引言

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

上述無刷勵磁機(jī)的時間常數(shù)較大,電壓響應(yīng)時間無法滿足“高起始響應(yīng)"的要求。

1“高起始響應(yīng)"無刷勵磁系統(tǒng)的要求

根據(jù)國標(biāo)《同步電機(jī)勵磁系統(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,突然改變電壓測量值,勵磁系統(tǒng)的輸出端電壓達(dá)到頂值電壓與額定磁場電壓之差的95%所需的時間,稱為勵磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時間。電壓響應(yīng)時間小于或等于0.1s的勵磁系統(tǒng)被稱為“高起始響應(yīng)"勵磁系統(tǒng)。

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

2無刷勵磁機(jī)電壓響應(yīng)時間的計(jì)算

某型無刷勵磁機(jī)的電氣原理圖如圖1所示。

圖1  某型無刷勵磁機(jī)電氣原理圖

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

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

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

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

則:

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

無刷勵磁系統(tǒng)的電壓響應(yīng)時間:

3“高起始響應(yīng)"的實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)“高起始響應(yīng)"無刷勵磁系統(tǒng)的定義,勵磁系統(tǒng)電壓響應(yīng)時間應(yīng)小于0.1s。在靜態(tài)勵磁響應(yīng)時間t2一定時(假定為0.02s),通過減小勵磁機(jī)電壓響應(yīng)時間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),只能減小勵磁機(jī)負(fù)載時間常數(shù)T。

某型無刷勵磁機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

3.1勵磁回路串聯(lián)電阻

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

勵磁回路應(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)勵磁系統(tǒng)的容量,同時,串聯(lián)電阻自身的散熱問題也很難解決。

3.2時間常數(shù)補(bǔ)償

根據(jù)自動調(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,勵磁機(jī)仍然為一慣性環(huán)節(jié),但等效的時間常數(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,在相同時間條件下,若在勵磁機(jī)勵磁繞組上施加不同倍數(shù)的強(qiáng)勵電壓,則可得到不同的勵磁電流上升速度,勵磁電壓越高,其勵磁電流上升速度越快。

圖2表示了在不同的頂值電壓下勵磁機(jī)勵磁電流的上升曲線。勵磁機(jī)在時刻t0開始強(qiáng)勵,可見頂值電壓越高,到達(dá)頂值電流ifc需要的時間越短。

為了使勵磁電流能夠在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,這就要求勵磁調(diào)節(jié)器中的瞬時電流限制器在勵磁電流到達(dá)頂值電流ifc時,瞬間將頂值電壓降下來,能夠維持頂值電流ifc就行。

對本文研究的無刷勵磁機(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,勵磁機(jī)負(fù)載時間常數(shù)T=0.022s,即能滿足上述"高起始響應(yīng)"要求。

4結(jié)語

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

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