GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用实验

GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用实验 GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用 实验 第18卷第4期 2006年8月 电力系统及其自动化 ProceedingsoftheCSU—EPSA Vo1.18NO.4 Aug.2006 GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用实验 陆继明,张俊峰,毛承雄,王丹 (华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074) 摘要:在电力系统动态物理模拟中,为使模拟同步发电机的励磁绕组的时间常数等于原型同步发电机励磁绕 组的时间常数,需要通过串接负电阻来进行补偿.借鉴线性稳压电源的工作原理, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了利用功率三极管 GTR实现的大功率电子型负阻器,并详细介绍了其设计电路和工作原理.通过实验,研究了其静态和动态特 性.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明所研制的电子型负阻器线性度好,动态响应快.励磁系统动态特性模拟的应用实验进一步表明, 所研制的负阻器的阻值可调范围大,运行稳定性高,尤其在高补偿度工况下不会产生自激现象等. 关键词:动态模拟;时间常数补偿;负电阻;电流控制电压源;功率晶体管 中图分类号:TM341;TN323.4文献标识码:A文章编号:1003—8930(2006)04—0053—05 PrincipleandExperimentationofElectronicNegative ResistorBasedonPowerTriodeGTR LUJi—ming,ZHANGJun—feng,MAOCheng—xiong,WANGDan (CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversity ofScienceandTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:Thetimeconstantofsynchronousgeneratorexcitationwindingisaveryimportantparameterin powersystemdynamicsimulation.Seriesnegativeresistorisneededtocompensatethetimeconstantin dynamicsimulationlaboratorywhichhastobeequaltothatinpowerplant.Basedontheprincipleoflinear regulatedpowersource,thispaperdesignsalargepowerelectronicnegativeresistorusingpowertriode GTR.Anditsdesigningcircuitandoperationalprinciplearediscussedindetail.Then,thestaticanddynamic characteristicsarestudiedbyexperiments.Experimentresultsshowthatthislargepowerelectronicnegative resistorpossessesfinelinearizationandfastresponse,itsresistancecanbecontinuouslyregulatedinawide range,especiallyitwon'tgiverisetoself— excitedoscillationeveninahighcompensationdegreecondition. Keywords:dynamicsimulation;compensationoftimeconstant;negativeresistor;currentcontrolledvoltage source(CCVS);gianttransistor(GTR) 1前言 同步发电机励磁绕组的等值电路可看作是电 感L与电阻R的串联,其时间常数T=L/R.由于 电力系统动态模拟实验室(以下简称动模实验室) 的模拟同步发电机(以下简称模型机)受容量,尺 寸等条件的限制,其励磁绕组的电阻值远大于电力 系统中原型同步发电机(以下简称原型机)励磁绕 组的电阻值,从而使得模型机励磁绕组的时间常数 一 般都小于原型机的时间常数.对电力系统动态模 拟来说,同步发电机励磁绕组的时间常数是一个非 收稿日期:2006—04,10;修回tt期:200606—15 常重要的参数,理论上要求模型机励磁绕组的时间 常数要与原型机相同.因此,在动模实验室进行 步发电机励磁系统特性模拟时,通常需要串接负电 阻来减小励磁回路的等效电阻,以增加模型机励磁 绕组的时间常数,满足与原型机励磁绕组时间常数 相等的目的.动模实验室的模拟同步发电机配备了 阻值可调的负电阻设备(以下简称负阻器),就可灵 活地调整模型机励磁绕组的时间常数,以适应不同 原型机励磁绕组时间常数模拟之需要. 在同步发电机的励磁回路中串接一个与同步 发电机的励磁电势,同方向.且正比于励磁电流 ?54?电力系统及其自动化2006年8月 is的附加电势V,时,励磁回路的微分程为 ,一 dis+i fRo(1) 或 ,一L+.一一 ,dis+ .一ifr— Ldis +,(R.一r)(2) 式中:R.为模型机励磁绕组直流电阻;V为附加电 势,它与励磁电势,同相,且正比于,,即 V=r×,(3) 式中.r为比例系数.式(2)表明,附加电势,在励 磁回路所起的作用等效于一个负电阻,经附加电势 补偿后的回路电阻减小为(尺.一r),则时间常数增 大为L/(R.一r);式(3)则表示,负电阻实际上是 一 个电流(励磁电流)is控制的线性电压源. 负电阻值r与励磁回路直流电阻R的比值称 为补偿度c,即 C一r/R(4) 取值范围为[O,1]. 动模实验室目前采用的负电阻补偿设备主要 两种形式]:一种是将特制的串激直流发电机串 接在励磁回路中实现负电阻补偿;第二种是在三相 全控整流桥的余弦移相触发单元的移相控制信号 中附加励磁电流正反馈信号而实现负电阻补偿. 用作负电阻的串激直流发电机,简称负阻机, 其补偿度C通常最大只能整定到8O左右,当补 偿度过大时,负阻机容易产生自激失稳现象.由于 电机铁磁材料的剩磁,磁饱和等非线性因素使得负 阻机的线性度不够理想,负阻机工作转速的变化也 会导致负电阻值的不稳定.此外,负阻机的负电阻 值的调整需要通过改变串激绕组的匝数来实现,既 粗糙又不方便,负阻机运行噪声大,体积大,维护工 作量大等缺点,使得负阻机逐渐趋于淘汰. 三相全控整流桥配备余弦移相触发电路,在大 电感负载条件下,若在其移相控制电压中迭加 与励磁电流i,成正比的附加分量:K,×i,,即得到 综合控制电压U一U+K,×i,就可以近似起到 负电阻补偿的效果.改变励磁电流正反馈系数Ks 就可改变等效负电阻的阻值?3].这种隐式负电阻补 偿硬件结构最为简单,调整负电阻值既精确又方 便.其缺点是约束条件多,不适应动模实验灵活多 变的需求,故未能得到广泛应用.文I-4]利用 VM()s管构成一种基于开关调节方式的电子型负 电阻器,因其输出电压具有纹波,故在其输出端增 设了LC滤波器,因而延迟了其响应时间. 本文根据线性直流稳压电源的基本工作原理, 利用功率三极管GTR作为调整管,研制了一种电 流控制的电压源…电子型负电阻器,该负阻器 具有线性度好.}阻值调整范围大,且不受任何 外部因素的影响t』亡点.实践表明,补偿度为95 以上时仍可保持稳定运行. 2电子型负电阻器的电路构成及工作原理 根据电路理论的定义,线性电阻的伏安特性曲 线是一条通过伏安平面坐标原点的直线,该直线的 斜率即线性电阻的阻值.当直线位于I,?象限 时,阻值为正,当曲线位于?,?象限时,阻值为负 值.实际应用中,由于励磁电流不会反向,恒为正 值,所以实用中的负阻器的伏安特性曲线仅需要工 作于第?象限.由此,理想负电阻的伏安特性曲线 应该是源于伏安平面坐标原点的,且位于第?象 限上的一条直线.从电子设计的观点出发,具有该 伏安特性曲线的电路有两种:一种是电流控制的线 性电压源,第二种是电压控制的线性电流源.根据 负阻器是串联在励磁回路中使用的这一特点及以 上 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得知,所需要的负阻器应该是一个电流控制 的线性电压源. 借用可调压线性直流稳压电源的稳定电压和 调节电压的基本原理[5],使用GTR作为调整管,研 制出负电阻器的实用电路,如图1所示. 图1用GTR实现的大功率电子型负电阻器 Fig.1Largepowerelectronicnegative resistorbasedOnpowertriodeGTR 虚线框内即为负电阻器.由图1可见,负阻器 第18卷第4期陆继明等:GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用实验?55? 作时间常数补偿时,是串在励磁电源,与励磁绕 组的回路中,励磁电流由励磁电源正端出发,经负 阻器的电流采样电阻R,负阻器电源卧调整管 GTR,然后经励磁绕组回到励磁电源负端.负阻器 的端电压等于其电源电压减去GTR两端的 调整电压. 可以通过调整来达到调整的目的,为了 使稳定,引入了负反馈环节,用以消除因 波动或负载电流i,变化而引起的波动.这实际 上就是典型的线性直流稳压电源的工作原理.在此 基础上,引入励磁电流正反馈环节,即令输出电压 的设定值与励磁电流ir成正比,这样通过负 反馈环节的稳定调节作用,就能使输出电压稳 定在由励磁电流i,给定的目标值上,起到电流控制 电压输出的作用.与可调线性直流稳压电源手动调 整输出电压相类似,这里只不过是利用励磁电流实 现了自动调整输出电压的目的.为了满足动模实验 的要求,负电阻器除了应保持其两端电压与通过负 电阻的电流的比值(亦即负电阻的阻值)r恒定之 外,还需要根据应用要求,可以方便地整定其比值 r的大小.改变励磁电流的反馈量即可改变负电阻 值的大小,由图1可知,调整R?即可改变负电阻整 定值. 3负阻器特性测试 负阻器特性包括静态特性和动态特性,静态特 性测试主要考察其负电阻阻值是否恒定,线性度如 何.而动态特性测试主要考察负阻器的输出电压对 输入电流的时间响应特性. 3.1静态实验 负阻器静态特性测试实验接线图如图2所示. 图2负阻器静态特性测试接线图 Fig.2Circuitfortestingstaticcharacteristics ofthenegativeresistor 测试电源采用可调直流稳压电源,串联可 调电阻器R的目的是保证实验回路的总电阻大于 零,同时保证回路电流有较宽的调节范围. 静态测试方法与结果:用改变直流稳压电源电 压的方法或改变可调电阻器阻值的方法调节回路 电流,记录回路电流和负阻器电压的对应数 据,描绘一曲线如图3所示.改变负电阻整定 值,重复实验可得出多条负阻特性曲线. /A 图3负阻器静态特性曲线 Fig.3Staticcharacteristics ofthenegativeresistor 图3为整定电阻为92Q时的一曲线图.其 中虚线部分为实际测量的一曲线,实线部分为 虚线部分的延长线.由图3可知,负阻器特性曲线 的直线度很好,而当电流为零时对应的起点电压约 1.8OV,基本上是一条过坐标原点的直线,表明该 负阻器具有良好的线性度. 3.2动态实验 动态实验接线图如图4所示. Rl 图4负阻器动态测试接线图 Fig.4Circuitfortestingdynamiccharacteristics ofthenegativeresistor 动态测试时,采用拉合开关K的方法以突加, 突减负阻器回路电压,拍摄回路电流,与负阻器电 压的时间响应曲线.图中,R和R.的作用是,当 开关K合上时,保证稳压电源回路不过流,同时负 阻器回路的总电阻值大于零.阶跃响应录波图如图 5所示. 图5中CH1通道为电流,波形,CH2通道为负 阻器电压波形,由录波图可见,负阻器输出电压 波形紧随其输入电流波形变化,动态过程一致,时 间滞后仅数十s,表明该负阻器具有优良的动态 响应特性. ?56?电力系统及其自动化2006年8月 3 1 — 1 — 3 — 5 — 6 t/ms 图5负阻器阶跃响应特性 Fig.5Stepresponsecharacteristics ofthenegativeresistor 4励磁绕组时间常数测定 在进行励磁绕组时间常数补偿时,可按下式计 算所需负电阻的整定值: R0(1一)(5) 式中:r,为原型机励磁绕组的时间常数;T.为模型 机励磁绕组的未补偿时的时间常数;R.为模型机 励磁绕组直流电阻;,.为需要串入的负电阻整定 值. 由式(5)可知,模型机励磁绕组在未补偿情况 下的直流电阻R.和时间常数r,.是两个重要原始 参数.一般采用伏安法来测量直流电阻R.,而时间 常数r,.的测量则依据一阶电路的阶跃响应方程, 通过录取阶跃响应时间曲线的方法来测定.原理简 述如下. 对于零输入响应,其响应方程为 i一1..e一1(6) 式中,r,是一阶回路的时间常数. 式(6)表明:当响应时间t由t一0变到t—T 时,物理量则由初始值.变为初始值的36.89/5(即 e).据此可以得到时间常数的测量方法. 以下实验均基于华中科技大学动模实验室的 三峡模拟机组. 4.1测定无负电阻补偿时的时间常数 测定励磁绕组时间常数的接线图如图6所示. L 图6测定励磁绕组时间常数的接线图 Fig.6Circuitfortestingtimeconstant ofexcitationwinding 打开开关K,调节电源电压和限流电阻阻值,使工 作电流等于额定励磁电流(需要注意的是,直流稳压电源的设定电压必须与限流电阻阻值匹配合适, 以保证开关K合上时,电源和电阻均不过载),拍 摄合上开关K后的励磁电流自由衰减的时间曲 线,以电流初始值作为1009/5,测其由100衰减到 36.89/5的时间,该时间就等于时间常数r,.. 实验录波图如图7所示.可见,未补偿时的时 间常数为3.5S. , ::?——,—,., 0246810 t/s 图7未补偿时的电流衰减录波图 Fig.7Waveformofcurrentattenuation withoutcompensation 4.2测定负电阻补偿后的时间常数 测定有负阻器补偿时的励磁绕组时间常数的 接线图如图8所示. L 图8有负阻器补偿时的接线图 Fig.8Circuitfortestingtimeconstantofexcitation windingwithnegativeresistorcompensation 实验方法同上,实验录波图如图9所示.可见, 投入负阻器后,时间常数增大为1O.75S,可以满足 三峡原型机组时间常数的模拟需要. 实验中还发现,当补偿度相同时,在不同励磁 电流初值条件下测试所得的时间常数有异,励磁电 流初值越大,所得时间常数就越小. 进一步分析得知,这是由于磁路饱和所致.不 同励磁电流所对应的磁化曲线所在点的导数不同, 励磁电流越大,所对应点的导数就越小,等效的电 感值就越小,所以时间常数降低.此外由于剩磁 的影响,即使同一励磁电流也可能对应不同的电 感值. 000000OO勰弘 《自 第18卷第4期陆继明等:GTR实现的电子型负电阻的原理及其应用实验?57? 另外,工作绕组温度的变化也会影响到励磁绕 组直流电阻阻值的大小,进而影响到时间常数的 大小. 基于上述原因,励磁绕组的时间常数实际是一 个多变量的时变函数,而不是通常认为的一个恒定 不变的常数.这个结论对于原型机组和模型机组都 是适用的. 一 ::——,.,一 __ O 图9有负阻器补偿时的电流衰减录波图 Fig.9Waveformofcurrentattenuation withnegativeresistorcompensation 5负电阻器在励磁系统动态特性模拟中的 作用 实验机组为华中科技大学动模实验室的三峡 物理模拟机组,负电阻器采用本文研制的大功率电 子型负电阻器.实验目的是检验负电阻器对励磁系 统动态特性的影响. 模拟机组起励,灭磁时的励磁电流响应曲线 如图1O,图11所示.其中无负阻器补偿时的励磁电 流变化速率快于有负阻器补偿时的励磁电流变化 速率.可见,模型机经负阻器补偿后,励磁绕组的等 效时间常数增加,励磁电流变化趋缓.动态响应特 性得以改变.实验还证实,模型机带负阻器在高补 偿度运行时仍保持良好的运行稳定性,没有发生自 激振荡现象,负电阻值始终保持稳定. 一 』无负阻器— 一 /L一…——,————, l/蠢-一………', . 图10励磁系统起励时的励磁电流响应波形 Fig.10Responsewaveformofexcitingcurrent atexcitationsystemexciting 6 5 《6 量3 l — l 一 3 {:一\ .享. 看负阻礴一/,? 无负阻器i: t/s 图l1励磁系统灭磁时的励磁电流响应曲线 Fig.1lResponsewaveformofexciting currentatde—excitation 6结语 本文介绍的基于功率三极管GTR作线性功率 放大的大功率负阻器,具有近于理想负电阻特性. 实验与实践表明,所研制的大功率负阻器线性度 好,调节范围大,负电阻值稳定,尤其在高补偿度工 况下不存在自激现象,补偿度在95%以上时仍可 保持稳定运行.目前,该电子型负阻器已在我国数 十台动模机组上成功应用. 参考文献: [1]倪以信,陈寿孙,张宝林.动态电力系统的理论和分析 [M].北京:清华大学出版社,2002. 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