電磁式相復勵自勵系統的分析與研究

魏建勛，高立夫

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電磁式相復勵自勵系統的分析與研究

魏建勛1，高立夫2

（1. 湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭411101 2. 海軍駐湖南地區軍代表室，湖南湘潭411101）

以基于IGBT分流電路的電磁式相復勵裝置勵磁系統的某船舶電站為平臺，對該種相復勵自勵裝置的原理進行分析，并對裝置中各部件與發電機輸出電壓之間的關系進行分析與研究。指出了系統分流電阻、相復勵特性曲線與系統穩定性之間的關系。本文的結論可以直接應用到實際的電磁式相復勵自勵系統的調試中。

電磁復合 氣隙電抗器 相復勵變壓器 分流電阻

0 引言

電磁式相復勵自勵裝置因其勵磁系統結構簡單、高可靠性、穩定性好以及具有較好的動態性能而被廣泛應用于船舶發電機組中。近幾十年來，有許多文獻對這種相復勵自勵裝置原理和調整方式進行過分析與研究[1-7]。文獻[1]以某典型船舶發電機的電磁疊加相復勵裝置為例，描述了相復勵裝置調整以及發電機試驗的整個過程，但并沒有分析出相復勵裝置各部分的調整與發電機輸出電壓之間的關系。文獻[2]給出了一種相復勵自動勵磁的方案，對可能出現的故障原因進行了分析，并給出了相應的解決方案。

本文以一臺基于IGBT分流電路的電磁式相復勵裝置為例，以某船舶電站系統為平臺，對相復勵裝置中各部件參數的調整與發電機組輸出電壓的關系進行分析與研究，給出了影響系統穩定性的因素以及解決方案。

1 電磁式相復勵自勵系統的基本原理

圖1所示為某同步發電機相復勵裝置的原理框圖，它由五個主要部分組成：諧振電容1、帶氣隙的鐵芯電抗器1、相復勵變壓器和三相橋式整流器rec，分流回路（電阻和IGBT）。其中電壓反饋信號經過氣隙電抗器移相90°后進入相復勵變壓器的電壓繞組，負載電流直接穿過相復變壓器的電流繞組，電壓和電流信號經過相復勵變壓器的鐵芯進行磁耦合，由副邊線圈2輸出，經過整流橋整流后，作為勵磁機的勵磁電源。諧振電容主要是用來加速電機的自勵建壓，IGBT和分流電阻構成的勵磁分流回路，用來調節勵磁電流的大小，AVR控制板檢測發電機的電壓和電流信號，經過相應的控制算法為IGBT提供分流驅動脈沖。文獻[6]建立了基于圖1所示相復勵裝置的同步發電機勵磁簡化模型，并對其進行了仿真和試驗驗證，但并未對系統中各部件之間的關系進行闡述。本文以這種相復勵勵磁系統裝置為例，從其基本原理的角度出發，對其各部件的調整對發電機輸出電壓的影響進行分析與研究。

圖1 相復勵裝置原理圖

從圖1中可知勵磁電流與發電機輸出電壓和電流的關系式可由式（1）來表示[4]

其中=L/R，稱為阻抗比。當發電機工作于額定頻率時，C=2L。<1，稱為諧振頻率系數，12=21為電壓繞組變比，32=32為電流繞組變比，發電機的負載電流相量。

12由發電機的空載狀態來確定。已知發電機的空載直流勵磁電流為i，則其等效交流勵磁電流為I=i/β。令式（1）的空載狀態輸出電流等于I，可得12的關系式為

32由發電機的額定狀態來確定。已知發電機額定狀態的直流勵磁電流i，則其等效交流勵磁電流為I=i/β。令式（1）在時，其輸出電流為。由式（1）解出32的表達式，并將12由關系式（2）進行代換，經整理得

2 特性分析

2.1移相電抗器

電抗器的氣隙可調。氣隙越大，電感值越小，電抗器輸出能力越強；反之，電抗器輸出能力越小。電抗器的氣隙主要決定相復勵裝置的空載輸出電壓大小。經試驗測量得出的電抗器氣隙大小與相復勵裝置輸出電壓的關系如圖2所示。

從圖2中可以看出，電抗器氣隙越大，相復勵空載輸出電壓越高；反之，亦然。曲線的斜率由相復勵變壓器一、二次線圈匝數變比來決定。

圖2 電抗器氣隙與相復勵輸出電壓的關系

2.2相復勵變壓器

相復勵變壓器分為一次側的電壓繞組1和電流繞組3，副邊輸出繞組2。在負載電流較大時，為了保證相復勵變壓器電流繞組的通流能力，采用單匝的粗銅排，因此一次側電流繞組的匝數通常設置為1匝，而電壓繞組一旦確定后不做更改，因此在調整相復勵變壓器時，一般只對二次側的輸出繞組匝數進行調整。

從式（2）可以看出，不僅電抗器的氣隙會影響相復勵的空載電壓輸出，相復勵變壓器的電壓繞組變比也會對相復勵的空載輸出電壓有所影響。發電機空載時，空載勵磁電流由勵磁機決定，為額定值。從式（2）可以看出此時電壓繞組變比12越小，空載輸出電壓會越低；反之，空載輸出電壓越高。

從式（3）中可看出，電流繞組的變比決定了相復勵輸出電壓特性曲線的斜率。32越小，對應的滿載勵磁電流越小，發電機滿載輸出電壓越低，曲線下垂越多，相復勵曲線特性越軟，對應的滿載輸出能力變越小；反之，勵磁電流越大，相復勵曲線特性越硬，對應的滿載輸出能力越大。同時相復勵曲線特性會影響發電機輸出電壓的調整范圍。

圖3所示為本裝置中相復勵變壓器測試得到的副邊輸出繞組匝數與輸出電壓的關系，本裝置中的相復勵變壓器副邊共設置有6個抽頭，分別為2.1～2.6，抽頭位置越大，匝數越多。圖中將U、V、W相的抽頭位置定義為2.i、2.j、2.k（i、j、k=1，2，…，6），從圖3可以看出抽頭位置越大時，此時對應的電壓繞組變比12和電流繞組變比32均越小，其相復勵空載輸出電壓越低，且輸出曲線下垂越多，曲線特性越軟；反之亦然。從圖中的曲線也可看出，在AVR分流相同的情況下，曲線特性越軟（抽頭位置為2.5，2.4，2.4），發電機輸出電壓可調整范圍越寬（416.6～432.6）；反之，可調整范圍越窄。

圖3 相復勵副邊輸出繞組與輸出電壓的關系

2.3諧振電容

加速發電機的自勵建壓。改變電容的大小值，可以改變發電機的起勵點（對應不同的轉速）。

2.4不控整流橋

將交流勵電源轉換成直流勵磁電源，為勵磁機提供勵磁電流，由于是不控整流橋，因此當型號確定好之后，整流橋的輸出就已經確定，且不可更改。

2.5分流電阻和IGBT分流回路

AVR控制板根據反饋回來的發電機端電壓大小，產生不同占空比的脈沖控制IGBT的通斷，從而改變分流的大小，提供穩定的勵磁電流。

3 分流電阻大小對系統穩定性的影響

某相復勵自勵同步發電機系統在無差過載和過流試驗時，發電機輸出電壓出現大幅波動，經查器件均無異常。后經過計算與分析發現在發電機無差滿載工況下，其分流脈沖的占比均在5%以下。從控制角度來看，占空比過小會影響系統的調節能力，從而影響系統的穩定性。經分析發現調整分流電阻的值可以提高占空比的大小，從而改善系統的穩定性。其原理如下：

在相復勵曲線不變，發電機系統無差滿載工況下，其勵磁機所需勵磁電壓和電流一定，因而其分流回路的分流大小值是一定的，此時分流大小可按式（4）進行計算

為AVR給出的脈沖占空比大小。

從式（4）中可以看出，當電流一定時，電阻越大，占空比就會越大；電阻越小，占空比就會越小。因此在發電機無差滿載工況下，增加分流電阻的大小，就可以增加驅動脈沖的占空比，從而改善系統的穩定性。

經測試在本相復勵勵磁發電機系統中，當分流電阻為3.6 Ω，發電機滿載時，其脈沖電壓約為0.4～0.5 V左右，勵磁電壓約為33 V左右，代入式（4）可得

此時占空比約為3.3%。

將分流電阻調整為5 Ω，發電機滿載時，其脈沖電壓約0.7 V左右，代入（4）式可得

此時占空比約為4.7%。

將分流電阻調至5.6 Ω，發電機滿載時，其脈沖電壓約為0.9 V左右，代入（4）式可得

此時占空比約為5.3%。

從上述計算可知，在本裝置所在發電機組中，當分流電阻小于5.6 Ω時，占空比會小于5%；當發電機處于熱態時，勵磁電流需求會更高，此時分流電流會更小，則分流占空比會進一步縮小，從而使得系統輸出電壓會發生波動。當分流電阻調至5.6 Ω時，占空比約為5.3%；當發電機進入熱態時，雖然分流電流會進一步縮小，但基本上可以保證占空比在5%附近，因此保證了系統的穩定性。

但是分流電阻不宜調得太大，因為分流電阻過高，會影響系統的調壓范圍。系統的調壓范圍由相復勵的特性曲線和分流電阻的大小共同決定：分流電阻越大，相復勵特性曲線就需下垂越多，曲線特性越軟，過流能力會越差；分流電阻越小，相復勵特性曲線則需下垂越小，過流能力越強，但可能會影響系統的穩定性。只有在相復勵特性曲線和分流電阻的大小值之間找到一個平衡點，才可以既保證滿足系統的要求，又可保證系統的穩定性。

4 結論

從相復勵自勵系統的基本原理出發，以一臺實際的相復勵裝置為測試對象，對相復勵自勵系統中各個部分參數的調整對發電機系統輸出電壓的影響進行了分析與說明，同時指出系統分流電阻與相復勵特性曲線之間的矛盾關系，系統需要在兩者之間找到穩定的平衡點，才能滿足系統的穩定性要求。本文的結論可直接應用到該種相復勵裝置的調試中。

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The Phase Compound Self-excited System with Electromagnetic-Compounding

Wei Jianxun1, Gao Lifu2

(1. Xiangtan Electric Manufacturing Group, Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TM771

A

1003-4862（2015）02-0074-03

2014-09-03

魏建勛（1977-），男，工程師。研究方向：電氣控制。