突加励磁过程的理论分析及对发电机的影响

突加励磁过程的理论分析及对发电机的影响在消磁电源用无刷励磁同步发电机整流系统中，为满足消磁电流波形的要求，发电机需要工作在特殊工况，即在1s内完成负载电压的建立与消除。对此，可以通过控制励磁达到。为了设计有效的励磁控制规律，有必要对无刷励磁同步发电机整流系统突加/突卸励磁时的过渡过程作出具体的分析。本文根据基本电机过渡过程理论，对无刷励磁同步发电机整流系统突加/突卸励磁时，负载电流的上升和下降时间进行了理论分析，找到了决定这两个时间的主导时间常数，并建立了相应的仿真模型，对这两个过程进行了仿真研究。按照理论与仿真分析实际，搭接了实验线路，得到了实验结果。最终的仿真结果与理论分析吻合良好，实验波形所反映的变化趋势亦与仿真及理论分析结果较为符合。1突加励磁的过渡过程1.1合理简化为分析问题简便起见，可以先忽略励磁机。对于直流侧负载，因为其电抗相对于电阻而言很小，可忽略不计。因此，可把直流侧负载看成电阻形式，并将其折算到交流侧，看作定子绕组电阻的一部分，运用如下的等效公式：R′=0.55R等效电路如所示。r是发电机定子绕组电阻：r′=r+R′。可见，此时的发电机相当于运行在定子绕组三相对称短路状态。1.2突加励磁过程的理论分析由派克方程，并根据短路的端口条件，可以对系统的运行特性进行数学推导，但得到的结果无法体现参数之间的关系，因此只有寻求其他方法。应该指出的是，负载电流的完整表达式并不是我们必需的，我们关注的只是负载电流变化的过渡过程时间。要求过渡过程时间，只需知道负载电流变化的主导时间常数就够了，3～5倍（95%～98%稳态值）的主导时间常数的值就是过渡过程时间。为此，有必要分析一下突加励磁时，负载电流变化的物理过程。假设电机没有阻尼绕组，在励磁绕组上突加励磁电压后，在励磁绕组中将会产生非周期电流，此非周期电流将引起定子绕组及转子绕组中磁链的突变。我们知道无源闭合电路有保持其磁链不变的性质，因此为了保持定子、转子回路的磁链不变，定子绕组及转子绕组内将产生非周期电流。由于转子以同步转速转动，转子绕组中的非周期电流还会在定子绕组中引起具有基波频率的交流电流。同样，定子绕组中的非周期电流也会在转子绕组中引起具有基波频率的交流电流。同时，由于转子是不对称的，转子绕组中的基频交流电流所产生的磁场可分为两个分别与转子转向相同及相反的旋转磁场，后者将在定子中引起二次谐波电流。定子电流的非周期电流分量及二次谐波电流分量将以时间常数Ta衰减至零，基波电流分量将以时间常数Td′（Tq′）衰减至其稳态值，且Td′与Tq′是相等的。我们知道，实际电机的阻尼绕组电阻往往较励磁绕组电阻要大得多。因此，阻尼绕组中非周期电流分量的衰减要比励磁绕组中非周期电流的衰减快得多。阻尼绕组中非周期电流分量的衰减时间常数为Td″（Tq″）.如前所述，励磁绕组非周期电流的衰减时间常数为Td′（Tq′）.同时，Ta与Td′相比也小得多，大约只有额定频率的一周左右。因此，尽管在有阻尼绕组的情况下，负载电流的衰减将由5个时间常数Td″、Tq″、Td′、Tq′、Ta共同决定，但真正对上升时间起决定作用的将是Td′（Tq′）.我们可以通过求解id（iq）的表达式的特征方程得到Td′的表达式：Td′=Td0r2+xd′xqr2+xdxq1.3考虑励磁机的影响可以将励磁机简化为一个一阶惯性环节，设其时间常数为T，那么上升沿时间ts可记为ts=3（T+Td′），即将建压过程分割为两段，一段是励磁机的建压过程，另一段是主发电机的建压。而实际上，励磁机电压建立的同时，主发电机的电压也在建立。因此，这样的考虑方式只会使理论计算值大于实际系统建压时间，即我们这样的分析是一种保守的处理。事实上，即使我们抛开时间常数T，对分析结果的影响也在误差范围内。因此，后面对比实验与仿真、理论结果时，我们干脆就没有再考虑T.2突卸励磁时的过渡过程对无刷励磁同步发电机整流系统而言，突卸励磁包含断开励磁机励磁绕组电压与令励磁机励磁绕组短路两种方式……由于励磁机的时间常数远小于主发电机（发电构建扼制体系即时摹拟机的实施）的时间常数，主励磁绕组的电压下降速度将小于励磁机输出电压的下降速度。因此，几乎在突卸励磁瞬间，主励磁绕组上的电压将大于励磁机整流输出电压，主励磁绕组有一个续流的问题。开路突卸励磁时，主励磁绕组直接通过整流桥二极管续流；短路突卸励磁时，主励磁绕组先通过励磁机定子绕组续流，当励磁机定子绕组上电压降为零后，再通过二极管续流。如前所述，我们忽略励磁机的时间常数。因此，两种卸励磁的方式可看作均为通过二极管续流，此时相当于普通交流同步发电机励磁绕组短路卸励磁。励磁绕组短路，相当于在原稳定运行的整流系统励磁绕组上加上大小与初始励磁电压相等、方向相反的恒定电压，如所示。此时的物理过程与突加励磁时的物理过程是完全一致的。因此，决定负载电流下降时间的时间常数仍然是Td′（Tq′）.由此可以认为，对无刷励磁同步发电机整流系统而言，突卸励磁过渡过程的时间将大致与突加励磁过渡过程时间相等。3仿真分析我们将励磁机与主发电机看作一个整体，建立整个系统的数学模型。采用（a、b、c）实在值系统，用C语言编写了仿真程序。由于厂家无法提供励磁机的电气参数，因此我们只能对其进行近似的处理，即将励磁机等效为一个端电压与励磁机励磁电流成正比的基波电压源。3.1无刷励磁同步发电机方程正方向的规定及派克方程，可列出无刷励磁同步发电机方程如下：UF=RFIF+LFddtIF+GFIF其中：LF=LZFLLF，GF=GZFGLFUF=Ufd，0，0，ua，ub，uc，Ulfd，ula，ulb，ulcTIF=Ifd，Ild，Ilq，ia，ib，ic，Ilfd，ila，ilb，ilcTRF=diagRfd，Rld，Rlq，-ra，-ra，-ra，Rlfd，-r，-r，-rLLF=diagLLffd，-xt，-xt，-xtGLF=0000kcos000kcos-23000kcos+230003.2整流负载电压方程不失一般性，我们在直流负载中加入反电势与电感等因素，则有：Udc=U-dc+Ldcdidcdt+Rdcidc其中Ldc、Rdc、U-dc分别为直流负载的电感、电阻和反电势。3.3系统方程将前面已得到的发电机和负载的方程合并为一个矩阵方程，则有：U=RI+LddtI+GI实际情况下发电机和负载两者之间需要相互联结形成实际回路，而这种联结关系会随整流管的导通状态发生变化。这种变化可以用关联变换矩阵T来表示。关联变换矩阵中的行对应于各实际回路，列对应于各元件。对于本文所研究的系统，各元件包括：主发电机定子3个元件，转子3个元件，整流桥6个元件，励磁机定子3个元件，转子1个元件，整流桥6个元件以及负载1个元件，共23个元件。如果元件与实际回路相关且元件的参考方向和实际回路的参考方向相同，则关联变换矩阵中对应的元素取+1；如果元件与实际回路相关且元件的参考方向和实际回路的参考方向相反，则关联变换矩阵中对应的元素取-1；如果元件与实际回路不相关，则关联变换矩阵中对应的元素取0，根据各整流管的导通情况由计算机自动生成关联变换矩阵，再对发电机方程和负载方程中的状态变量进行变换得到实际的方程。对电压、电流进行变换：U′=TUI=TTI′变换后的系统方程可写为：U′=R′I′+L′ddtI′+G′I′根据系统方程可以写出状态方程如下：ddtI′=AI′+B4实验4.1发电机参数我们选用1FC5352-4TA4发电机。4.2实验原理抛开发电机原有的励磁系统，我们对其采用他励励磁。同时，由于柴油机的限制，我们仅验证了负载电阻大于额定值的情况。实验及仿真波形如所示（实验波形中每一栅格代表0.1s.篇幅所限，仅列出60%额定负载时的情况）.由图可得负载电流上升/下降时间的仿真结果和实验结果，将它们与理论计算值列在一起。4.3对理论计算、仿真及实验结果的分析比较开路突卸励磁与短路突卸励磁时下降时间的大小可见，无论是仿真结果还是实验结果，都是短路情况下的比开路情况下的略大，而且均是大了一点点，可以忽略不计。由此可以说明励磁机的时间常数对分析结果的影响可忽略不计，同时也证明，我们在理论分析中抛开励磁机的时间常数不计是合理的、可行的。由比较表可见，下降时间的实际结果与理论计算及仿真结果吻合良好，但上升时间则有一定差别，特别是与理论计算值相比，差别竟接近65%，这主要是因为励磁机的缘故。给励磁机加恒定励磁电压，其输出电压在整个系统建压过程中，会出现超过主发电机正常励磁电压的情况。此过电压将加速输出电流变化的过渡过程，即使得仿真与实际结果同理论相比要小一些。同时，上升时间的仿真结果与实验结果之间也存在着一定的差别，这主要是由于将励磁机看作一个一阶惯性环节的简化存在误差的缘故。为了验证上述的分析，我们可以抛开励磁机，对相应的交流同步发电机整流系统进行一下仿真分析（实验无法进行）.负载电流的上升/下降波形如所示（负载电阻额定、负载电压与负载电流均为80%的额定值）.由1.2一节中得到的T′d表达式可得此时的理论计算结果t=0.43（s），由可得负载电流上升时间ts=0.44（s），下降时间tj=0.44（s）.可见，仿真结果与理论结果非常接近。5结论无刷励磁同步发电机整流系统突加/突卸励磁时，其负载电流的上升/下降时间将均由T′d决定，T′d=Td0r2+x′dxqr2+xdxq。仿真结果与理论分析吻合良好，实验波形所反映的变化趋势亦与仿真结果及理论分析较为符合，证明本文的理论推导与仿真模型是可靠的，得到的结果是可信的。