：电量测量、调节运算、同步信号检测、脉冲移相放大等基本单元。根据前文所诉的励磁控制器的基本要求，励磁控制器也由以下几个基本单元组成：主控制单元、模拟量输入通道、开关量输入输出通道、同步测频单元和脉冲放大单元等，励磁控制器的硬件总体结构框图如图1.2所示。
图1.2 励磁控制器的硬件总体结构框
二、发电机励磁系统的要求及分类
1.发电机励磁系统的要求
在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平;合理分配发电机间的无功负荷;提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求：
（1）常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。
（2）应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。
（3）励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。
2.发电机励磁系统的分类
一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。
二期是自励直流励磁机励磁系统。发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。
三期采用的是静止励磁系统。这类励磁系统不用励磁机，由机端励磁。
三、自并励存在问题与解决方法
为了保证发电及安全稳定运行，微机励磁控制器内部设有PT断线、强力动作、欠励动作、过压限制、电压/频率限制、过无功功率保护、定子过电流保护等保护功能。
以上保护功能远不能满足电力系统的输配电线路安全需求，为此采取如下措施：
（1）增加电力系统稳定器（PSS）;
（2）增加直流回路在线监测器;
（3）转子回路开路保护。
四、结束语
励磁系统对提高电力系统稳定的作用，一直是人们关心的课题和努力的方向，长期以来已经进行了大量的工作。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。
参考文献：
[1]商国才.电力系统自动化.天津：天津大学出版社，2000
电机励磁控制 篇6
风力发电在国内外发展迅速[1]。变速恒频双馈( doubly fed induction generator DFIG)风力发电是风力发电的主流类型之一,与传统的同步发电机直流励磁不同,DFIG实行交流励磁,可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位。通过改变励磁电流频率,双馈电机可以调节转速,从而实现变速恒频运行;通过调节励磁电流的幅值和相位,可达到调节有功功率和无功功率的目的。与同步发电机相比,控制量多了两个,控制上更加灵活,但控制也更加复杂[2,3,4]。
双馈发电机的控制策略取得了很多成果,应用最广的控制策略是矢量控制策略(vector control)[5],矢量控制实现了电动机有功和无功功率的解耦控制,动态性能好,但控制策略比较复杂且需要精确的定子磁链和转子位置角。直接功率控制(direct power control)[6,7]利用直接转矩控制的思路,将电力电子变流器和电机合并,通过开关矢量直接控制电机的有功和无功功率,简化了控制策略的设计,但由于其开关频率不固定增加了滤波器设计的难度。转子磁链幅值和角度控制(flux magnitude and angle control)[8,9,10,11,12]通过转子磁链的角度和幅值来控制定子的有功和无功功率,但控制复杂。
通过对电压电流等易测量的磁链观测估计转速和转子位置信号的无速度传感器方法[13,14],一方面增加了控制系统的复杂性,另一方面其估计精度受参数变化、运行状态的影响。
本文从双馈电机的原理出发,简要叙述了电网侧和转子侧变频器矢量控制策略;为了避免转子位置编码器的影响,提出了无需测量转子位置信号的幅度频率控制策略;仿真验证了幅度频率控制策略的有效性,提高了系统的可靠性。
1 双馈风力发电机原理
对于一台确定的风力机,在风速和桨叶节距角一定时,总存在一个最佳叶尖速比对应着一个最大的风能转换系数,此时风力机的能量转换效率最高。图1为不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线,从图1中看出,对于一个特定的风速,风力机只有运行在一个特定的机械角速度下,风力机才会获得最大的能量转换效率[15]。因此,变速风电机组才能捕获最大风能,提高发电效率。
双馈风力发电机组的结构示意图如图2所示,DFIG的转子经变流器与电网相连,利用交流转子励磁和DFIG配合实现变速恒频。
变速恒频原理如式(1)所示:
Npfm+fr=fs (1)
式(1)中,fm,fr,fs分别代表转子转速、转子电流和定子电流的频率,Np表示双馈电机的极对数。当双馈风机发电机运行时,风力机带动转子以fm的频率旋转,形成电角频率为Npfm的旋转磁场,由于转子励磁电流矢量的频率为fr,气隙中感应出与定子电流同频率的合成磁场,频率由式(1)表示。因此双馈电机实现了变速恒频[16]。
将转子侧的各个物理量折合到定子侧,通过Park变换将abc坐标系下的异步电机方程变换到一般的dq旋转坐标系可以推导出双馈电机的电压和磁链方程分别如式(2)和式(3)所示(定子侧按发电机惯例,转子侧按电动机惯例)[16]。
undefined
(2)
undefined
(3)
转矩方程可以表示成:
Tem=NpLm(iqsidr-iqrids) (4)
转子运动方程可以表示成:
Jpωm+Dωm=Tm-Tem (5)
式(2)到式(6)中,uds,uqs为定子电压的d,q轴分量,udr,uqr为转子电压的d,q轴分量,Ids,Iqs为定子电流的d,q轴分量,Idr,Iqr为转子电流的d,q轴分量,ψds,ψqs为定子磁链的d,q轴分量,ψdr,ψqr为转子磁链的d,q轴分量,rs,rr,Ls,Lr为定、转子的电阻、电感,Lm为互感,ωs,ωr,ωm为定子磁链、转子电流、转子旋转的角速度,Tm,Tem为机械转矩、电磁转矩,P为微分算子,J,D为转动惯量、摩擦系数。取ωs等于定子旋转磁场的角速度,这样dq坐标系就变成了同步旋转坐标系,ABC坐标系下的正弦量对应于dq坐标系下的直流量。
2 双馈电机电网侧变流器控制
网侧变流器是一个电压源型PWM整流器,控制变流器直流母线电压,且功率因数可调,实现功率的双向流动。其矢量控制框图如图3所示[4]。
图3中,idg,iqg为网侧变流器电流的d,q轴分量, Lg为网侧变流器电感, udc为网侧变流器直流电压,us为网侧变流器交流电压d轴分量,ωs为网侧变流器交流电压频率,Qg为电网侧变流器的无功功率,θs为电网电压位置角。dq轴电压通过dq→ABC变换之后得到PWM整流器输出的三相电压。
3 双馈电机转子侧变流器控制
双馈电机并网时,转子侧变流器控制目标为控制定子的有功和无功功率,双馈电机定子的有功功率Ps和无功功率Qs可以表示成:
undefined
(6)
按照定子磁链定向的方式,忽略定子磁链的暂态和定子电阻,将d轴固定在定子磁链矢量的轴线ψs上,于是 ψds=ψs,ψqs=0,代入式(2)的前两式可以得到:
undefined
(7)
将式(7)代入式(6)可以得到
undefined
(8)
再将磁链定向结果代入式(3)可以得到
undefined
(9)
将式(9)代入式(8)可以得到:
undefined
(10)
从式(10)可以看出,如果定子磁链和频率保持不变,按照定子磁链定向之后,定子的有功功率和转子q轴电流成正比,定子的无功功率和转子d轴电流成正比。
控制策略框图如图4所示:其中undefined表示双馈电机的漏磁系数。θr,θsr为转子磁链角度、转差角度。
4 同步化双馈电机
4.1 同步化的双馈电机数学模型
虽然双馈电机工作在异步状态下,但是其转子励磁磁场的旋转速度和定子磁场的旋转速度相等,具有和同步电机类似的控制特性[17,18]。双馈电机的功角δ为q轴暂态内电势矢量Eundefined和定子电压Us之间的夹角,双馈电机的有功和无功表达式可以写成:
undefined
(11)
式(11)中X`s为定子暂态电抗。可以看出,如果将d轴放在转子合成磁势的轴线上,经过整理后,双馈电机具有和同步电机类似的有功和无功表达式。也就是说,从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效。
省略定子磁链动态过程的同步化双馈电机三阶方程为式(12):其中Xs为定子电抗,Edf、Eqf为折合到定子侧的转子dq轴励磁电压,undefined表示转子回路的时间常数:
undefined
(12)
此外还有两个定子电压方程和一个附加的转子电压方程:
undefined
(13)
式(13)中s为转差率,Tr0为 双馈电机在同步点运行时,有约束条件Npωm=ωs,ωr=0。将约束条件代入式(12),同步化双馈电机三阶方程就变成了同步电动机的三阶方程[8,15]。
4.2 双馈电机与同步电机的比较
通过上面的分析可以看到,双馈电机和同步电机有相似的地方也有不同之处,归纳如下:
a) 相同点:
1) 从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效;
2) 都可以通过励磁控制来调节定子输出的无功功率。
b) 不同点:
1) 励磁调节:同步电机的励磁电压为直流,只有其幅值可以调节;但双馈电机的励磁电压为交流,有电压幅值、频率和相位三个可调量,控制更加灵活;
2) 转速范围:同步电机的转速等于同步转速,但双馈电机既可以超同步运行,也可以次同步运行;
3) 转子励磁的功能。同步电机的转子仅提供无功励磁,但双馈电机的转子除提供无功励磁外,还要提供转差有功功率。
5 幅度频率控制策略
矢量控制策略中所需的转子位置信息一般通过增量式或绝对式光电编码器来获得,实际中增量式编码器应用最广,但由于风力发电系统运行的环境比较恶劣,编码器信号很容易受到干扰,这会对系统稳定运行带来负面影响[13,14]。
5.1 幅度频率控制
对式(12)第一项进行分析可以看出,当双馈电机转子电流的角频率ωr≠sωs时,双馈电机的功角δ就会发生变化。从式(11)可以看出,功角的变化可以引起有功和无功功率的变化。
根据同步电机理论,同步电机输出有功功率主要和功角δ有关,输出的无功功率主要和暂态励磁电压E`q的大小有关[8]。根据式(11)可知,这个关系在双馈电机中仍然适用。
当Npωm+ωr>ωs时,功角增大,有功功率增大;当 Npωm+ωr<ωs时,功角减小,有功功率减小。由于转子侧采用全可控电力电子变流器,转子电压和电流矢量的旋转角速度ωr完全可控,因此控制ωr就可以控制双馈电机定子的有功功率。
有功功率给定和实际的有功功率相减之后通过PI控制器得到转子电压的频率;
从式(12)和(13)中的第三项可以看出,双馈电机的暂态励磁电压E`q和转子电压的大小有关。转子电压Edf部分表示无功励磁分量,而Edf表示在变频过程中,转子侧需要提供的电压,这部分电压和转子侧提供的转差有功功率相关。改变转子电压的幅值可以改变E`q进而改变定子发出的无功功率[17,18,19,20]。
根据式(11)可知,双馈电机定子的无功功率主要和定子电压有关,因此可以在电压环外面加上无功功率外环。无功功率给定和实际无功功率相减之后通过PI控制器得到定子电压的给定值。定子电压给定和实际电压相减之后通过PI控制器得到转子电压幅值,有了转子电压的幅值和频率给定之后经过简单运算就可以生成转子的三相电压给定值uar,ubr,ucr,三相电压再通过PWM调制送到转子侧变流器。其控制框图如图5所示。
当然也可以将无功外环和电压环进行合并,无功功率控制器直接输出双馈电机转子电压的幅值。
5.2 仿真验证
为了验证图5中的控制策略,在PSCAD里面搭建模型进行仿真,仿真中用附录中的参数。电机定子有功功率给定在第2s从2kW阶跃到6kW,然后在第9s又阶跃回2kW,定子无功功率给定为0kVar并保持不变,双馈电机的转速为0.9倍的同步转速。仿真结果如图6所示。图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。
6可以看出,有功功率给定变化前,双馈电机的转子电压频率等于转差频率5Hz。当有功功率给定增大时,从图6(b)和(c)可以看出,双馈电机转子电压和电流的频率增加,使得图6(d)中的功角增大,定子有功功率增加。由于无功控制器的作用,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在 6kW时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程,功角有一些超调。
从图
当有功功率给定减小时,双馈电机转子电压的频率减小,功角减小,使得定子有功功率减小,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在20时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程。
从仿真结果可以看出,幅度频率控制可以独立控制双馈电机定子的有功和无功功率。
5.3 幅度频率控制在容错控制上的应用
幅度频率控制既可以直接控制并网后的双馈电机,也可以在角度传感器出现永久性故障的情况下作为容错控制策略。采用矢量控制和幅度频率控制组成的容错控制系统的逻辑图如图7所示,当容错控制系统判断角度传感器出现永久性故障时,就从矢量控制切换到幅度频率控制策略。
正常情况下控制系统采用矢量控制,转子电压选择矢量控制的输出电压,当角度传感器出现永久性故障时,转子电压就选择幅度频率控制的输出电压。由于幅度频率控制刚投入时输出的电压为0,为了保证切换过程尽可能地平滑,需要计算出故障前矢量控制输出电压的幅值|ur0|和频率ωr0,将它们作为初始值分别叠加在幅度频率控制的输出上。其中|ur0|叠加在无功功率控制器输出上,ωr0叠加在有功功率控制器的输出上,如图8所示。幅度频率控制的采样和控制信号与矢量控制完全相同。
在PSCAD里建立模型,对图7和图8所示的容错控制系统进行仿真。电机参数为附录中的参数,定子电压为380V。控制系统先采用矢量控制,有功功率给定为 6kW,无功功率给定为0kVar,双馈电机转速为0.9倍的同步转速,故障出现以前控制系统已经达到稳态。在第 5s角度传感器出现永久性故障,根据图7容错控制系统切换到幅度频率控制,并将故障前的转子电压的幅值和频率作为初始值叠加到幅度频率控制的输出,如图8所示。
仿真的结果如图9所示,图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。 按照图7和图8的容错控制方法,当角度传感器出现永久性故障时,可以用幅度频率控制代替矢量控制,控制策略切换的过渡过程比较平稳,满足容错控制的要求。
6 结论
双馈电机以其自身显著的优点,成为现在风电的主力机型之一,并且由于双馈电机具有一定的同步机特性,可以从同步机类比的角度讨论新的控制策略。具体研究内容如下:
1) 简述了双馈电机变速恒频原理及其dq坐标系下数学模型,简要分析了双馈电机网侧变流器和转子侧变流器的矢量控制策略。
2) 根据双馈电机dq坐标系下的模型,推导了同步化双馈电机数学模型,归纳了双馈电机与同步电机的异同点。
3) 基于同步化模型提出了幅度频率控制策略。此策略通过控制转子电压的幅值和频率来控制定子无功和有功功率,不需要角度传感器,简化了控制器设计,避免了转子角度编码器对发电系统的影响。
电机励磁控制 篇7
说到电力系统, 大家都耳熟能详, 可以说电力始终是时代不可或缺的基本保障之一, 而且随着社会的不断发展, 大家对电力的依赖性就愈加强烈, 但是谈及励磁系统, 在大多数人看来还很陌生, 这样就对电力事业进一步的发展形成阻力, 而且也不利于励磁系统的开拓与完善, 只有深入了解和认识励磁系统, 才能更好的促进和推动励磁系统在电力运行中的发展和研究。
(一) 发电机励磁系统简介
发电机励磁系统是指在同步发电机的条件下, 为两台发电机提供电源以及相关的附属设备统称为励磁系统。励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成, 励磁功率单元是给转子绕组提供励磁电源供给, 励磁调节器则是对励磁功率单元实行控制的输出装置。
在日常生活中, 常见的励磁方式有:直流发电机、交流励磁机以及无励磁机三种, 其中利用直流发电机达到励磁效果的应用方式比较明显。
(二) 发电机励磁系统的作用
励磁系统在生产生活中, 主要是作为电气控制装置为企业服务。励磁系统是电站设备中不可或缺重要组成部分之一, 通过励磁机、励磁变压器等各元件间的相互配合、协调, 维持同步发电机端电压在同一水平上, 与此同时, 对励磁电流进行适当的调节, 进而实现整个电力系统得到平稳供应, 另外, 对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能, 使整个发电机体的电流保持在一个波动幅度内, 由此保证了电流输送的稳定。
二、对于发电机励磁系统稳定性分析
对于发电机励磁系统来说, 要想验证系统能否真正发挥作用, 主要还要看其稳定性能, 励磁系统的稳定性能越强, 就代表其调控能力越强, 从而对电力系统的保障性就越高, 所以, 只有保证了励磁系统的稳定性, 才能使电力系统更加平稳的运行。
(一) 励磁系统稳定性分析模型的构建
为了对励磁稳定性进行更加直观、透彻的分析, 采用建立数据模型的方式对励磁系统稳定性展开研究, 模型主要是以单片机无穷大作为理论基础, 利用线性模型Heffron-Philips对发电机及其控制系统进行叙述, 此外, 同步发电机则是通过计及凸极效应和励磁回路动态相结合的方式, 建立了三阶实用模型, 在保证机械功率不变的状态下, 分别对转速偏差Δω、转子角偏差Δδ、q轴暂态电动势偏差ΔE′q、发电机励磁压偏差ΔEfd四个状态变量作出分析, 同时得出了小干扰动态稳定理论的同步机动态增量方程等式, 如下式所示。
通过模型我们可以很直观的观察到发电机各个部分与励磁系统之间的接口位置, 但单纯的依靠Heffron-Philips模型对励磁系统稳定性进行分析是远不够的, 这其中还欠缺了恒无功和恒功率因素对励磁系统产生的干扰, 为此, 为了更好的对励磁系统稳定性进行分析, 选用两种励磁方式作为参考, 如图1所示。
如图1中控制框图所示, 控制参数分别是KA、TA、TE、KF、TF, 励磁机的饱和系数为SE, p则代表微分算子, 其主要实现保持发电机端电压保持不变的功能, 通过与恒无功励磁控制框图相融合之后, 可以得出励磁系统的控制框图, 此时TR为测量时间常数, KQ为附加控制放大倍数, TQ为附加控制时间常数, 通过公式之间的推导以及矩阵根特征的分布情况, 从而判断出系统小于干扰稳定的特性。
(二) 影响发电机励磁系统稳定性的因素
三、案例控制分析
某企业电网于某日发生故障, 后查明:造成电网自备机组振荡解列的原因是由于励磁控制方式选择不当所致。该企业此前一直采用的是恒无功励磁控制方式, 事故发生后, 励磁方式改由恒电压控制方式后, 解决了事故的再发, 保证了工厂的正常运作。
经过分析得到:励磁方式采用恒无功的状态下, 出现了系统震荡现象, 通过结果对比, 震荡现象是由于励磁系统自身失稳造成的, 采用恒电压控制方式后, 无论是负荷冲击故障还是三相短路故障, 系统均可保持良好的稳定性能, 和更改励磁模式后的震荡现象相符合。
由此可以证明通过改变励磁系统的控制参数, 仍可达到其他励磁方式的效果。
摘要：随着社会的高速发展, 在各个领域呈现出一派繁荣景象, 特别是在科技化创新战略的引导下, 越来越多的产业向着科学化、信息化的发展目标转移, 作为时代标志的电力事业自然也是成绩显著, 特别是在电力供应性能上, 展开了对励磁系统的开发与研究, 只有将励磁系统研究的更加深入透彻, 才会使得励磁系统在电力系统中真正起到辅助性作用, 成为电力运行的基本保障。
关键词：发电机,励磁系统,稳定性,控制
参考文献
[1]刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].中国电力出版社, 2006.
电机励磁控制 篇8
同步电机运行稳定性和可靠性对工业生产有重要的影响,特别是对于煤矿行业的主扇安全运行有着关键作用,单片机控制系统及模拟控制系统的可靠性已经不能满足现代工业生产的要求。而采用触摸屏和PLC通过智能模块装置对同步电机的励磁系统进行控制,可以实现控制过程的智能化和工艺参数的可视性。同时我们通过控制晶闸管移相整流模块的控制端电压来控制整流模块的输出,使得整个系统硬件电路简单、调试维护方便、系统性能较高。
1 系统硬件设计及组成
1.1 硬件设计
同步电机新型智能励磁控制系统设计如图1。
当同步电机的定子合上电源时,同步电机进入异步运行状态,通过PLC的输出接口控制灭磁继电器使整机处于低通灭磁状态,转子感应交变电压的正负半波都通过灭磁电阻灭磁,且正负半波电流对称,以保证同步电机具有良好的异步驱动特性。在此期间PLC控制器通过D/A模块控制晶闸管移相整流模块的输出为0(无相序无相位)。同步发电机的投全压、投励时刻通过检测电机的滑差确定。当转速上升到同步转速的90%左右投全压;当转速上升到同步转速的95%左右采用“超前顺极性投励”方式,自动准确地选择,在最佳的分离角处投励。同时系统具有后备时间投全压、投励环节(可以通过触摸屏设置)。投励之后,断开灭磁电路(运行高阻),PLC通过D/A模块控制晶闸管移相整流模块的控制端电压,晶闸管移相整流模块的输出直流电压施加于电机励磁绕组两端,同步电机被牵入同步运行,起动完毕。
同步电机正常运行时,系统对励磁电流进行闭环PID调节实现恒励磁电流(恒压、恒功率因数可选),励磁电流不受交流电网波动及励磁绕组热态电阻变化的影响,并且可以通过触摸屏或按键改变励磁电流的大小。通过调节励磁电流的大小可以调节同步电机的功率因数。由于某些因素造成过励、欠励、失步时单片机可以自动检测,经延时后自动给出跳闸信号并显示故障类型(系统同时储存故障原因及参数,储存容量1000条)。单片机自动检测可控硅整流模块温度,并与温度设定值比较自动开风机、停风机、温度报警及温度跳闸(在需要时可设计屏顶引风机控制)。
1.2 系统硬件组成
触摸屏作为上位机,触摸屏显示用户画面,接收用户的操作指令,PLC作为下位机,实现运行过程的各项控制,可控硅整流模块装置作为执行机构,根据要求提供直流励磁电流或电压。
(1)选用的PLC是三菱公司生产的FX2N,加入4AD及2DA模块,PLC根据检测的电压、电流信号以及来自触摸屏的指令及参数给出控制信号控制可控硅整流模块装置输出励磁电流或电压,并将采集到的各类现场数据送到触摸屏上,在相应的画面显示出来。
(2)选用的触摸屏为三菱公司生产的F930(F900系列可选),通过RS232串行口和PLC的通讯口相连。
(3) A/D转换。12位的高精度数据输出;4通道或8通道的电压输入(一10～+10V)或可以进行电流输入(-20～+20mA);每个通道可以指定电压或电流输入;用于励磁装置各模拟信号的转换。
(4) D/A转换模块。12位的高精度模拟输出,输出可直接控制全控桥智能电力模块。
(5) RS-485/RS-232通迅模块。FX2N-485-BD在FX2N单元上可连接1台,除和计算机通讯外,还可以在2台FN2N单元间并列连接(本功能已用于同步电机励磁装置双机热备系统中并已投运)。
(6)可控硅整流装置是采用三相全控整流模块,根据PLC的控制信号控制可控硅整流输出所需要的直流励磁电流或电压。
由于采用高性能元器件,以及DCB陶瓷履铜板、钼履铜板、高热导弹性硅凝胶等材料,加之设计合理、工艺先进,检测手段齐全,因而可靠性很高,热循环次数可达万次。
本模块既可手动控制,也可用仪表或计算机控制,且抗干扰能力强;体积小,重量轻,节材节电效果显著。
励磁系统能否正常运行一个关键的因素取决于可控硅模块是否能正常运行,而本励磁装置的智能模块采用真空热管散热系统使该系统运行可靠,并配有备用风机防止在夏天时温度过高而对本装置的影响。
2 系统软件设计方案
整个控制系统的软件由触摸屏软件设计、PLC软件设计两部分组成。控制流程图如图2。
3 结束语
随着我国工业产品的发展,企业对工业产品的要求越来越高,如因励磁系统问题而使工业生产停产,会给化工冶金等行业带来重大经济损失。特别是煤矿企业中励磁系统的稳定性和空压房(风机房)的每个环节控制都很重要,如果只提高励磁系统的可靠性,而因辅机柜、低压柜或高压柜的某个元器件或接点出现问题而造成整个生产线停产,显然是很不经济的。鉴于市场对工业产品的要求,励磁系统应向着自动化程度高的方向发展,并可针对每个企业的自身特点,进行集中控制,主要有以下几个方面。
(1)把空压房(风机房)励磁系统和辅机柜做成一个多功能调节台的型式。取消励磁柜及辅机柜。
(2)每个电机的励磁控制及辅机控制采用一个控制系统,操作人员直接就可在控制台控制。
(3)用于一个或二个上位机用组态的形式,实现集中控制。
(4)在集中监控励磁及辅机系统的同时再把高低压柜及电机运行状态进行上传到上位机,进行全方位地控制,这样就完全提高了整个机房的可靠性。
电机励磁控制 篇9
航空地面电源是为飞机提供地面起动和通电检查电源的装备,其发展取决于飞机电子设备等用电设备及启动系统对航空地面电源的要求。近年来,随着飞机电子、雷达等用电设备的快速发展,对航空地面电源也提出了更高要求,在飞机启动发动机和通电检查机载用电设备时,需要在地面提供给飞机更高质量的电源[1]。
针对航空地面电源的保障现状及要求,本文针对航空地面发电机励磁调压系统存在的动态性能、稳定性差等相关问题,在该系统中引入电流滞环控制技术,增强了发电机励磁控制系统的动态响应速度,提高了发电机输出电压的品质。
1 航空地面发电机励磁调压系统现状
目前,航空地面发电机励磁调压控制主要采用WZT-2/3型电子调压器,其控制方法是综合检测发电机三相电压的变化,控制开关管的导通时间,自动调节励磁机励磁电流,从而稳定发电机输出电压。其原理框图如图1所示。
由图1可以看出,这种控制方法单纯利用输出电压作为反馈信号实现单闭环控制。这种控制方法技术成熟,但其性能存在不足之处:
(1)系统动态响应速度缓慢:单环电压反馈系统只有在PI电压调节器中加入大的补偿电容才能保证系统稳定工作,加上输出滤波电容增大系统惯性,当负载产生突变时,系统的动态响应速度很慢。
(2)负载适应性差:随着新型战机非线性负载的增加,对输出电压波形而言,电路实际上是开环控制,因此在脉冲电流冲击下,输出电压波形产生畸变,总失真度升高。
(3)随着电力电子技术的发展,开关管已经进入大功率、高频化时代,如大功率达林顿管、IGBT管等,而当前的电子调压器所使用的开关管在功率、允许频率范围、耐压等方面都跟不上飞机对航空地面电源的新要求[2]。
2 引入电流滞环控制技术的发电机励磁调压系统原理
2.1 电流滞环控制技术
电流滞环控制的核心是迟滞比较器,其原理来源于Delta调制,即在一个调制时钟的控制下,用一个近似波形去逼近参考波。迟滞比较通过改变逼近控制方法,取消了定时对钟,因而调制过程中只有幅度量化而没有时间量化,其量化失真也就要比Delta调制小,并且电路进一步简化[3]。迟滞比较器的外特性与电路如图2所示。
图2中Ud为电流反馈信号,Ue为电压参考信号,输出电压信号为Usw,高电平信号为Vh,低电平信号为零。由图2我们可以得到迟滞比较器的环宽△h的大小。
滞环电流两态控制的工作原理如下:电感电流与电流基准(电压误差信号)相比得一电流给定信号iL,iL再经滞环比较器得到PWM信号,驱动功率管控制电感电流在设定的正负环宽内(±H)。如图3所示,如果电流误差iL大于+H(H滞环),滞环比较器把输入电压反向加到电感两端,使电感电流变小,滞环比较器输出低电平(-1态),即为diL-;如果电流误差iL小于-H,滞环比较器把输入电压正向加到电感两端,使电感电流变大,滞环比较器输出高电平(+1态),即为diL+,即要使iL总保持在正负环宽内变化[4]。
2.2 引入电流滞环控制技术的发电机励磁调压系统
由以上分析可知,与航空地面电压当前的电机励磁调压控制相比,电流滞环控制在保留其外环的输出电压反馈的同时,加入了对励磁电流反馈的内环控制,内环的作用是产生自持振荡,形成两态调制器。作为反馈环路,它对电流进行调节控制,使之逼近给定信号,从而提高了系统的动态性能。其原理如图4所示。
电流滞环控制技术与传统的仅有输出电压反馈的控制技术相比,从电路结构上看,是增加了一个励磁电流反馈;与三角波交载PWM控制系统比,则是电流反馈本身就作为PWM的斜坡函数,而不再需要锯齿波(或三角波)发生器。
3 仿真结果及分析
3.1 仿真结果
为检验理论分析的正确性与方案的可行性,本文利用saber仿真软件对该电路作了系统仿真。仿真的主要思路为:通过变压器、桥式整流器与分压电阻检测发电机的单相电压输出,检测信号为Vf。另外,励磁电流检测信号通过传感器转换为对应比例的电压信号Vi。输出电压反馈信号Vf通过电压跟随器与基准电压信号(理想电压源)比较,通过PI调节,作为电流基准信号Vib,与励磁电流反馈信号Vi通过滞环比较器相比较,产生的PWM信号经过驱动,控制励磁回路的开关管IGBT的导通与关断,从而达到励磁调压的目的。仿真的主电路与控制电路如图5所示。
图7为两种控制方案下发电机输出电压波形的对比图,上图为加入电流滞环控制技术的电压输出波形,下图为传统的只有电压反馈的电压输出波形,由图可以得出加入滞环电流控制技术的输出电压因为加入了电流内环控制,快速跟踪励磁电流变化,提高了系统的动态响应速度,使系统性能有了明显提高,输出电压波形也更加接近正弦波。
4 结论
文章阐述了航空地面电源发电机的励磁调压系统的现状,在介绍励磁调压系统工作原理的基础上,指出了现用调压系统单纯利用输出电压作为反馈信号实现单闭环控制存在的不足。针对调压系统存在的动态性能、稳定性差的问题,提出了将电流滞环控制技术引入调压系统的方案。在介绍电流滞环控制技术的基础上,将滞环控制技术应用到了发电机励磁调压系统中,并应用saber软件对应用电流滞环控制技术的调压系统的供电性能进行了仿真。
由仿真结果可知,与传统的航空地面发电机励磁调压系统相比,引入电流滞环控制技术的调压系统改善了传统控制系统在动态性能和稳定性方面的缺陷,对航空地面电源励磁调压系统的改进提出了具有很强应用价值的方案。也为航空地面电源保障装备保障能力和保障型质量的提高提供了有力支撑,具有一定的经济效益和军事效益,
参考文献
[1] 赵徐成,蒋超.航空地面电源[M].徐州:徐州空军学院,2008．
[2] 丁道宏.电力电子技术[M].北京:航空工业出版社, 1992．
[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2008．
电机励磁控制 篇10
[摘要]随着电力系统自动化程度的提高，发电厂自动化设备得到广泛应用。发电机功率作为其中的一个重要参数，其可靠性、稳定性不但直接影响自动化设备的运行，而且对发电机组的安全运行也产生着十分重要的影响。本文阐述了关于主变压器投运时产生的励磁涌流及和应涌流对发电机功率测量的影响及改进方法。从而使变送器在发生励磁涌流影响时能更加准确地测量出发电机功率变化。
[关键词]发电机；励磁涌流；和应涌流；功率变送器
引言
功率变送器作为发电机组的重要测量元件之一，其测量准确性、抗扰动能力及可靠性直接关系到发电机组能否稳定运行。对于大容量机组如600Mw以上的发电机组，其DEH系统和DCS系统的负荷调节、控制是根据发电机出口的功率测量值和给定的指令值来进行逻辑判断，从而对水、煤、风、汽的入口量进行调节，最终实现对机组的负荷调节。当发电机出口的有功功率值发生大的非正常的波动时，可直接导致发电机的出力发生大的变化，甚至打闸，DCS系统退出CCS控制模式，AGC、AVCC系统退出自动模式等等。
1励磁涌流形成的原因及危害
变压器励磁涌流是指变压器全电压充电或零起升压时，在其绕组中产生的暂态电流。产生励磁涌流的原因是：变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时，其总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量，因此产生较大的涌流，其中最大峰值可达到变压器额定电流的6-8倍。励磁涌流将在差动回路中引起很大的不平衡电流，可能导致保护的误动作。通过对励磁涌流波形的分析，其有以下特点：含有很大的非周期分量，使曲线偏向时间轴的一侧：含有大量的高次谐波，其中二次谐波所占比重最大。励磁涌流的危害性包括：（1）诱发邻近正在运行机组的主变产生和应涌流而误跳闸，造成大面积停电；（2）引起合闸变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运失败；（3）造成系统电压骤升或骤降，影响其它电气设备正常工作；（4）励磁涌流中的非周期分量可能导致测量和保护CT磁路被过度磁化，降低测量精度和继电保护装置的正确动作率。
2010年5月21日，中海福建燃机#3机组（395Mw）跳闸，原因是#4主变全电压冲击合闸时致#3发电机功率变送器输出发生畸变。2011年12月24日国华徐州#2机组（1000MW）跳闸，原因是#1机并网瞬间，导致#2发电机功率变送器输出发生畸变。2013年10月21日，大唐吕四电厂#2机组（600Mw）协调控制自动退出，原因是东洲变电站（距吕四电厂约40Km）主变空载合闸致#2机功率变送器输出发生畸变。
2.励磁涌流对功率变送器测量的影响
2.1功率变送器测量原理
功率变送器基本都采用时分割乘法器测量原理，时分割乘法器的特点是：测量频率较低，线性度，一般用于测量精度要求较高的场合。功率变送器的工作原理如图（1）所示，可见时分割乘法器在整个变送器测量过程中起到至关重要的作用。时分割乘法器的工作原理是：一个对被测量进行调宽和调幅的工作过程，图（2）是时分割乘法器的工作原理框图，图中运算放大器A和电容C1组成积分器，对R1和R2输入的电流做求和积分，VR+和VR一是两个基准电压，开关S是受比较器控制而同时动作的模拟开关，积分器输出的电压和三角波发生器产生的三角波电压经过比较器比较，当积分器输出电压大于三角波的电压时，开关S接VR+，反之接VR-，乘法器输出的E0得到的幅值为±EY的方波经低通滤波后的直流成分。
2.2涌流引起的测量误差
2.2.1高次谐波引起的误差。
式（9）中I0和τ分别为衰减的非周期直流分量的幅值和时间常数，Ih、φh为h次谐波分量幅值和初相角，ω为基波信号的角频率。
由式（9）可以看出直流分量k可使电压或电流曲线偏向时间轴的一侧，从而导致功率测量值偏离标准值。
3.改进措施
从以上的分析看，发生涌流时产生的谐波功率及非周期分量产生的功率突变并非发电机发出的真实功率，因此传统的模拟乘法器构成的功率变送器在发生励磁涌流或和应涌流时已经无法准确、真实地测量出发电机实际输出的功率值。在这种情况下，采用CPU进行数据处理的数字智能型功率变送器就展示出其强大的优势了。由此我们设计出了一款新的数字智能型功率变送器RGHD-103，其测量原理如图3所示，内置高速A中转换器及高性能的CPU。变送器对电压或电流每个周波进行高速采样，采用点数为128点，数字滤波方式，去除高次谐波及非周期分量的影响，计算出当前的基波功率值，通过与稳态时的功率测量值对比，CPU可判断出当前系统是否发生涌流现象，并根据该机组DEH的调节特性，采取相应的措施，从而使变送器的输出更加稳定，降低受外界信号突变的干扰影响。
4.結论
电机励磁控制 篇11
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。