（轮机工程专业论文）开关型数字式船用同步发电机avr的设计与研究.pdf

摘要 自动电压调节器( a v r ) 是船舶电站必不可少的设备之一。众所周知，由 于船舶的特殊工作环境，船舶电网在工作过程中会受到许多因素的干扰，导致 船舶电网的各项性能大幅度下降，甚至导致船舶用电设备无法正常工作。传统 的模拟式a v r 由于调节性能差、调节精度低、与机舱监控系统进行实时通讯困 难等缺点，已经难以满足自动化程度越来越高的船舶的需要。新一代的基于微 型计算机控制的数字式自动电压调节系统应运而生。 本文分析了发电机端电压变化原因，在此基础上找出了维持发电机端电压 稳定的办法，并以此为理论依据，设计了基于d s p 2 8 1 2 的开关型数字式船舶同 步发电机励磁调节器。采用d s p 2 8 1 2 为主控芯片，使用交流采集法采集电网电 压和电流，通过傅罩叶分析，采用p i d 控制，输出p w m 波控制开关器件一绝 缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，得到幅值可调的励磁电压，进而达到调节发电机 端电压的目的。 本文实现了该励磁调节器的整体硬件和软件的设计，文中详细介绍了该励 磁调节器的硬件和软件的设计过程和细节，并在武汉理工大学船舶电站实验室 对设计的励磁调节器进行了部分试验验证，取得了良好的控制效果。 关键词：发电机励磁调节器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 交流采样p i d 控制f f t 算法 a b s t r a c t a v ri st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a 眄e q u i p m e n to fs h i pp o w e rs t a t i o n i ti sw e l l l ( n o 、v nt h a tp o 、e rp e r f o r m a n c eo fs h i pp o w e rs t a t i o nd e c r e a s e sd r a m a t i c a l l y ，e v e n t h ee q u i p m e n tc 锄o tw o r ks m o o t h l yb e c a u s eo ft h es p e c i a lw o r ke n v i r o n m e n ta n d t h ei n t e r f e r e n c eo fm a l l yf i a c t o r sf a c e db yn e t w o r ko fs h i d t a d i t i o n a la n a l o ge x c i t a t i o nr e g u l a t o rh a st h ef e a t l l r e so fp o o rr e g u l a t i o n p e 响r m a n c e ，r e g u l a t i o na c c u r a c va n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t he n g i n er o o m m o n i t o r i n gs y s t e ma b s e n c e ，s oi th a sb e e ne l i m i n a t e db ys h i ps y s t e mw h i c hb e a r s b e t t e ra u t o m a t i o n n e wd i g i t a la u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o rs y s t e mb a s e do n m i c m - c o m p u t e rc o n 仃o lh a sb e e nc o m eo u t i l lt l l i st h e s i s ，t 1 1 ec h a n g i n gr e a s o n so fg e n e r a t o rt e 舶1 i m lv o l t a g ew e r ed i s c u s s e d ， s ow e r et h es o l u t i o n s t h a 】1 k st ot h et h e o r y ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra v rb a s e do n d s p 2 8l2h 邪b e e nd e s i 叽e d t h i sa 、厂rw h i c hu s e dd s p 2 8l2 弱t 1 1 em a i nc o n t r o l c h i pc 硎e do u taf f ta n a l y s i so na cs 锄p l i n gr e s u l t so fn e t 、v o r kv o l t a # r ea n d e l e c t r o m cc u r r e n tt oc o n t r o ls w i t c h i n gd e v i c et t u o u g l lp w mw a r ew h i c hc o m e s 矗o m p i dc o n t r o lo ft h ea i l a l y s i sr e s u l t s b e s i d e s ，t l l ed e s i g nc h o s ei g b ta st h en e w s w i t c h i n gd e v i c e t h e o r yo ft h i sd 蜮t a la = v rs m pn e “的r kv o l t a g ea n de l e c t r o n i cc u l l r e n ts a m p l i n g a s 、v e ua st h ei m e r f 犯ea 面u s t m e n to fv ch a v eb e e ni m p r o v e db yp e i o u sg r a d u a t e d s t u d e n t s t h i sm e s i sr e a l i z e dt h ee n t i r eh a r d w a r ea i l ds o r w a r ed e s i g no ft h ea 、厂r m o r e o v e r ，m e 、 m o l ed e s i 霉皿p r o c e s sh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l p a no ft h ea v r t e s ta 1 1 dv e r i 母e x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u ts m o o t h l vi nw h u ts h i pp o w e r p l 踟1 tl a b ，a 1 1 das o u n dr e s u l th a sa l s ob e e nr e a c h e df i n a l l y k e yw o r d s ：g e n e r a t o re x c i t a t i o nr e g u l a t o r ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 ；a cs 锄p l i n g ；p i d c o n t r o l ；f f ta l g o r i t h m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 到勉日期：盈! ：! 望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孝) ：降导师c 日期冽夕小刁 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 船舶电力系统是整个船舶系统的一部分，它具有岸电系统相似功能，但相 比于岸电电网，船舶电网又有其特殊性。首先，岸电电网因为容量足够大，一 般可认为是容量无穷大系统；而船舶电网的容量相对而言要小得多，且受负载 变化的影响大。其次，岸电电网的负载由于其多样性，可近似的认为阻抗性能 是平衡的；而船舶电网的负载分为照明负载和动力负载，其中照明负载总功率 较小，动力负载多为电动机，所以船舶电网的负载总体呈现电感性。且船舶电 网负载中，某些动力负载的功率大到能和发电机容量相比较。如：船首的侧推 电动机和某些压载泵的电动机。船舶电网的这些特殊性，都使船舶电网电压更 容易受到负载的变化影响，因此，船舶同步发电机配备维持电压稳定的励磁调 节器显得尤为重要。 多年来，发电机励磁系统发展迅速。励磁方式从直流励磁机方式发展到采 用交流励磁机加静止( 或旋转) 半导体整流器的励磁方式和自励式半导体励磁 方式。励磁控制器也从传统的模拟式调节单元发展到了以微机为核心的数字式 单元。随着大功率电力电子和微机控制技术水平的提高，近年来，出现了新型 的交流变频励磁系统。励磁理论也从最初的以比例调节和p i d 控制为代表的古 典励磁控制方式，经历“a v r + p s s ”式电力系统稳定器辅助励磁控制策略，和具 有更好动态性能的线性最优励磁控制器，发展到了现在的以自适应、非线性控 制以及智能控制等理论为代表的现代控制理论n 1 。 相对于岸电电力系统励磁控制器的飞速发展，船舶同步发电机励磁调节器 的发展相对滞后，目前多数船舶仍然配备模拟式励磁调节器。究其原因，有以 下几点： 工况制约 与岸电系统中的发电机励磁调节器相比，船用发电机励磁调节器的工作在 高温、高湿、震动剧烈的恶劣环境中。这对船舶发电机励磁调节器的可靠性设 计要求更高。 负载的电感特性 武汉理t 火学硕士学位论文 如前所述，船舶电网的负载多为电感性，并且有些功率能和电网容量相比 的电感性负载，这种负载特性，决定了船舶电网较之岸电电网电压变化会更剧 烈。 价格制约 目前是广泛采用的模拟式船用励磁控制器，因其功能单一，结构简单，故 而在保证了一定可靠性的同时，还保持了低廉的价格。这也给使用各种现代控 制策略的数字式励磁控制器的推广提出了不少挑战。 近些年来，船舶工业迅猛发展，一方面船舶排水量屡创新高，另一方面船 舶自动化程度也大大提高，从理论上说已经可以实现完全无人驾驶的商船，这 些都对船舶电力系统及发电机组的励磁控制在快速性、可靠性、多功能性、功 能的可扩展性方面提出了更高的要求。如：更优的励磁调节性能，更多更灵活 的控制、限制和报警等附加功能等等。传统的模拟式船用a v r 的弊端日益显现， 如果要满足这些功能，势必使用大量的模拟器件而这会使得整个励磁调节器体 积庞大，复杂的结构也难以保证其可靠性，功能的扩展性也大大受限。很明显 模拟式励磁调节器已不能满足现代新型船舶的要求。因此，设计适用于现代船 舶高度自动化机舱控制系统的高可靠性、价格适中的数字式励磁调节器具有现 实意义和实用价值。 与模拟式励磁调节器相比，数字式励磁调节器有以下优点： ( 1 ) 、便于实现各种控制算法。由于计算机所具有的计算和逻辑判断功能， 使得数字式调节器除了可以实现传统的p i d 调节，线性最优控制和p s s 附加控 制外，还能实现自校正调节、非线性控制、自适应控制、模糊控制等高级控制 策略。 ( 2 ) 、精度更高，控制过程更优越。数字式a v r 可以通过选用1 2 位甚至1 6 位精度的a d 转换芯片和对采集的结果进行各种滤波算法，来提高采集的精度， 也可以通过优越的控制算法来提高整个控制过程的快速性、稳定性和准确性。 更可以在调试时，通过改变参数来获得最优的控制效果。通过软件实现硬件的 设计方法也大大的简化了整个装置的成本和体积。 ( 3 ) 、完备的限制、保护和报警功能。利用计算机强有力的判断和逻辑运算 能力以及多输入输出管脚，可方便的实现如强励限制、欠励限制、最大励磁电 流瞬时限制乜，等多种限制功能。 ( 4 ) 、可靠性高，无故障时间长。数字式调节器内部多是集成电路，通过软 件实现硬件的设计方法，极大的减小了硬件出故障的概率。若在设计时采用冗 2 武汉理上人学硕士学位论文 余设计，可进一步增加可靠性。 ( 5 ) 、通讯方便。可通过通讯总线和机舱监测报警系统相连，提高机舱的自 动化程度，方便维护管理和故障诊断、记录等。 ( 6 ) 、方便扩展功能和产品的更新换代。由于使用了微处理器，使得更改控 制策略或是扩展功能可以在软件上改进，硬件无需做很大的改动。 因此，研制船用数字式同步发电机励磁调节器，对于船舶自动化程度的提 高和船舶电网的稳定有重要意义。 1 2 国内外发展现状 1 9 8 5 年国内第一台数字式励磁控制器在福建池潭发电厂投入运行。该励磁 控制器由南京自动化研究所( 现国电自动化研究院) 研制而成，它以8 0 8 5 单板 机为核心，采用p i d 调节方式。随后的十几年中，国内数字式励磁控制器的研 究开发取得了丰硕的成果。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作，研 制了以p i d 控制为主，同时引入了p s s 附加控制的励磁控制器。清华大学分别 与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂研制了全数字式励磁控制器。华中科技大学 先后与东方电机股份有限公司和葛洲坝电厂能达通用电气有限公司合作，开发 了线性最优和自适应最优微机励磁控制器。此外，长江水利委员会自动化设备 研究所、武汉洪山电工技术研究所、广州电器科学研究所、河北工业大学以及 福州大学等科研生产单位也在微机励磁器的研究方面取得了一定成果n 1 。 国外的数字数励磁控制器也是在上个世纪八十年代投入工业应用。1 9 8 9 年 日本东芝公司在八户火电厂投运了双微机数字式励磁控制器；1 9 9 3 年日本三菱 公司开发了m e c 5 0 0 0 型微机励磁调节器。同一时期，德国s i m e n s 、英国g e c 和 r o l l s r o y e s 、瑞士的a 阴、奥地利的e l i n 公司也都有相应的产品投入市场。这 些公司的产品在我国的石洞口电厂、李家峡电厂、隔河沿水电站、广东大亚湾 核电厂、十三陵抽水蓄能电站都有应用。这些公司的技术雄厚，其励磁控制器 一般采用高速可编程控制器和高速微处理器为核心、整体控制板自行研制，故 而具有结构紧凑、可靠性高的优点1 。 总体比较来看，我国的数字式励磁调节器的功能强大同时控制算法也处于 世界前列，但在制造工艺以及所用元器件的可靠性方面与国外尚有不小差距。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 3 同步发电机励磁调节器的功能 1 、维持发电机端电压的稳定卧1 船舶电网不同于岸电电网，前者容量较小，不能视为无穷大电网；船用负 载多为电动机类电感性负载，并且经常起停，其中某些电动机的功率甚至能和 发电机的容量相比较。这都造成了船舶电网电压经常波动且波动大。因此，需 要船舶同步发电机的励磁调节器具有维持电网电压稳定的功能，以使船用电器 设备能在额定电压下正常工作。 2 、多台发电机并联运行时，能合理分配无功功率 当单台发电机不足以提供负载所需的足够容量时，需要多台发电机并联使 用。多机并网运行时，需要不同发电机间能够合理分配有功功率和无功功率。 有功功率的分配是通过调节发电机的原动柴油机油门来实现；而无功功率的调 节则需要调节同步发电机的励磁调节器来实现。各并联机组承担的无功功率的 大小，取决于各发电机的调差特性。通常，发电机间无功功率的分配，按照各 机组容量的大小成比例的分配。即：大容量的发电机承担更多的无功功率，小 容量的发电机承担的无功功率相对小些。当各机组容量相等时，无功功率平均 分配。 3 、提高电力系统的稳定性n 1 如前所述，船舶电网的负载由于多是电感性负载，且起停频繁，这使得船 舶电网相对于岸电电网，更容易受到扰动的影响。而发电机的励磁调节器能够 维持电网的稳定性。这个稳定性体现在静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性 三个方面。静态稳定性是指，船舶电网电压受到扰动后，自动回到原来状态的 能力。暂态稳定性是指，船舶电网受到大扰动( 如短路) 时，维持同步运行的 能力。这就要求船舶同步发电机励磁调节器具有强励能力。动态稳定性是指， 船舶电网在受到扰动后，恢复到原始平衡点( 瞬时扰动) 或过渡到新平衡点( 大 扰动) 的过程稳定性。 1 4 本课题主要工作 本课题按照中国船级社钢质海船入级与建造规范的相关要求，完成了 数字式船用同步发电机a v r 的整体设计，并对该船用同步发电机的a v r 进行了 相关的实验研究。具体内容如下： 4 武汉理j ：人学硕士学位论文 完成了数字式船用同步发电机a v r 硬件的整体设计。 完成了数字式船用同步发电机a v r 软件的整体设计。 实现了同步发电机端电压、电流的准确测量和有功功率、无功功率、功 率因数的计算。 实现了同步发电机，单机运行时的恒压控制。 完成了数字船用同步发电机a v r 的一些实验验证。 s 武汉理一 人学硕七学位论文 第2 章船舶同步发电机调压原理及要求 毋庸置疑，各种电气设备只有在额定电压下才能长时间安全、稳定、可靠 的工作。因此，电网电压保持恒定是供电质量的一个重要指标。然而，如前所 述，船舶电网的实际电压由于受到投入电网的用电设备数量变化、电网负载类 型等因素的影响会经常变动。这里先从理论出发，找出发电机机端电压变化的 根本原因，再以此为立足点，找到解决问题的方法。 2 1 发电机电压变化的原因 发电机的空载电动势为：日= 4 4 4 叼丸 ( 2 一1 ) 式中：发电机绕组匝数 厂发电机频率 缈。发电机磁通 由于发电机的电枢反应，当发电机负载发生变化( 包括负载的大小和负载 的性质) 时，会引起发电机端电压的变化。具体变化趋势可由图2 1 表达出来。 久0uf 一|f 图2 一l同步发电机电势简化矢量图 图2 1 同步发电机电势简化矢量图可由表达式2 2 解析出来， 压解析式如式2 2 所示。 u f = e q j lr x t 谨 式中： u ，发电机端电压； 6 发电机端电 ( 2 2 ) 武汉理j 二人学硕十学位论文 e 。发电机空载电势； i ，发电机定子电流； x 。发电机同步电抗。 由式2 2 可知，在发电机空载电势e 。不变的情况下，发电机定子电流i ，即 为负载电流发生变化，必然会引起发电机端电压u ，的变化。当负载增多时，负 载电流i ，变大，机端电压u ，必然减小。反之，当负载减小时，负载电流i ，减小。 机端电压u f 必然增大。 由图2 一l 可得： u f = e o c o s 盯一i f x t s i n 伊 ( 2 3 ) 式中：仃与u ，问的相角，称为功率角。 伊u ，与，间的相角，称为功率因数角。 式中功率角盯，一般较小，故c o s 仃1 ，这样式2 3 可以简化为 u f = e o i f x t s i n 缈 ( 2 4 ) 这里将i ，s i n 记为无功电流i i d ，这样式子2 4 可进一步简化为 u f = e o i i q x t ( 2 5 ) 式2 5 中，发电机同步电抗x 。为常数。显而易见，在发电机空载电压不 变的情况下，端电压u ，只和无功电流i l d 有关。于是，可得出结论：发电机端电 压变化的主要原因是电网无功电流的变化。 对于船舶电网，电站容量较小不能视为无穷大系统。加之，船舶负载多为 电动机类电感性负载，且经常起停，如果在没有电压调节器的情况下，势必造 成船舶电网电压的剧烈变化。 因此，采取措施维持发电机端电压在合适范围内势在必行。由式2 2 可知， 在负载电流变化时，若要维持发电机端电压u ，稳定，只能改变发电机的空载电 势岛，当负载电流增大时，增大相应幅度的空载电势毛；当负载电流减小时， 7 武汉理f 人学硕士学何论文 减小相应幅度的空载电势e 。 在式2 一l 中，发电机绕组的匝数一般为定值，改变发电机的频率厂和磁通 。，都可以调节发电机的电势民。但是改变原动机的频率，同时会改变发电 机输出的交流电的频率厂，而这是我们所不愿得到的。因此调节发电机电势的 最好的方法是调节磁通九。而磁通九是由励磁电流j 产生，故而当发电机定子 电流，变化时，若要保持端电压不变，只有改变发电机的励磁电流j ，的大小。 也就是要使励磁电流，随负载电流，和功率因数c o s 够的变化而变化，以补偿发 电机电枢反应的影响。同步发电机励磁电流乃是电力系统无功功率的来源，所 以，通过调整励磁电流来对同步发电机电压进行调整，实际上就是对发电机无 功功率的调整。 发电机的有功功率记为p ， p = 3 u r ，c o s 仃 ( 2 6 ) 由图2 1 可知，置，c o s 缈= & s i n 矿 ，c o s 矽= 丝s i n 仃 ( 2 7 ) 。 爿f 将式2 7 带入式2 6 ，可得 有功功率尸：3 学s i n 仃 ( 2 - 8 ) l f 由式2 8 可知，当励磁电流不变时，空载电势民不变，机端电压u 不变。 此时若增加原动机的功率，则发电机转子加速，使得转子磁场相对于合成磁场 轴线的相位差角仃增大，反之则减小。 故可得结论如下： 、若要调节发电机的有功功率只能调节原动机的输出。 、有功负载的变化引起发电机频率的变化。 、无功负载的变化引起发电机电压的变化。 2 2 发电机并联运行的无功功率分配 在船舶电网中，当一台发电机单独运行，不足以提供足够的电网容量时， 一般会起动第二台甚至是第三台发电机，使多机并联运行。并联运行的机组， 8 武汉理j 二人学硕士学位论文 需要进行无功负荷的转移和分配，依照各机组的容量按比例分配无功功率。否 则，部分机组的电流偏大，部分机组的电流偏小，这会影响并联机组运行的稳 定性，而且会在并联机组的定子问造成环流，使得机组总的定子铜损增加，效 率降低州1 。 并联机组间的无功功率的分配和调整的原理如下： 对于两台同容量同步发电机，假设1 号机已在电网运行，运行在e 。、印隋 况下，带一定的有功和无功负荷。现在2 号机投入电网运行，运行在e 。，和，下， 带有功负荷，需要把1 号机的无功功率平均分配到2 号机上。 由2 1 节的结论可知，调整发电机间无功负荷的分配，是通过调整其励磁 电流实现的。 a 岛】- b 恒功率线 d ：恒有功电流线 图2 2 无功功率调整矢量图 无功负荷的分配需维持电网电压和频率不变，即总负荷和各台发电机的原 动机的输入功率均不变。发电机电磁功率的近似表达式为： 尸：m 兰s i n p( 2 8 ) 义 式中：尸发电机发出的有功功率； ，竹一一一相数； 发电机电势； u 。电网电压； x 发电机同步电抗； p 磊与u 。夹角 由式2 8 可以看出，当尸、u 。、x ，不变时，s i n 口也必为常数。由图2 2 可见，民在c d 线上的投影不变。因此，或。和e ：二矢量的末端落在a b 直线上， 而和，：二矢量的末端必然落在c d 直线上。a b 线称为恒定功率线，c d 线称为 9 武汉理j ：人学硕士学位论文 恒有功电流线。因此，为了平衡无功负荷，必须增加2 号发电机励磁电流，同 时减小1 号机的励磁电流。由调整结果可见，适当调节两台发电机的励磁电流， 可使在电网电压和频率、电力系统有功和无功负荷以及各台发电机的有功符合 均不变的情况下，而只改变各发电机无功负荷的分配。 由上述分析可得结论： 、当只需转移和分配两台并联运行发电机问的无功负荷时，只要同时向 相反的方向调节两台发电机的励磁电流即可。 、两台发电机中的有功功率等于负载的总有功功率；两台发电机的总无 功等于负载的总无功功率。 、当电网负荷不变时，增加一台发电机的输入功率则其有功功率增加， 另一台的有功功率减小，电网频率上升。 、单独增加一台发电机的励磁电流，则其无功功率上升，另一台发电机 的无功功率减小，电网电压上升。 2 3 励磁方式的分类 同步发电机的励磁方式分为他励和自励两种。他励方式，由最初的机械式励 磁发电机已经发展到现在的半导体他励系统，这种励磁方式的励磁电源来着独 立于发电机外的系统，如励磁发电机和交流电网，这种方式的设备复杂、成本 高、体积大。自励方式的励磁电源来自发电机本身，将同步发电机的机端产生 的交流电，先经过励磁变压器转换到幅值合适的交流电，再经过整流装置将之 变换成直流电供给发电机的励磁线圈。这种方式设备简单、体积小，现在已经 得到了广泛应用，已经成为目前励磁方式中的主流心】 引。 2 4 关于起励 自并励系统的机组起动时，发电机的端电压是残压，其值一般较低，约为 额定电压的l 2 州。这样，励磁回路不能满足自励条件，发电机得不到 建立电压所需的励磁电流。为此，必须供给发电机初始励磁，即所谓起励。起 励电源一般取自直流蓄电池组或其他电源。 l o 武汉理1 ：人学硕士学位论文 图2 5自励起压特性曲线图 图2 5 中，曲线1 为同步发电机的空载特性曲线，u ，。= 厂( ，) ； 曲线2 为自励回路的理想励磁特性曲线，= 厂( u ，) ； 自励同步发电机的自励起压原理及过程如下：由于迟滞现象，在转子磁极 上留有剩磁。当柴油机起动，拖动发电机的转子转动后，发电机定子绕组将感 生剩磁电压u 。，如图2 5 所示。u 。加在自励回路上，在发电机励磁绕组中产生 励磁电流，l o 。在发电机定子绕组中产生电压u 们。砜。通过自励回路在励磁线 圈中又产生，l ；，又感生出更高的电压u o ，如此循环，构成正反馈，逐渐提 高发电机空载电压，最后达交点a 稳定，得到发电机空载额定电压u ，。 由上述分析可知，自励同步发电机要达到正常的自励起压，必须满足两个 条件： 必须有足够大的剩磁电压u 。，以使自励回路导通。 必须适当整定自励回路阻抗，使励磁特性与空载特性配合恰当，正好相 交于正常空载额定电压u ，。处。 对于自励同步发电机，上述的自励起压过程只是一种理想状况。实际上， 由于自励回路是以非线性电路，在起压过程中，其阻抗是变化的，所以使得自 励同步发电机的自励起压过程变得复杂了。 自励同步发电机的自励起压，是否一定在正常空载电压u ，。稳定下来，决定 于励磁特性曲线厶= 厂( u ，) 与空载特性曲线u ，。= 八) 是否能够稳定的交于a 点。而励磁特性曲线不仅取决于电压u ，而且取决于自励回路的阻抗的大小， 武汉理工人学硕士学位论文 如图2 2 所示。实际上，自励回路的阻抗是非线性的。在电压较低时，阻抗较 大；而当电压较高时，阻抗较小。因而，励磁特性曲线，= 厂( u ，) 是非线性的， 在开始一段较陡，而后一段较缓，如图2 2 中曲线3 所示。这样，曲线3 就会 与曲线l 有三个交点c 、b 、a 。在起压中，当达到c 点，便稳定下来了，如此， 就达不到正常的空载额定电压u ，o 。因此必须设法消去c 点和b 点。解决这个问 题有两种方法，一种是抬高曲线l ，使之变为图中的曲线4 ；另一种是降低曲线 3 ，使之变为曲线5 抬高曲线1 ，就是保证要有足够大的剩磁电压。例如可用在制造发电机时加 恒磁插片或适当加大其气隙等办法来提高剩磁电压，但这将加大发电机的尺寸。 比较简单易行的方法是外加一充磁电源e 。 通过上述分析可知：使用外加蓄电池帮助起励是一种简单而且行之有效的 方法。 1 2 武汉理：l ：人学硕士学何论文 3 1 设计目标 第3 章系统总体方案 本励磁调节器是为船舶同步发电机而设计，最终的产品需要经过中国船级 社的产品检验，因此调节器的技术指标需要符合中国船级社2 0 0 9 年发布的最新 版钢质海船入级规范。规范中规定阳町雎： ( 1 ) 由原动机驱动的交流发电机连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定 负载范围内，且其功率因数为额定值的情况下，保持其稳态电压的变化值在额 定电压2 5 以内，应急发电机可为3 5 以内。 ( 2 ) 交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的状态下， 突加和突卸6 0 额定电流及功率因数不超过o 4 ( 滞后) 的对称负载时，当电 压跌落时，其瞬态电压值应不超过额定电压的8 5 ：当电压上升时，其瞬态电 压值应不超过额定电压的1 2 0 ，而电压恢复到与最后稳定值相差3 以内所需 的时问应不超过1 5 s 。应急发电机电压恢复到与最后稳定值相差4 以内所需 的时间，可不超过5 s 。 ( 3 ) 交流发电机的空载线电压波形j 下弦性畸变率应不超过5 ，但小容量( 例 如2 4 k w ) 的发电机除外。 ( 4 ) 并联运行的各交流发电机组应能稳定运行，且当负载在总额定负载的 2 0 一1 0 0 范围内变化时，其负载分配应负荷下列规定： 各机组所承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超 过下列数值较小者：i 、最大机组额定有功功率的1 5 ii 、各个机组额定有 功功率的2 5 各机组所承担的无功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超 过下列数值较小者：i 、最大机组额定无功功率的1 0 i i 、各个机组额定无功 功率的2 5 武汉理j ：人学硕十学位论文 3 2 系统组成 abc l 厂。j 发电机励： p w m 端口 磁线圈 励磁变压器l _ ? 一t _ 厂一 u1 c 盯 + 犯嚣动一 l 一i “i 世盯 一 l 墨鎏滤辫j i h 赢_ 总线 i - 琪他机组a v 尉 图3 一l 系统原理图 本系统的原理如图3 1 所示。系统采用自并励励磁方案，即：同步发电机 励磁线圈的电源来自发电机端的交流电。系统由控制电路和主电路两大部分组 成。 在主电路中，通过励磁变压器将交流发电机端的交流电压转换到合适幅值 的交流电，再经过主回路中的整流滤波电路，将交流电转换为幅值合适的直流 电，作为发电机励磁线圈励磁电压的电源。开关器件选用集m o s f e t 和b j t ( 双极 型三极管) 优点于一身的新型开关器件i g b t 。通过调节t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 输出的p w m 波形的占空比，可以控制i g b t 开通和关断的时间，进而可以控制加在发电机励 磁线圈上的电压的大小，从而调节发电机机端电压的大小。 在控制电路中，通过电压互感器p t 和电流互感器c t 采集发电机端电压和 电流，采集的交流电压和电流分为两路。一路经过交流电压处理电路和交流电 流处理电路，得到幅值在o v 一3 3 v 的信号，输入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 端口进行采 集。在d s p 2 8 1 2 内部，经过程序的计算可以得到发电机机端实时的交流电压和 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 电流幅值的大小、功率因数，进而可以得到有功功率和无功功率。另一路经过 正弦转方波电路，转换成幅值为3 3 v 的方波信号，输入d s p 2 8 1 2 的c a p 口，通 过相应的程序，可以得到发电机机端交流电压和电流的频率。 系统采用闭环控制，单机运行时可以实现机端电压的恒值控制。多机并联 运行可自动调节机组间的无功功率分配。系统的控制采用p i d 算法，对交流电 压和电流的采样选用交流采集法。 系统内置c a n 总线。作用为：在多个机组并联使用时，用于不同机组问的 通讯，以调节不同机组问的无功功率的分配；可以和集控室中的上位机通讯。 通过上位机上的软件，可以实时的监控发电机运行的详细参数，为以后更高程 度的机舱自动化系统服务。 3 3 功率模块的设计( m o s 型和ig b t 的比较) 绝缘栅双极型晶体管简称i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ， 是一种电压驱动型的功率开关器件，它内部由双极型三极管( b j t ) 和绝缘栅型 场效应管( m o s ) 组成1 ，其等效电路如图3 2 所示。其输入极为m o s f e t ，输出 极为p n p 晶体管，兼有两种器件的优点。既具有m o s f e t 器件的高输入阻抗、驱 动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低、载流密度大的 优点。其频率特性介于m o s f e t 和功率晶体管之间，正常工作于几十k h z 频率范 围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中 功率应用中占据了主导地位。 鱼i - j 图3 2i g b t 等效电路 若在i g b t 的栅极和发射极之间加上合适幅值的正电压，则m o s f e t 导通， 这样p n p 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若i g b t 的 1 5 武汉理r 大学硕七学位论文 栅极和发射极之间电压为0 v 或负电压，则m o s f e t 截止，切断p n p 晶体管基极 电流的供给，使得晶体管截止。i g b t 与m 0 s f e t 一样也是电压控制型器件，在它 的栅极一发射极间施加十几伏的直流电压，只有微安级的漏电流流过，基本上 不消耗功率。 与可控硅励磁相比，使用i g b t 开关励磁，有诸多的优点h 3 ： i g b t 驱动电路简单 i g b t 是电压控制型器件，驱动电路设计简单。驱动电路可以用分立元件自 己搭建、可以用光电耦合器驱动、可以使用厚膜驱动电路、也可以使用专用的 集成驱动电路。目前，市面上有多种成熟的i g b t 专用驱动芯片，如i r 公司的 i r 系列芯片，三菱公司的e x b 系列芯片等等；而可控硅一般用六只脉冲变压器 传递驱动信号，设计和实现起来比较复杂。 i g b t 在功率转换过程中损耗小 在功率转换过程中，如果开关器件的功耗大，一方面，造成了能量的浪费， 另一方面，会造成开关器件的发热，严重的会直接影响开关器件的寿命和整个 产品的安全。而i g b t 与m o s f e t 相比，能量损耗明显降低，这也降低了整个设 备对散热性能的要求。 简化了同步电路 对于可控硅励磁方式，每一个可控硅的触发信号都需要和待检测的交流电 源的相位保持同步，因此需要比较复杂的同步电路。而使用i g b t 励磁，只需通 过调节控制i g b t 导通的p w m 波形的占空比，即可控制励磁电压的大小，因而省 略了复杂的同步电路。 i g b t 开关励磁系统稳定性好 在i g b t 开关励磁系统中，输出电压或输入电压及占空比d 的关系为： u 产1 3 5 u 。d 。输出电压u ，和占空比d 成正比，系统具有很好线形度，这方便 了控制系统对输出电压的控制，降低了控制系统的复杂性，有利于系统的稳定。 换相问题 在i g b t 励磁功率回路中，不存在换相的问题。而可控硅全控桥中换相问题 相对复杂，除了正常情况下的换相，还存在当负载电流大于某临界值后的换相。 i g b t 可直接应用于直流励磁机系统 由于i g b t 是自关断器件，可以直接应用于直流励磁机系统，这就为中小型 发电机组励磁改造提供理想的选择方案。而可控硅不具有自关断特性，无法应 用在直流励磁机的励磁系统中。 1 6 武汉理j ：大学硕士学位论文 所以综合比较了两种常用开关器件，采用i g b t 作为开关器件更合理。 3 4 交流信号的采样算法 对交流电压和电流的采集，有直流采集法和交流采集法。 直流采集法是将同步发电机机端的交流电压和交流电流经过整流桥整流、 电容滤波变成直流后，再经过分压电阻分压后送入d s p 的a d 端口采集。直流采 集法最终输入d s p 的直流电压大小与交流电( 电压或电流) 的幅值成正比。这 种方法简单易行，使用的元器件少，但缺点也是显而易见的。采用滤波电容后， 增大了系统的时间常数，影响了系统的动态性能。故而这种方法只适用于对动 态特性要求不高的场合，而不适合本系统这种对交流量实时性要求较高的场合。 交流采集法就是将交流电的电压或电流经变压器或互感器进行幅值变换 后，直接采集的方法。交流算法有很好的动态性能，此外可以在程序中方便的 计算交流电的频率、功率因数、有功功率、无功功率等参数，如果采用合适的 算法还能方便的计算电网中某次谐波的上述参数。目前，主流的交流采集法有 多种旧3 ，如：最大值算法、两点采样法、三点采样法、均方根算法、全波傅里叶 算法等。 对交流信号( 电压或电流) 的采集，需要满足采样定理。即：采样频率必 须大于待采集信号所含的最高次谐波频率的两倍。实际使用中，为了能有效地 还原交流量的信息，一般使采样频率为待采集信号频率的5 1 0 倍。实际测量发 现，发电机机端的交流电信号中，含有丰富的谐波，当考虑到谐波在6 次以上 的成分较低，可以忽略。系统的实际采样频率选择在6 0 0 一1 0 0 0 h z ，这样可以 保证在一个工频周期( 2 0 m s ) 内，采样1 2 2 0 个点。这既可以保证有效地还原 交流量的信息，同时能兼顾d s p 的开销。 对交流信号的采集，有同步采样和异步采样两种方法。异步采样法，就是 固定系统的采样频率，这样程序设计简单，但会因为交流信号在频率变化时， 不能有效地采集到交流信号的有效信息。同步采样法，是先测得交流信号实际 的频率，再根据实际的频率计算出当前需要的采集频率。显然同步采样法能有 效地解决异步采样的缺陷。 其他交流采集法相比，全波傅里叶算法可以有效地滤掉电网中的直流分量 和谐波分量，降低干扰。也可以通过修改算法中的相关参数，来测量电网中的 某次谐波的参数。本系统采用这种傅里叶算法。 1 7 武汉理工人学硕：卜学位论文 设厂g ) 是周期为2f 的周期函数，将之展丌成傅罩叶三角级数如下： 厂g ) = 等+ ( 口l c 。s 詈x 岫s t n 手x + ( 口：c 。s 等x + s ；n 等x + + ( c 。s 等x + 以s ；n 等刁 其中：口。= 三f ：，厂g ) 出 f 。 口。= 三f = f g ) c o s 竺础 f 。f 6 村= 三仁g ) s i n 竺砒 f 。f 本系统的周期函数厂g ) 为正弦函数，“o ) = s i n 等，。即：f = 等。 将之带入( 式3 1 ) 、( 式3 2 ) 、( 式3 3 ) 、( 式3 4 ) 中得到： = o 铲；u o ) c 础 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 驴手，写2 u n ，z 彩砌， n 取不同的值对应于不同的n 次谐波分量。这里只考虑基波分量，令n = l 。得到 铲；写：u m s 砒 ”手，第2 u n 砌 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 设一个周期采集n 个点，对式子3 5 和式3 6 ，进行离散化，得到： 铲号鼽s 试c k 争， 7 ) 1 8 武汉理l 人学硕七学位论文 6 l - 专荟吣o s 僻专) ( 3 - 8 ) 上式中u 岸是一个周期中第k 个采样点的值。则，基波的幅值为：u = ：孑了虿 本系统中在实际采集时，一个周期采集1 6 个点。将n = 1 6 带入( 式3 7 ) 和( 式 3 8 ) 中，得到： 实眠邓= 号弘妣c k 争言弘s i n c 喀， = 引u 也也+ 一砺也) s i 嗉们+ 玩也也) s i 嗉怕+ 弘也也) s i 毒i 虚觏- 6 l = 专缸c o s c k 争吉弘c o s c 喀， = 刮一+ “+ 鸥一毗) c o 唔们+ 眈也也) c o 唔们+ 配也也) c o 毒 3 5 中央控制芯片的选型 系统的中央控制芯片是整个励磁调节器的心脏，其性能的好坏直接关系到 整个励磁调节器硬件和软件的复杂程度，以及励磁调节器的性能和成本造价。 中央控制芯片有多种选择，如5 1 系列单片机、4 3 0 系列的单片机和a r m 核的4 7 0 单片机、以及各种d s p 芯片。若选用5 1 系列芯片，虽然价格低廉，但其内部资 源有限，需要扩展很多外围芯片，这不仅增加了硬件设计的复杂性，大量的器 件也降低了系统的稳定性。况且众多的外围芯片也使得整机造价不菲。若使用 增强型5 1 芯片，虽然由于其内部资源的增加，无需扩展太多的器件，但是其价 格同样不低于某些d s p 芯片，而与这些d s p 芯片相比，其运算速度却是无法相 提并论。4 3 0 系列单片机的在超低功耗上有其独特的优势，但是其价格同样不低， 且运算速度与d s p 芯片相比，仍然逊色不少。4 7 0 系列单片机原为汽车行业设计， 故而在适应恶劣工作环境方面有其特有的优势。但是综合比较价格、性能、运 算速度、内部资源与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的d s p 芯片相比仍然有差距。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国t i 公司推出的，测控应用最好的定点d s p 芯片。在t i 公司系列的芯片中，c 2 0 x 多用于通讯设备、嵌入式家电产品和数码相机等；c 2 4 x 1 9 武汉理r 大学硕十学位论文 主要用于马达的数字式控制、电机的数字式控制、电力系统转换和工业自动化 等。而c 2 8 x 系列3 2 位定点d s p 芯片是2 系列中的新贵，它继承了c 2 4 x 的所有 优点，且在接口能力和嵌入功能方面进一步加强，使得在数字信号处理器领域 有更加广泛的应用。它内嵌两个事件管理器，使其具有强大的事件管理能力， 同时在数字信号处理方面也有很强的能力。这使得c 2 8 x 系列芯片在需要处理大 量数据的工业测控场合，如：电机、马达的工业控制、电力电子行业、智能仪 表和一些工业自动化控制场合有其独特的优势“幻n 钉1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的主要片内资源见表3 一1 表3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1