一種新型高功率因數電磁發射機

李佳鵬，張一鳴，馮馨月，王海濤

（北京工業大學 信息學部，北京100124）

0 引 言

電磁法勘探是地球物質勘探中一種常用的探測方法。電磁法勘探設備系統主要包括發射機、接收機和數據處理三部分，電磁發射機的作用是將電性源按規定的頻率進行逆變，并將該信號通過兩個接地電極發射出去，借此來獲取有效的人工電磁場信號進行深部地球物質勘探。

作為地球物理探測裝備的供電電源，電磁發射機的拓撲結構和控制方法得到了深入的研究。文獻［2］提出了一種AC／DC／AC的拓撲結構，該拓撲結構采用三相不控整流器接逆變電路輸出，結構簡單，可靠性高，但交流側諧波分量較大，功率因數低，同時輸出電壓不可調，不能滿足地質探測中實際應用的要求。文獻［3］采用 AC／DC／AC／DC／AC的拓撲結構。該拓撲結構具有控制簡單，通用性好的優點，但這種雙交直整流變換增加了系統結構復雜度，由于大型電感和變壓器的加入，增大了系統的體積和重量。文獻［4］提出了一種電壓可調的AC／DC／AC的拓撲結構。該拓撲結構采用了勵磁控制的方法，輸出電壓可調，系統結構簡單，省略了傳統發射機中的電感和變壓器。但該方法在發電機運行于非線性部分時，控制實現復雜，同時系統整流部分采用不控整流技術，功率因數較低。美國ZONGE公司的GGT系列發射機［8］采用相控整流技術進行AC／DC變換，整流器輸出端電壓可調，但電壓調節動態響應慢。

本文針對傳統電磁發射機體積重量大，功率因數低的缺點，設計了一種具有AC／DC／AC拓撲結構的高功率因數電磁發射機。在該拓撲結構中，由于發電機不需要對勵磁實時調節，只需提供恒定的勵磁電流，因此采用永磁同步發電機即可。整流部分采用了三相電壓型PWM整流器。系統的控制部分采用了基于前饋解耦的雙閉環控制方法，該方法不僅可以實現整流器輸出直流電壓可調，還可以實現發電機單位功率因數運行。在前饋解耦雙閉環的控制系統中，轉子位置角是解耦控制的必要條件，通常采用光電編碼器、旋轉變壓器等位置傳感器進行轉子位置與速度估計，可以準確、方便地獲得轉子位置信息，但在復雜環境下，位置傳感器不僅增大了系統的體積，同時也存在安裝困難、對環境要求苛刻、響應速度慢、抗電磁干擾能力弱等問題［9］。本文采用了基于滑模觀測器的無位置傳感器方法，利用包含轉子位置信息的電機反電動勢信號估算出轉子的位置，并提出了一種基于鎖相環的轉子位置提取方法。這降低了硬件電路的復雜程度，提高了系統的可靠性和抗干擾能力，同時減小了系統的體積和重量［10］。國內外很多學者對無位置傳感器都做了研究，但大多用于電機控制系統中，很少應用于發電機PWM整流系統。

1 發射機拓撲結構原理

電磁發射機系統的電路結構如圖1所示。該系統主要包括以下幾個部分：發電機組、PWM整流電路、逆變脈沖形成電路、發射電極。

圖1 發射機電路結構圖

發電機組為整個電磁探測發射系統提供初始電能，本文發電機組采用永磁同步發電機。與傳統三相電壓型PWM整流器［12］類似，發電機定子繞組與后面的三相六開關共同組成PWM整流部分，只是省去了外部的濾波電感，而直接采用發電機的定子電樞電感作為濾波電感。應用于陸地的電磁探測發射機需要提供大功率大電壓輸出，所以本文采用的是boost型PWM整流器。逆變脈沖形成電路將可控直流電逆變成頻率可調的方波交流電，通過發射電極將電能輸送到大地。

2 系統模型控制策略

發電機PWM整流電路如圖2所示。

圖2 三相PWM整流電路結構圖

圖2 給出了發電機的等效模型，其中ea，eb，ec為轉子磁場產生的等效反電動勢，Rs為等效電樞繞組電阻，Ls為等效定子繞組電感。本文所用永磁同步電機為表面貼式電機，屬于隱極式同步電機，交、直軸電感相等，因此有Ls＝Ld＝Lq＝L。永磁發電機PWM整流器在dq旋轉坐標系下的數學模型如式（1）：

從式（3）可以看出，由于發電機PWM整流器d、q變量相互耦合，因而給控制器設計造成了一定的困難。為了解決上述問題，可以采用前饋解耦控制策略，當電流調節器采用PI調節器時，得到狀態反饋方程如下：

將式（4）展開且忽略發電機內阻Rs可得ud、uq的控制方程如下。

基于前饋解耦的控制算法使整流器電流內環（id，iq）實現了解耦控制，如圖3所示。

圖3 電流內環解耦控制結構

由于d軸和q軸對稱，因此電流環的PI控制器設計以d軸為例進行分析。考慮電流內環信號的采樣延遲和PWM控制的小信號特性，已解耦的id電流內環結構如圖4所示。

圖4中，KiP，KiI為電流內環控制器比例、積分系數，Kpwm為PWM等效增益，Tif為采樣和給定延時。

圖4 id電流環結構

在永磁同步發電機PWM整流器中，忽略三相PWM整流橋自身損耗，則整流橋交流側有功功率pac和直流側功率pdc平衡，即

根據式（6）、（7）可得，電壓外環控制結構如圖5所示。

圖5 電壓環控制框圖

3 無位置傳感器控制

3.1 滑模觀測器法

一般而言，滑模觀測器的設計分為以下兩步，首先選擇滑模切換面，其次設計控制輸入，使系統軌跡向滑模切換面運動，確保系統滿足滑?？蛇_性條件。

永磁同步發電機在兩相 － 靜止參考坐標系下的電壓方程如下：

由式（8）所描述的反電動勢方程可知，在兩相靜止坐標系下電機反電動勢中包含了電機轉子位置與電角度信息。因此，為了獲取電機轉子位置和轉速信息，根據滑模變結構控制理論，定義切換函數如下：

由于估算電流值和實際電流值產生的誤差信號中包含大量高頻開關信息，需要用低通濾波器從開關信息中提取連續的等效信號，即為反電動勢估算值。

由兩相靜止參考坐標系下反電動勢方程式（8）及反電動勢信息估計值式 （19）可知，對反電動勢估計值經過式（20）的數學處理后便可提取出轉子位置與速度信息。

由于式（18）所估計反電動勢過程中需要進行低通濾波，導致得到的反電動勢估計值有一定的相位延遲，進而影響轉子位置與速度的準確估計，在實際應用中需要進行相應的相位補償，補償公式為：

最終可得經過相位補償的轉子位置為：

3.2 位置跟蹤算法

對反電動勢進行反正切運算得到轉子位置的方法在數值實現時精度不高，噪聲干擾明顯。為了提高轉子位置的觀測精度，本節采用了轉子位置跟蹤算法從觀測得到的反電動勢中提取轉子位置信息。圖6為轉子位置與速度跟蹤算法結構框圖。

式（23）中，k代表反電動勢系數；θe＊為反電動勢相位角。若轉子位置觀測誤差滿足，則可將式（23）化簡為：

圖6 轉子位置與速度跟蹤算法

由式（24）可見，轉子位置跟蹤算法相當于圖7所示的鎖相環（PLL）結構。電機轉子實際位置與估算位置信息相減后獲得轉子速度估計值，對轉子速度估計值進行積分運算便可估算出轉子位置信息。

圖7 鎖相環原理圖

3.3 電壓重構技術

無位置傳感器控制需要發電機輸出電壓量，若采用傳統傳感器測量方式無疑增加了硬件的成本，且直接檢測量為PWM脈沖信號，需要設計濾波器，從而不可避免的產生相位延遲。本文采用電壓重構技術，它依據直流母線電壓Udc和逆變器功率開關管的狀態（Sa，Sb，Sc）而計算出各相輸出電壓。發電機輸出端相電壓可以用式（25）表示：

4 仿真分析

為了驗證設計方案的可行性，使用Matlab／Simulink軟件對發射機性能進行了仿真研究，所采用的工具箱是SimPowerSystem，仿真的采樣時間為50s。發電機仿真參數如表1所示，整流器仿真參數如表2所示。

表1 發電機參數

表2 整流器參數

圖8給出了發射機工作在200 Hz時，PWM整流器的輸入輸出端波形。仿真結果表明，發電機輸出端相電壓接近正弦波，電流的THD為1．92%，如圖8（a）和（b）所示。圖8（d）為采用PLL得到的發電機轉子位置，相比反正切法，得到的角度更加平滑，且在轉角為90°時，沒有太大偏差。由圖8（a）和圖8（d）可知，發電機相電流與發電機反電動勢同相位。因此，發射機的瞬時無功功率（如圖8（c））Q為0，發射機處于單位功率因數運行。

圖8 發射頻率為200 Hz時，整流器輸入端和輸出端波形

5 實驗驗證

為了驗證本文提出方案的可行性，搭建了一個實驗平臺，主要包括以下幾個部分：一臺改造的定勵磁發電機組（與永磁發電機等效），PWM整流器（3個型號為FF150R12RT4的IGBT），發射電路（2個型號為FF150R12RT4的IGBT），負載。系統的控制算法及PWM生成由DSP28335實現，發射電路控制信號由FPGA實現。系統的實驗參數與仿真參數完全一致。

圖9、圖10分別給出了新型發射機輸出低頻（32 Hz）和高頻（4 096 Hz）方波時的波形，輸出波形平滑穩定，滿足地球物理探測的要求。由于發射機在輸出不同頻率時，PWM整流器的輸入端和輸出端的波形相同，因此以32 Hz發射頻率為例，給出PWM整流器的輸入輸出端的波形。

圖9 發射頻率為32 Hz時，新型發射機輸出電壓電流

圖10 發射頻率為4 096 Hz時，新型發射機輸出電壓電流

由圖11（a）可以發現，新型發射機輸入電流近似為標準的正弦波，波形畸變小，PWM整流器輸出直流電壓穩定在400 V左右。

圖11（b）為發電機轉子位置和發射機輸入電流波形，對比兩者波形可以發現，電流和轉子位置保持一致。

圖12給出了發射機的有功電流和無功電流波形，此波形是DAC8562輸出得到。經過計算可以得到有功電流iq穩定在25 A左右，無功電流穩定在0左右。

圖11 新型發射機PWM整流器輸入輸出波形

圖12 新型發射機有功電流無功電流

6 結 論

本文基于PWM整流技術設計了一種可以滿足地球物理探測需求的新型高功率因數電磁發射機，給出了發射機的拓撲結構，建立了發電機PWM整流器的數學模型，提出了基于前饋解耦的雙閉環控制策略，采用基于滑模觀測器的無位置傳感器法對發電機轉子位置進行觀測，克服了位置傳感器的缺陷，并通過PLL方法提取得到轉子的位置角。最后，對設計方案進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結果表明，采用本文提出的方法，發射機可以實現高功率因數運行。