采用转差感应电机的轴带发电机系统

采用转差感应电机的轴带发电机系统 船电技术2001年第3期 采用转差感应电机的轴带发电机系统 聂延生 (大连海事大学轮机工程学院辽宁I16026) 摘要:本文对当今流行的轴带发电机系统的结构特点进行了苘述.在此基础上介绍 了一种轴带感应发电 机系统,并对该系统的结拇特点及工作原理进行了简要的分析.指出此类系统所采 用的先进的电路形式和 控制方法增加了管理维护的难度.采用此类系统时应综合考虑节能教益和管理维 护难度 关键词:轴带感应发电机磁场定向控制脉宽调制式逆变器 l引言 从节能的角度考虑.采用轴带发电机系 统是切实可行的.在大型低速柴油机直 接带动定距浆的船舶上,目前广泛采用的轴 带发电机系统的结构形式如图1所示. 囝I轴带发电机系统结构囝 这里,轴带发电机安装在主机飞轮和螺 旋桨轴之间.发电机发出频率随主机转速的 经整流,逆变后, 变化而变化的交流电. 收稿日期:2000一I1—27 转换成满足要求的交流电.系统的输出电压 通过同步补偿器的调压器进行调节.同时, 同步补偿器还为系统提供无功功率和短路 电流.轴带发电机的励磁电流由励磁用可控 硅整流装置提供.改变整流装置的控制角以 控制轴带发电机的励磁电流,调节系统的输 出功率.发电机一般采用无刷他励三相同步 发电机.有关明,在系统输出功率太 于l2OOkw的领域,这种型式的轴带发电 机系统仍将在世界轴带发电机市场上占有 主导地位.但是,在系统额定输出功率为 1000kW到500kW左右的范围内,这种型 式的轴带发电机系统的经济性和效率都不 是最佳.研究发现.其中的同步补偿器所产 生的损耗相对较大.此外.由于静止变频装 置是在主供电电路中,造价和体积也比较 大.为此.西门子公司开发出了一种采用转 差感虚电机的轴带发电繇统,简称为轴带 感应发电机系统(shaInduction GeneratorPlant).这种型式的轴带发电机 系统定位在1000kW到500k'v~左右的应用 其目的是为了降低成本和提高效率. 领域. 船电技术2001年第3期9 2轴带感应发电机系统的结构 特点和工作原理 轴带感应发电机系统的结构框图如图 2所示. 柴油主机需要通过齿轮传动机构带动 发电机.这样做的原因是感应电机要求它的 图2轴带感应发电机系统的结构框图 气隙较小,并且转子铁心的结构特点也决定 了这种方法的采用.这样,就可以采用常规 的转差感应电机,而无须开发专用的发电 机,从而降低成本和维修费用交流装置和 系统电抗器在发电机的励磁回路上,而不是 在主供电电路上,其容量和体积显着降低. 变流装置的逆变器采用了先进的脉宽调制 式逆变器,其特点是用门极可关断晶闻管 (GTO)取代了普通晶闸管. 门极可关断晶闸管(GTO)具有普通 晶闸管的功能,即施加一个持续时间报短的 门极电流脉冲可使GTO触发导通,一旦导 通以后,即使没有门极电流存在,GTO仍 可保持其导通状态.但是,与普通晶闸管不 同的是可以施加一个负的门极一阳极电压 来使GTO关断即在关断时,门极上耍流 过一个相当太的负电流在关断时间内,这 一 但它 负的门极电流虽然只需持续几微秒,必须要有很大的幅值.在实际电路中,GTO 起一个可控开关的作用.在电感性电路中, 为了降低GTO在关断时阳极上所承受的 du/dt,必须在GTO两端加上缓冲吸收电 路,以使GTO在关断时的du/clt降到尽可 能的低. 母线侧变流电路是两套三相全控桥,它 们之阗采用反并联接法,这样可以保证能量 的双向传递.在变流装置的直流部分,用滤 波电容器取代了传统的平波电抗器.在电机 侧,除了脉宽调制式逆变器外,还增加了一 组反馈二极管.其作用是把滞后的电流反馈 到滤波电容器,提高逆变器换流工作的稳定 性.该系统的一个突出的特点就是取消了同 步补偿器,从而使整个系统的损耗得以降 低. 由迭加原理和感应电机的物理性质可 以得出关系式: FsP'Fm+Fn 其中:Fs——定子绕组的电压频率; Fm——转子的机械旋转频率,单 位为Hz; Fm——n/60,n为机械转速, 单位为转/分; Fn——转子绕组的电压频率. 定子绕组的电压频率和电网的电压频率相 同,通常为60Hz(或50Hz).转子的机械 旋转频率Fm随主机转速的变化而变化,因 此要使Fs保持不变,只能在Fm交化时, 相应地调节转子绕组的电压频率Fn.调节 规律满足方程:Fn…FsPFm.实践 中,Fn的调节是通过脉宽调制逆变器电路 10船电技术2001年第3期 实现. 脉宽调制式逆变器是一种通断型逆变 器.由于其直流侧可以认为是一个直流电压 源,因此.它属于电压源逆变器的一种.脉 宽调制的方式很多,在逆变器电路中.主要 有等脉宽调制和正弦脉宽调制.等脉宽调制 就是把电压源逆变器180导通的方波控 制分割成若干个脉冲控制.控制信号是由等 腰三角波(称为载波)与可调的直流电压相 比较的方法产生.其输出电压和电流的波形 都是非正弦波.具有许多高次谐波成分.正 弦脉宽调制与等脉宽调制不同之处就是脉 冲宽度是按正弦规律变化的.载波信号仍旧 为三角波.而参考信号是正弦波.这样输出 电压也会按正弦规律变化.在这种情况下, 输出电压所包含的最低次谐波就是脉冲频 率的2倍,从而大大降低了输出电压中的谐 波成分.在轴带感应发电机系统中采用的就 是正弦脉宽调制式逆变器. 要实现正弦脉宽调制必须要实时地计 算出参考信号(正弦波)和载波(三角波) 的所有交点的时间坐标.根据计算结果,有 序地向逆变器电路中各GTO元件发出通" 因此,正弦脉宽调制 和断的动作指令. 的一个突出特点就是实时计算量很大,通常 都是采用计算机控制方式实现的.本系统 中.控制部分采用西门子公司的控制系统 SIMAI)YIq和SI妁VERT的模块组成.而顺序 和逻辑控制功能是通过S5115U可编程控制 器实现的. 从控制的角度来看,感应电机是一个多 变量且相互耦舍的非线性对象,为此采用了 矢量控制技术.矢量控制在去耦和线性化方 面作用显着.矢量控制的基本思想是:将电 机的定子电流沿电机磁通坐标轴分解成两 个分量.即平行分量和垂直分量.与磁通轴 线平行的分量即相应为电机的磁场电流分 量.用来产生电机的磁场;与磁通轴线垂直 的分量,即为电机的转矩电流分量.矢量控 制分为两类,一类是磁场定向控制;一类是 转子磁极位置定向控制.本系统中采用的是 磁场定向控制.所谓的磁场定向控制.就是 将旋转坐标系的实轴取在磁场轴上.随磁场 同步旋转.如把转子磁场轴线作为实轴.称 之为转子磁场定向控制;若把定子磁场轴线 作为实轴.称之为定子磁场定向控制.该控 制思想是在1971年由西门子公司的工程师 们首先提出来的,目前已在交流交频调速中 得到了广泛的应用. 3结束语 根据以上所述.我们不难发现,西门子公 司研制开发的这种轴带发电机系统,采用了 在交流调速系统研究中所取得的先进技术 和成果,是现代交流变速控制,计算机控制, 和电力电子学先进成果的完美结合.其先进 性是无可置疑的.所采用的技术和元器件都 是在陆用控制系统中经过证实了的.因此, 实船使用的可靠性估计也不会存在太大的 技术问题.比较突出的问题是:如何维护, 管理这种先进的系统?尽管西门子公司是 从节能的角度研制开发这种系统的.但作为 船东来说,采用这种轴带发电机系统.根可 能会由于轮管人员难以有效的对其维护管 理,从而导致增加的维修费用超过其节能所 带来的效益.换句话说,就是得不偿失.这 种系统的出现,不仅对轮管人员是一个挑 战,对从事船员培训和航海高等教育的人员 也是一个挑战.知识更新和拓宽知识面不仅 是船舶管理人员必须面对的问题,从事船员 (下转第26页) 船电技术2001年第3期 逆变器仍处于触发脉冲被封锁的状态,逆变 器不能工作.(轴带发电机系统停机时, "027="1",经使"037":"1",产 生封锁逆变器脉冲的信号) 这样,在T?的控制角?为120?d ?(120.+36),或B=180.一l20 =60.时,"035="I". 轴带发电机系统的启动,由启动程序控 制.启动时,若p>B:60,则"037" ="1的信号不消失,逆变器不能运行,启 动程序不能往下进行.只有B,?6O.时, 才有"037="0",程序才能进行,完成启 动过程.从而保证逆变器运行中,不会园逆 变角过大造成逆变失败. 调u移动方波025"的位置,同时调 逆变角调节器输出端的下限幅值,可调B 的给定值. 参考文献 [1]黄俊.半导体变流技术机械工业出版社.1984 [2]ShaftGener8toi-PIantSIF~ENS MonitoringofMaximumTurn—off.AngleofInverter lallYubo.WuZhiliang fDaLianMaritimeUnI,crsity.LiaoNing,ll61)26China) Abstraet:Thispapernnal}SC~theprincipleoftal'Ii?ollan~le—monitorin~ 【Ic,ice0f_inxerror Kex?lirds:inx'crier:fern?offan~ole:moililor (上接第10页) 培训和航海高等教育的人员也必须面对这敝社.1990 一 问题,而且要求更高,更紧迫.[23聂延生.一种微机控制的轴带发电机系统.世 参考文献:界海运.1999(3). [1]撩银根.交流调速系统及其应用.纺织工业出 ShaftGeneratorSystemwithInductionMachine NieVansheng (Da[i~11MaritimeUnersit3MarineEngineeringCollege,Dalianl16026,China) Abstrct:Asimpledescriptionabouttheconstructionfeaturesofshaftgenerator s)stemsisg...lxeninthispaper~Basedonit,anc?sleshaftgenerators)'stemis introducedandabrief;inalysisofthellorkingprineipleandtheconstruction featurcaboutthiss)stemisputout.Theeonelusion:?hentingt0selectsaeh kinds)stem.?eh1,ctoconsiderthedifficultinmanagementandm;linlcnance ofit. Ke?Words:sh'.t|.tinductiongenel';ilOl';field.OI'tentedcontrol; modalatedii1,erter