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(xué)信息與控制工程學(xué)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?fù)涠嗍嵌O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(fù)載側(cè)，而且動態(tài)響應(yīng)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(dǎo)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(yīng)運而生，PFC 變流器就是將全控型開關(guān)器件和高性能控制器結(jié)合在一起，并使用先進(jìn)的現(xiàn)代控制原理作為理論基礎(chǔ)，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(shè)計的，所以動態(tài)響應(yīng)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ā１疚奶岢鲆环N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(xué)模型選擇相應(yīng)的控制方式，并開發(fā)了相關(guān)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(yīng)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(shè)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(biāo)識的額定參數(shù)來選擇、計算開關(guān)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?。欢且驗檎髌鹘涣鱾?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(jìn)而導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致控制器中電壓調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度較慢。如果電容的容值過小時，就會導(dǎo)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(biāo)的影響，并綜合電路設(shè)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(guān)器件的選擇。在選擇開關(guān)管的時候要考慮開關(guān)管導(dǎo)通時的載流能力和關(guān)斷時的反相耐壓能力，還要考慮開關(guān)管在導(dǎo)通狀態(tài)與關(guān)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(fù)荷大小會影響電網(wǎng)電壓的大小，當(dāng)負(fù)荷較輕時，電網(wǎng)電壓會高于額定值，當(dāng)負(fù)荷較重時，電網(wǎng)電壓會低于額定值，所以在選擇開關(guān)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(guān)管的型號為IRF640N，其耐壓值為200V，過電流為18A。為了避免因開關(guān)管關(guān)斷，而導(dǎo)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(fù)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(shè)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(shè)資源豐富程度的要求都比較高，在本設(shè)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(shè)資源比較豐富，就大大提升了控制電路設(shè)計的復(fù)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(shè)計的周期，在設(shè)計中控制電路選擇購買成品最小系統(tǒng)板。

3 主程序設(shè)計

在DSPTMS28335 程序開始運行前要進(jìn)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(shè)置看門狗程序、設(shè)置系統(tǒng)的時鐘主頻和外設(shè)時鐘使能，接著就失能總中斷和清除所有中斷標(biāo)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(shè)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(yīng)的寄存器進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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?。同時三相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。