三級無刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的建模及其仿真分析

一、引言

三級式無刷交流同步發(fā)電機(jī)由副勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)組成。主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)；交流勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)；副勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式的永磁同步發(fā)電機(jī)。交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有整流器（旋轉(zhuǎn)整流器），發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器直接整流給主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電；而副勵(lì)磁機(jī)專門為調(diào)壓器和控制保護(hù)電路供電。這種發(fā)電機(jī)避免了電刷滑環(huán)，具有可靠性高，無需經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。無刷交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器通過控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流間接的調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的[1,2]。其原理如圖1所示。

圖1 三級無刷交流同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

研究交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性就是利用自動(dòng)控制理論分析系統(tǒng)受到干擾后的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定性，以及構(gòu)成系統(tǒng)環(huán)節(jié)及其參數(shù)對系統(tǒng)性能、品質(zhì)的影響程度，從而能指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。本文基于物理建模的方法建立了發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后分別利用頻域法和時(shí)域法分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)及其穩(wěn)定性。

二、發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的建模

調(diào)壓器的基本組成如圖2所示，有檢測、比較、放大、與執(zhí)行（操縱、控制）四個(gè)環(huán)節(jié)

圖2 三級無刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)原理框圖

1、三級發(fā)電機(jī)建模

對于恒速恒頻電源系統(tǒng)，在忽略發(fā)電機(jī)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(jī)可以等效成一階慣性環(huán)節(jié)[1-3]，即同步發(fā)電機(jī)的線性化傳遞函數(shù)可以寫成

（1）

其中k為發(fā)電機(jī)的電壓增益，r為發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)，與負(fù)載大小有關(guān)：

在三級發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，永磁副勵(lì)磁機(jī)可看成一放大的比例環(huán)節(jié)

（3）

在某確定負(fù)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(jié)

（4）

因此，三級無刷交流發(fā)電機(jī)的線性化傳遞函數(shù)為

（5）

2、調(diào)壓器建模[3]

檢比模塊

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，平均電壓檢測的檢比回路可以等效為一階慣性環(huán)節(jié)

（6）

調(diào)制模塊

調(diào)制模塊的比較器輸出基本上沒有延時(shí)，其線性化傳遞函數(shù)為：

（7）

為鋸齒波（三角波）幅值

根據(jù)三級發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)調(diào)壓系統(tǒng)仿真模型

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

3、系統(tǒng)特性分析

某無校正環(huán)節(jié)的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)在滿載情況下開環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

圖4 無校正環(huán)節(jié)的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)幅相特性

從圖4的系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性曲線可以看出：不加任何校正環(huán)節(jié)的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，滿載情況下系統(tǒng)穩(wěn)定相角裕度小，低頻增益低。為使系統(tǒng)有更高的低頻開環(huán)增益和更大的相角裕度，可在系統(tǒng)中增設(shè)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的性能[4]。傳統(tǒng)的PID串聯(lián)校正可以滿足系統(tǒng)性能的要求，但是該系統(tǒng)的高頻衰減特性差，容易受到高頻信號(hào)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(tǒng)的性能[5]。具有改進(jìn)PID校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

圖5 有改進(jìn)PID校正環(huán)節(jié)的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)幅相特性

從圖5的開環(huán)系統(tǒng)幅頻特性曲線可以看出，帶低通濾波器的PID串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，有更大的相角裕度和更高的低頻開環(huán)增益，同時(shí)提高了系統(tǒng)的截止頻率，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

三、數(shù)字時(shí)域仿真分析

發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的時(shí)域仿真模型如圖3所示，仿真條件：轉(zhuǎn)速12000rpm，主發(fā)電機(jī)：額定功率

，頻率

，勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)

；勵(lì)磁機(jī)：額定功率

，頻率

，勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)：

；負(fù)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(jié)。從圖6所示的主發(fā)電機(jī)輸出可以看出，此發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，勵(lì)磁電流脈動(dòng)小，輸出電壓平穩(wěn)無脈動(dòng)。在負(fù)載突變的情況下，主發(fā)電機(jī)輸出電壓在30ms內(nèi)回復(fù)正常值，符合規(guī)范要求。

圖6系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和輸出電壓波形

四、結(jié)論

通過分析三級發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)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(tǒng)的開環(huán)增益和相角裕度，提高了系統(tǒng)的截止頻率，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

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