【正文】 立了勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，運用工程設(shè)計法設(shè)計出閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。因此，保證勵磁系統(tǒng)安全、可靠的工作是十分重要的。遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 I 頁同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著電力行業(yè)不斷發(fā)展和機組單機容量的增大，對機組的要求是越來越高，不僅僅是機組的可用率、運行效率和安全性，對機組的可靠性與經(jīng)濟性也提出了更高的要求。勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機的核心控制系統(tǒng)，它的運行狀態(tài)直接影響發(fā)電機運行可靠性與經(jīng)濟性。對勵磁系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測與診斷不僅能夠提高設(shè)備維護的經(jīng)濟性，還能顯著提高系統(tǒng)的可靠性。組建了同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)調(diào)試。然后分析了同步發(fā)電機自勵勵磁系統(tǒng)的不足,提出一種新型斬波控制勵磁系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了本文提出控制方案的可行性,為勵磁改造和優(yōu)化提供了一定的理論指導意義。 soaring curve。對于系統(tǒng)的建模、計算、仿真受到了許多學者和專家的關(guān)注。隨著新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，發(fā)電機的勵磁方式逐漸發(fā)展并得以完善。采用微機計算機用軟件實現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置已經(jīng)成為主流趨勢，并且有其顯著優(yōu)點。同步發(fā)電機能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換為交流電能。這種傳統(tǒng)的勵磁方式，是通過整流子進行交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程，并且向勵磁繞組提供勵磁電流只能通過整流子的銅環(huán)和炭刷。為了改進這種勵磁方式，過去主要發(fā)展了帶靜止硅整流器的自勵恒壓的同步發(fā)電機，但這種發(fā)電機依然存在炭刷和滑環(huán)，并且產(chǎn)生無線電磁干擾，仍需要經(jīng)常維護，沒能從根本上解決存在的問題。日常所述的勵磁系統(tǒng)都是對大型發(fā)電機組而言的。因此，本設(shè)計所用的系統(tǒng)采用勵磁電流閉環(huán)控制，即在當負載發(fā)生變化時，通過斬控電路調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，確保機端電壓的恒定。本系統(tǒng)在設(shè)計之初，考慮到可實現(xiàn)性及可靠性，控制策略采用 PID 控制，功率器件采用全控型器件 IGBT，主電路為電網(wǎng)經(jīng)自耦器和三相不控整流橋及 IGBT 給發(fā)電機勵磁繞組供電。遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 勵磁系統(tǒng)概述 同步發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是勵磁功率單元，它向同步發(fā)電機勵磁繞組提供可調(diào)的直流勵磁電流；另一部分是勵磁調(diào)節(jié)器，它根據(jù)系統(tǒng)的運行情況及性能要求，自動調(diào)節(jié)勵磁電流。 直流勵磁機系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，一般由同步發(fā)電機同軸的直流發(fā)電機提供勵磁電流，即所謂的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。 他勵交流勵磁機系統(tǒng)隨著大功率半導體器件制造工藝的成熟與完善，勵磁功率單元可采用交流發(fā)電機和半導體整流元件組成新的交流勵磁系統(tǒng)。整流器件可根據(jù)不同需求采用二極管或可控硅，整流器既可旋轉(zhuǎn)也可靜止。與其他勵磁方式相比，靜止勵磁系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如勵磁系統(tǒng)接線較為容易、設(shè)備構(gòu)成較為簡單、無轉(zhuǎn)動部分、維護費用小、可縮短發(fā)電機主軸長度、可靠性高。靜止自并勵勵磁系統(tǒng)尤其適用于系統(tǒng)內(nèi)有升壓變壓器的單元中，主電路的接線方式是將勵磁變壓器接在發(fā)電機的出口端，由于發(fā)電機引出線是封閉總線。但在電動機組起動時機端存在殘壓，故會產(chǎn)生起勵問題。本文采用勵磁變壓器接至電網(wǎng)的靜止自并勵勵磁方式，如圖 所示。（2）狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不僅要求對勵磁系統(tǒng)進行實時的監(jiān)測，判斷其穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行情況，還要能能預(yù)測故障并對可能出現(xiàn)的故障進行精確的定位。（4）勵磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不僅要考慮自身的原因，還應(yīng)結(jié)合機組的其他部件統(tǒng)一對機組可能出現(xiàn)的問題進行分析。機理法建模又稱數(shù)學分析法建模，通過研究過程的運動規(guī)律，經(jīng)過分析研究，建立起相應(yīng)的數(shù)學表達式(數(shù)學模型)。在設(shè)計白匣子階段就可以建立數(shù)學模型，這對新系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)具有重要意義，也是機理建模法的優(yōu)勢之一。對于一些簡單的生產(chǎn)過程（系統(tǒng)）或?qū)ο?，通過對其工作機理的分析，應(yīng)用一些已知的定律、原理，如能量守恒定律、基爾霍夫定律、材料力學原理等，經(jīng)過推演和簡化建立起能夠描述過程動態(tài)性的基本方程式，從而確定過程（系統(tǒng)）輸出量、輸入量和其他變量（參數(shù)）間的關(guān)系。一般情況下，機理推導出的代數(shù)、微分方程往往比較復(fù)雜，此時就要作一些假設(shè)和簡化以獲得實用的數(shù)學模型。（5）在滿足控制理論的前提下，對模型進行檢驗，必要時還需對模型進行線性化表示。此類數(shù)學模型中的參數(shù)沒有現(xiàn)實的物理意義，但是它能很精確地表示出系統(tǒng)的動遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁態(tài)性質(zhì)。用實驗法測定被控對象的動態(tài)性能，在被控對象上施加不同形式的擾動信號，再以時域、頻域和相關(guān)分析法進行進一步地分析整理。為了獲得數(shù)學模型，可輸入階躍、脈沖、斜坡等信號，測試系統(tǒng)的響應(yīng)，得到相關(guān)信號的響應(yīng)圖像，進行合理的數(shù)據(jù)處理，獲得準確的模型。飛升曲線能直觀地描述出系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此可參照響應(yīng)曲線經(jīng)過數(shù)學計算整合成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。與此同時，記錄下輸入/輸出變量的動態(tài)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該曲線求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。大多數(shù)系統(tǒng)的動態(tài)性是不振蕩的，具有一定的自平衡能力。即 （）00()1KWsT?? （）00()sse?? （）??0012()KsTs?? （）0012()sWse??遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 對于少數(shù)無自平衡能力的系統(tǒng)，可用以下環(huán)節(jié)來近似描述。 如圖 所示，當階躍響應(yīng)曲線 產(chǎn)生階躍的瞬間，即 時，其曲線斜率為最??xt t?大，然后逐漸減少，直至達到穩(wěn)態(tài)值 ，則響應(yīng)曲線可以用式（）的一階慣性y?環(huán)節(jié)來描述，因而只需確定 、 即可。??y?0KT1）放大系數(shù) 階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值 與階躍信號幅值 之比，即0 ??y?0x遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 ()??0yKx?? 2）時間常數(shù) 先求相對階躍響應(yīng)曲線值，即階躍響應(yīng)曲線值 除以穩(wěn)態(tài)值0T ??yt為所求??y? ()??ytt??? 根據(jù)一階系統(tǒng)的特征可知 ()??01tTyte??? 將式（）移項整理，可得 ()??01tIny??????為了簡化計算，在該曲線上選擇 ， ， ????????點，按上式計算 ()??? ()0 ?? ()??330 ?在相對曲線上找 ， 所對應(yīng)的時間 ，既得時間常數(shù) ，23t01Tt?， 。??29Vy???將勵磁控制系統(tǒng)簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，為 。AfHZ 在實驗過程中突加的給定勵磁電壓為額定值，所以根據(jù)式 28 得出，勵磁控制系統(tǒng)的放大系數(shù) ，根據(jù)過度時間為 3~5 倍的 ，現(xiàn)選 4 倍的 ?0T0T系統(tǒng)的時間常數(shù)為 。PID 勵磁控制器各環(huán)節(jié)的工作過程大致為：比例環(huán)節(jié)放大機端電壓的偏差值，偏差量一旦產(chǎn)生，控制器立即進行控制，使偏差穩(wěn)定至零，以保持機端電壓的恒定。但是積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，通常選取一個比較合適的積分時間常數(shù)來進行調(diào)節(jié)。PID 勵磁控制原理圖如圖 。PID 控制規(guī)律 [4]可用下列微分方程表示： （）1()()()p DdetyKetetTT?? ????? ?? ??式中 —PID 調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)的放大系數(shù)p —PID 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)T?遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 —PID 調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)DTPID 調(diào)節(jié)器的輸出電壓 U 由比例積分微分環(huán)節(jié)疊加而成。T? PID 調(diào)節(jié)器各參數(shù)與控制性能之間的關(guān)系：（1）比例調(diào)節(jié)系數(shù) 對系統(tǒng)性能的影響。對動態(tài)特性的影響：比例控制 加大，會使系統(tǒng)的動作靈敏、PK響應(yīng)速度快。若 太小，又會使系統(tǒng)的響應(yīng)緩慢。對穩(wěn)態(tài)特性的影響：積分控制能對系統(tǒng)IT的穩(wěn)態(tài)誤差進行有效的抑制，提高系統(tǒng)的控制精度。對動態(tài)特性的影響：積分時間常數(shù) 偏小，積分作用較強，振蕩次數(shù)較多，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。I (3)微分時間常數(shù) 對控制性能的影響。對動態(tài)性能的影響：微分時間常數(shù) 的增加，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，如：減D少超調(diào)量，縮短上升時間等。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 在工程設(shè)計中調(diào)節(jié)器的設(shè)計須滿足生產(chǎn)過程的要求。設(shè)計之前，都應(yīng)先求出該閉環(huán)系統(tǒng)的初始開環(huán)對數(shù)頻率特性，再根據(jù)實際要求的性能指標確定校正后系統(tǒng)的頻率特性 ，經(jīng)過反復(fù)試湊，才能確定其結(jié)構(gòu)并計算各項參數(shù)。 現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部都是由慣性很小的電子設(shè)備構(gòu)成的（電機除遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁外） 。如果對典型系統(tǒng)有了充分的認識，運用它們的頻率特性進行合理化判斷，掌握它們的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)，總結(jié)成公式或圖表，則在設(shè)計時，只要參照實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)來校正或簡化成為典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算。 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計法 [5]應(yīng)遵循的原則是：設(shè)計概念清晰、易懂，給出簡明的計算公式，指出參數(shù)調(diào)整的范圍，考慮到飽和非線性控制的情況，必要時也需給出計算公式。如果對動態(tài)性能的精度比較高，可參考“模型系統(tǒng)法” 。 工程設(shè)計方法的基本思路工程設(shè)計法通常把復(fù)雜問題簡單化，簡化的基本思路需使調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程滿足兩個條件：（1）在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，明確調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計要求的穩(wěn)態(tài)精度。在選擇調(diào)節(jié)器時，通常采用近似的典型系統(tǒng)，由于典型系統(tǒng)各項參數(shù)指標都已事先找到，選擇參數(shù)時只須套用現(xiàn)成的公式和數(shù)據(jù)就可以達到設(shè)計目的，提升了設(shè)計工作的效率。選擇它作為典型的 I 型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且波特圖的中頻段以20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。c1T??Ⅰ型系統(tǒng)的性能指標和參數(shù)之間的關(guān)系 由于本文主要討論的是直流調(diào)速,因此對于自動控制中的復(fù)雜推導過程限于篇幅不詳細推導,這里只給出推導出的結(jié)論,能用于實際工程中設(shè)計。表 典型Ⅰ型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系表KT 遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁阻尼比 ? 超調(diào)量 %?0 % % % % %截止頻率 c?TTTTTT相角裕量 ()c?176。 176。 176。 典型Ⅰ型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系只考慮擾動信號，令輸入作用等于零，由自動控制基本理論可得抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系如表 所示。由于分母中 項對應(yīng)的相頻特性是 ，后面還有一個20dBec0dB2s?180慣性環(huán)節(jié)（這往往也是實際系統(tǒng)中必定有的） ，如果不在分子上添加一個比例微分環(huán)節(jié)，就無法把相頻特性抬到 線以上，也就不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 ??? 3．典型Ⅱ型系統(tǒng)的性能指標和參數(shù)之間的關(guān)系直接給出結(jié)論，分別如表 和表 所示；表 典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系h 3 4 5 6 7 8 9 10%?%%% % % % % %rtT 遼寧科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁5?3 2 2 1 1 1 1 1 典型Ⅱ型系統(tǒng)跟隨指標與參數(shù)關(guān)系表 中 h 是斜率為20dB/dec 的中頻段的寬度，稱中頻寬。 rtst? 表 典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾指標與參數(shù)關(guān)系h 3 4 5 6 7 8 9 10△Cmax / Z% % % % % % % %mtT 典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾指標與參數(shù)關(guān)系表 中 h 是中頻寬，T 為對象固有時間常數(shù)，、 分別為擾動點前后的增益，F(xiàn) 為階躍擾動。mtftT 勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計