【文章內容簡介】 磁裝置有刷勵磁裝置的特點是采用電刷和滑環(huán)裝置將直流勵磁電流送到發(fā)電機轉子上的勵磁繞組中。有刷勵磁裝置的優(yōu)點是發(fā)電機與勵磁裝置界限明顯，相對獨立，而且轉子勵磁電流、勵磁電壓容易取得，數值準確，檢修方便。但是，由于電刷具有較大的接觸電阻，當勵磁電流較大時發(fā)熱嚴重，甚至發(fā)生環(huán)火，燒毀滑環(huán)；電刷磨損時產生的碳粉會影響發(fā)電機絕緣，帶來安全隱患；另外，工作人員需要定時調節(jié)電刷的位置以保證電刷滑環(huán)接觸良好。無刷勵磁裝置的特點是采用了交流勵磁機和旋轉整流子結構。這種結構取代了有刷勵磁裝置中的電刷滑環(huán)裝置，大大提高了勵磁裝置的可靠性，減輕了維護工作人員的負擔，延長了裝置的工作壽命；另外，降低了發(fā)電機勵磁控制裝置的電壓等級，使其更適于在大容量發(fā)電機中使用。(3) 勵磁裝置根據調節(jié)原理不同可以分為三類[27]：按機端電壓進行調節(jié)的勵磁裝置。以發(fā)電機端電壓作為被檢測量和被控制量，它的調節(jié)作用只與發(fā)電機端電壓的偏差有關，而與產生的擾動無關，是一種閉環(huán)勵磁控制。這種勵磁裝置具有調節(jié)精度高，靜態(tài)性能好的優(yōu)點；但是調節(jié)過程震蕩比較嚴重，動態(tài)性能比較差。按負載電流進行調節(jié)的勵磁裝置，以發(fā)電機的負載電流作為被檢測量，而以發(fā)電機的端電壓作為被控制量，是一種按擾動進行超前調節(jié)的開環(huán)勵磁控制。這種勵磁調節(jié)器的調節(jié)過程是非周期性的，振蕩比較小，動態(tài)性能好；但是當發(fā)電機受到轉速、溫度等負載電流以外的干擾時，勵磁裝置沒有響應輸出，導致發(fā)電機端電壓出現偏差，因此靜態(tài)性能比較差。按發(fā)電機端電壓和負載電流進行綜合調節(jié)的勵磁裝置，結合了上述兩種調節(jié)方式的特點，它的靜態(tài)性能和動態(tài)性能都比較理想。因此，這種綜合調節(jié)勵磁裝置在船舶發(fā)電機中應用比較廣泛，其中比較典型的一種是可控相復勵勵磁裝置。 相復勵無刷勵磁裝置現在船舶同步發(fā)電機大多采用自勵式無刷勵磁裝置，采用發(fā)電機端電壓、負載電流作為勵磁電源，經過整流裝置整流成直流勵磁電源供給交流勵磁機，具有響應速度快、結構簡單可靠、成本較低等多方面優(yōu)點。常見的自勵式無刷勵磁裝置有三相諧波自勵式和相復勵式等結構，本文以相復勵無刷勵磁裝置作為研究對象。Fig. The schematic circuit diagram of phase pound excitation brushless exciting device，其中相復勵單元是其核心，主要包括移相電抗器L、電流互感器TC、復勵變壓器T和諧振電容器C等部分[31]。當發(fā)電機空載起動時，發(fā)電機勵磁繞組中的剩磁在發(fā)電機端產生剩磁電動勢。該剩磁電動勢在移相電抗器L和諧振電容C之間產生諧振，使復勵變壓器T的副邊輸出電壓升高。當復勵變壓器副邊輸出的電壓足以克服整流元件的正向壓降時，整流裝置開始向交流勵磁機輸出直流電流。交流勵磁機獲得直流勵磁電源之后便開始通過旋轉整流子向發(fā)電機勵磁繞組供電來增強勵磁磁場，形成自勵內反饋，這樣發(fā)電機電壓逐漸升高，直至達到空載電壓額定值，順利實現起勵建壓。諧振電容C增強了相復勵無刷勵磁發(fā)電機的起勵性能，省去了專門的起勵電路，使勵磁裝置更加簡單。當發(fā)電機帶負載運行時，移相電抗器L和電流互感器TC分別檢測發(fā)電機端電壓U和負載電流I信號，送到復勵變壓器T經過電磁疊加得到交流勵磁機的勵磁電源，再經過整流裝置整流送到交流勵磁機定子上的勵磁繞組，這樣交流勵磁機根據發(fā)電機端電壓和負載電流調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小。Fig. The schematic phasor diagram of phase pound excitation unit，交流勵磁機勵磁電流是由電壓分量和電流分量兩個向量合成，它的大小是由發(fā)電機的負載電流以及負載電流與發(fā)電機端電壓之間的相位夾角即功率因數角φ決定的。由此可見，相復勵無刷勵磁裝置可以根據發(fā)電機負載的變化自動調節(jié)勵磁電流的大小，將發(fā)電機的端電壓維持在一定的范圍內，是一種典型的具有擾動補償控制功能的勵磁裝置。 自動勵磁調節(jié)器不可控相復勵裝置具有優(yōu)異的動態(tài)性能，已經能夠將發(fā)電機端電壓穩(wěn)定在一定的范圍內。但是它屬于開環(huán)勵磁控制，當發(fā)電機受到小范圍的干擾時，發(fā)電機端電壓靜態(tài)性能不夠理想，穩(wěn)態(tài)電壓變化率較大。因此，在不可控相復勵基礎上加自動勵磁調節(jié)器，使之成為按發(fā)電機端電壓和負載電流進行調節(jié)的綜合勵磁裝置，可以大大提高電力系統的電壓靜態(tài)穩(wěn)定性能。，同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器包括基本控制、輔助控制和勵磁限制三大部分[32]。Fig. The functional block diagram of the excitation regulator基本控制環(huán)節(jié)通過比較發(fā)電機端電壓測量值Ut和電壓給定值UG得到電壓偏差ΔU，然后由勵磁調節(jié)單元進行計算得到勵磁調節(jié)器的控制輸出量uc，最后由uc控制發(fā)電機勵磁電流的大小，是勵磁調節(jié)器的核心功能部分。輔助控制環(huán)節(jié)是為了提高電力系統的穩(wěn)定性和自動勵磁調節(jié)器的調壓精度而附加的控制單元，如電力系統穩(wěn)定器（PSS）、勵磁機時間常數補償器（ESS）等。船舶電力系統容量較小，電能傳送距離短，受低頻振蕩的影響微弱，因此船舶發(fā)電機勵磁調節(jié)器中一般很少有設置PSS[33]。勵磁限制環(huán)節(jié)是為了提高電力系統可靠性，對同步發(fā)電機在各種極限運行狀態(tài)下的勵磁電流進行限制的控制單元，如最大勵磁電流瞬時限制（OEL）、反時限延時過勵磁電流限制、最小勵磁電流限制（UEL）等。 勵磁調差裝置同步發(fā)電機并聯運行時，它們的勵磁裝置必須能夠根據各發(fā)電機的容量比例對船舶電力系統的無功功率進行合理分配。在不可控相復勵勵磁裝置中，一般采用直流均壓線的方式，即將并聯運行發(fā)電機的相復勵直流輸出端并聯，這樣各發(fā)電機的勵磁電流相等，只要各發(fā)電機有功功率相等，它們所承擔的無功功率也等。但是當并聯的發(fā)電機容量不同時，它們的無功功率不能容量比例進行分配。采用可控相復勵勵磁裝置的發(fā)電機，由于勵磁調節(jié)器的作用，電壓靜態(tài)穩(wěn)定性能好，單機運行時基本夠實現無差運行，但是在與其他發(fā)電機并聯運行時，不能自動分配無功功率，對此人們在可控相復勵勵磁裝置中附加了勵磁調差裝置。但是采用調差裝置犧牲了發(fā)電機的靜態(tài)調壓精度，因此只有在發(fā)電機并聯運行時才投入使用。調差裝置按原理可以分為橫向電流補償和差動電流補償兩種形式[24]： 橫向電流補償調差裝置電路原理圖Fig. The schematic circuit diagram of the horizontal current pensation adjustment device 橫向電流補償調差相量原理圖Fig The schematic phasor diagram of the horizontal current pensation adjustment。發(fā)電機工作時電壓互感器PT檢測與線電壓成正比的，同時調差電路則在自動勵磁調節(jié)器的檢測端附加一個與發(fā)電機負載電流成正比的電壓信號，兩個電壓信號合成為自動勵磁調節(jié)器的電壓檢測信號。這樣自動勵磁調節(jié)器檢測的發(fā)電機端電壓虛假升高，這使發(fā)電機勵磁裝置減小勵磁電流，導致發(fā)電機端電壓下降。帶有橫向電流補償調差電路的自動勵磁調節(jié)器使發(fā)電機具有較大的調差率，這有利于發(fā)電機并聯運行時對無功負載進行調節(jié)和分配。Fig. The schematic circuit diagram of the difference current pensation adjustment device，這種調差電路附加在補償電阻R1和R2上的電流為兩臺發(fā)電機負載電流的差值，則兩臺發(fā)電機自動勵磁調節(jié)器上的附加電壓分別為： （） （）式中，URUR2為兩臺發(fā)電機自動勵磁調節(jié)器附加電壓；RR2為兩臺發(fā)電機自動勵磁調節(jié)器補償電阻；IRIR2為兩個電流互感器輸出電流。：Fig. The schematic phasor diagram of the difference current pensation adjustment，當兩臺發(fā)電機有功功率相等時，1號自動勵磁調節(jié)器附加電壓只與兩臺發(fā)電機無功電流差值有關。當1號發(fā)電機無功電流大于2號發(fā)電機無功電流時，它的自動勵磁調節(jié)器檢測的發(fā)電機端電壓虛高，磁裝置減小發(fā)電機的勵磁電流，減小其承擔的無功負載；同時，2號發(fā)電機勵磁裝置增大發(fā)電機的勵磁電流，增加其承擔的無功負載，直到兩臺發(fā)電機的無功電流相等。對于容量不同的發(fā)電機，調節(jié)補償電阻R1和R2的大小，可以保證它們并聯運行時的無功負載按容量比例進行分配。19第三章 模糊參數自適應PID勵磁控制器船舶同步發(fā)電機數字式勵磁調節(jié)器絕大多數都采用PID控制算法（如煙大渤?；疖囕喍缮习l(fā)電機的UNITROL 1000勵磁調節(jié)器采用的便是數字式PID控制方式），但是船舶電力系統的參數和結構的不確定性導致參數確定的普通PID控制器不能在系統的整個工作范圍內都保持良好的控制效果。有一些數字式勵磁調節(jié)器預設定多組PID控制參數（如巴斯勒電氣的DECS—100型勵磁調節(jié)器預設20組標準PID參數選擇）[34]，能夠在船舶電力系統運行狀態(tài)發(fā)生變化時選擇合適的控制參數組。但是這無疑加重了處理器的工作負擔，影響勵磁裝置的響應速度；另外，當參數組選擇不合適時反而會影響控制器的效果。如果數字式勵磁調節(jié)器的PID控制器具有參數自適應整定功能，能夠根據系統變化情況自動修正參數，那么船舶電力系統在各個動態(tài)過程中都將取得較好的控制效果。 數字式PID控制算法 PID控制器基本原理PID控制系統是按偏差進行調節(jié)的線性控制系統[35]，： PID控制器原理圖Fig. The schematic diagram of PID controllerPID控制系統工作時，比較系統的設定值r和控制對象實際輸出值uc得到偏差e，然后PID控制器對e分別進行比例、積分、微分計算，之后將三個量線性疊加得到控制器的輸出量uc來控制被控對象的輸出，直到偏差消失。PID的理想控制算法為： （）其傳遞函數形式為： （）式中，Kp、Ti和Td分別為比例系數、積分時間常數和微分時間常數，它們的取值對PID控制器的控制效果至關重要。比例放大環(huán)節(jié)在系統出現偏差時，立即輸出與偏差成一定比例的控制量，使系統偏差快速向減小的趨勢變化。Kp越大比例作用越強，調節(jié)作用更快，但是超過極限值系統會失去穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)可以消除系統的穩(wěn)態(tài)偏差，只要有偏差存在就一直起作用，直到偏差消失。Ti過大時，積分作用會消失；Ti過小時，積分作用過強，系統穩(wěn)定性和快速性都會下降；微分環(huán)節(jié)根據偏差變化率產生超前調節(jié)作用，能夠提高系統動態(tài)性能。Td過小微分作用微弱；過大則會破壞系統穩(wěn)定性，加劇震蕩。因此必須根據系統的運行特點對三個參數進行合適的取值才能保證控制器取得理想的控制效果。 位置式PID控制算法在數字式勵磁調節(jié)器中，PID控制器用軟件實現，這是一種采樣控制，只能根據采樣時刻電壓偏差值來計算控制量，因此必須對連續(xù)PID算法離散化[36]。以T作為采樣周期，以k作為采樣序號，那么可以用離散化的采樣時間kT來表示t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可做如下近似變換： （）為了簡明起見，可以用ek來表示e(kT)，： （）也可以寫為： （）只要采樣周期T足夠小，離散式PID算法便與連續(xù)PID算法足夠接近，能夠獲得足夠的控制精度。 增量式PID控制算法位置式PID控制算法每次輸出均與過去狀態(tài)有關，控制器運行時需要對ek進行累加，不僅使計算繁瑣還會占用大量的內存空間。另外，當計算錯誤時，uk發(fā)生較大變化，執(zhí)行器也隨之發(fā)生較大變動，影響系統的穩(wěn)定。因此采用遞推原理對上式改進可得： （）此時控制器輸出的只是控制量的增量，這種算法稱為增量式PID控制算法[36]。該算法中，控制器的輸出只與前后三次測量偏差有關，大大簡化了處理器的計算；當處理器計算錯誤時，執(zhí)行器的變化較之位置式PID算法小很多，更加可靠。 PID控制器參數自整定方法PID控制器的三個控制參數的取值非常重要，直接決定了整個控制系統的性能。PID控制器理想的控制參數應能夠保證控制系統受到干擾后控制器的超調量小、減幅振蕩次數少、過渡時間短、靜態(tài)偏差小等[37]。PID控制器的參數自整定是指控制器能夠根據控制對象的運行狀態(tài)，按照一定的性能指標或者控制規(guī)則自動地調整三個參數，以使控制系統達到上述要求。在設計控制器時，必須對控制系統充分了解才能夠保證在對PID控制器的參數進行自整定時取得良好效果。PID控制器的參數自整定方法多種多樣，根據整定方式的不同大致可將其分為系統辨識法和控制規(guī)則法兩大類[38]。 系統辨識法采用系統辨識法對PID參數在線整定適用于控制對象模型結構已知而參數未知的情況[37,38]。這種自整定方法，首先根據控制對象精確模型確定某個參數最優(yōu)化指標或者閉環(huán)期望特性，然后采用最小二乘法、遞推法等參數辨識技術對被控制對象模型的各參數進行辨識，當對象控制對象的狀態(tài)發(fā)生變化偏離期望性能指標時，自動地調整PID控制器的參數，保持控制系統穩(wěn)定在理想狀態(tài)。這種辨識參數整定方法本質上是自適應控制理論與系統辨識理論的結合[39]。： PID辨識法參數整定原理圖Fig. The schematic block diagram of PID parameters tuning basing on identification method采用辨識法整定PID參數時，需要在精確的控制系統模型基礎上制定系統性能指標，比較傳統方法有極點配置原理、幅相裕度原理和零極點相消原理等。控制理論的發(fā)展使得神經網絡、遺傳算法、群智能算法等智能控制也應用到PID參數自整定中[4042]。這些整定方法在控制系統模型基礎上制定某一性能指標，通過對系統運行狀態(tài)的分析，自動整定PID控制器的三個參數，提高控制系統的性能，因此也屬于辨識法PID自整定方法。采用辨識法對PID參數進行自整定的方式具有結構簡單、實現方便等優(yōu)點，但是需要建立準確的控制系統模型，并對反映控制系統狀態(tài)的參數進行辨識。在實際工程應用中，控制對象的精確模型很難建立，大都采用近似模型，這就影響了控制器的控制效