水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁的自動(dòng)控制

1、第22卷, 總第125期2004年5月, 第3期節(jié)能技術(shù)EN ERGY CONS ERVA TION TECHNOLOGY Vol . 22, S um . No . 125May 12004, No . 3水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁的自動(dòng)控制陳剛, 姚明仁, 吳長(zhǎng)菊(三峽大學(xué)電氣信息學(xué)院, 湖北宜昌443002摘要:隨著電力電子技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展, 交流勵(lì)磁電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生, 它有優(yōu)于傳統(tǒng)同步電機(jī)的性能。本文論述了水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁的原理和特點(diǎn), 對(duì)它的可行性進(jìn)行了分析及論證。并介紹了采用交-直-交變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行控制的方法。根據(jù)S PWM 控制原理, 變頻器的控制部分采用了軟硬結(jié)合的方法進(jìn)行

2、調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞:勵(lì)磁; 電機(jī); 控制; 變頻器中圖分類(lèi)號(hào):TM 621. 6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-6339(2004 03-0021-03Automation Control about Alternating -of G eneratorCHEN G ang ,Y AO -(C ollege of Electric Engineering G orges Univ. ,Y ichang 443002,China Abstract of power electronic technology and digital control technology ,the alternati

3、ng current excitation machines with better performances than synchnous machine will be developed timely. S o , it is an innovative problem in the sphere of electrical machinery. This paper contains the principle and specialty of water turbine generator ,m oreover ,analyzes and proves it s feasibilit

4、y ,and introduces a method that using AC -DC -AC transducer to control the rotor rolls. Based on the control theory of SPWM ,the control parts of the transducer will are adjusted by using a hardware and software combining method to adjust. K ey words :excitation;generator ;control ;transducer 收稿日期20

5、04-02-01修訂稿日期2004-05-10作者簡(jiǎn)介:陳剛(1967 , 男, 三峽大學(xué)講師, 主要從事電氣教學(xué)和電機(jī)控制的研究。1前言發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的可靠性有重要的意義, 它直接影響到發(fā)電機(jī)的性能、可靠性和技術(shù)要求。目前, 我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)均采用直流勵(lì)磁, 這樣就要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須恒定, 當(dāng)水流量、流速發(fā)生變化時(shí)就要求不停地調(diào)節(jié)水閘大小, 影響了工作效率和相關(guān)設(shè)備的壽命以及電能的質(zhì)量。并且直流勵(lì)磁系統(tǒng)功耗大, 維護(hù)難。若采用交流勵(lì)磁, 通過(guò)改變勵(lì)磁電流的頻率, 可使水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行于任意轉(zhuǎn)速。這不但能提高水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率, 而且可以顯著減少水輪機(jī)的振動(dòng)和磨損

6、。同時(shí)可在各種負(fù)載下實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速, 具有顯著節(jié)能效益, 還可以大量發(fā)出或吸收無(wú)功功率, 它和電機(jī)變頻器一起可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的柔性連接, 對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重大的意義。正是由于交流勵(lì)滋電機(jī)特有的優(yōu)點(diǎn), 它已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn), 是國(guó)內(nèi)外正在開(kāi)發(fā)的一種新型電機(jī)設(shè)備, 其理論研究已趨成熟, 但應(yīng)用實(shí)踐并不多。目前, 我國(guó)還沒(méi)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的成品機(jī), 部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段, 并顯示出良好的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱? 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)備受關(guān)注。2獨(dú)特的優(yōu)越性其一, 具有良好的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)速適應(yīng)能力。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率可根據(jù)所需電機(jī)的轉(zhuǎn)速加以控制, 因此, 當(dāng)水電站采

7、用這種電機(jī)前期發(fā)電時(shí), 僅需控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率就能達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的, 以適應(yīng)流量的變化, 使整個(gè)發(fā)電期皆有較高的能量效率。動(dòng)態(tài)過(guò)程中, 由于電網(wǎng)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速解耦, 即系統(tǒng)的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成為可控的柔性連接, 利于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)再同步, 提高了電機(jī)的穩(wěn)定性與電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。其二, 獨(dú)立的有功、無(wú)功調(diào)節(jié)能力。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小及相對(duì)轉(zhuǎn)子的位置決定于勵(lì)磁電壓的大小、頻率及其與定子電壓的相位, 采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院? 可使發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié), 且無(wú)功功率的調(diào)節(jié)是一個(gè)純粹的電磁過(guò)程, 過(guò)渡過(guò)程短, 同時(shí)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可按電網(wǎng)的要求運(yùn)行于不同的有功、無(wú)功組合狀態(tài)。其三, 較強(qiáng)的進(jìn)相

8、運(yùn)行能力。由于增加了勵(lì)磁控制的自由12度, 使勵(lì)磁磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)子的位置成為可控, 超高壓長(zhǎng)線輕載時(shí), 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可深度吸收無(wú)功而不失去穩(wěn)定, 因此它具有解決電站因無(wú)功過(guò)剩而出現(xiàn)的持續(xù)共頻過(guò)電壓, 并不需要附加其它設(shè)備, 且能使電站在優(yōu)化的電壓下運(yùn)行, 提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性, 減少了能量損失。3工作原理和基本特征對(duì)于目前直流勵(lì)磁的水輪發(fā)電機(jī), 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)恒與電網(wǎng)頻率一致, 即恒為同步轉(zhuǎn)速。這樣當(dāng)原動(dòng)機(jī)出力過(guò)大時(shí)易導(dǎo)致失步, 當(dāng)原動(dòng)機(jī)出力過(guò)小時(shí)可能運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài), 不僅不輸出電能, 反而消耗電網(wǎng)能量。為了保證運(yùn)行于穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)狀態(tài), 不得不控制水閘的大小, 浪費(fèi)了一次能量, 降低了效率。若采

9、用交流勵(lì)磁則可克服以上不足, 其原理如下:對(duì)于任何電機(jī), 處于正常穩(wěn)態(tài)的條件是:轉(zhuǎn)子角速度為任意值時(shí), 由定子、轉(zhuǎn)子電流在空間產(chǎn)生的磁通量互相之間沒(méi)有相對(duì)的移動(dòng)。故產(chǎn)生上述磁通量的磁動(dòng)勢(shì)或者定子與轉(zhuǎn)子的電流、電壓矢量也應(yīng)該沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng), 該條件可以寫(xiě)成以下形式:f =-R 式中定子電壓、磁通量、電流矢量相對(duì)于定子的角速度; f 轉(zhuǎn)子電壓、磁通量、電流矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度; R 轉(zhuǎn)子角速度。當(dāng)R 是自變量, f 是和R 的函數(shù)時(shí), 具有異步特性的電機(jī), 或者說(shuō)運(yùn)行在“廣義異步”狀態(tài)。在“廣義異步”狀態(tài)下, 當(dāng)作用在軸上的轉(zhuǎn)矩改變而角速度值不變時(shí), 轉(zhuǎn)子速度為任意值都可以達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài), 在新

10、的正常穩(wěn)態(tài)下, R 和f 是由電機(jī)的機(jī)械特性和其它因素決定。此時(shí)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式下, 異步電機(jī)一樣。速。f 的大小和方向, , 而無(wú)需調(diào)節(jié)水閘的大小。在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中, 轉(zhuǎn)子電流大小的變化, 可以改變定子的無(wú)功功率, 就像同步電機(jī)一樣。交流勵(lì)磁電機(jī)可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率, 而與轉(zhuǎn)子電壓的形成方法無(wú)關(guān), 轉(zhuǎn)子還可以以不同轉(zhuǎn)速在正常穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行。另外, 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的特性、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能都由轉(zhuǎn)子電壓(電流 空間矢量的大小和相位的控制規(guī)率及控制參數(shù)來(lái)確定。4交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)4. 1交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)是一個(gè)由普通電機(jī)、勵(lì)磁電機(jī)和自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成的機(jī)電聯(lián)合體。圖1給出了交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)

11、的結(jié)構(gòu)。 圖1交流勵(lì)磁系統(tǒng)框圖1-電機(jī);2-勵(lì)磁機(jī)(與轉(zhuǎn)子滑環(huán)連接 ;3-變壓器;4-同軸輔助電機(jī)(同步機(jī)和獨(dú)立電機(jī)-發(fā)電機(jī)組 ;5-自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器;6-傳感器系統(tǒng);6. 1-轉(zhuǎn)子角位置傳感器(檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ;6. 2-外頻路給定器;6. 3-電力系統(tǒng)電壓相角傳感器, 該信息可以借助于遠(yuǎn)距離角度傳送器獲得(檢測(cè)初相角 ;6. 4-電流傳感器(檢查定子輸出電流大小 ;6. 5-電壓傳感器(檢測(cè)電網(wǎng)電壓 ;6. 6-電流傳感器(檢查勵(lì)磁電流大小 ;6. 7-電壓傳感器(檢測(cè)勵(lì)磁電壓電機(jī)1在絕大多數(shù)的實(shí)際情況下, 定子為三相對(duì)稱(chēng)繞組, 直接或通過(guò)變壓器連接到三相電網(wǎng)上, 轉(zhuǎn)子為二相或三相對(duì)稱(chēng)繞組,

12、通過(guò)滑環(huán)連接到勵(lì)磁機(jī)上。勵(lì)磁機(jī)2與電機(jī)1的轉(zhuǎn)子滑環(huán)連接, 它或者通過(guò)變壓器3由電網(wǎng)供電, 或者由與電機(jī)1同軸的輔助電機(jī)4(按常規(guī)為同步機(jī) 供電。電機(jī)4也可以為獨(dú)立的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組。與轉(zhuǎn)子滑環(huán)連接的勵(lì)磁機(jī)輸出端的電壓頻率可以按需要的規(guī)律變化, 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 等于電機(jī)定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差(轉(zhuǎn)差率 , 這就是說(shuō), 勵(lì)磁機(jī)在一般情況下就是一個(gè)將其電源電壓頻率轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)差頻率的變頻器。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器5根據(jù)電機(jī)的反饋量形成所需要的控制函數(shù), 再由勵(lì)磁機(jī)放大后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。顯然, 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的數(shù)量與電機(jī)轉(zhuǎn)子的相數(shù)一致。它根據(jù)電機(jī)工作狀態(tài)各種變量的信息來(lái)構(gòu)成控制函數(shù), 這些信息從傳感器系統(tǒng)6獲得。

13、k 1左邊:通過(guò)輔助電機(jī)4給勵(lì)磁系統(tǒng)供電。k 2右邊:通過(guò)電網(wǎng)給勵(lì)磁系統(tǒng)供電。在某些情況下, 為了提高電機(jī)的可靠性, 也可以由兩個(gè)電源同時(shí)向勵(lì)磁系統(tǒng)供電。k 2左邊:調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān), 電機(jī)具有同步穩(wěn)定運(yùn)行的特性。k 2右邊:調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)頻率是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù), 電機(jī)具有異步穩(wěn)定運(yùn)行的特性。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)采用變頻器的決定因素是這種變頻器可以保證輸出電流穩(wěn)定換向而獲得直流電流, 這使電機(jī)可以在同步轉(zhuǎn)速、并保證電機(jī)從一種轉(zhuǎn)速平穩(wěn)(小, 但不起決定作對(duì)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流勵(lì)磁, 關(guān)鍵就是控制其電壓、電流、頻率三個(gè)量。根據(jù)要求, 要在轉(zhuǎn)子上通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生一個(gè)合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 并且可

14、以根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小選擇正向或反向于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向, 同時(shí), 頻率要求隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作相應(yīng)變化。因此, 選擇用頻率可變的變頻器對(duì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行控制。根據(jù)分析和比較, 選用電壓型交-直-交型變頻器, 其電路圖如圖2所示。整流器由6個(gè)二極管構(gòu)成, 對(duì)50H z 的交流電進(jìn)行整流, 為逆變器提供恒定不變的直流電壓, 用大電容進(jìn)行濾波。逆變器由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和6個(gè)續(xù)流二極管組成。功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制, 通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件控制輸出電流頻率。圖2系統(tǒng)主回路電路圖圖3為一組三相對(duì)稱(chēng)的正弦參考信號(hào)u ra 、u rb 、u rc , 其由參考信號(hào)發(fā)生器提供, 電壓和頻率在一定范

15、圍內(nèi)是可調(diào)的, 它們分別決定逆變器輸出電壓基波的幅值和頻率。由三角載波發(fā)生器提供一個(gè)三相共用的三角載波信號(hào)。這個(gè)三角載波信號(hào)分別與三相的參考信號(hào)進(jìn)行比較, 就可以得到各相的S PWM 控制信號(hào)。當(dāng)某一相的比較輸出為高電平時(shí), 可以驅(qū)動(dòng)該相的正的功率開(kāi)關(guān), 使其導(dǎo)通; 而當(dāng)比較輸出為低電平時(shí), 則驅(qū)動(dòng)該相的反的功率開(kāi)關(guān), 使其導(dǎo)通, 正、反兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)處于互補(bǔ)狀態(tài)。4. 3變頻器的自動(dòng)控制變頻器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)器部分, 因?yàn)樽冾l器輸出的電壓、電流、頻率, 都是靠調(diào)節(jié)器輸出的一系列脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)對(duì)變頻器的控制起著至關(guān)重要的作用。變頻器運(yùn)22 圖3變頻器控制框圖用正弦脈寬調(diào)制(S

16、PWM 技術(shù), 使其輸出電壓是純粹的正弦波形。因?yàn)橐酝孀兤鬏敵鰹榱碾A梯波交變電壓(電流 , 易形成較多的諧波, 從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 而正弦波形輸出可以很好解決這些問(wèn)題。 圖4系統(tǒng)自動(dòng)控制框圖變頻器自動(dòng)控制的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示, 回路、驅(qū)動(dòng)電路、光電隔離電路、HEF 頻變換器G V F 、8051、LS 三態(tài)緩沖器、CD 4527。8051單片機(jī)主要用來(lái)采樣給定, 反饋信號(hào), 進(jìn)行PI 運(yùn)算, 監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài), 將運(yùn)算所得電壓、頻率指令信號(hào)變換成記數(shù)時(shí)間常數(shù)(即分頻系數(shù) 。Intel 8253定時(shí)計(jì)數(shù)器用來(lái)將頻率、電壓指令信號(hào)(二進(jìn)制碼形式 變換成HEF 4752V 頻率時(shí)鐘信號(hào)FC

17、T 和電壓時(shí)鐘信呈VCT 。另外, 還產(chǎn)生一路時(shí)鐘信號(hào), 作為HEF 4752V 的參考時(shí)鐘RCT 和推遲時(shí)鐘DCT 。CD 4527比例分頻器用來(lái)進(jìn)行小數(shù)分頻, 提高系統(tǒng)的控制精度。74LS 273三態(tài)緩沖器用作CPU 與CD 4527之間的接口芯片。5總結(jié)和結(jié)論該調(diào)節(jié)器的最大特點(diǎn)是軟硬結(jié)合, 只需要少量的計(jì)算, 就可以得到所需頻率的比較理想的S PWM 波形, 以達(dá)到自適應(yīng)變化。此文的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用成熟的變頻調(diào)速方法來(lái)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的頻率及圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。這是一個(gè)比較實(shí)用的課題, 在深入理解交流勵(lì)磁原理的基礎(chǔ)上, 盡管對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作了一定的簡(jiǎn)化, 但前景廣闊。參考文獻(xiàn)1廖勇, 楊順昌. 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行及控制原理J 1電工技術(shù)