三級無(wú)刷交流發(fā)電機調壓系統的建模及其仿真分析

一、引言

三級式無(wú)刷交流同步發(fā)電機由副勵磁機、勵磁機和主發(fā)電機組成。主發(fā)電機為旋轉磁極式同步發(fā)電機；交流勵磁機是旋轉電樞式同步發(fā)電機；副勵磁機為旋轉磁極式的永磁同步發(fā)電機。交流勵磁機轉子上裝有整流器（旋轉整流器），發(fā)電機運轉時(shí)，勵磁機電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉整流器直接整流給主發(fā)電機勵磁繞組供電；而副勵磁機專(zhuān)門(mén)為調壓器和控制保護電路供電。這種發(fā)電機避免了電刷滑環(huán)，具有可靠性高，無(wú)需經(jīng)常維護等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷交流發(fā)電機電壓調節器通過(guò)控制勵磁機的勵磁電流間接的調節主發(fā)電機的勵磁電流，達到調節輸出電壓的目的[1,2]。其原理如圖1所示。

圖1 三級無(wú)刷交流同步發(fā)電機結構原理圖

研究交流發(fā)電機調壓系統的穩定性就是利用自動(dòng)控制理論分析系統受到干擾后的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩定性，以及構成系統環(huán)節及其參數對系統性能、品質(zhì)的影響程度，從而能指導系統的設計和改進(jìn)。本文基于物理建模的方法建立了發(fā)電機調壓系統的數學(xué)模型，然后分別利用頻域法和時(shí)域法分析了系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)及其穩定性。

二、發(fā)電機調壓系統的建模

調壓器的基本組成如圖2所示，有檢測、比較、放大、與執行（操縱、控制）四個(gè)環(huán)節

圖2 三級無(wú)刷交流發(fā)電機調壓系統原理框圖

1、三級發(fā)電機建模

對于恒速恒頻電源系統，在忽略發(fā)電機阻尼繞組作用以及電樞繞組變壓器電勢情況下，電磁式同步發(fā)電機可以等效成一階慣性環(huán)節[1-3]，即同步發(fā)電機的線(xiàn)性化傳遞函數可以寫(xiě)成

（1）

其中k為發(fā)電機的電壓增益，r為發(fā)電機時(shí)間常數，與負載大小有關(guān)：

在三級發(fā)電機系統中，永磁副勵磁機可看成一放大的比例環(huán)節

（3）

在某確定負載下，橋式整流的換相重疊角r為一固定值，因而整流橋亦為一比例環(huán)節

（4）

因此，三級無(wú)刷交流發(fā)電機的線(xiàn)性化傳遞函數為

（5）

2、調壓器建模[3]

檢比模塊

根據文獻[3]，平均電壓檢測的檢比回路可以等效為一階慣性環(huán)節

（6）

調制模塊

調制模塊的比較器輸出基本上沒(méi)有延時(shí)，其線(xiàn)性化傳遞函數為：

（7）

為鋸齒波（三角波）幅值

根據三級發(fā)電機調壓系統的結構原理，建立了平均電壓檢測的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 三級發(fā)電機調壓系統仿真模型

在利用軟件對調壓進(jìn)行器建模時(shí)，檢比模塊可以等效為一比例環(huán)節，硬件概念上可認為是減小濾波電容沖放電時(shí)間常數，加快系統響應時(shí)間。調制模塊由三角波與放大補償輸出信號交割，輸出PWM信號。這些措施體現了軟硬件的結合的一致性，認為是可行的。

3、系統特性分析

某無(wú)校正環(huán)節的發(fā)電機調壓系統在滿(mǎn)載情況下開(kāi)環(huán)傳遞函數為

(8)

圖4 無(wú)校正環(huán)節的發(fā)電機調壓系統幅相特性

從圖4的系統開(kāi)環(huán)幅頻特性曲線(xiàn)可以看出：不加任何校正環(huán)節的發(fā)電機調壓系統，滿(mǎn)載情況下系統穩定相角裕度小，低頻增益低。為使系統有更高的低頻開(kāi)環(huán)增益和更大的相角裕度，可在系統中增設串聯(lián)校正環(huán)節來(lái)改善系統的性能[4]。傳統的PID串聯(lián)校正可以滿(mǎn)足系統性能的要求，但是該系統的高頻衰減特性差，容易受到高頻信號的干擾,在擾動(dòng)突變時(shí)就顯示出微分的缺陷。在PID算法中加入一個(gè)低通濾波器

，可改善系統的性能[5]。具有改進(jìn)PID校正環(huán)節的傳遞函數為：

圖5 有改進(jìn)PID校正環(huán)節的發(fā)電機調壓系統幅相特性

從圖5的開(kāi)環(huán)系統幅頻特性曲線(xiàn)可以看出，帶低通濾波器的PID串聯(lián)校正環(huán)節的發(fā)電機調壓系統，有更大的相角裕度和更高的低頻開(kāi)環(huán)增益，同時(shí)提高了系統的截止頻率，加快了系統的動(dòng)態(tài)響應速度。

三、數字時(shí)域仿真分析

發(fā)電機調壓系統的時(shí)域仿真模型如圖3所示，仿真條件：轉速12000rpm，主發(fā)電機：額定功率

，頻率

，勵磁繞組時(shí)間常數

；勵磁機：額定功率

，頻率

，勵磁繞組時(shí)間常數：

；負載：20％額定載突加到200％額定載，再突減到20％額定載。采用上述帶低通濾波器的PID串聯(lián)校正環(huán)節。從圖6所示的主發(fā)電機輸出可以看出，此發(fā)電機調壓系統具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度，勵磁電流脈動(dòng)小，輸出電壓平穩無(wú)脈動(dòng)。在負載突變的情況下，主發(fā)電機輸出電壓在30ms內回復正常值，符合規范要求。

圖6系統主發(fā)電機勵磁電流和輸出電壓波形

四、結論

通過(guò)分析三級發(fā)電機調壓系統的幅頻特性，采取一種帶有低通濾波器的PID控制策略，從而增大了系統的開(kāi)環(huán)增益和相角裕度，提高了系統的截止頻率，加快系統的響應速度。

參考文獻

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[5] 劉金錕. 先進(jìn)PID控制Matlab仿真. 電子工業(yè)出版社. 2004年9月