变流机组交流电机励磁系统控制研究

       变流机组是舰船的重要设备之一，是确保舰船安全的电源。它由一台交流同步电机、一台直流电机通过机械轴相连构成变流机，加上变流机控制屏组成。可实现直流电动、交流发电，也可实现交流电动、直流发电。因此每台电机控制都有两种任务，既要实现发电控制又要实现电动控制。本文只是针对交流同步电机的励磁系统控制进行研宄。
       1工作原理变流机组交流同步电机的励磁系统控制原理图见。变流机组交流同步电机励磁系统采用相复励系统与励磁控制装置共同来完成。在交流发电时，对输出交流电压进行控制。一般在半载时保证额定电压为390V，电压调整率为2 %>.在交流电动时对输入交流功率固数进行调节，为保证交流电动机运行从空载至满载不失步，将功率因数控制在0.9~ 1（超前）。
       交流发电时相复励系统矢量图从可知，该相复励系统采用电磁相加原理来实现，它由三相四绕组相复励变压器（W1为电压绕组，W2为输出绕组，W3为电流绕组，W4为附加励磁电流绕组）；三相移相电抗器DIK；三相桥式整流电路等组成。其中W4绕组在交流电动状态下使用，由系统状态控制装置来控制接触器KM的闭合，将附加励磁电流绕组投入。
       为电机处于交流发电时相复励系统矢量图。中有⑴：相复励系统的参数调整111可分为电压分量与电流分量两个分量进行调整，既要满足空载时电压，又要满足额定负载时的电压，全部由相复励系统来保证电压品质要求是比较困难的，而且调整也非常麻烦。因此在励磁控制系统中，增加了交流电机励磁系统控制装置。采用PI调节器，通过三极管T1的分流大小来保证输出电压按规定特性变化。当然相复励系统设计中必须保证从空载至满载时所需的励磁电流值。分流小的线路经济指标好，而且分流线路出现故障而失控时，发电机产生的过电压也比较小，运行比较安全。但分流过小时其动态性能稍差些，所以分流比例需要综合考虑。
       2变流机组同电网并联发电运行变流机组起动采用的是直流机起动交流发电，然后同交流电网并网。根据系统需要，既可转入直流发电状态也可维持交流发电状态。而变流机组同电网并网（同主发电机并车或同岸电并电），也是本励磁系统控制所研究的范围。在系统设计中，只考虑了手动准同步并车。在设计中己明确待并变流机组交流机的频率与电压，比电网要高一些。并网后可以向电网输出一定的有功电流与无功电流。由于是手动调节，就有可能出现与上述要求不符的情况，下面对几种异常情况进行分析。
       2.1频率比电网频率低时同电网并网当变流机组频率比电网低时并网，必然从电网吸收有功功率，主变流机组控制系统马上就转入交流电动状态，进而转入交流电动时的励磁电流调节。
       这种不受人工控制而转为交流电动、直流发电的状态有可能造成系统不稳定，如在直流发电电压的给定值比直流电网电压低的情况，就会造成机组振荡，这种现象显然不是我们所希望的。因此并网时将频率调得比电网高些，并车后才能维持交流发电状态，若此时要转为直流发电状态，调整好给定参数后，就可以人为转为直流发电状态。
       2.2电压比电网电压低时同电网并网1分析可知，待并机的频率需比电网高才可保持交流发电状态。因此分析电压时设定变流机的频率比电网高。此时若电压比电网电压低，并网后则会从电网吸收无功功率。下面首先分析相复励系统工作过程（暂不考虑交流励磁控制装置的作用）。在并网瞬间励磁矢量图见。
       其中/fi是变流机向电网送出的有功电流，它的大小决定了变流机组频率。/F2是系统向变流机组输送的无功电流，很显然合成励磁电流/l<由于/l；则使得/f2T，必然使得/li形成一个正反馈过程，直至2与/LU大小相等方向相反时系统达到平衡。此时/l= /fi时，无功电流不可能再继续增大，因为假设无功电流增大，/F2T必然使得/lT，则无功电流/F2i形成一个负反馈过程，最终使得/l=/fi.因此在这种方式下，其励磁电流决定于变流机组向电网输出的有功电流。若变流机组频率只是略高于电网频率，则有功电流/fi就相当小，相应的励磁电流也相当小。
       下面再分析交流励磁控制装置投入后的励磁系并网瞬间励磁系统矢量图平衡时励磁系统矢量图统变化过程。在并网之前，由于给定电压比电网电压低，并车后，电压则为电网电压，因此对交流励磁控制装置来说，PI调节器必然要减小励磁电流，即加大励磁电流分流量。使得Ti调整管饱和导通，造成励磁电流迅速下降，必然加快上述的正反馈过程。使本来较小的平衡励磁电流/l还通过三极管分流使得实际励磁电流更小。这种情况下若转为交流电动工况运行，当直流负载较大时很容易造成同步机失步。在后面章节还将专门论述。因此在并网操作中，应该调节变流机组交流电压与频率比电网高来实现同电网并网。
       3变流机组同交流电网并联后的电动机运行3.1变流机组交流机励磁系统矢量图由于有功电流反相，吸收电网有功功率，设有功电流为/F1，若也吸收无功电流，设无功电流为/F2，则负载电流为/，相复励系统合成的励磁电流/L，很明显在相同电压，相同电流情况下比发电机状态励磁电流/L要小很多，详见。
       吸收电网有功功率、无凸极同步电动功电流时励磁系统矢量图机的矢量。2变流机组交流机电动状态时功角特性变流机交流机采用的是凸极同步电机，其凸极同步电机的电磁功率如下：上式除以转子角速度A，便得到电动机的电磁转矩：凸极同步电动机的矢量图见。从式（2）分析可知m、Xd，Xq都是常数，当电网电压、励磁电流不变时，电磁功率Pem是功角0的函数。根据值越小则励磁电流越大，稳定裕度越高，但会使得交流机输入电流较大，同步电动机额定电流按功率因数值较低设计显然不经济，这是一个综合性指标，既要保证同步电动机在整个负载范围内不失步，又要使电机比较经济，通常功率因数cos设计在1范围内。
       0功率因数检测电路有源滤波器理图见0.比较器后再经异或门输出，通过有源滤波器滤波输出电压V，设方波幅值为15V，因此得到一个与功率因数成比例关系的输出电压V.其关系图见1.从图中可以看出只要给定功率因数对应的电压值大于7.5V则就可以实现功率因数的超前控制。
       其原理也是采用PI调节器来调节三极管Ti的分流来实现。则滤波后得到V=（超前9tf时），则V1输出1，经滤波器后V= 1功率因数角0与输出关系图符号表E―励磁电动势，VIf―电流相量一总励磁电流分量m―定子相数Pe，―电磁功率，WTem―电磁转矩UVf电压相量V―电枢端电压，V Xd―移相电抗器电抗Xd直轴电抗Xq―交轴电抗W1―电压绕组匝数W2―输出绕组匝数W3―电流绕组匝数W4―附加励磁电流绕组匝数0―功角，度A―转子角速度4结语通过对变流机组交流机相复励系统、交流励磁控制装置的介绍，结合矢量图，功角特性，从理论上分析了交流发电状态，交流电动状态时励磁系统工作原理。分析了主变流机组并车时电压低时造成励磁电流很小的原因，提出了在实际操作中应避免这种操作，避免造成转成电动状态时失步。分析了在电动状态时为什么要实现cos=0.9~1（超前）控制。另外为了实现功率因数cos少=0. 9~1（超前）控制，在控制系统中增加了附加励磁分量，以及设计了功率因数检测的电路。在电路研制中，采用军品级器件，经热老化、电老化试验，研制了一套高可靠性的主变流机组交流电机励磁控制系统，并在实际系统中得到验证，证明了理论分析的正确性。

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