交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

摘要：采用合適的勵(lì)磁控制策略和性能優(yōu)良的變頻勵(lì)磁電源是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)能夠發(fā)揮其良好的調(diào)節(jié)性能、運(yùn)行的靈活性及可靠性的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)

1交流勵(lì)磁用雙PWM變換器工作原理

圖1為雙PWM變換器勵(lì)磁的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，雙PWM變換器由電網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器所構(gòu)成。兩個(gè)PWM變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，在轉(zhuǎn)子不同的能量流動(dòng)方向狀態(tài)下，交替實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能。對(duì)于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)其運(yùn)行于次同步狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組吸收轉(zhuǎn)差功率，電網(wǎng)側(cè)變換器工作于PWM整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作于PWM逆變狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)時(shí)，部分轉(zhuǎn)差功率將由轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)勵(lì)磁變頻器回饋電網(wǎng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作于PWM整流狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)變換器則工作于PWM逆變狀態(tài)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制可建立轉(zhuǎn)子側(cè)變換器所需的直流側(cè)電壓，利用合適的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的解耦勵(lì)磁控制。

2轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

2.1交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)定、轉(zhuǎn)子的各物理量正方向均按照電動(dòng)機(jī)慣例選取，轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè)。設(shè)d-q坐標(biāo)系以同步速度旋轉(zhuǎn)且q軸超前于d軸，則電機(jī)電壓和磁鏈方程為：

式中：Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；Ls、Lr、Lm為定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感；usd、usq、urd、urq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子電壓；isd、isq、ird、irq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子電流；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子磁鏈；ω1、ωs為同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度；p為微分算子。由于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)通常直接連接無(wú)窮大電網(wǎng)，定子電壓的幅值和頻率恒定，如果采用發(fā)電機(jī)定子電壓定向控制，則矢量控制系統(tǒng)可以大為簡(jiǎn)化。將定子電壓綜合矢量定向在d軸上，則有：

式中Us表示定子電壓綜合矢量的幅值，這時(shí)d軸的位置就是定子電壓綜合矢量的位置。將檢測(cè)到的定子三相電壓經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換，得到靜止兩相坐標(biāo)系下的定子電壓usα、usβ，可計(jì)算出定子電壓矢量的位置，由此得到d軸的位置θ1。忽略電機(jī)定子電阻，將式（3）代入式（1），且認(rèn)為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)定子磁鏈不變，則：

式（2）的定子磁鏈方程可簡(jiǎn)化為：

將該磁鏈方程代入電機(jī)電壓方程：

在d-q坐標(biāo)系下的定子有功功率和無(wú)功功率：

2.2交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)解耦勵(lì)磁控制策略

由式（7）可知，發(fā)電機(jī)定子有功功率和無(wú)功功率分別與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量成線性關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)電流分量即可分別獨(dú)立控制定子的有功和無(wú)功功率。所以控制系統(tǒng)外環(huán)采用有功和無(wú)功功率的閉環(huán)PI控制，其調(diào)節(jié)輸出量分別作為定子電流的d、q軸分量給定。而由式（5）可知，發(fā)電機(jī)定子電流的d、q軸分量又分別與轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量成線性關(guān)系。所以控制轉(zhuǎn)子電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流和功率的控制。利用式（5）可計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量的給定值，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流分量即可分別實(shí)現(xiàn)定子有功和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。由式（6）可得轉(zhuǎn)子電壓方程：

由式（8）可知，轉(zhuǎn)子d、q軸電壓和電流存在交叉耦合，為消除這一影響，對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)電壓urd、urq可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子d、q軸電流分別進(jìn)行閉環(huán)PI控制并加上相應(yīng)電壓補(bǔ)償項(xiàng)得到，即：

其中：

表示實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的電壓補(bǔ)償項(xiàng)。Kp1和τi1分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的研究可知，其具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝亮亮，王善銘，邱阿瑞，劉為群，吳龍，牟偉.多相無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)定子電流諧波特性[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011.

[2]曲璠.可供調(diào)壓調(diào)速異步電機(jī)使用的單片微機(jī)閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)[J].電子制作，2012.

（作者單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院）

作者簡(jiǎn)介：易靚，1989年6月，女，漢族，江西萍鄉(xiāng)，碩士，講師，研究方向：電氣工程。