直流斬波技術(shù)在直流勵(lì)磁機(jī)控制方案優(yōu)化改造中的應(yīng)用

【摘 要】由于自勵(lì)系統(tǒng)與他勵(lì)系統(tǒng)在同步發(fā)電機(jī)中存在著調(diào)磁電阻的耗損大、勵(lì)磁系統(tǒng)的效率低的缺點(diǎn)，直流勵(lì)磁機(jī)的控制方案的改造與優(yōu)化改為使用直流斬波。下文就具體闡述了對直流勵(lì)磁機(jī)的控制和改造、優(yōu)化方案，以及在實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】直流斬波技術(shù)；勵(lì)磁改造；可編程控制器

一、直流勵(lì)磁機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

直流勵(lì)磁機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有：勵(lì)磁機(jī)和主機(jī)有相同主軸，在系統(tǒng)突然發(fā)生故障，因?yàn)橹鳈C(jī)慣性過大，勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)速受不到影響，可以正常勵(lì)磁；因?yàn)閯?lì)磁機(jī)能夠改變極性的特點(diǎn)，在切斷負(fù)荷之時(shí)可以很快地去磁；當(dāng)系統(tǒng)突然發(fā)生故障，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈組中所感應(yīng)的交流電流能夠成為閉環(huán)回路，從而不至于使轉(zhuǎn)子過電壓。但同時(shí)也存在幾個(gè)缺點(diǎn)：其一，直流勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)較大，因而電壓響應(yīng)的速度過慢；其二，電磁式與機(jī)械式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器響應(yīng)時(shí)間過長；機(jī)械整理較復(fù)雜而且不可靠、維護(hù)繁瑣；流過調(diào)磁電阻的電流過大，電阻中消耗的電能很大，使勵(lì)磁系統(tǒng)的效果降低。

二、對于直流勵(lì)磁控制的方案討論

（1）自勵(lì)系統(tǒng)。自勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于相對他勵(lì)直流勵(lì)磁機(jī)而言設(shè)備數(shù)量少，可以降低自動(dòng)調(diào)壓容量。缺點(diǎn)就是勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)大，因而，電壓的響應(yīng)速度很慢，且在電阻中電能的損耗大，勵(lì)磁系統(tǒng)的效率極低。（2）他勵(lì)系統(tǒng)。對于他勵(lì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是勵(lì)磁的時(shí)間常數(shù)相對于自勵(lì)直流的系統(tǒng)小，因此電壓的響應(yīng)速度就變快了。其缺點(diǎn)是設(shè)備過多，電阻中電流的損耗值更大，使勵(lì)磁系統(tǒng)的效率更低。（3）自勵(lì)直流斬波勵(lì)磁系統(tǒng)。相對于自勵(lì)系統(tǒng)和他勵(lì)系統(tǒng)，自勵(lì)直流斬波系統(tǒng)存在著諸多優(yōu)點(diǎn)。一是其電阻值小，電流在其中耗損值小，也就是說是整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的效率提高。二是磁力機(jī)其時(shí)間常數(shù)更小，因此勵(lì)磁機(jī)響應(yīng)較快。

三、工藝實(shí)踐

下面就此系統(tǒng)的軟件與硬件操作做一個(gè)簡單介紹。（1）系統(tǒng)硬件介紹。此圖為勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中，TA為電流互感器、SMK為滅磁開關(guān)、KQC為起磁接觸裝置。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

（2）主要部分介紹。一是采用工業(yè)控制電腦作上位機(jī)，使用RS-485與PLC完成通信，在PLC中獲得工況消息，并向PLC下達(dá)命令。二是控制器選取S7-300系的PLC為控制器，該系機(jī)型擁有較高的可靠性，較強(qiáng)的抗干擾力，系統(tǒng)硬件配件較為齊全，維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。三是觸摸屏的操作人員不僅僅可以在操作室內(nèi)對其進(jìn)行操控，并且可以隨時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電流、電壓與勵(lì)磁電壓的數(shù)量值，及開關(guān)量的狀態(tài)和對應(yīng)開關(guān)的信號輸出的狀況。同時(shí)，在觸摸板中你還可以了解到設(shè)備的歷史狀態(tài)曲線和設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)等有效信息。四是此系統(tǒng)的執(zhí)行裝置為斬波器，即斬波主回路與PWM控制器所組成的操作系統(tǒng)。其中，斬波主回路的主要是由濾波電容、絕緣柵式雙極晶體管（IGBT），續(xù)流二極管等元件組成。而PWM控制器則主要由脈寬調(diào)壓控制器與保護(hù)電路所組建而成，使用占空比控制等技術(shù)。五是變送器一方面在為上位機(jī)與觸摸屏提供顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)還擔(dān)負(fù)著為PLC供應(yīng)機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流與負(fù)載電流等數(shù)值。而其組成元件主要有電壓變送器與電流變送器兩部分。

四、軟件介紹

（1）調(diào)節(jié)器選擇。對于同步發(fā)電機(jī)，其數(shù)學(xué)模型在不計(jì)飽和的特征下，如假設(shè)輸出變量的機(jī)端電壓為Ud，那么勵(lì)磁電壓的輸入變量Ut與定子電流Ie的傳遞函數(shù)是：U■（S）=■-U■（S）-■I■（S），其中KG=X/R，X是電樞反應(yīng)的電抗值，R是勵(lì)磁電阻，τ′■=X/R為定子開開路中勵(lì)磁組的時(shí)間常數(shù)，X是勵(lì)磁繞組電抗值，X′d=Xd-X2/X是d軸暫態(tài)下的電抗值，Xd是d軸同步電抗值。（2）軟件流程。軟件流程有以下步驟組成：通電開機(jī)→系統(tǒng)初始化進(jìn)程→通信階段→開機(jī)前的檢查工作→手動(dòng)、自動(dòng)切換準(zhǔn)備→遠(yuǎn)程開機(jī)命令啟動(dòng)→滅磁開關(guān)開啟→起磁接觸器運(yùn)作→勵(lì)磁電壓施加→系統(tǒng)恒電自動(dòng)調(diào)節(jié)→強(qiáng)制增減磁動(dòng)作→自動(dòng)檢測運(yùn)作情況→（如有故障）停機(jī)。

選編程控制器——PLC作為勵(lì)磁控制器，使用可用工程設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，選用工業(yè)控制機(jī)為自勵(lì)直流斬波系統(tǒng)的尚未機(jī)選。上位機(jī)采用RS-485與PLC進(jìn)行通信，其中PLC可接受上位機(jī)控制命令，傳送工況現(xiàn)場。根據(jù)脈寬調(diào)控?cái)夭C(jī)器數(shù)

學(xué)模型，同步機(jī)數(shù)學(xué)模型、依據(jù)工程設(shè)計(jì)方法擬定調(diào)節(jié)器控制的計(jì)算方法是積分微分——PLD。系統(tǒng)已得到實(shí)際證實(shí)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]董鋒斌，皇金鋒.斬波技術(shù)在小型水電站勵(lì)磁系統(tǒng)改造中應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備.2006，26（7）

[2]陳光大，蔡維由，劉海峰.小型水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的模式探討[J].中國農(nóng)村水利水電.2001（12）