（电机与电器专业论文）710kw充电发电机励磁系统的设计与仿真.pdf

7 l o k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 d e s i g na i l ds i m u l a t i o no ne x c i t a t i o ns y s t e mo f 7 10 k wc h a r g i n gg e n e r a t o r a b s t r a c t 1 ks u b m a r i n e st e c l l l l o l o g yi sas i 弘o fm ei n i l i t a r ya 肪豳，h l u s 仃y ，s c i e n c ea n d t c c h l l o i o g yl e v e la n dm ei m e r 掣a t e dn a t i o n a lp o w 盯o f t l l ec o m 时，t h es u b l m r i ，t h ei l a v a l s t l i pc a p a b l eo fo p e r a t i n gs u b m e r g e d ，i sm es i g no ft l l e 辄b i m i r i n e st e c l l n o l o g ym a to f c o n c e a l m e ma n ds e l f - s u p p o r t e dc a p a c i t y ，e n d l l r a n c cs a i la i l ds o r t i ep o w e r t h ec h a r g i n g g e n e r a t o ri st h el i f e l i n eo ft h es u b m a r i n e se l e c t r i c a ls o u r c e ，ns u p p l i e sd r 主v i n g 强dl i g h 矗n g p o w e r e x c i 诅t i o ns y s t e mo fs y r l c h r o n o 懈g e n e r a t o rp l a y sa i li 埘l p o r t a n t r o l ei i li m p m v i n gt l l e r e l i a b i l i t y 锄ds t a b i l i t yo fp o w 盯s y s t e mn o w a d a y s t h e r c f o r e ，t h er e s e a r c ha _ b o me x c i t a t i o n s y s t e mo fc l i a r g i j l gg e n e r a t o ri sav e r yi m p o r t a 呲p r o j e c t 1 i lt h i sp 印e r ，n l ee x c i 瓴t i o ns y s t c l m 锄d 咖ls 昀t e g yi s 砷d u c e d t h cp a p d c o m p a r e s 锄da n a l y s e st h ee x c i 诅t i o nc o m m lm 幽d w l l i c hh 豳b e e nu d n e x t ，也ep 印e rc x p a t i a t e st h cc l l a r g i i l gg e n er a _ t o r sc h 弧c t e l s t i c ni n 仃o d u c e sm c d e s i g l l sb 鹬i ci d e a ，s t m c t i l l 呛a n dg e n e r a t o rp a 删啪t e r smd “1 t h i r d ，t h i st h e s i sh 勰c a r r i e do nr e a r c ha n dd e s i g nd e e p l yi n t ot h cs p e c i f i cb a r d 、a r e 锄ds o f t w a 咒m a l i 动t i o no fe x c i 枷o nc o n n d ls y s t 锄a sf b rh a r d w a r cd e s i 乳i ti n c l u d e s ： h a r d w a r es y s t e m ss n l c t u r ec h 玑p o w e rc i r c u i td i ；r a m ，s i 誉l a li n s p e c t i n ga f l dd e a 王i n gc i f c u i t d i 雄即m ，p o w e ro u t p u ts t a g ec i r c i l i td i a g r a m ，s h o r tc i r c u i te x c i t a t i o nc i r c i l i td i a g m m ，s c m p e r i p h e r yc i r c u i td i a g m m s o f t 啪r ed e s i g ni n c l u d e s ：t h cf i l n c t i o no fs y s t e mr e q u i r e d ，r c g u l a t 6 p r i n c i p l e ，t 1 1 ep r o 笋a mn o w c l l a r to ff a u hd i a 孕l o s c s ，p r o c c 嚣，v o l t a g ea n dc m r c l l ta d j l l s te t c i n t b i sd e s i g n ，s y s t e mo p e 枷o ns t a b i l i t yi sc o 地i d 朗e d ，t h et h e s i sa d o p t sm a n ym e 勰u r et 0 e n h 锄c et i 圮f e l i a b i l 埘锄dp e r f o m a i l c eo f e x c i 伽o ns y s t 咖 f i i l a l l y ，t l l i s 也e s i ss i m u l a t e 觚dt e s te x c i 诅t i o ns y s t 锄、】l r i t ham o d e lg e n e m t o r 嘣n g m a t l a bs i m p o w e rt o o i b o x t h er e s u i ti n d i c 眦st t l a tt 量圮d e s i 朗i sp o s s i b l et o 瑚ed i g i t a ir e a i t i m es i m u l a t i o nm e t h o dt 0i i la s i i i l 叫i f i e dp o w c rs y s t e m k e yw o r d s ：c h a r g i n gg e n e r a t o r ，e x c i t a t i o ns y s t e m ，s i m u i a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 弥靴日期塑卫：尘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲避导师躲弛日期搜捌 沈阳工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题背景 潜艇的技术水平是衡量一个国家军事、工业、科技水平与综合国力的标志。潜艇是 能潜入水下活动和作战的舰艇，隐蔽性、自给力、续航力和突击威力是衡量潜艇的技术 水平标志。我国有广阔的海疆，关于潜艇技术的研究非常必要。 充电发电机是潜艇能源的生命线，它肩负着潜艇动力电源和照明电源的供应。常规 动力潜艇在水下航行时，一般都以蓄电池作为电源供电给推进电动机驱动螺旋桨。当蓄 电池能量消耗到一定程度时，必须给予补充，这个功能的实施即由充电发电机来承担。 除了向蓄电池充电外，充电发电机也可同时或单独推进电动机及艇上其他用电设备供 电。因此，在常规动力潜艇中，充电发电机是动力装置所必需配备的重要设备之一，即 使在核潜艇中，充电发电机也常常作为应急动力系统的组成部分，向应急电力推进装置 供电。目前，充电发电机还使用在远离供电电网或难以采用网电但又必须使用电能的 设备，如深海油田，部分汽车也是由充电发电机提供电能和给蓄电池充电。 而在潜艇中，充电控制和运行状态的监控均是在环境恶劣的机舱内进行的。这里噪 音大，环境温度高，空间狭窄，监测控制分散，使艇员的劳动强度大，身体消耗也很大。 同时，由于这种自动化水平很低的操作方式必然导致控制精度不高，故障监测处理不及 时，甚至产生影响发电机组和蓄电池组的性能和寿命的严重后果。与民用船舶或水面舰 艇推进电机相比，潜艇充电发电机必须满足更为特殊和苛刻的技术要求嘲。 励磁控制系统是充电发电机的重要组成部分，它的特性好坏直接影响到充电发电机 运行的可靠性与稳定性。在现代化的电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性， 是保证电力系统安全、经济运行的基本条件之一。在众多改善同步发电机稳定运行的措 施中，运用现代控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的经济而有效的手段之一啪。 原来一直采用直流发电机来励磁，即用直流发电机发出来的直流电，通过滑环和电刷引 进同步发电机的转子绕组。但随着电机容量的不断增大，直流电机的换向已成为一大难 7 l o k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 题，并且需要碳刷和滑环，存在碳刷磨损和碳刷粉末沾污线圈绝缘和其它零部件问题。 随着半导体技术的发展，推动了无刷电机的发展。同步发电机采用无刷励磁是从6 0 年 代开始的，1 9 6 7 年在德国汉罗威博览会上便展出了无整流子、无滑环的同步发电机的样 机。今天，国外已有单机容量上数十万、甚至上百万的汽轮发电机采用无刷励磁。在国 内，早年北京重型电机厂就已制成1 0 0 m w 的无刷汽轮发电机，安装在河南安阳发电厂。 至于小型柴油无刷发电机，我国已有系列产品。有些电站将同步发电机原来的直流励磁 机励磁方式改造成为无刷励磁也作了不少工作，并取得了良好的运行效果。所以说，作 为发电机重要组成部分的励磁系统中，无刷励磁系统是具有发展前途、最具研究价值的 一种励磁方式。 随着电力系统自动化水平的不断提高，发电机的自动控制越来越与电力系统的自动 控制紧密地联系在一起。励磁装置是发电机的重要控制设备，电力系统要求它除了维持 发电机电压恒定和进行无功调节外，还必须保证电力系统的动态和暂态稳定性“1 。从6 0 年代模拟式励磁调节器占主导地位。到8 0 年代中期后，由于数字式微处理机技术的飞 速发展，使得采用模拟技术的传统励磁调节器逐步开始向数字化方向发展。于是在本次 设计中就选用具有体积小、功能强、能耗少、可靠性高、成本低等优点的c 8 0 5 l f 0 1 5 单片机”3 作为微控制器，充分利用单片机准确的逻辑判断和精确的计时、计算能力使控 制系统的硬件结构大为简化，使控制功能得到增强。应用数字化控制潜艇充电发电机励 磁调节系统，用以实现对蓄电池组进行充电控制和监测，做到无人机舱，从而减少执勤 人员，降低艇员的劳动强度，提高自动化程度，在技术性能上有突破性的进展。 1 2 发电机励磁系统的发展与分类 1 2 1 励磁系统的发展 励磁系统是发电机的重要组成部分，它主要是向发电机的励磁绕组提供可调的直流 电流，以满足发电机各种运行方式下的需要。性能良好、可靠性高的励磁系统是保证发 电机安全发电，提高电力系统稳定性所必需的。 同步发电机传统的励磁方式是采用同轴的直流发电机作为励磁机，提供发电机的励 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 磁电流“1 。通过励磁调节器改变励磁机的励磁来改变供给转子的励磁电压，以调节同步 发电机的励磁电流。这种励磁方式存许多问题：如直流励磁机受制造容量限制；整流子 和炭刷维护起来比较麻烦；励磁调节响应慢，等等。这些问题使得直流励磁机励磁方式 无法适应电力系统发展的需要。半导体励磁就是为了适应电力系统发展需要而出现的一 种新的励磁方式，所谓半导体励磁是采用大功率的硅整流器或可控硅组成整流电路，用 电子整流方式将交流变换成直流，以取代直流励磁机用机械整流方式获得直流励磁电 源。它具有可靠、便于维护、响应侠等优点“1 1 2 2 半导体励磁系统的分类 半导体励磁是把交流励磁电源经半导体整流装置变为直流后进行励磁的。根据交流 励磁电源的种类不同，发电机的半导体励磁分为两大类： 第一类是采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经硅二极管或可控硅进 行整流，供给点机励磁。这类励磁系统的交流励磁电源是来自主机之外的其它独立电源， 故称为他励半导体励磁系统，简称他励系统。 第二类是采用变压( 流) 器作为交流励磁电源，励磁变压( 流) 器接在发电机出口 或电厂用电母线上。因为励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励 磁方式称为自励励磁系统，简称自励系统。在他励系统中，交流励磁机是旋转的，而自 励系统中，励磁变压( 流) 器、整流器等都是静止的，故自励系统又成为全静态励磁系 统。 除了他励和自励两类主要的半导体励磁系统外，还有一种介乎两种之间的所谓谐波 励磁系统。它在主发电机定子槽中嵌有单独的附加绕组，称为谐波绕组。利用发电机气 隙磁场中的谐波分量( 通常是利用其中的三次谐波分量) ，再附加绕组中感应谐波电势， 作为励磁电源，经半导体整流后回送给发电机作励磁。 除上述各种半导体励磁系统外，还有一种用于直流励磁机的可控硅励磁方式。由于 当前我国的一些电厂中还装有不少的直流电机励磁机组嘲，故采用直流励磁机带可控硅 控制其励磁电流的励磁方式不少，主要用于改造传统的直流机励磁方式。由于可控硅电 一3 一 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 路只控制直流电机的励磁电流，故同步电机的励磁取自直流励磁机。 1 2 3 几种典型励磁系统简介 励磁系统由两部分组成；即励磁系统主回路和自动励磁调节器。此外，还有辅助单 元，如：限制器、补偿器、稳定器、以及起励单元等。主回路是由励磁电源、主整流器、 灭磁回路以及过流过电压保护电路组成0 1 。自动励磁调节器根据要求调节励磁电流。励 磁系统有以下几种典型形式。 ( 1 ) 交流励磁机带静止硅整流器励磁方式：这种励磁系统属于他励励磁方式，其原 理如图卜1 所示。发电机的励磁电流通常由1 0 0 赫交流励磁机儿经硅整流装置g z 供 给。它由传统的直流机励磁方式演变而来的。众所周知，直流励磁机电枢产生的是交流 电势，经过换相器的机械整流作用，变成直流电输出，供给发电机励磁。现在把交流 励磁机产，土的交流电势用静止硅整流器整流，来代替输出直流供给发电机励磁。这样就 用静止的半导体整流器代替了转动的机械整流器，国外称之为无整流自励磁方式。这不 但解决了换向器和碳刷的运行维护问题，而且由于交流励磁机的容量可以不受限制，故 图卜1 他励静止硅整流器励磁系统原理接线图 f i g l ld i a g r a m o f i n d e p e n d 蚰t 砌畦c 瓤c i 眦i o n 町硼釉w i 血耐“c o n 啪v e r i c r l h 、y h 一电压、电流互感器；j l _ 交流励磁机；，f i 一副励磁机；g z 一硅整流桥； k z l 、k z 2 一可控砖整流桥：i 哪压调节器：r l 、r 2 、l u 一分别为相关部分的滑环 能适应大型发电机励磁的要求。图卜1 中交流励磁机的励磁电流是由中频副励磁机j f l 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 0 0 或5 0 0 赫) 经可控硅整流装置k z 供给的。主发电机的励磁调节器z l t 控制该可 控硅整流装置。交流副励磁机j f l 的励磁，通常采用自励恒压方式，由调节器u 进行 控制。 ( 2 ) 交流励磁机带静止可控硅整流器励磁方式：这种励磁方式也属于他励励磁方 式其原理如图卜2 所示。发电机的励磁电流由交流励磁机儿经可控硅整流装置k z 供给。交流励磁机的励磁一般采用可控硅自励恒压方式。发电机的励磁调节器z u 1 直 接控制通向转子绕组的主可控硅整流装置k z l 。采用模拟电子电路的励磁调节器及可控 硅整流装置，其时间常数是可以忽略不计的，因此这种励磁方式，励磁调节的快速性比 图卜1 的励磁方式好。发电机端电压、电流及其相角如有变化，加到转子的励磁电压便 能够迅速响应。 这种励磁方式的优缺点是： 1 ) 励磁系统完全独立，不受电力系统运行状态的影响“”； 2 ) 用交流励磁机供电，励磁电源可靠，维护工作量较小； 3 ) 励磁调节反应速度较快，强励顶值电压易于满足电力系统稳定性的要求： 4 ) 交流励磁机不能定型生产。 图卜2 他励静止可控硅励磁系统原理接线图 f i g l 一2d i a g r a mo fi n d e p e n d 锄ts 协n cc x c i t a 虹o n 咖w 衲c o n 仃o l l c ds m c 仰c o n v c i 馏 l h 、y h 一电压，电流互感器；j ir 交流励磁机； z l t l 一主机自动励磁调节器；z i 配一j l 自动励磁调节器 一5 一 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 ( 3 ) 自并励方式：这是自励系统中接线最简单的一种励磁方式。其典型原理图如图 卜3 所示。只用一台接在机端的励磁变压器l b 作为励磁电源，调节可控硅整流装置k z 直接控制发电机励磁。 这种励磁系统的特点是： 1 ) 无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅整流器供 给发电机励磁绕组励磁； 2 ) 无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少； 3 ) 励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快 4 ) 可以提供较大的励磁功率。 图卜3 自并励系统原理图 f i g1 - 3d i a g r a mo f s e i f s h u me x c i t a t i o ns y s t e m l h 、y h 一电压、电流互感器；z l t _ 一自动励磁调节器； l b 励磁变压器；k z 一可控硅整流桥 自并励方式的优点是：设备和接线比较简单，由于励磁系统无转动部分，具有较高 的可靠性；造价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度；励磁调节速度快，是一 种高起始响应的励磁系统。 这种励磁方式的主要缺点是：整流输出的直流顶值电压受发电机端或电力系统短路 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 故障形式( 三相、两相或单相短路) 和故障电远近等因素的影响；需要起励电源；存在 滑环和碳刷。 对自并励方式，人们曾有两点顾虑：第一，发电机近端短路时能否满足强励要求， 机组是否会失磁：第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。 国内外的分析研究和实验表明，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式愈来愈普 遍地得到采用。 、 1 3 自动励磁调节器( z l t ) 的发展 1 3 1 器件的发展 在励磁系统中，调节器的主要任务是实现对励磁主电路的自动控制，以达到对电机 励磁电流预期的调节值。具体说，励磁调节器的作用可以归纳为以下几点： ( 1 ) 按发电机负载情况自动地调节励磁电流，以维护主机端电压或系统中某 一点电压达到所期望的水平。 ( 2 ) 提高电力系统运行的静态稳定性及输电线路的传输能力。 ( 3 ) 改善电力系统运行的动态稳定性。 ( 4 ) 实现并列运行各台发电机之间无功功率的合理分配。 ( 5 ) 根据电力系统需要，实现对发电机不同的励磁控制方式。 ( 6 ) 提高带时限继电保护装置的灵敏度和可靠性。 ( 7 ) 当主机定子绕组出现匝间短路故障时，应自动地进行灭磁，防止事故进 一步扩大。 随着发电机单机容量的不断增大，远距离输电线路不断增多，使得电力系统稳定问 题日益严重。为了保证发电机的可靠运行，对励磁调节系统的要求更加严格。如要求运 行高度可靠、具有优良的技术和经济性能指标、能完成某些专门的控制功能等。用模拟 式励磁调节器很难完成这些任务。众所周知，模拟式励磁调节器的所有功能均通过各种 印刷电路板来完成，要求的功能愈多，用的印刷电路板就愈多，所使用的元器件、焊点 和接插件数量大大增加，线路复杂，可靠性降低，维护困难。微机励磁调节器的情况则 7 l o k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 完全不同，除了必要的硬件外，所有功能均通过软件来完成，要增加新的功能，只要相 应增加有关的子程序，而硬件不作任何修改。这样可大大节省元器件而功能也可按需要 来取舍，十分灵活方便。此外，某些在模拟式励磁调节器难以实现或无法实现的功能， 在微机励磁调节器上就容易实现。于是，目前国内外都积极地研制开发微机励磁调节器， 并在这方面产品投入工业试验和试运行。 1 3 2 控制策略的发展 同步发电机励磁控制是改善电力系统稳定性的一项重要且经济的措施，因此在研究 电力系统稳定性问题时，发电机励磁控制倍受人们关注。大量研究表明，发电机励磁控 制不仅能提高电力系统静态稳定极限，抑制系统低频振荡，而且为电力系统暂态稳定性 的提高带来显著效果。 ，励磁控制技术的发展和提高总是紧紧依赖于控制理论的发展，可以说励磁控制技术 的每一次突破都是以控制理论的发展为契机的控制理论及其应用总的提高和发展趋势 是由单变量到多变量，由线性到非线性，最后成为完全智能化的控制方式，励磁控制也 经历了一条与之完全相适应的发展过程。从4 0 年代至今，励磁控制方式大体经历了三 个发展阶段： ( 1 ) 基于古典控制理论的单变量控制方式 在这一时期，主要采用以下几种励磁调节方式：按发电机端电压偏差进行比例调节 励磁的比例式励磁调节方式；按发电机定子电流作为扰动量进行补偿的比例式励磁调节 方式；按发电机端电压和定子电流及功率因数角进行综合相位补偿的复式励磁补偿调节 方式。 在励磁控制规律方面，这一时期的励磁调节器多属于按发电机端电压偏差进行负反 馈控制的比例式调节，或者发电机电压偏差的比例、积分、微分进行控制的所谓p i d 调 节方式“。 ( 2 ) 基于现代控制理论的线性多变量控制方式 由于电力系统是一个多变量、复杂的非线性系统，因此，应用古典的线性单变量控 沈阳工业大学硕士学位论文 制理论分析励磁系统受到诸多限制，而应用建立在状态空间描述方法基础上的线性多交 量现代化控制理论，则较易解决这些问题。 最优控制理论是现代控制理论中一个发展比较完善、应用较为广泛的重要分支，其 研究的中心问题是选择最优控制规律，以使得控制系统在特定指标条件下的性能为最 优。最优控制的含义是在一定具体条件下，是控制过程的偏差达到最小，达到终值的预 期值时间为最快，终值为最优，而控制能量为最小。 ( 3 ) 非线性多变量控制方式 近十几年来，将微分几何引入非线性控制系统的研究中，取得了开拓性的进展，形 成了非线性系统状态反馈精确线性化理论，应用这种理论设计的非线性励磁控制器，采 用了可覆盖大干扰和小扰动各种动态过程的电力系统非线性模型，并基于微分几何原理 将电力系统描述为一个标准的仿射非线性系统，同时在特定条件下，其控制规律表达式 中不含有网络参数，为此这种非线性控制器能有效地改善电力系统中遭大干扰和小扰动 情况下的稳定性，并适应于电力系统运行方式的各种变化，对网络参数变化具有良好蚵 鲁棒性( r o b u s t ) “”。此外，因系统的控制规律是分散的，即控制器的输入量在机端均 可测，故易于实现。 电力系统的非线性决定了今后励磁控制的研究仍然应该围绕非线性控制模型来展 开，除上面提到的非线性励磁控制方法应进一步完善和提高外，在以下几个方面非线性 励磁控制研究可望取得进展。 ( 1 ) 自适应励磁控制方法 自适应励磁控制要求在线辨识运行工况变化引起的系统参数变化，并不断修正控制 器参数，从而达到跟踪运行工况变化的目的。由于自适应控制算法复杂，在线计算量大， 因此应解决实时性问题。 ( 2 ) 模糊控制方法 模糊控制方法利用受控对象的知识模型设计控制策略，具有良好的人机智能结合能 力“”能够方便地利用人的经验知识、技巧和直觉推理进行控制。f u z 珂自适应控制就 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 是通过对发电机有功功率和端电压测量，由f u z 巧推理机经f l l z z y 推理和f u z z y 决策给 出适宜的反馈增益矩阵，从而实现对运行工况的跟踪，提高系统的稳定性和改善系统的 动念品质，解决了自适应控制存在的实时性问题。但是，模糊控制方法还没有解决模糊 控制系统的稳定分析问题和模糊控制策略的形成问题，因此不够完善。 ( 3 ) 人工神经网络方法 人工神经网络( m 叮n ) 的高度非线性映射能力为太型复杂的非线性系统辨识和控制 提出了一个新途径。人工神经网络在经过充分训练之后，能适应任意的非线性函数，这 使得人工神经网络能够用于任意复杂系统的辨识。由人工神经网络构成的控制器在经过 充分训练之后，能驱使系统输出以最佳路线跟踪期望目标。 将人工神经网络型励磁调节器用于多机系统，可以获得了令人满意的结果，但没有 从理论上说明这种结果的可靠性和必然性。人工神经网络在励磁控制方面的研究所面临 的困难主要是解决样本集建立和控制器的训练两个问题，否则，人工神经网络型励磁控 制器难以在电力系统中投入实际应用。 1 ，3 ，3 励磁调节装置控制方法的实现 ( 1 ) 模拟式励磁调节器 传统的模拟励磁供电装置，顾名思义，是以模拟电路构成的。它难以实现复杂的逻 辑控制和网络通讯；硬件多，故障点多，参数一致性、稳定性差；抗干扰能力差。随着 计算机技术的发展，传统的模拟励磁供电装置已逐渐被微机励磁供电装置所取代，微机 励磁供电装置己成为今后励磁控制的发展方向。 ( 2 ) 数字式励磁调节器 目前，大多数厂家生产的全数字微机励磁供电装置都是以单片机或工控机为控制核 心，能够实现复杂的控制策略，除了必要的硬件外，所有功能可通过软件来完成“。其 参数一致性好；要增加新的功能，只要相应增加有关的子程序即可，可节省元器件，而 功能也可按需要来取舍。其优点有： 1 ) 可以实现模拟式励磁调节器难以实现的与动态响应相结合的p i d 控制规律、p s s 沈阳工业大学硕士学位论文 电力系统稳定器、非线性控制、自适应控制及模糊控制等控制规律； 2 ) 调节准确、精度高，在线改变参数方便； 3 ) 可靠性高，无故障工作时间长； 4 ) 系统功能组态灵活、操作简单、维修和试验智能化，实现电站综合自动化智能 化，实现“无人值班少人值守” 5 ) 通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。 除了对励磁控制本身的要求外，关于协调控制策略的研究目前正向更高层次发展， 如二次电压控制，它将系统的主要发电机与其它无功设备协调后，共同维持或控制系统 内某个枢纽点的电压。另外，同步发电机励磁与调速器，励磁与快关汽门等方面的综合 最优控制研究，近年来十分活跃，但是，将这些研究成果工业化，解决生产应用中的实 际问题等方面的工作甚少。 1 4 本论文的主要工作 本课题的主要目的是调节发电机的输出电压和给蓄电池充电的电流。而达到此目的 的首要手段是通过调节交流励磁机的励磁电流。这是通过绝缘栅型场效应管来实现的。 通过脉宽调制来控制场效应管的通断时间从而控制漏极电流即交流励磁机励磁电流的 大小，从而改变了交流励磁机电枢产生的电势，再经旋转整流器变换成直流，直到改变 发电机的输出电压及充电电流。 本文对励磁系统具体的硬件和软件进行了深入的研究设计，并应用m a l t l a b 对系 统进行仿真。对于硬件组成中，详细地介绍了励磁调节器的硬件组成部分，包括电源电 路，故障显示电路，信号检测和处理，输出级的设计。在软件系统中，选用芯片c 8 0 5 1 f 0 1 5 ， 采用了p i 调节方式来实现对发电机输出电压、充电电流的调节；当电压、电流、定子 绕组温度过高时，产生去磁信号；当熔断器烧熔时，改变最大输出直流电流；当电压故 障时，显示故障信息。在系统仿真中，采用s 抽u l i n k 对系统进行仿真。 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 2 充电发电机的励磁系统的特点及原理 2 1 充电发电机的特点及其工作原理 从六十年代末到七十年代初开始，在西德、英、法、荷、瑞典等国潜艇上已开始采 用交流整流型充电发电机，荷兰海军1 9 6 8 年在“斯瓦尔特维茨”级潜艇上采用了史密 特斯列克伏公司制造的交流整流型充电发电机，在西德则有西门子、皮勒、a e g 、n 髓b 等公司专门生产此类发电机“”。 从目前各国潜艇充电发电机发展趋势来看，交流整流型充电发电机已取代换向器型 充电发电机，成为当今潜艇充电发电机发展的主流。交流整流型充电发电机有以下主要 特点： 第一、大功率与高转速。与换向器型电机相比，交流整流型在单机功率与转速上都 有较大幅度增长，它与日益发展的艇用中高速柴油机相匹配，满足了潜艇动力装置的发 展要求，达到迅速、可靠、高效充电的目的“”。功率从1 2 8 0 k w 增长到1 4 0 0 k w ，转 速从1 3 5 0 r m i n 增长到1 8 0 乱，m i n ，尤其是p 栉值，从1 1 7 1 0 6 k w r m t m 增长到 1 9 6 1 0 6 k w r i 血。后者在换向器型直流电机中是难以实现的。 第二、发电机能量密度的提高。交流整流型发电机通过提高电机转速，并取消了柴 油机与碳刷部件，在结构上大为简化。同时，在充电发电机设计中运用最新技术，通过 精心设计，尽可能高度利用电机内部空间，采用整体布置方式，结合采用优质导磁材料 与绝缘材料，使电机重量体积大幅度下降。重量比能可达4 4 k g 瓜w ，体积比能可达 3 1 5 l 仳w ，与换向器型充电发电机相比，体积比能指标优越3 6 一1 0 9 ，重量比能指 标优越2 7 9 卜4 7 。 第三、采用先进技术，提高电机性能指标，提高运行可靠性及维修性。目前国外潜 艇交流整流型充电发电机技术指标先进，可靠性高，在日常维护方面可降到最低程度。 2 1 1 充电发电机系统的特点 ( 1 ) 发电机定子绕组采用十二相 沈阳j 二业大学硕士学位论文 充电发电机采用交流绕组通过整流后对外输出直流电，因此对相数有可供选择的 余地。由于对直流电源品质有较高的要求，潜艇用交流整流型充电发电机一般均采用六 相双y 移3 0 0 电角度或十二相四y 移1 5 0 电角度同步发电机通过整流来获得高品质直流 电能1 。本文充电发电机采用1 2 相方案。所谓1 2 相电机就是将每对极距分成2 4 个相 带，并接成独立的四个三相星形绕组，各星形在空间相位差1 5 0 电角，从而构成不对称 的十二相系统。由于潜艇推进电机采用直流电机，脉动系数是极为重要的供电品质指标。 电压脉动减小导致供电品质的改善，从而不会影响推进电动机损耗增大、换向性能恶化 以及振动噪声的加剧，同时降低了发电机的电磁干扰“”。而较三相、六相而言，十二相 电机可以大大减小脉动系数。 采用十二相绕组同时给发电机本身性能带来好处，对整流发电机交流侧侧相电流除 基波外还含有谐波电流，在电机中会产生谐波磁势，由于十二相电机高次谐波磁势显著 减少，从而大大减少发电机转子表面损耗与电磁振动噪声。 与此同时，采用十二相电机可以提高整个系统的可靠性。十二相电机就是四个三相 电机。当一个电机出现故障时，其余三个电机还可以正常工作。 十二相充电发电机主要由十二相四y 移1 5 0 电角度同步发电机和四个桥式整流器构 成。在舰船电力推进系统中，为了使充电发电机有较大的输出电流，发电机的十二相绕 组的每个星形绕组所带的桥式整流器一般在直流侧并联。图2 一l 为这种联接方式的充电 发电机的电路原理图。 ( 2 ) 无刷励磁系统 本课题设计的充电发电机励磁系统是一个旋转二极管式无刷励磁系统。采用无刷励 磁是同步电机结构上的重大改革，它不仅取消了直流机励磁系统中的机械整流部分，而 且也取消了半导体励磁中的碳刷和滑环啪1 “。发电机励磁回路成为全部无触点的电路， 提高了励磁效率和可靠性。从长远看，发电机采用无刷励磁是今后发展的方向，其理由 是： 1 ) 由予取消了励磁系统中的滑动接触部分，可以长时间可靠运行而不检修、少维 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 护，这是对实现电站自动化、无入值班的有利条件。 2 ) 使在环境十分恶劣的场所，如带导电性易爆气体的矿井、带腐蚀性的化工厂、 电镀车阃等，当采用无刷同步发电机时，可以省掉额外的防护措施。 图2 一l 十二相整流充电发电机电路原理图 f i 9 2 - ld i a g 册o f1 2 - p h a 辨c h a i l n g 鲫e r 砒* 删i f i 日 3 ) 随着电力工业发展的需要，发电机单机容量日益增长，因而励磁机功率愈来愈 大，励磁电流达力_ 安，励磁电压高达6 0 0 伏以上，显然用直流机励磁是满足不了要求的。 并且由于励磁电流太大，即使采用静止励磁，而集电环的对数要增加许多，方能将许多 把碳刷安放下去，这带来检修、维护得不便。采用无刷励磁后，这个问题就不存在了。 4 ) 与静止励磁相比，无刷励磁的控制功率大大减少，有利于简化控制、保护线路， 一1 4 沈阳t 业大学硕士学位论文 少占用厂房场地。如果无刷励磁的励磁源也是取自发电机的机端，则无刷励磁取用的功 率将比静止励磁小数十倍。因此，相同容量的发电机，选用无刷励磁时，电机效率比静 止励磁要高。 ( 3 ) 微机励磁调节器 自6 0 年代以来，模拟式励磁调节器在应用中一直处于主导地位，其功能也基本上 满足了大型同步发电机对励磁控制的要求。但是，模拟式励磁调节器也有诸多不足之处， 特别在实现自检测功能以及修改硬件功能方面有很多困难，为此，需设置多种专用功能 组件以满足不同控制要求。 上述情况一直延续到8 0 年代中期，由于数字式微处理机技术的飞速发展，使得采 用模拟技术的传统励磁调节器逐步开始向数字化方向转变。计算机技术的发展已使整个 人类社会面貌发生了可观的变化，自然也应用到工业生产及各种电机控制系统中。”。而 且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把电机控制和生产管理有机地结合起来， 从而实现工厂、企业的全面自动化管理。由于微处理机技术在所有工业范围内均获得了 广泛的应用，使得过去由许多硬件实现的多种功能可以集成在一个芯片上，这种基于微 处理机构成的装置在运算速度和功能方面均有了极大的提高与改进，而且可以设计统一 的硬件电路，以适合于不同的电机控制系统。 在本次设计中就选用具有体积小、功能强、能耗少、可靠性高、成本低等优点的 c 8 0 5 l f 0 1 5 单片机作为微控制器，充分利用单片机准确的逻辑判断和精计时、计算能力 不仅使控制系统的硬件结构大为简化，还使对发电机的输出电压和充电电流的调节更加 精确与及时，使对熔断器烧熔、电源故障、电压实际值检测故障的判断与处理更加准确、 及时。不仅如此，当过压、过流、定子温度过高时能有效去磁。 ( 4 ) 多种运行方式( 附录1 ) 发电机设有一个转换开关可以在空载或停车时预选运行方式，总共有三种：自动运 行、手动运行、他励运行。 自动运行：由微控制器c 8 0 5 l f o l 5 单片机来实现电压、电流、定子绕组温度的限制 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 和发电机输出电压、充电电流的自动调节。 手动运行：通过转换开关使控制器脱开，励磁机励磁绕组由一个单相扼流圈以及隔 离变压器、整流器与励磁变阻器( r 1 0 2 r 2 0 2 ) 组成的组件供电。通过调节这些可变 变阻器可将发电机电压调节在所需范围之内。在手动励磁回路中设的扼流圈是为了限制 励磁电流在最大允许值范围内，可以利用其可变气隙调整限制值。 他励运行：转换后，励磁绕组端子由外部电压源供电。 2 1 2 充电发电机的工作原理 当柴油机拖动充电发电机旋转时，由于充电发电机的励磁机有剩磁，随着转速的提 高，发电机的电动势逐渐升高并能对外输出，当发电机能对外供电时，就可以把自身发 的电供给励磁机的励磁绕组，从而电机的气隙磁场增强，如此周而复始，直至电机输出 额定电压，这种起励方式称为残压起励”。发电机做照明还是给蓄电池充电由开关决定， 不管是照明还是充电，都得调节电压或电流，这是通过调节励磁机的励磁电流柬实现的。 调节交流励磁机的励磁电流，就可以改变主发电机的励磁电流，从而控制主发电机的输 出端电压，依靠连接于主发电机输出端和交流励磁机定子磁场绕组之间的自动电压调节 器就可以稳定主发电机的端电压。 2 2 励磁系统的构成 充电发电机由主发电机( 同步发电机) 、交流励磁机、旋转整流器、微机励磁等主要 部分组成。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同一轴上一起旋转，励磁机 磁极固定在定子内侧。这样，交流励磁机电枢产生的交流电势，经过旋转整流器变换为 直流以后，直接供给主发电机转子励磁绕组。因为交流励磁机的三相交流绕组、旋转整 流器以及发电机转子都装在同一旋转轴上，故不再需要滑环和碳刷。主发电机结构大同 小异，都是旋转磁场式的，有隐极和凸极两种，交流励磁机为旋转电根式。同步发电机 由有刷进化到无刷主要是有了交流励磁机和旋转整流器。本次课题设计的充电发电机 励磁系统原理接线图如图2 2 ，充电发电机励磁系统原理示意图如图2 3 。 ( 1 ) 交流励磁机 沈阳工业大学硕士学位论文 交流励磁机实为交流发电机，电枢铁心用优质电工钢片冲制后，紧密迭压在电枢支 架上。然后热套到轴上，电枢绕组端部用玻璃钢绑扎，以承受高速旋转下的离心力。磁 极用特殊钢片组成，具有适当的磁积能，保证交流发电机能自立建压，为主发电机提供 励磁电流。交流发电机一般依靠自己的剩磁建压，有时为了提高起励的可靠性，不仅在 励磁回中采取起励措施，而且还在交流励磁机的定子磁极极靴安放小块永久磁铁加以励 磁。为了提高励磁系统的反应速度，交流励磁机的频率一般比主发电机的高，可高达数 百赫兹，故交流励磁机的极数比主发电机的多啪1 ，但最好不成简单的整数倍。( 例如， 某电机的主发电机极数为6 ，励磁机的极数为1 6 ) 。 ( 2 ) 旋转整流器 旋转整流器由半导体旋转整流二极管、快速熔断器、过电压保护器等元件组成，快 速熔断器作为过电流或短路保护串联于每个二极管支路。旋转整流器与主发电机转子也 是同轴安装，整流电路( 单相、三相) 应与交流励磁机的相数相同，可以是全桥整流式或 半桥整流式，旋转整流器的输入端( 交流侧) 接交流励磁机的输出端，其输出端( 直流侧) 图2 2 充电发电机励磁系统原理接线图 f i 9 2 2c h a r g i n gg e n e r a t o re x c i 诅t i o ns y 呶：1 ni l l u s 仃a t i v e 晰豳gd i a 黟锄 7 1 0 k w 充电发电机励磁系统的设计与仿真 图2 3 充电发电机励磁系统原理示意图 f i 9 2 3c h a 唱i n gg e n e r a t o re x c i 协t i o ns y s t c ms c h e m a n cd i a g 阳m a 一交流励磁机励磁绕组b 一交流励磁机电枢绕组c 一旋转整流器 d 一发电机励磁绕组e 一1 2 相发电机电枢绕组f 一发电机整流装置 通过转轴中心的轴孔与主发电机的转子励磁绕组相连，供给主发电机励磁。 ( 3 ) 测量与电源变压器 在本次设计中用测量与电源变压器来代替励磁变压器，它有两项功能；一，它的副 边绕组i 将电源送至调节装置，即将电源经桥式整流器供给励磁机励磁绕组以便调节励 磁机三相转子电压，再经整流盘给发电机励磁绕组以调节发电机电压；二，它的副边i i 经整流稳定输出+ 2 1 v 、+ 1 4 v 、1 4 v 。 2 3 励磁系统功能 发电机，顾名思义就是将机械能转换成电能，用来发电的。发出来的电主要由两个 用途；一是通向电网供外界照明等、推进螺旋桨等使用；二是给蓄电池充电。通向电网 时需要电压恒定，而根据以下蓄电池充电原理可知不同充电阶段需要的恒定对象不同， 不管是电压还是电流调节，对调节器都有具体要求。 2 3 1 蓄电池充电 给蓄电池充电时，初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生 沈阳工业大学硕士学位论文 了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸 收时，便堆积在正极板( 正极板产生氧气) ，使电池内部压力加大，电池温度上升，同 时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。一般来说，产生极化 现象有三个方面的原因：一、欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移 过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必 须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出 现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高 温。二、浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的 反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远 比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极 表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀，这种现象称为浓度极化。三、电化学极化这 种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。 这三种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。 本设计中采用三阶段充电法，在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压 充电。1 。第一阶段的恒电流充电属于大电流恒流充电，电压上升：第二阶段属于恒压充 电，电流下降，当电流下降到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段；第三阶段的恒电 流充电属于小电流恒流充电，这种方法可以将出气