发电机组自动调压系统设计 第4页
图1.2  励磁系统设计框图
2 总体方案设计与特点
2.1 励磁系统总体结构
励磁系统的主要任务是向发电机的转子提供一个可调的直流电流，不仅能控制发电机出口端电压，而且还控制发电机无功功率，功率因数和电流等参数。
自动励磁系统主要由功率部分和控制部分组成。功率部分由起励，功率单元和灭磁部分组成，功率单元由二极管三相不可控整流桥和IGBT开关器件通过PWM脉宽调制来控制励磁电压从而实现励磁系统的自动调节。电源取自发电机的机端电压，即自并激励磁方式，这种系统简单、可靠、反应速度快，同其它励磁方式相比较，其励磁电源十分可靠。控制部分由调节器单元组成，微处理励磁调节器以西门子S7-226系列PLC为主，励磁调节单元由信号采集、接口电路(I/O)，调节控制和控制电源几部分组成，由微处理器完成触发脉冲PWM的送出，实现了全部数字化。基本调节规律为PID调节，可以经通信口RS485送入监控系统。
基于PLC控制的IGBT励磁系统结构图如图2.1所示。
图2.1  IGBT励磁系统结构图
2.2励磁系统的基本控制原理
发电机的励磁系统是一个典型的PID闭环系统。比例一积分一微分(Proportional-Integral-Differential即PID)调节算法是最早发展起来的控制策略之一，它是依据古典控制理论的频域分析法进行设计的，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。无论是速度、位置等快过程，还是温度、化工合成等慢过程，都能得到满意的控制效果。
比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。
积分环节：主要用于消除静差，强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大积分越弱，反之则强。
微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前发生作用，从而加快了动作速度，减小调节时间。
比例、积分、微分三环节结合起来可以满足不同的控制要求。而且系统设计简单，参数调整方便，程序设计简单。因此，对于改善发电机的电压静态、动态性能，PID控制规律完全可以满足要求。在数字控制系统中，PID的控制规律已成熟，容易实现，参数整定方便，并在现场得到应用，其性能完全能满足生产过程的要求，故在本课题中选用了PID基本控制规律。在励磁调节中，PID控制是按电压偏差来计算的[4]。
2.3IGBT开关式和可控硅式的自动励磁系统的比较
比较IGBT组成的自动励磁系统和可控硅自动励磁系统，其功率单元电路图分别如图2.2、图2.3所示。
图2.2  IGBT励磁系统功率电路
图2.3  可控硅式励磁系统功率电路
前者具有以下几个优点：
(1)驱动简单。
IGBT只需一个驱动信号且驱动功率小，易解决同步的问题。而可控硅需要六路脉冲，交流信号同步输入失真严重，需解决六路脉冲之间的同步问题，还需要进行脉冲放大，需要专用的脉冲功率放大板。
(2)均流性好。
为了提高运行的可靠性，一般采用双功率回路，IGBT的自动励磁系统的均流性好，通过调节占空比，而可控硅由于12个可控硅的管压降不一定完全一致，管压降就不相同，这样均流性较差。
(3)控制简单。
在可控硅励磁系统中，输入、输出及控制角 的关系为：  （2.1）
为了提高系统的线性度和稳定性，可控硅触发脉冲的产生需要进行余弦补偿，增加了控制系统的复杂性。在IGBT励磁系统中输入、输出及占空比D的关系为：   （2.2）
因而系统具有很好的线性度和稳定性，降低了控制的复杂性。
(4)可以显著降低励磁变压器的容量。

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