1    引言

在船舶電站中需要用到的高質(zhì)量直流電，是由交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過(guò)整流得到。目前，在船舶電站中，廣泛應(yīng)用的為同步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，若采用異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)整流得到直流電，與同步發(fā)電機(jī)相比，具有功率密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，制造成本低，維護(hù)方便等突出的優(yōu)點(diǎn)。但感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須依靠轉(zhuǎn)子剩磁，通過(guò)在感應(yīng)電機(jī)定子端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙萜髯詣?lì)建壓，在加負(fù)載時(shí)，引起發(fā)電機(jī)的端電壓下降，端電壓的降低，導(dǎo)致了勵(lì)磁的容性電流減小，使端電壓進(jìn)一步下降，因此，異步發(fā)電機(jī)在突加負(fù)載時(shí)端電壓會(huì)下降很快，在突加重載時(shí)可能導(dǎo)致電壓的崩潰。在感應(yīng)發(fā)電機(jī)中，要穩(wěn)定端電壓，就必須對(duì)容性勵(lì)磁電流加以控制，但異步機(jī)不同于同步機(jī)，它的容性勵(lì)磁電流和產(chǎn)生功率的有功電流是耦合在一起的，這給控制帶來(lái)了困難。本文針對(duì)帶整流橋負(fù)載的雙繞組異步發(fā)電機(jī)提出了穩(wěn)定整流橋直流側(cè)電壓的一種勵(lì)磁控制方法。

2    勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    在本文所提的雙繞組發(fā)電機(jī)中，有兩套三相定子繞組，一套繞組對(duì)負(fù)載提供功率，稱為功率繞組，另一套接靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）來(lái)補(bǔ)償功率繞組所并電容器產(chǎn)生的容性無(wú)功勵(lì)磁電流的變化，稱為控制繞組。由于共用同一個(gè)磁場(chǎng)，在兩套繞組中，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)的頻率是相同的，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)由于所需的電磁轉(zhuǎn)矩不同，轉(zhuǎn)差率必然發(fā)生改變，發(fā)出的交流電的頻率也發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定后，對(duì)于一個(gè)確定的輸出功率必然對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的頻率。因此本文所提的控制思路為：檢測(cè)控制繞組中基波電壓的頻率作為應(yīng)補(bǔ)償?shù)膭?lì)磁電流的頻率，將功率繞組整流側(cè)的實(shí)際電壓和參考電壓作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后確定SVG發(fā)出的勵(lì)磁電流的幅值大小，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)，對(duì)控制繞組中所需的勵(lì)磁電流的大小和頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的，并獲得好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。

    整個(gè)控制方案如圖1所示，具體控制過(guò)程如下文所述。

圖1    異步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    在圖1中設(shè)畸變的控制繞組端電壓為

        (1)

式中：E_n,θ_n為各次電壓有效值和初相角，其中θ₁=0。

2.1    產(chǎn)生所需的參考勵(lì)磁補(bǔ)償電流i^＊_c1的指令

    電路采用鎖相環(huán)（PLL）實(shí)時(shí)跟蹤控制繞組側(cè)相電壓e_ca的基波相位ωt,通過(guò)將其相位超前π/2，得到所需的勵(lì)磁無(wú)功相位；把整流橋直流側(cè)的實(shí)際電壓u_dc與參考指定電壓udc＊作比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到所需勵(lì)磁電流的幅值I_m,這樣就確定了參考勵(lì)磁補(bǔ)償電流i^＊_c1的相位和幅值，也就確定了。

        （2）

2.2    靜止無(wú)功發(fā)生器直流側(cè)電容電壓U_c的穩(wěn)定

    要使SVG能正常地工作，就必須維持SVG直流側(cè)電容上工作電壓的穩(wěn)定。根據(jù)三相電路的瞬時(shí)無(wú)功理論可知，a，b，c三相的瞬時(shí)有功功率分別為

        （3）

式中：

        （4）

由式（3）及式（4）得

        p_a＋p_b＋p_c=p；q_a＋q_b＋q_c=0    （5）

    由以上分析可知，各相的瞬時(shí)無(wú)功功率之和為0，但在單獨(dú)觀察某一相時(shí)，其瞬時(shí)無(wú)功功率不為0，這表明各相瞬時(shí)無(wú)功功率只是在三相之間交換，其交換的強(qiáng)度由q表征，因此，對(duì)于SVG而言，瞬時(shí)無(wú)功功率不會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換?？紤]到直流側(cè)電路的損耗，不對(duì)電容器的電壓加以控制的話，電容器上的工作電壓就不能維持，就必須引入適當(dāng)?shù)挠泄﹄娏髯尳涣骱椭绷鱾?cè)交換一定的能量。在本文提及的控制方案中，采用電容器上電壓的實(shí)際值u_c與參考值u_c^＊作比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到所需的有功電流的幅值i_p，通過(guò)PLL實(shí)時(shí)跟蹤e_ca的基波相位ωt,得到控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定所需的有功電流相位，這樣通過(guò)確定其相位和幅值就確定了控制SVG直流側(cè)電容電壓的指令電流信號(hào)。

        （6）

2.3    控制SVG的PWM信號(hào)的形成

    在圖1中SVG需要產(chǎn)生電流的參考信號(hào)i^＊_c為

    i^＊_c=i_＊c1＋i^＊_uc    （7）

把i^＊_c和實(shí)測(cè)的i_c信號(hào)通過(guò)電流跟蹤控制電路產(chǎn)生PWM信號(hào)，再讓PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制SVG中主電路的工作。

        （8）

3    穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.1    雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

    發(fā)電機(jī)空載特性如圖2所示。

圖2    發(fā)電機(jī)空載特生 

    在仿真試驗(yàn)中，電機(jī)模型的建立采用圖2所示的發(fā)電機(jī)空載曲線，兩套繞組錯(cuò)開(kāi)90°，并折算成具有相同的參數(shù)。

    原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1500r/min；

    發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2；

    定子電阻R₁=0.665Ω；

    轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)電阻R₂=0.374Ω；

    定子漏感L₁₁=9mH；

    轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)漏感L₁₂=9mH；

    整流橋直流側(cè)參考電壓U^＊_dc=500V；

    SVG電容電流參考值U^＊_c=700V；

    自勵(lì)電容C=100μF；

    SVG直流側(cè)電容C_c=100μF；

    連接SVG和控制繞組之間的工作電感L_s=10mH。

3.2    穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果

    圖3表示了穩(wěn)態(tài)時(shí)整流橋直流側(cè)電壓與電流的仿真和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比曲線;圖4表示了穩(wěn)態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)交流側(cè)基波頻率與整流橋直流側(cè)電流的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線。從圖3與圖4可以看到實(shí)驗(yàn)曲線和仿真曲線很吻合，這就驗(yàn)證了所建仿真模型的穩(wěn)態(tài)正確性。

圖3    整流橋負(fù)載特性圖

圖4    直流電流與系統(tǒng)頻率關(guān)系圖

3.3    對(duì)發(fā)電機(jī)不加控制時(shí)的加載和卸載仿真波形

3.3.1    整流橋直流側(cè)突加和突卸40Ω負(fù)載

    對(duì)發(fā)電機(jī)不加控制時(shí)，從圖5與圖6可以看出在3.5s時(shí)突加40Ω負(fù)載，交流側(cè)電壓基波頻率下降，整流橋直流側(cè)電壓下掉約20V，當(dāng)在7s時(shí)卸載，頻率能恢復(fù)，電壓能在超調(diào)約50V恢復(fù)。

圖5    PLL跟蹤的交流側(cè)電壓基波頻率輸出

圖6整流橋直流側(cè)電壓

3.3.2    整流橋直流側(cè)突加和突卸20Ω負(fù)載

    對(duì)發(fā)電機(jī)不加控制時(shí)，從圖7與圖8可以看出在3.5s時(shí)突加20Ω負(fù)載，交流側(cè)電壓基波頻率下降，整流橋直流側(cè)電壓下掉約170V,當(dāng)在7s時(shí)卸載，頻率能恢復(fù)，電壓雖然能恢復(fù)，但恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖7    PLL跟蹤的交流側(cè)電壓基波頻率輸出

圖8    整流橋直流側(cè)電壓  3.4    對(duì)發(fā)電機(jī)采用SVG補(bǔ)償容性勵(lì)磁無(wú)功的加載和卸載仿真波形

    對(duì)發(fā)電機(jī)控制繞組采用SVG補(bǔ)償容性勵(lì)磁無(wú)功電流，在整流橋直流側(cè)突加和突卸負(fù)載時(shí)，從圖9到圖14可以看出，整流橋直流側(cè)電壓對(duì)負(fù)載的大小不敏感，對(duì)于突加和突卸40Ω和20Ω負(fù)載，都能經(jīng)過(guò)一個(gè)較短的過(guò)渡時(shí)間后保持直流電壓的穩(wěn)定；PLL跟蹤的交流側(cè)電壓基波頻率隨著負(fù)載的改變而改變，進(jìn)入穩(wěn)定后，40Ω和20Ω是分別對(duì)應(yīng)了一個(gè)確定的頻率；SVG直流側(cè)電容除了在電容充電階段有一個(gè)過(guò)沖外，以后都能穩(wěn)定在指定的700V附近。

圖9    PLL跟蹤的交流側(cè)電壓基波頻率輸出（突加與突卸40Ω負(fù)載）

圖10    PLL跟蹤的交流側(cè)電壓基波頻率輸出（突加與突卸20Ω負(fù)載）

圖11    整流橋直流側(cè)電壓（突加與突卸40Ω負(fù)載）

圖12    整流橋直流側(cè)電壓（突加與突卸20Ω負(fù)載）

圖13    SVG直流側(cè)電容電壓（突加與突卸40Ω負(fù)載）

圖14    SVG直流側(cè)電容電壓（突加與突卸20Ω負(fù)載）

4    結(jié)語(yǔ)

    從以上的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果可以看出，本文提出的采用PLL跟蹤基波頻率，帶SVG的勵(lì)磁控制方案對(duì)于帶整流橋負(fù)載的雙繞組異步發(fā)電機(jī)有很好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，有進(jìn)一步進(jìn)行研究的價(jià)值。這種勵(lì)磁方法雖然只針對(duì)帶整流橋負(fù)載的直流電壓的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究，也可推廣到其它負(fù)載。