基于STM32的同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器設計與試驗

楊文榮， 吳 晟， 商建鋒

(1. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室， 天津 300130；2. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室， 天津 300130)

隨著數(shù)字化微機處理技術的迅速發(fā)展，勵磁調節(jié)器逐步開始向數(shù)字化發(fā)展[1]。我國大型發(fā)電機組多采用進口勵磁設備，例如ABB公司UNITROL6000勵磁系統(tǒng)，采用64位浮點運算CPU，控制器之間采用光纖通信，性能先進；GE公司的EX2100全數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)，通過三重冗余(TMR)實現(xiàn)了真正的無憂切換，廣泛應用于新建或改造項目中蒸汽輪機、燃氣輪機或水輪發(fā)電機。國內勵磁產品較多，其性能差距較大，南瑞電控NES6100勵磁系統(tǒng)，采用分布式多處理器，POWER PC負責系統(tǒng)管理和對外通信，高速浮點型DSP實現(xiàn)實時控制，勵磁性能先進，多用于大中型發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)[2]。上述產品均價格昂貴，集成程度高，不適合用于實驗教學。為了幫助學生學習勵磁系統(tǒng)的技術原理，增加學生的實驗可操作性，同時認識先進的DSP設計，本文提出了一種基于STM32H743微處理器的勵磁調節(jié)器，簡化了勵磁調節(jié)器控制電路，實現(xiàn)了勵磁調節(jié)器的快速調壓功能，并具有較高的運算精度和控制性能，符合國家標準，降低了成本，適用于實驗教學。可完成起勵試驗、發(fā)電機空載電壓給定階躍試驗、電壓靜差率測定等相關試驗。

1 硬件系統(tǒng)原理設計

圖1為系統(tǒng)硬件結構框圖，主要由采樣電路、控制單元、同步測頻電路和脈沖觸發(fā)電路構成。采樣電路用來采集發(fā)電機的電壓及電流值；控制單元為調節(jié)器的核心部分，對外圍電路發(fā)出指令進行中斷控制并完成電流、電壓有效值的計算,以及有功功率、無功功率等計算；同步測頻電路獲取定子電壓頻率，作為脈沖觸發(fā)的基準；脈沖觸發(fā)電路控制可控硅的觸發(fā)時間。系統(tǒng)的功率單元方面，選擇了三相橋式全控整流電路，由控制單元控制6個可控硅的觸發(fā)角α，為同步發(fā)電機的轉子磁場提供勵磁電流[3]。電路實物圖如圖2所示。

圖1 勵磁調節(jié)器硬件框圖

圖2 電路實物圖

1.1 控制單元

以ST公司生產的全新STM32H743為發(fā)電機勵磁調節(jié)器的控制單元，其以32位Arm Cortex-M7為內核，最高運行頻率可達400 MHz，支持雙精度浮點運算和16位A/D，已經在高速高精度的調速系統(tǒng)中應用。

1.2 采樣電路

采樣電路主要獲取發(fā)電機的機端電壓和電流,以及勵磁電壓和電流。電壓采樣電路如圖3所示，發(fā)電機端的定子電壓經限流電阻后接至電流互感器SPT204A，通過放大與高頻抑制、電平抬升、電壓跟隨電路，將電壓信號轉換為0～3.3 V的直流電壓。

勵磁電壓采樣電路如圖4所示。將勵磁電壓經限流電阻和瞬態(tài)抑制二極管1.5KE6.8CA后接至電壓傳感器。通過變比計算出副邊電流大小，電流經采樣電阻后變?yōu)殡妷盒盘枺ㄟ^放大和跟隨電路接入微處理器A/D端。

圖3 定子電壓采樣電路

勵磁電流采樣電路如圖5所示。將勵磁電流通過分流器后接至儀表放大器1NA118P，放大后的電壓信號經運放電路后接至線性光耦隔離電路。經過電流電壓轉換電路將電流信號變?yōu)槲⑻幚砥鰽/D端可接收的電壓信號。

圖4 勵磁電壓采樣電路

圖5 勵磁電流采樣電路

1.3 同步測頻電路

測頻電路如圖6所示。電壓信號通過高頻抑制和濾波后,通過比較電路轉換為方波信號，通過限幅電路把方波信號大小控制在0～5 V，最后通過SN74LVC4245電平轉換模塊將電平轉換后接入微處理器。

圖6 測頻電路

1.4 脈沖觸發(fā)單元

脈沖觸發(fā)單元主要由門電路、DM74LS2445WM總線收發(fā)器和光電耦合器構成。微處理器的6個定時器引腳接入總線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸，輸出后的每路信號通過與門變?yōu)殡p窄脈沖列，經光電耦合器隔離后作為晶閘管的觸發(fā)脈沖[4-6]。

2 軟件系統(tǒng)設計

軟件部分采用模塊化設計，主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)初始化后完成數(shù)據(jù)采集，計算出發(fā)電機定子電流、定子電壓及頻率。根據(jù)機端電壓的預設值進行控制角的計算，并根據(jù)定子電壓的同步信號發(fā)出中斷，完成移相觸發(fā)，實現(xiàn)勵磁電壓的調節(jié)，并對電壓再次進行測量，直到與預設值誤差在合理范圍之內。

圖7 主程序流程圖

2.1 頻率測量

頻率測量在勵磁裝置的設計中至關重要，觸發(fā)信號和采樣信號均依賴頻率測量的精度[7-10]。本文采用STM32H743片內資源通用定時器實現(xiàn)同步與測頻[11-12]。將捕獲預分頻器設置為無預分頻器，即捕獲輸入口處檢測到的每一個邊沿都觸發(fā)一次捕獲，然后利用下式計算同步信號頻率：

T=2(nt+t′)

(1)

f=1/T

(2)

其中，T為同步信號周期，f為同步信號頻率，n為捕獲高電平后定時器的溢出次數(shù)，t為定時器記滿一次的最長時間，t′為下降沿來之前定時器最后一次的計數(shù)時間。

2.2 A/D交流采樣與計算

A/D轉換采用STM32H743內置A/D轉換器實現(xiàn)，其16位的編碼精度能夠滿足系統(tǒng)設計要求，量化單位為3.3/216V。采用傅氏算法對定子電壓和定子電流的有效值進行計算并求出三相功率[13-15]。

根據(jù)傅里葉級數(shù)原理，基波分量的正弦和余弦振幅可通過下式得出：

(3)

式中，x(t)為被采樣信號函數(shù)，T為周期，ω為基波角速度。在實際計算中，通常對(3)式采用有限項積分進行近似計算。當取采樣點數(shù)N=12時，有

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，aI、bI分別為電流信號實部和虛部，i1—i12為一周期內12點等間隔電流采樣值，I為定子電流有效值，αI為定子電流相角。同理有

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，aU、bU分別為電壓信號實部和虛部，u1—u12為一周期內12點等間隔電壓采樣值，U為定子電壓有效值，αU為定子電壓相角。

由此可計算出一相有功功率和無功功率為

P=UIcos(αU-αI)

(12)

Q=UIsin(αU-αI)

(13)

三相有功功率和無功功率分別為各相功率之和。

2.3 移相觸發(fā)

移相功能由脈沖觸發(fā)單元控制三相全控整流電路中的晶閘管，PWM脈沖的相位隨控制電壓的大小改變來調節(jié)勵磁[16-17]。以控制機端電壓A相的觸發(fā)脈沖為例，A相電壓通過過零比較器后變?yōu)榉讲妷盒盘枺涍^電平轉換后作為STM32H743的定時器輸入。當定時器檢測到上升沿時開始計時。通過計算得出自然換相點和觸發(fā)角所對應的時間，以及60°電角度所占用的周期時間設定計數(shù)器，當定時器計數(shù)到觸發(fā)角對應的時間計數(shù)時，觸發(fā)中斷輸出PWM脈沖。

其中，從上升沿計數(shù)到自然換相點所需時間為周期時間的1/12，tα為從自然換相點到觸發(fā)可控硅所需時間，可用(14)式計算:

(14)

式中，α為從自然換相點到觸發(fā)可控硅對應的電角度，從0°～60°電角度所需時間為周期時間的1/6。B相電壓和C相電壓的脈沖觸發(fā)與之類似。

移相脈沖形成流程圖如圖8所示。

圖8 移相脈沖形成流程圖

3 動模試驗與分析

為驗證設計的可行性，在河北工業(yè)大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室進行性能測試。利用實時數(shù)字仿真RTDS進行發(fā)電機勵磁系統(tǒng)閉環(huán)試驗[18]。本次動模試驗是在單機無窮大系統(tǒng)中進行的，其中動模機組參數(shù)：額定容量S=78 MVA；額定電壓Ug=13.6 kV；機組時間常數(shù)Tdo=6.2 s；機組同步電抗Xd=0.714；暫態(tài)電抗X′d=0.251；次暫態(tài)電抗X″d=0.211。圖9為PC端編程軟件MDK ARM的操作界面，圖10為設置模擬發(fā)電機端與外圍電路板相連的RSCAD調試界面。

圖9 MDK ARM操作界面

圖10 RSCAD調試界面

發(fā)電機空載起勵機端電壓的錄波波形如圖11所示。起勵方式采用設定機端電壓起勵，電壓設定為100%的額定電壓。縱軸為電壓的標幺值(pu)。

發(fā)電機起勵后的階躍響應機端電壓錄波波形如圖12所示。階躍量設為5%。縱軸為電壓的標幺值。

圖11 發(fā)電機空載起勵錄波波形

圖12 發(fā)電機5%階躍響應錄波波形

(1) 起勵試驗：國標規(guī)定電壓超調量不大于15%,振蕩次數(shù)不超過5次,調節(jié)時間不大于10 s[19]。從起勵波形可以看出，該勵磁調節(jié)器能夠正常起勵，升壓過程平穩(wěn)，起勵過程中超調量約為3%，微弱振蕩，調節(jié)時間約為6.6 s，符合國家標準。

(2) 階躍試驗：國標規(guī)定電壓超調量不大于30%；振蕩次數(shù)不超過3次；調節(jié)時間不大于5 s[19]。從階躍波形可以看出，超調量約為22%，微弱振蕩，調節(jié)時間約為1 s，符合國家標準。

(3) 靜差率試驗：為檢驗發(fā)電機負載變化時勵磁調節(jié)器對機端電壓的控制精度，對靜差率進行計算。表1和表2為將勵磁調節(jié)器的調差系數(shù)置0、電壓給定值為1.005倍的額定電壓時，所測得機端電壓值。數(shù)值均為以發(fā)電機額定電壓作為基準的標幺值。

表1 調差系數(shù)為零時空載機端電壓測試值

表2 調差系數(shù)為零時帶負載機端電壓測試值

從表中可以計算出，第一組靜差率約為0.41%，第二組靜差率約為0.33%，均符合國標規(guī)定的小于1%的要求。

以上試驗結果表明，本文設計的發(fā)電機勵磁調節(jié)器具備優(yōu)良動、靜態(tài)性能，且主要性能指標符合國標要求。

4 結語

本文設計的基于STM32H743微處理器的同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器，憑借其高性能內核、高精度運算單元及豐富的片內外設資源，實現(xiàn)了同步信號的測頻、A/D 采樣以及移相觸發(fā)等功能，使硬件設計變得更加簡易，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。動模試驗表明，所設計的基于STM32H743的勵磁調節(jié)器工作穩(wěn)定，能夠滿足國標要求，且成本較低，可應用于實驗教學當中，方便學生通過軟件修改觀察發(fā)電機性能，以加深學生對勵磁工作原理的認識。