同步发电机励磁控制系统的分析与校正.docx
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同步发电机励磁控制系统的分析与校正
同步发电机励磁控制系统的分析与校正
设计的4个步骤:
建模,分析,校正(传递函数设计,校正电路设计),校核
一.励磁控制系统数学模型
励磁控制系统=同步发电机+控制器+励磁系统(交流励磁机)
ME
VSimf
S
SE
G
V
iGf
图1励磁控制系统结构
解析法建模
1.同步发电机
■
if—
同步发电机
空载特性曲线
在额定转速下,发电机空载时,忽略铁心饱和的影响,近似记为Ug=f(if)由气隙特性决定,即
I
UGkGif
(1)
式
(1)中,kGUGn,if0—空载励磁电流
if0
11/Rf
IfUGf-UGf
RfLfS1TdoS
(2)
Lf
UG
kG/Rf
ITdOSUGf
1TdOS
Gf
式
(2)中,TdO=R^—励磁绕组在定子绕组开路条件下的时间常数。
由式
(1)、
(2)得发电机机端电压与励磁电压的动态关系
因RfUGfO,ifO,UGfO空载励磁电压
故
■
UGnif0UGn
kg=
if0UGfOUGfO
(发电机参数:
取T
do=10.42s,UGn=18000V,UGfO=177V)
2・主交流励磁机和三相整流桥
同步发电机空载时,交流励磁机的负载较轻,可以忽略主励磁机
铁心饱和的影响。
类似于UG与UGf的关系,可得主励磁机机端电压Um
与其励磁电压
Umf之关系
Um
kE
+Umf
1TmfOS
式中kE
Umn
Umfo
UGf
1.35U
三相整流桥可看作比例环节
不计负载效应,将主励磁机和整流桥合并,得
UGf=二Umf
1TmfoS
式中kE=1∙35kE
发电机空载时
(励磁机参数:
Tmf0=2,Umrl=800V,UmfO=75V
UmfO=Ugfo/kE=12.29)
3■三相全控桥和移相触发电路
对三相全控桥
Umf=1.35uscos
200V)
对余弦移相触发电路
UC
arccos—UC
arccos'
UCksy
US
2Us
ksy
式中UC——控制电压,USy——同步电压有效值,ksy——同步变压器变比(取13)。
综上可有
Umf=I∙35Ucksy八2
UmfkUC
式中k=1.35ksy八2
4、串联校正单元
UJGC(S)UP
式中GC(S)——串联校正环节传递函数。
校正前取GC(S)=I
TV
TS
VZ
TLWRRR
UG卄
Ug
5•测量单元
图2电压测量环节
UWR
11
kVZkWRUG~kRUG
式中
(KTV
UgGAI(S)UWR
GAI(S)低通滤波器传递函数。
18W0=18O••100
100
在上图中,
KTS=
运放A1
205,KVZ=1∙35,KWR
的注入电流
1
0.373)
IS(S)=-
R
UWR
1
RdlD
C1s
反馈电流
由IS(S)If(S)0
C1S
1
尺CiS
If(S)
可得
R2C1S2RUWR
1
U
WR
1C1S1
2
Rλ
Ug
RlCIS
2
Rz∕2R1
UWR
1
-UWR
TrS1
其中
TRQ
TRnr
k"R
R2/2R(可取
1)
忽略负载效应,机端电压测量环节的传递函数为
式中
Ir=I^IxHkRkRkR
Ug
^kTRSUG
6•综合单元
R4
R3
Z
图3比较放大环节
式中
Kp=R4R3O
7、系统模型框图
忽略各单元之间的负载效应,可得全系统的模型框图:
为分析方便,可化为标幺增益的形式。
以各环节额定空载情况下
输入输出变量稳态数值为基准,可求得各环节的标幺增益传递函数
例如,
对发电机环节
kG
1TdoS
Gf
可有
Ug/U
GfO
/U
Gn
Gn
1TdOS
Gf
/u
Gf0
UGn
uGfO
1TdOS
Gf
类似有
UGf*'Umf*
1TmfOS
1
Ug「
ug*
1TRS
设GC(S)的稳态增益等于
1,则Upo
Uco,由本题目数据计算,得
kP
Ugo
Upo
kP
Ugo
Uco
kP
(当发电机空载运行时,UmfO
Ug^Ugr。
=UGn*kRTOV)
Ugr*
Ugfo
Ugr
Ugo
12∙29,Up=Umfo
0.99V,
UCo
图中,kp*
^kp=10∙1kp为系统标幺开环增益。
系统标幺增益模型为:
如近似认为测量环节Tr=0,即得到单位反馈系统形式的模型框图。
分析、校正可采用三种不同形式的系统模型:
(1)基本系统模型
(2)标幺增益系统模型
(3)单位反馈模型
1、系统性能指标
系统性能指标:
(1)稳态性能指标:
自然调差率
(%)=UGOUGr100=0.5
UGQ
式中,Ugq为发电机的空载电压,UGr为发电机带额定无功功率负荷时的端电压。
(2)暂态性能指标:
时域性能指标:
同步发电机空载建立额定电压(单位阶跃响应)的最大超调量二%15,调节时间ts(5%厂5s。
对应的频域性能指标:
增益裕量kgIOdB,相位裕量60。
三、校正前系统分析
1.开环放大倍数
Kp*
为满足稳态性能要求,系统开环放大倍数为
Kp*=xd*=1.10.005=220
2.校正前系统分析
以采用单位反馈模型为例。
取KP「220,GC(SP1。
校正前系统的开环传递函数为
GO(S)=
P*
(VTdOS)(1+TmfOS)(1+TrS)
绘制伯德图进行分析,得:
幅值裕量
Kg=7.483dBIOdB
Y=6.06J60
C=3.224r2aCS
相位裕量
剪切频率
上机仿真计算单位阶跃响应,得
最大超调量二%82.0915
5%误差调节时间t^17.6秒5秒
可知校正前系统不满足设计指标要求。
四、系统校正
1校正电路
米用串联滞后一超前校正环节。
一种校正电路为:
滞后环节超前环节
其传递函数为:
1T1s1+T2S
GC(Sr(「)(「厂G滞后(S)G超前(S)
1+pT1S1+αT2S
式中:
:
1/1。
TI=C2R5,T2=C2R5,L=RR,=R7/Rs
2•校正环节传递函数参数
(1)
超前环节设计:
则
近似取超前环节中心频率
1-SinC
1SinC
=0.054
C=Lrd=60°-6.06°100=63.94°。
C=3.224rad∕s
(或者按教材:
取未校正系统伯德图上增益为则
m∖∕二3.224\0.054=
八/=3.224八0.054
-10∣g(M)处的频率)
0.749
13.874
11.335s
10.072s
1’s
G超前(S)=—0j4-
1+S
13.874
(2)滞后环节设计:
取滞后环节转折频率:
1
Ti
1+T1SG滞后(S)=Lrs
ω
C
10
10
3.102秒
3.224秒
取…10,贝U
G滞后(S)
13.102s
131.02s
(3)校正环节合成传递函数
GC(S)
(1T1s)(1T2s(13.102s11.335s)
(ITIS)(IT2S)(I31.02S)(I0.072S)
3・电路元件参数建议取C2
R5
取R5=1»,则
取R7=321,则
22卡=2.2*1O6F贝U
τ1∕C2=31.02/(2.2*106P14.098M
R^=R5∕10=1.4"R7T2∕C2=32.68k1
R^-R7M-595.52k。
,取
根据实际元件参数可得校正环节实际参数:
a=3∙3秒
T^RC2=1.30秒7
校正环节实际传递函数:
_ZX1+3.3s、1+1.3037S
GC(S)=()()
133s10.0704S
五.校核
校正后系统的开环传递函数为
GO(S)=GC(S)G0(S)
—1T1S1T2Skp*
G(S)=()()'p*
即01T1S1T2S(1TdoS)(ITmfoS)(1TRS)
绘制伯德图进行分析,得:
幅值裕量k-31.6106dB>10dB
y
相位裕量=66.2905060
剪切频率1.505a
上机仿真计算单位阶跃响应,得
最大超调量二%=13.6148”15
5%误差调节时间ts=4.2秒"5秒
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