基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源励磁控制系统研究

李志新，张国友

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

消磁脉冲电源需产生图1所示的正负交替、幅值逐步衰减的脉冲电流，电流首脉冲幅值大，电流波形（上升下降时间、超调量等）要求严格。

现有的消磁脉冲电源的电能主要来自市电或直流发电机。基于市电整流的消磁脉冲电源一方面易对局部电网造成冲击与污染，另一方面则对电网的局部容量和可靠性依赖性强；基于直流发电机的消磁脉冲电源，自成系统，对电网无污染也无依赖性，且有着易于控制等优点。但存在换向、功率密度小、体积大、造价高等缺点，而且随着所需脉冲电流的幅值不断增大，其缺点日益突出。而同步发电机有着输出功率大、功率密度大、造价低等优点，能克服直流电机的缺点，故基于同步交流发电机的消磁脉冲电源是消磁主电源的发展趋势[1]。

1 基于同步发电机不控制整流的消磁脉冲电源组成

基于交流发电机的消磁脉冲电源，可采用电机加可控整流模式，即保持发电机端电压恒定，经隔离变压器，通过控制整流设备的导通角控制输出脉冲电流的波形；也可采用电机加不控整流模式，即认为电机电枢转速不变的情况下，通过控制励磁电流的大小控制输出消磁脉冲的波形。在脉冲大电流工况下，不控整流与可控整流相比，在所达技术指标相当的情况下，有着成本低、可靠性高的显著优势。

图1 消磁脉冲电源电流波形

基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源的组成如图2所示。工作时，柴油机拖动飞轮和同步发电机至额定转速（1500 r/min），励磁装置根据接收到的控制信号和反馈信号给同步发电机提供励磁电流，控制交流发电机端电压，发电机输出的交流电经不控整流整成直流电，换向柜根据脉冲电流的方向需求将直流电输送至消磁绕组。针对消磁主电源输出电流首脉冲幅值大、所需功率大、而平均功率不大的特点，系统采用飞轮储能，可减小对柴油机容量需求，减少建设成本。

图2 基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源组成

2 励磁控制系统建模分析

图2所示的基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源廉价、可靠，但此工况的交流发电机直接带整流负载，处于不对称运行状态，如何使其端电压从几百伏到几伏连续可调、输出消磁电流波形从几千安培到几安培满足要求，对励磁电流的控制提出了新的要求。

电机扩大技术成熟、可靠性高，控制绕组多，是传统的消磁主电源励磁装置的首选。但扩大机作为特殊的直流发电机，本身时间常数大，且参数可调范围有限，并不适用于图2所示工况。研究和实践表明，针对图2所示的特殊工况，其励磁装置需采用适用于电机控制、参数可调范围大、反应迅速的基于数字控制的整流式励磁装置，得到消磁脉冲电源电气部分物理模型如图3所示。

图3 消磁脉冲电源电气部分物理模型

消磁脉冲电源交流发电机采用有刷励磁、励磁装置功率部分采用晶闸管整流，通过传感器将机端强电信号转换成弱电信号作为反馈信号，经模数转换，与给定信号比较，经数字PID调节形成控制信号控制晶闸管的开关，将三相交流电整成6脉波直流电，大小由控制信号决定，通过电刷给发电机励磁绕组供电，从而控制消磁电流波形。

虽然图3所示模型中晶闸管整流部分和不控整流部分都是离散的工作模式，但相对于消磁主电源系统的机械时间常数来说，其间隔时间可忽略，从控制的角度讲图3所示的模型可当做连续系统处理[1]。系统的储能飞轮重达数吨，再加上其它机械结构，系统有很大的惯性，工作过程中电枢转速可视为恒定：晶闸管整流部分可视为增益为k0、时间常数为T0的一阶惯性环节；发电机励磁绕组的电感为L、电阻为R；发电机电枢连同负载（包括不控整流装置和消磁绕组）可视为增益为k1、时间常数为T1的一阶惯性环节；反馈通道视为增益为k2、时间常数为T2的一阶惯性环节，则消磁主电源电气部分数学模型如图4所示。

图4 消磁脉冲电源电气部分数学模型

图4所示模型中，励磁装置的时间常数为毫秒级；交流发电机直接带整流负载，非对称工作模式，可认为它总是处于超瞬态，交流电机电枢的超瞬态电抗很小[3-6]，电枢连同负载的时间常数为0.1 s左右；反馈环节的时间常数约为数十毫秒；交流发电机励磁绕组的时间常数一般可达数秒，所以消磁主电源电气部分的惯性主要来自发电机励磁绕组，在计算PID控制环节参数时，可先不计其它各环节的影响，在不考虑PID环节的D参数时（D参数在后面考虑），得到简化的消磁脉冲电源励磁控制模型如图5所示。

图5 消磁脉冲电源励磁控制模型

3 控制参数计算

由图1可知，消磁脉冲电流最后一个脉冲的幅值很小，这就需要对发电机输出的剩磁电压进行控制。根据图6所示的同步发电机短路特性曲线和图7所示的空载特性曲线可知，要使最后一个脉冲满足要求，发电机空载剩磁电压须控制在20 V以下，而该发电机的空载剩磁电压接近100 V，故励磁装置需产生偏置电流以补偿剩磁电压。补偿后实际输出空载剩磁电压小于2 V。

图5所示模型的闭环传函为：

发电机励磁绕组的电感为L=3.7 h，R=0.92 Ω，则

综合考虑消磁主电源对消磁电流上升时间和超调量的要求[2]，取阻尼比ξ=0.707，上升时间tr=1 s，计算得kp=34.3，kI=130。实际系统中还有晶闸管整流、电枢、不控整流、反馈等各个环节的影响，所以在实际系统中kp=35.3，kI=120。

图6 发电机空载特性曲线

系统工作时，给定信号为一系列脉冲，频繁变化，输出容易出现振荡，充分利用PID环节中的D参数，采用微分先行，即把对偏差的微分改为对输出量的微分，很好地解决了给定值频繁变化带来的系统振荡。

图7 发电机短路特性曲线

4 小结

调试实践表明，励磁装置的性能决定了基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源的成败和输出脉冲电流波形的品质，最后得到消磁脉冲电源输出的单个脉冲的输出波形（2500 A）如图8所示，连续脉冲波形（首脉冲5000 A）如图9所示，达到了预期要求。通过研究发电机的励磁控制系统，实现了廉价可靠的机遇同步发电机不控整流的消磁脉冲电源。

图8 单个脉冲波形

图9 连续脉冲波形

[1] 张国友, 李志新, 张庆龙. 发电机模式的消磁主电源系统设计与实践[J]. 2012年舰艇消磁发展方向研讨会论文集, 2012.

[2] 胡寿松. 自动控制原理. 北京: 科学出版社, 2001.

[3] 许实章. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 1980, 03.

[4] 高景德, 张麟征. 电机过渡过程的基本理论及分析方法.科学出版社, 1982.

[5] 张盖凡. 带有高感性直流负载的桥式整流电路的计算.

[6] 徐松, 高景德, 郑逢时. 带整流负载同步发电机的数字仿真[J]. 电工技术学报, 1992.