基于三相PWM 電壓型整流器的自動勵磁控制器的研制

曹小康 杜加峰 曹建軍

（青島理工大學信息與控制工程學院，山東 青島266520）

1 概述

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，性能優(yōu)越的勵磁調(diào)節(jié)控制器不僅可以提高發(fā)電機運行過程中的各種性能，還能提高電能質(zhì)量，同時還能夠降低交流同步發(fā)電機定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組由于電流諧波引起的有功損耗造成的溫升。對于現(xiàn)階段投入使用的同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器，采用的電路拓撲多是二極管整流器、相控整流器等傳統(tǒng)的整流電路，其在運行過程中能量只能從電網(wǎng)側(cè)流向負載側(cè)，而且動態(tài)響應時間較長，不但在整流器交流側(cè)電流中會產(chǎn)生大量諧波，還會導致能源浪費和電磁兼容等問題。為了解決這些問題，PFC（Power Factor Correction）變流器等一類電路應運而生，PFC 變流器就是將全控型開關器件和高性能控制器結(jié)合在一起，并使用先進的現(xiàn)代控制原理作為理論基礎，這種變換電路的各種特性正好可以用作發(fā)電機自動勵磁調(diào)節(jié)器。

三相PWM電壓型整流電路是PFC變流器中的一種，因為是基于動態(tài)模型設計的，所以動態(tài)響應快，而且可以控制器算法將整流器交流側(cè)電流的無功分量消除來實現(xiàn)單位功率因數(shù)輸入，通過控制器算法將交流側(cè)電壓變?yōu)檎也?。本文提出一種用三相PWM電壓型整流器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控整流器的自動勵磁控制器，根據(jù)其數(shù)學模型選擇相應的控制方式，并開發(fā)了相關的硬件電路和控制器所需要的軟件程序。

2 三相PWM整流勵磁調(diào)節(jié)器的基本原理

2.1 勵磁調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)三相PWM整流器作為同步發(fā)電機勵磁控制器，不但要有控制算法，還必須有相應的硬件電路支持，三相PWM整流勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的硬件框圖，如

圖1 三相PWM整流勵磁控制系統(tǒng)的硬件框圖

2.2 主電路設計。整流器作為同步發(fā)電機的勵磁回路的電源，就要根據(jù)小型同步發(fā)電機銘牌上標識的額定參數(shù)來選擇、計算開關管、續(xù)流二極管、交流側(cè)電感、直流側(cè)電容等元件的參數(shù)并完成器件的選型。由實驗室樣機的銘牌可知，額定功率為3kW、勵磁額定電壓70V、勵磁額定電流3A等參數(shù)。

2.2.1 交流側(cè)濾波電感選擇。整流器交流側(cè)回路濾波電感的主要作用有兩個，一是使電網(wǎng)和整流器隔離，這樣就可以讓整流器交流側(cè)電壓不被電網(wǎng)電動勢鉗??；二是因為整流器交流側(cè)電壓是通過SVPWM調(diào)制得到的，并且沒有交流側(cè)電容濾波，所以包含較多的電壓諧波，進而導致交流側(cè)電流諧波含量增多，通過交流側(cè)串聯(lián)電感將其中的諧波吸收，可以使交流側(cè)電流更接近正弦波。當電感的感值小與一定值時，電感對電流的濾波效果就會大大折扣，而電感值大于一定值時，又會對電流控制器的調(diào)節(jié)速度有較大的影響。通過分析，在滿足上述條件的前提下，充分考慮和衡量電感外型尺寸、成本高低等因素，最終選擇交流側(cè)電感值為10mH。

2.2.2 直流側(cè)濾波電容的選擇。直流側(cè)濾波電容的主要作用是將直流側(cè)輸出的電壓所含的高頻諧波吸收掉，從而使直流側(cè)輸出電流的諧波含量減少。整流器直流側(cè)濾波電容的取值還要考慮直流側(cè)電壓閉環(huán)跟隨性能。如果電容的容值過大時，就會導致控制器中電壓調(diào)節(jié)器的響應速度較慢。如果電容的容值過小時，就會導致直流側(cè)電壓高次諧波含量過高，整流器的性能就不夠好。綜合考慮直流側(cè)電容對整流器直流回路各項指標的影響，并綜合電路設計的經(jīng)驗和成本，最終選擇直流側(cè)濾波電容為的電解電容。

2.2.3 開關器件的選擇。在選擇開關管的時候要考慮開關管導通時的載流能力和關斷時的反相耐壓能力，還要考慮開關管在導通狀態(tài)與關斷狀態(tài)之間切換時所承受的尖峰電壓，以及散熱和成本問題。由于電力系統(tǒng)負荷大小會影響電網(wǎng)電壓的大小，當負荷較輕時，電網(wǎng)電壓會高于額定值，當負荷較重時，電網(wǎng)電壓會低于額定值，所以在選擇開關管的時候要充分考慮電網(wǎng)電壓的波動。經(jīng)過分析計算，在整流器主電路中，選擇開關管的型號為IRF640N，其耐壓值為200V，過電流為18A。為了避免因開關管關斷，而導致的整流器交流側(cè)電流斷流而發(fā)生電流波形畸變，所以需要在三相PWM整流器主電路中使用續(xù)流二極管。雖然選擇的MOSFET內(nèi)部有寄生的二極管，但是因為恢復特性并不好，所以需要為其并聯(lián)上性能較好的續(xù)流二極管。在本文中選擇型號為SR5150 的肖特基二極管，其耐壓值為150V，載流能力為5A。

2.3 控制電路的設計。三相PWM電壓型整流器涉及到的算法和數(shù)據(jù)的運算量比較大，對于控制器的計算能力、芯片主頻、外設資源豐富程度的要求都比較高，在本設計中，選擇TI 公司推出的DSPTMS28335 作為主控芯片。DSPTMS28335 的集成在芯片內(nèi)部的外設資源比較豐富，就大大提升了控制電路設計的復雜程度，為了提高控制芯片工作的穩(wěn)定性，也為了縮短硬件設計的周期，在設計中控制電路選擇購買成品最小系統(tǒng)板。

3 主程序設計

在DSPTMS28335 程序開始運行前要進行芯片本身的初始化，首先判斷GPIO84-GPIO87 引腳的高低電平，這些引腳的電平高低決定了程序開始運行的首地址，之后就是設置看門狗程序、設置系統(tǒng)的時鐘主頻和外設時鐘使能，接著就失能總中斷和清除所有中斷標志位，以便于中斷向量表的初始化。之后就是本文中所涉及使用到的外設模塊的初始化。每個模塊都包含了很多的功能，例如在PWM控制模塊中，用到了時基功能、死區(qū)功能、錯誤聯(lián)防功能、事件觸發(fā)功能等等，為了讓它們正常工作，就需要在使用前將其對應的寄存器進行相應的配置。

使用外部中斷模塊檢測同步信號是否來臨。如果同步信號沒有到來，就一直在循環(huán)等待。如果同步信號到來，使能EPWM中斷，并進入主程序的循環(huán)。主程序流程圖如圖2 所示。

圖2 初始化和同步檢測程序流程圖

4 結(jié)論

本文提出了一種用三相PWM電壓型整流器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控整流器的自動勵磁控制器,經(jīng)過分析和驗證，證明了高頻整流器的各種特性正好可以滿足發(fā)電機在運行的時候?qū)畲趴刂破鞯母黜椧蟆Ｍ瑫r三相PWM電壓型整流器還可以減少勵磁控制器對電網(wǎng)的諧波污染和無功消耗，這正好符合了現(xiàn)代社會提倡的環(huán)保節(jié)能的發(fā)展理念。實驗表明，該調(diào)節(jié)器具有計算速度快，體積小、諧波污染小、性價比高等優(yōu)點，適合在中小型電廠推廣。