同步发电机励磁控制系统的分析与校正

1、同步发电机励磁控制系统的分析与校正设计的4个步骤：建模，分析，校正（传递函数设计，校正 电路设计），校核励磁控制系统数学模型励磁控制系统=同步发电机+控制器+励磁系统（交流励磁机）（交流励磁机）NMESu_ g ugrvs I .mfSE比较放大4图1励磁控制系统结构解析法建模同步发电机uGfif同步发电机空载特性曲线在额定转速下，发电机空载时，忽略铁心饱和的影响，近似记 为ug = f (if)由气隙特性决定，即(1)u = k i式(1)中，k牝UGn G if 0f 0 空载励磁电流 TOC o 1-5 h z 对于励磁绕组，由（Rf+ Lfs） If （s）= ug （s）得11/R(

2、2)1 f - R + L s - 1 + TsGff fd 0式（2）中，八=上一励磁绕组在定子绕组开路条件下的时间常 d 0 Rf数。由式（1）、（2）得发电机机端电压与励磁电压的动态关系U =当 U =kGUG 1 + T s Gf I + T s Gf d 0d 0因R fM Gf 0 . f 0 ，Gf 0空载励磁电压故ik Gn - f 0 GnG ST侦侦（发电机参数：取 T0 T0.42s， u 18000V, UGf0 177V ）主交流励磁机和三相整流桥同步发电机空载时，交流励磁机的负载较轻，可以忽略主励磁机 铁心饱和的影响。类似于 g与 Gf的关系，可得主励磁机机端电压

3、m与其励磁电压u mf之关系mkm - 1 + TE S 河mf 0小-u 式中 k日mnE Umf 0三相整流桥可看作比例环节U=1.35UGfm不计负载效应，将主励磁机和整流桥合并，得u广tX七式中 k = 1.35k EE（励磁机参数：Tmf 0u = 800V，u 寸 0 = 75V。 发电机空载时,mf 0u = u/k = 12.29 ）三相全控桥和移相触发电路 对三相全控桥u = 1.35u cos a式中us永磁式副励磁机机端电压，在额定转速下，us三usn（取200V）对余弦移相触发电路uuu - ka = arccos c = arc cos c = arccos j2u2

4、 /2uksy式中u控制电压, c器变比（取13）。综上可有同步电压有效值，k 同步变压syu = 1.35u k / 挪式中 k = 1.35ksy4、串联校正单元U = G (s)U式中 G (s)串联校正环节传递函数。校正前取G (s) = 15 .测量单元uGfug图2电压测量环节U = 1 - 1 - k - k U = k UWR kkVZ WR G R G式中(KTVU = G (s)U gAiWRGai (s)低通滤波器传递函数。i8000 = i80，K = i00 = 5，K = i.35，T0，,，在上图中，I (s)=sR + R 11(反馈电流KTS 20vz运放A1

5、的注入电流ics十csUWRi Ai Cs1R1 +由Is (s) + If (s)机 0KWR=0.373 )1R2C s + 2Ri iii UR g2可得WR12Ri Ci i s +1 rUWRU = RJ2 R1 U =k、RUgR C . wr t s +1 WR1 1 s +1R2RC 其中TR - 21,k R = r2 /2 R1 （可取 1）忽略负载效应，机端电压测量环节的传递函数为式中kR = k r k 二6 .综合单元U = (-*4)( R3)(U+ U ) = R4 (U + U ) = K (U + U )p R R gr g R gr g p gr g式中 K

6、 = R4 R3。7、系统模型框图忽略各单元之间的负载效应，可得全系统的模型框图:UpUcUkE m?UGfkGkpG (s)kamf1 +1, sUgkR+ gr1+TRs为分析方便，可化为标幺增益的形式。以各环节额定空载情况下 输入输出变量稳态数值为基准，可求得各环节的标幺增益传递函数。例如，对发电机环节UG =1 W sU d 0可有U / U = kGfo： U Gn U / U G Gn1 + T sGf Gf 0u 由丁户，得Gf 0G*1 + T s Gf *d 01类似有U = 一 UGf *1 + TS mf*U = 一 _ Ug *1 + T s G*匕* =1=u n，由

7、本题目数据计算，得 c 0u=g0 kc 0设G (s)的稳态增益等于1，则up0kp*u=g0 kp0uu = grgr*u一（当发电机空载运行时，u冰。m 0u = u = u * k = 10 V）g 0=u心ke =12.29，u 0 = u k = 0.99 V，系统标幺增益模型为:IIIk = g0 k = 10.1k图中，p* u p p为系统标幺开环增益。如近似认为测量环节Tr= 0，即得到单位反馈系统形式的模型框图。分析、校正可采用三种不同形式的系统模型:（1）基本系统模型（2）标幺增益系统模型（3）单位反馈模型二、系统性能指标系统性能指标：（1）稳态性能指标 自然调差率5

8、（%） = G0Gr X 100 = 0.5U式中，U为发电机的空载电压，uG0为发电机带额定无功功率负荷时的 端电压。（2）暂态性能指标:时域性能指标：同步发电机空载建立额定电压（单位阶跃响应）的最大超调量% 10 dB，相位裕量y 60。三、校正前系统分析1 .开环放大倍数X5 = d *由Kp*为满足稳态性能要求，系统开环放大倍数为K = x / = 1.1/0.005 = 2202.校正前系统分析以采用单位反馈模型为例。取K * = 220，G (s) = 1。校正前系统的开环传递函数为G (s) =p*0(1 + T s)(1 + T s)(1 + T s)d 0mf 0R绘制伯德图

9、进行分析，得：幅值裕量K = 7.483dB 10dB相位裕量丫 = 6.06。 155%误差调节时间t = 17.6秒 5秒 可知校正前系统不满足段计指标要求。四、系统校正1.校正电路采用串联滞后一超前校正环节。一种校正电路为:滞后环节其传递函数为：七气C 2G (s) = (，+打)- + ) = G 卅(s)G_(s) c1 +叫s T+oJTs滞后 超前式中 a1。T = C R， T = C R , p = R R，a = R ,R12 622 8567/82 .校正环节传递函数参数(1)超前环节设计:G超前(s) = ；取相位裕量裕度0 = 100。超前球节应提供的超前相位中=r

10、- r + 0 = 600 - 6.060 +100 = 63.940。1 一 sin 中a = L = 0.0541 + sin 中C近似取超前环节中心频率s = s = 3.224rad is=ilm(或者按教材：取未校正系统伯德图上增益为-10lg(1/a )处的频率)则= 13.874气二广=3.224x0 = 0.749 s =a / = 3.224/1 + s_G超前(s)=0749 = 1 + 1.335s1 1 + 0.072s1 + s13.874(2)滞后环节设计:G滞后(s)1= =2 T11 + Ts =11 + p Ts1rocTV取滞后环节转折频率:则T = 34

11、= 3.102 秒取P =10,则G滞后1 + 3.102s1 + 31.02s校正环节合成传递函数1 + Tv叩)=(.(11 + Ts21-aT s2建议取取 R =15MQ5取 R =32kQ，7)J + 3 . 102s 1 + 1.335s)_ l + 31.02s l + 0.072s3.电路元件参数 TOC o 1-5 h z C =22 = 2.2*10-6 g则2R = , T /C = 31.02/(2.2*10-6)= 14.098MQ51/2，贝0 R =R /10 = 1.4M。 R =a T /C =32.68kQ6572/2贝(J R =R M =595.52kQ，取 R =60BQ878根据实际元件参数可得校正环节实际参数:=华= 3.3秒，“=坦= 1.3 0 秒7校正环节实际传递函数:G (s) = C1 + C 1 + 33s、.1 +1.3 0 3、7 S).( _)1 + 00 7 0 4 s校核正后系统的开环传递函数为G (s) = G (s)G (s)G (s) = ( 1) . ( 1 + 7? ) .即 01 +