小型发电机自动控制励磁系统校正装置的选择
小型发电机自动控制励磁系统
校正装置的选择
田位平, 张 黎
(西藏农牧学院 水利电力工程系, 西藏 林芝 860000)
摘 要: 对一典型小型发电机模型的数字仿真研究, 为改善控制系统鲁棒性, 设计出一种具有串联校正装置和
两级运算放大器构成的自动控制系统, 能较好地调整校正环节的参数, 从而提高了控制系统的跟踪性能并较
好地抑制超调。
关键词: 晶闸管; 串联校正; 滞后校正; P I 校正; 数字仿真; 跟踪速度; 抑制超调
中图分类号: TK321 文献标识码: B 文章编号: 100129529 (2003) 0320035202
要改善晶闸管励磁自动控制系统的稳定性,
必须改变发电机极点与励磁系统极点间根轨迹的
射出角, 也就是要改变根轨迹的渐近线, 使之只处
于虚轴的左半平面。为此, 须增加开环传递函数的
零点, 使渐近线平行于虚轴并处于左半平面。这可
在控制系统中加入校正措施。考虑到本控制系统
主要用于小型发电机组, 校正方法的选取应简单、
适用而又经济, 可选用串联滞后校正装置或串联
P I 校正装置, 以提高控制系统的稳定性能。
对于比例调节器的输出与输入成比例地变
化, 其显著的特点是比例调节作用及时迅速。但是
这种调节器用在控制系统中, 将会使系统出现静
差。比例增益 K P 过大时, 被控变量将发散振荡;
K P 过小时, 被控变量变化缓慢, 有较大静差。
在比例—积分调节器中, 积分作用输出变化
的快慢与输入偏差的大小成正比, 而与积分时间
T i 成反比。T i 越小, 积分速度越快, 积分作用就越
强, 这种情况下虽然消除静差很快, 但系统振荡加
剧。T i 越大, 积分作用不明显, 静差消除很慢。
1 校正方法
根据校正装置在系统中的位置, 可把校正方
法分为串联校正和反馈校正两种。如果校正装置
与广义对象相串联, 称这种校正方式为串联校正。
111 滞后校正
如果校正装置的相频特性在 0< X< ∞频率
范围内为负相角, 则它为滞后校正装置。把这种装
置串接入系统中对系统进行校正, 称为滞后校正。
滞后校正用于改善系统的稳态性能, 同时又能保
图 1 有源滞后校正网络
持满意的瞬态性能。因
此, 该方法能对于瞬态
性能符合设计要求而稳
态性能不能满足要求的
系统进行有效地校正。
图 1 为运算放大器实现
的有源滞后校正网络。
由运算放大器实现的滞后校正网络, 其传递
函数为:
K (s) = K (T s+ 1) ?(BR s+ 1) = (K ?B) [ (s+
1?T ) ?(s+ 1
BT ) ] (1)
式中 K = R 3?R 1; T = R 2C 1; B= (R 3+ R 2) ?R 2。
112 P I 校正
在控制系统中, 采用比例—积分控制规律, 主
要是在保证系统稳定的前提下, 增加系统的类型,
改善系统的性能。
具有比例—积分控制规律的控制器输出信号
u (t) 和偏差信号 e (t) 的关系是:
u (t) = K Pe (t) + (K P ?T i)∫e (t) dt (2)
式中 K P 和 T i 都是可调的。
图 2 有源比例积分校正网络
图 2 为由运算放大
器实现的有源比例—积
分校正网络。由运算放
大器实现的有源网络比
例2积分控制器其传递
函数为:
K (s) = K P (1+ 1?T is) = [K P (s+ 1?T i) ]?s
(3)
2003 年第 3 期 华东电力 35 (0172)
式中 K P= R 2?R 1; T = R 2C 1。
2 典型小型发电机仿真电路
图 3 是滞后、P I 串联校正数字仿真电路。
图 3 校正数字仿真电路模型图
3 数字仿真研究成果
311 采用滞后校正环节的数字仿真研究
(1) K ?B 过小时: 将引起控制系统调整时间
增长且静差较大; K ?B 过大时: 调整时间短但出
现超调且静差较大。
(2) 1?T 过小时: 调整时间较长且静差较大;
1?T 过大时: 调整时间短, 有超调且静差较大。
(3) 1?BT 过小时: 调整时间短, 有超调现象
且静差较大; 1?BT 过大时: 调整时间增长且静差
较大。
( 4) K A 1 过小时调整时间增长且静差较大;
K A 1过大时调整时间短, 有超调且静差较大。
(5) 对于某一滞后校正参数, 不同型号的小
型同步水轮发电机时间常数在一定范围内时, 并
且控制系统参数不作任何调整时, 控制系统具有
良好的跟踪性能。而且发电机时间常数愈小, 控制
系统跟踪速度愈快; 发电机时间常数愈大, 控制系
统跟踪速度稍慢。
(6) 发电机放大系数 K G 和晶闸管触发电路
及三相半控桥整流回路放大系数 K Z 的大小对机
端电压影响较大, K Z 大, 机端电压高, 反之则低。
312 采用 P I 校正环节的数字仿真研究
(1) K P 过小时: 调整时间稍长, 无超调; K P
过大时: 调整时间短并且有超调。
(2) 1?T i 过小时: 调整时间短且静差较大;
1?T i过大时: 调整时间短且出现超调。
(3) K A 1 较小时: 调整时间增长; K A 1 较大时:
调整时间短, 但出现超调。
(4) 在控制系统参数不作任何调整时: 若发
电机的时间常数小, 控制系统将出现超调; 若发电
机的时间常数大, 控制系统不出现超调现象;
(5) 发电机的放大系数 K G 和晶闸管触发电
路及三相半控桥整流回路放大系数 K Z 的大小对
机端电压影响很小。
4 数字仿真成果的实际应用
对于一个实际已知的被控对象, 采用数字仿
真方法确定出校正环节参数后, 由此设计具体控
制电路板, 并适当选择运算放大器外围元件参数,
在同一块电路板上可方便地实现滞后校正或 P I
校正, 各有优点并能获得良好的鲁棒性能。
从研究和实际应用结果得出: P I 校正环节能
较好地适应 K G、晶闸管触发电路及 K Z 的变化。
而滞后校正能较好地适应不同时间常数大小的发
电机, 并具有良好的跟踪性能。因此, 在控制电路
中是选取 P I 校正还是选取滞后校正, 应根据控制
系统要解决的主要问题而定。
校正运算放大环节的构成如图 4 所示。第一
级为 P I(或滞后) 校正环节, 用于改善调节器的性
能; 第二级、第三级为比例环节, 使第一级有较为
合适的参数并有利于参数的调整; 第四级为电压
跟随器以提高负载能力, 第一至第四级可由一块
四运放集成电路和相应的外围元件实现。
图 4 校正及运算放大环节原理电路图
该研究成果设计的控制系统, 由陕西高科电
力电子有限责任公司开发, 并独家生产的 KC168
单片数字式晶闸管移相触发集成电路构成的三相
移相触发系统, 再配以晶闸管三相半控桥式整流
环节, 在西藏农牧学院教学实习电站 3 号 75 kW
机组上的成功应用, 提高了该机与另外两台 250
W 机组的并例稳定运行能力。实践证明, 3 号 75
kW 机组自 2001 年 9 月投入运行至今, 具有较高
的可靠性和稳定运行能力, 已产生 10 多万元的经
济效益。
收稿日期: 2002211211
作者简介: 田位平(19622) , 副教授, 系主任, 从事电力系统及其自
动化方面的研究。
36 (0173) 华东电力 2003 年第 3 期
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