相复励无刷励磁系统的仿真研究.doc

相复励无刷励磁系统的仿真研究 张淑兴，孙建忠 （大连理工大学 电气工程与应用电子技术系，辽宁 大连 116024） 摘 要：分析研究同步发电机的励磁控制系统的性能与可靠性可以采用仿真手段，但必须对励磁控制系统建立精确的数学模型。从相复励无刷励磁系统的原理出发，建立了基于MATLAB的相复励无刷励磁系统仿真模型，对仿真模型进行突加、突减60%额定负载的实验，系统的控制有良好的效果，证明了所建立的励磁系统模型的正确性，对实际工作中系统的设计和参数的整定有指导意义。 关键词：相复励；无刷励磁；MATLAB；仿真；同步发电机 中图分类号：TM341 文献标识码：A 0 引言 交流同步发电机的励磁方式经历了一个由简单到复杂，由低级到高级的发展过程。它由最早的手动励磁调节方式发展到自动励磁调节方式，再由早期的动态特性差的负反馈调节原理发展到后来的动态特性好的扰动调节原理[1]。为了适应现代科学技术发展的需要，又出现了更为合理的现代励磁方式--复合调节原理的励磁系统。例如可控相复励励磁系统，晶闸管分流谐波励磁系统及晶闸管谐波无刷励磁系统等。它既可保证发电机系统有高精度的静态性能，又可使发电机系统具有良好的快速反应的动态性能[2]。 可控相复励励磁装置结合无刷励磁方式是目前取得广泛应用的励磁控制方式，为对其进行仿真分析，从相复励无刷励磁系统的原理出发，建立基于MATLAB的相复励无刷励磁系统仿真模型。 1 励磁系统原理 现代中小型同步发电机励磁系统常采用的结构为由相复励供电的无刷励磁方式，它的结构框图见图1： 图1 励磁系统结构Fig.1 Structure of the Excitation System 图1中1为主机定子电枢绕组，2为主机磁场线圈，3为交流励磁机电枢绕组，4为交流励磁机磁场，AVR为自动电压调节器。 交流励磁机的励磁电源来自相复励装置，通过AVR（自动电压调节器）的控制作用供给其磁场线圈励磁电流。下面分别介绍相复励装置和无刷励磁系统的原理。 1.1 相复励装置原理 由电机学知道，要自励并建立发电机的空载电压，励磁电流中必须含有与发电机的端电压成比例的励磁分量(称为电压分量或空载分量），在发电机带有负载时，为了补偿电枢反应作用和抵消电枢内阻抗压降的影响，励磁电流还要具有与负载电流成比例的电流分量（或称为负载分量)。 同时，从同步发电机的调整特性来看，若要维持端电压不变，当负载电流的大小相同时，励磁电流还与负载的功率因数有关。其关系见图2。 图2 同步发电机调节特性Fig.2 Regulation Characteristics of Synchronous Generator 因此，励磁电流还与其空载分量和负载分量之间的向量关系有关。综合起来，发电机的励磁系统交流侧必须由两个在相位上有一定关系的分量合成。矢量关系见图3。 图3 励磁电流矢量图Fig.3 Excitation Current Vectors 相复励励磁系统就是根据这一原则构成的。这种交流侧电流由两个在相位上具有一定关系的分量复合的励磁系统称为相复励励磁系统。即具有相位补偿和电复合的励磁系统称为相复励励磁系统。 为了提高不可控相复励系统调压精度，改善并联运行性能，以后又发展了可控相复励系统。它是在不可控相复励系统基础上，增加一个电压校正器，就构成可控相复励系统，电压校正器是按负反馈原理构成的，而不可控相复励是按扰动调节原理构成的，所以，可控相复励是按复合调节原则构成的。 可控相复励励磁装置种类繁多，各种可控相复励线路很多，其不同线路之间的差别或是测量方式不同，或者是放大机构不同，或者是校正方式不同，或者是各环节采用元件种类不同。 电压校正器对基本相复励装置的校正作用可以通多种方式来现。原则相复励装的每一个元件，如相复励压器、电流互感器、移相电抗等都可以附加直流磁绕组以改变这些元件的励磁电抗每两个元件连接处，包括交流侧和流侧都可以加接分流元件，如可控或和电抗器，进行分控制。1.2 无刷励磁系统原理 无刷励磁原理是1950年由克来伦斯·算恩提出的，最初用在航空电机上。1960年美国西屋公司首次成功地应用无刷励磁于大型汽轮发电机上。1964年日本富士公司研制小型柴油无刷发电机组获得成功。从60年代到70年代，十几年时间内，无刷励磁方式发展很快。在小型同步发电机上，已占据了绝对优势地位。世界上各工业发达国家，均纷纷发展了自己的无刷同步发电机系列。近几年来已成为普遍使用的主要系列。无刷励磁是已被公认为最有发展前途的励磁方式。 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是由附近的直流励磁机供给的。直流励磁机是一种