基于同步發電機不控整流的消磁脈沖電源勵磁控制系統研究

李志新，張國友

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

0 引言

消磁脈沖電源需產生圖1所示的正負交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，電流首脈沖幅值大，電流波形（上升下降時間、超調量等）要求嚴格。

現有的消磁脈沖電源的電能主要來自市電或直流發電機。基于市電整流的消磁脈沖電源一方面易對局部電網造成沖擊與污染，另一方面則對電網的局部容量和可靠性依賴性強；基于直流發電機的消磁脈沖電源，自成系統，對電網無污染也無依賴性，且有著易于控制等優點。但存在換向、功率密度小、體積大、造價高等缺點，而且隨著所需脈沖電流的幅值不斷增大，其缺點日益突出。而同步發電機有著輸出功率大、功率密度大、造價低等優點，能克服直流電機的缺點，故基于同步交流發電機的消磁脈沖電源是消磁主電源的發展趨勢[1]。

1 基于同步發電機不控制整流的消磁脈沖電源組成

基于交流發電機的消磁脈沖電源，可采用電機加可控整流模式，即保持發電機端電壓恒定，經隔離變壓器，通過控制整流設備的導通角控制輸出脈沖電流的波形；也可采用電機加不控整流模式，即認為電機電樞轉速不變的情況下，通過控制勵磁電流的大小控制輸出消磁脈沖的波形。在脈沖大電流工況下，不控整流與可控整流相比，在所達技術指標相當的情況下，有著成本低、可靠性高的顯著優勢。

圖1 消磁脈沖電源電流波形

基于同步發電機不控整流的消磁脈沖電源的組成如圖2所示。工作時，柴油機拖動飛輪和同步發電機至額定轉速（1500 r/min），勵磁裝置根據接收到的控制信號和反饋信號給同步發電機提供勵磁電流，控制交流發電機端電壓，發電機輸出的交流電經不控整流整成直流電，換向柜根據脈沖電流的方向需求將直流電輸送至消磁繞組。針對消磁主電源輸出電流首脈沖幅值大、所需功率大、而平均功率不大的特點，系統采用飛輪儲能，可減小對柴油機容量需求，減少建設成本。

圖2 基于同步發電機不控整流的消磁脈沖電源組成

2 勵磁控制系統建模分析

圖2所示的基于同步發電機不控整流的消磁脈沖電源廉價、可靠，但此工況的交流發電機直接帶整流負載，處于不對稱運行狀態，如何使其端電壓從幾百伏到幾伏連續可調、輸出消磁電流波形從幾千安培到幾安培滿足要求，對勵磁電流的控制提出了新的要求。

電機擴大技術成熟、可靠性高，控制繞組多，是傳統的消磁主電源勵磁裝置的首選。但擴大機作為特殊的直流發電機，本身時間常數大，且參數可調范圍有限，并不適用于圖2所示工況。研究和實踐表明，針對圖2所示的特殊工況，其勵磁裝置需采用適用于電機控制、參數可調范圍大、反應迅速的基于數字控制的整流式勵磁裝置，得到消磁脈沖電源電氣部分物理模型如圖3所示。

圖3 消磁脈沖電源電氣部分物理模型

消磁脈沖電源交流發電機采用有刷勵磁、勵磁裝置功率部分采用晶閘管整流，通過傳感器將機端強電信號轉換成弱電信號作為反饋信號，經模數轉換，與給定信號比較，經數字PID調節形成控制信號控制晶閘管的開關，將三相交流電整成6脈波直流電，大小由控制信號決定，通過電刷給發電機勵磁繞組供電，從而控制消磁電流波形。

雖然圖3所示模型中晶閘管整流部分和不控整流部分都是離散的工作模式，但相對于消磁主電源系統的機械時間常數來說，其間隔時間可忽略，從控制的角度講圖3所示的模型可當做連續系統處理[1]。系統的儲能飛輪重達數噸，再加上其它機械結構，系統有很大的慣性，工作過程中電樞轉速可視為恒定：晶閘管整流部分可視為增益為k0、時間常數為T0的一階慣性環節；發電機勵磁繞組的電感為L、電阻為R；發電機電樞連同負載（包括不控整流裝置和消磁繞組）可視為增益為k1、時間常數為T1的一階慣性環節；反饋通道視為增益為k2、時間常數為T2的一階慣性環節，則消磁主電源電氣部分數學模型如圖4所示。

圖4 消磁脈沖電源電氣部分數學模型

圖4所示模型中，勵磁裝置的時間常數為毫秒級；交流發電機直接帶整流負載，非對稱工作模式，可認為它總是處于超瞬態，交流電機電樞的超瞬態電抗很小[3-6]，電樞連同負載的時間常數為0.1 s左右；反饋環節的時間常數約為數十毫秒；交流發電機勵磁繞組的時間常數一般可達數秒，所以消磁主電源電氣部分的慣性主要來自發電機勵磁繞組，在計算PID控制環節參數時，可先不計其它各環節的影響，在不考慮PID環節的D參數時（D參數在后面考慮），得到簡化的消磁脈沖電源勵磁控制模型如圖5所示。

圖5 消磁脈沖電源勵磁控制模型

3 控制參數計算

由圖1可知，消磁脈沖電流最后一個脈沖的幅值很小，這就需要對發電機輸出的剩磁電壓進行控制。根據圖6所示的同步發電機短路特性曲線和圖7所示的空載特性曲線可知，要使最后一個脈沖滿足要求，發電機空載剩磁電壓須控制在20 V以下，而該發電機的空載剩磁電壓接近100 V，故勵磁裝置需產生偏置電流以補償剩磁電壓。補償后實際輸出空載剩磁電壓小于2 V。

圖5所示模型的閉環傳函為：

發電機勵磁繞組的電感為L=3.7 h，R=0.92 Ω，則

綜合考慮消磁主電源對消磁電流上升時間和超調量的要求[2]，取阻尼比ξ=0.707，上升時間tr=1 s，計算得kp=34.3，kI=130。實際系統中還有晶閘管整流、電樞、不控整流、反饋等各個環節的影響，所以在實際系統中kp=35.3，kI=120。

圖6 發電機空載特性曲線

系統工作時，給定信號為一系列脈沖，頻繁變化，輸出容易出現振蕩，充分利用PID環節中的D參數，采用微分先行，即把對偏差的微分改為對輸出量的微分，很好地解決了給定值頻繁變化帶來的系統振蕩。

圖7 發電機短路特性曲線

4 小結

調試實踐表明，勵磁裝置的性能決定了基于同步發電機不控整流的消磁脈沖電源的成敗和輸出脈沖電流波形的品質，最后得到消磁脈沖電源輸出的單個脈沖的輸出波形（2500 A）如圖8所示，連續脈沖波形（首脈沖5000 A）如圖9所示，達到了預期要求。通過研究發電機的勵磁控制系統，實現了廉價可靠的機遇同步發電機不控整流的消磁脈沖電源。

圖8 單個脈沖波形

圖9 連續脈沖波形

[1] 張國友, 李志新, 張慶龍. 發電機模式的消磁主電源系統設計與實踐[J]. 2012年艦艇消磁發展方向研討會論文集, 2012.

[2] 胡壽松. 自動控制原理. 北京: 科學出版社, 2001.

[3] 許實章. 電機學. 北京: 機械工業出版社, 1980, 03.

[4] 高景德, 張麟征. 電機過渡過程的基本理論及分析方法.科學出版社, 1982.

[5] 張蓋凡. 帶有高感性直流負載的橋式整流電路的計算.

[6] 徐松, 高景德, 鄭逢時. 帶整流負載同步發電機的數字仿真[J]. 電工技術學報, 1992.