1励磁控制系统建模分析
电机扩大技术成熟、可靠性高，控制绕组多，是传统的消磁主电源励磁装置的首选。但扩大机作为特殊的直流发电机，本身时间常数大，且参数可调范围有限，并不适用于图2所示工况。研究和实践表明，针对图2所示的特殊工况，其励磁装置需采用适用于电机控制、参数可调范围大、反应迅速的基于数字控制的整流式励磁装置，得到消磁脉冲电源电气部分物理模型如图3所示。消磁脉冲电源交流发电机采用有刷励磁、励磁装置功率部分采用晶闸管整流，通过传感器将机端强电信号转换成弱电信号作为反馈信号，经模数转换，与给定信号比较，经数字PID调节形成控制信号控制晶闸管的开关，将三相交流电整成6脉波直流电，大小由控制信号决定，通过电刷给发电机励磁绕组供电，从而控制消磁电流波形。虽然图3所示模型中晶闸管整流部分和不控整流部分都是离散的工作模式，但相对于消磁主电源系统的机械时间常数来说，其间隔时间可忽略，从控制的角度讲图3所示的模型可当做连续系统处理[1]。系统的储能飞轮重达数吨，再加上其它机械结构，系统有很大的惯性，工作过程中电枢转速可视为恒定：晶闸管整流部分可视为增益为k0、时间常数为T0的一阶惯性环节；发电机励磁绕组的电感为L、电阻为R；发电机电枢连同负载（包括不控整流装置和消磁绕组）可视为增益为k1、时间常数为T1的一阶惯性环节；反馈通道视为增益为k2、时间常数为T2的一阶惯性环节，则消磁主电源电气部分数学模型如图4所示。图4所示模型中，励磁装置的时间常数为毫秒级；交流发电机直接带整流负载，非对称工作模式，可认为它总是处于超瞬态，交流电机电枢的超瞬态电抗很小[3-6]，电枢连同负载的时间常数为0.1s左右；反馈环节的时间常数约为数十毫秒；交流发电机励磁绕组的时间常数一般可达数秒，所以消磁主电源电气部分的惯性主要来自发电机励磁绕组，在计算PID控制环节参数时，可先不计其它各环节的影响，在不考虑PID环节的D参数时（D参数在后面考虑），得到简化的消磁脉冲电源励磁控制模型如图5所示。
2控制参数计算
消磁脉冲电流最后一个脉冲的幅值很小，这就需要对发电机输出的剩磁电压进行控制。根据图6所示的同步发电机短路特性曲线和图7所示的空载特性曲线可知，要使最后一个脉冲满足要求，发电机空载剩磁电压须控制在20V以下，而该发电机的空载剩磁电压接近100V，故励磁装置需产生偏置电流以补偿剩磁电压。补偿后实际输出空载剩磁电压小于2V。
3小结
调试实践表明，励磁装置的性能决定了基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源的成败和输出脉冲电流波形的品质，最后得到消磁脉冲电源输出的单个脉冲的输出波形（2500A）如图8所示，连续脉冲波形（首脉冲5000A）如图9所示，达到了预期要求。通过研究发电机的励磁控制系统，实现了廉价可靠的机遇同步发电机不控整流的消磁脉冲电源。
作者：李志新 张国友 单位：海军工程大学电气工程学院
