某型無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)實(shí)現(xiàn)"高起始響應(yīng)"方法探討

引言

某電廠發(fā)電機(jī)采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng),配備的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)自身采用靜態(tài)勵(lì)磁,勵(lì)磁電流取自發(fā)電機(jī)機(jī)端,通過(guò)勵(lì)磁變壓器降壓后經(jīng)可控硅整流供給,勵(lì)磁機(jī)自身的勵(lì)磁容量較小。

上述無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)較大,電壓響應(yīng)時(shí)間無(wú)法滿足“高起始響應(yīng)"的要求。

1“高起始響應(yīng)"無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的要求

根據(jù)國(guó)標(biāo)《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)定義》(GB/T7409.1一2008)的定義,發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)荷運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速下,突然改變電壓測(cè)量值,勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出端電壓達(dá)到頂值電壓與額定磁場(chǎng)電壓之差的95%所需的時(shí)間,稱為勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間。電壓響應(yīng)時(shí)間小于或等于0.1s的勵(lì)磁系統(tǒng)被稱為“高起始響應(yīng)"勵(lì)磁系統(tǒng)。

采用技術(shù)手段補(bǔ)償無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù),從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)電壓的快速響應(yīng),即可得到“高起始響應(yīng)"無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

2無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電壓響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算

某型無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的電氣原理圖如圖1所示。

圖1  某型無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電氣原理圖

根據(jù)RL電路全響應(yīng)理論,勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組在額定勵(lì)磁電壓ufN運(yùn)行時(shí),突加強(qiáng)勵(lì)電壓ufp,勵(lì)磁電流if呈指數(shù)規(guī)律變化:

式中,ifN為勵(lì)磁機(jī)額定勵(lì)磁電流:ifp為強(qiáng)勵(lì)工況勵(lì)磁電流:p為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù):T為勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)。

式中,N為勵(lì)磁繞組匝數(shù):R為勵(lì)磁繞組電阻:小N為額定工況主磁通:小p為強(qiáng)勵(lì)工況主磁通。

根據(jù)電壓響應(yīng)時(shí)間的定義和勵(lì)磁電流表達(dá)式可求得勵(lì)磁機(jī)電壓響應(yīng)時(shí)間t1:

則:

可見(jiàn),勵(lì)磁機(jī)電壓響應(yīng)時(shí)間l1僅與勵(lì)磁機(jī)負(fù)載時(shí)間常數(shù)T相關(guān),而T則與勵(lì)磁繞組匝數(shù)N、勵(lì)磁回路電阻R、強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)p相關(guān)。

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓響應(yīng)時(shí)間:

3“高起始響應(yīng)"的實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)“高起始響應(yīng)"無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的定義,勵(lì)磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于0.1s。在靜態(tài)勵(lì)磁響應(yīng)時(shí)間t2一定時(shí)(假定為0.02s),通過(guò)減小勵(lì)磁機(jī)電壓響應(yīng)時(shí)間l1才能實(shí)現(xiàn)“高起始響應(yīng)"要求,而要減小t1至0.08s以內(nèi),只能減小勵(lì)磁機(jī)負(fù)載時(shí)間常數(shù)T。

某型無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

3.1勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻

根據(jù)勵(lì)磁機(jī)負(fù)載時(shí)間常數(shù)T計(jì)算方法可知,T與回路電阻R成反比,負(fù)載時(shí)間常數(shù)由0.160s減小到0.0267s,電阻R應(yīng)增加到:

勵(lì)磁回路應(yīng)串聯(lián)電阻:

串聯(lián)電阻R1的功率損耗:

串聯(lián)電阻的設(shè)計(jì)需要大幅提高靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的容量,同時(shí),串聯(lián)電阻自身的散熱問(wèn)題也很難解決。

3.2時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償

根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理,在慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)硬負(fù)反饋環(huán)節(jié),可提高慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度。當(dāng)并聯(lián)負(fù)反饋后,勵(lì)磁機(jī)仍然為一慣性環(huán)節(jié),但等效的時(shí)間常數(shù)和增益卻可以得到降低,該方法存在補(bǔ)償回路易飽和的問(wèn)題。

3.3提高頂值電壓倍數(shù)

采用該方法的基本原理是,在相同時(shí)間條件下,若在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上施加不同倍數(shù)的強(qiáng)勵(lì)電壓,則可得到不同的勵(lì)磁電流上升速度,勵(lì)磁電壓越高,其勵(lì)磁電流上升速度越快。

圖2表示了在不同的頂值電壓下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的上升曲線。勵(lì)磁機(jī)在時(shí)刻t0開(kāi)始強(qiáng)勵(lì),可見(jiàn)頂值電壓越高,到達(dá)頂值電流ifc需要的時(shí)間越短。

為了使勵(lì)磁電流能夠在0.1s內(nèi)到達(dá)頂值電流ifc,被迫將頂值電流設(shè)計(jì)成了ifc3,大于ifc的部分是不需要的,也是不允許出現(xiàn)的,這就要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的瞬時(shí)電流限制器在勵(lì)磁電流到達(dá)頂值電流ifc時(shí),瞬間將頂值電壓降下來(lái),能夠維持頂值電流ifc就行。

對(duì)本文研究的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行計(jì)算,若將電壓調(diào)節(jié)器頂值電壓倍數(shù)設(shè)計(jì)為10,勵(lì)磁機(jī)負(fù)載時(shí)間常數(shù)T=0.022s,即能滿足上述"高起始響應(yīng)"要求。

4結(jié)語(yǔ)

在無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)自身設(shè)計(jì)無(wú)法滿足"高起始響應(yīng)"要求的情況下,理論上可通過(guò)在勵(lì)磁繞組回路串聯(lián)電阻、并聯(lián)硬負(fù)反饋進(jìn)行時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償或提高頂值電壓倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的"高起始響應(yīng)"。勵(lì)磁繞組回路串聯(lián)電阻的方式需要大幅提高靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的容量,并且很難解決串聯(lián)電阻自身的散熱問(wèn)題。并聯(lián)硬負(fù)反饋進(jìn)行時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償?shù)姆绞綗o(wú)法解決勵(lì)磁系統(tǒng)存在大擾動(dòng)時(shí)的快速響應(yīng)問(wèn)題。

提高頂值電壓倍數(shù),同時(shí)對(duì)頂值電流加以限制的方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)"高起始響應(yīng)",該方法需要提高配套靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的容量,這就要求勵(lì)磁機(jī)自身的勵(lì)磁電壓應(yīng)設(shè)計(jì)得盡量小,同時(shí)也要求靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)嚴(yán)格限制輸出電流,防止勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組過(guò)流損壞。勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要注意磁極繞組絕緣方式,保證能承受強(qiáng)勵(lì)時(shí)電壓調(diào)節(jié)器施加的頂值電壓。