楊 明，孫宏光, 傅震宇

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連 116011；2. 中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

基于DSP的變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)研究

楊 明1，孫宏光1, 傅震宇2

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧大連 116011；2. 中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

本文分析了目前利用模擬電路控制的艦船中頻變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器存在的不足。設(shè)計(jì)了基于DSP的變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)，搭建了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件電路。通過實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP設(shè)計(jì)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有良好的勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)ψ兞鳈C(jī)組進(jìn)行有效的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

DSP 變流機(jī)組 勵(lì)磁調(diào)節(jié)

0 引言

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性的要求也越來越高。為保證艦船安全穩(wěn)定運(yùn)行，艦船電力系統(tǒng)必須提供長時(shí)間、高質(zhì)量的電能供應(yīng)。

400 Hz中頻變流機(jī)組作為艦船電力系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的核心，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)對(duì)變流機(jī)組有效控制的重要組成部分，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器安全、有效的控制作用是保證變流機(jī)組可靠供電的首要條件。因此，對(duì)于提高變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制性能的研究，具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，艦船400 Hz中頻變流機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器大多采用模擬電路控制，相較于新型數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其存在的不足變得更加明顯[2-4]。艦船中頻變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[3]：

1）采用模擬電路控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境適應(yīng)能力較差。

由于采用模擬控制方式，為了實(shí)現(xiàn)必需的勵(lì)磁調(diào)節(jié)和限制保護(hù)功能，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器往往需要大量的硬件電路作支撐，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備維護(hù)工作量大。且需要占用較大的空間。同時(shí)，由于模擬電路自身特點(diǎn)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差；大量模擬元器件的使用，導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器容易因?yàn)闇囟?、濕度等因素的變化?dǎo)致控制性能下降，影響變流機(jī)組運(yùn)行的安全性。由于艦船上溫度、濕度等環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因而上述問題顯得更加突出。

在數(shù)字控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，采用模擬電路進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)在實(shí)現(xiàn)功能和控制性能上都與現(xiàn)代化控制的要求存在一定差距。

2）信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)間常數(shù)大，采樣存在較大延遲，控制時(shí)效性較差。

目前，艦船中頻變流機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓和頻率檢測(cè)環(huán)節(jié)主要還是采用將同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)降壓后，通過整流、濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電量的直流采樣方式。整個(gè)檢測(cè)電路時(shí)間常數(shù)大，信號(hào)反饋延遲較明顯，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能及時(shí)跟蹤變流機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的交流信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)還存在較大改進(jìn)空間，調(diào)節(jié)器的時(shí)效性還有待提高。通過分析目前艦船變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要存在的問題和不足，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以TMS320LF2407A DSP為控制核心的中頻變流機(jī)組數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

2 變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的400 Hz中頻變流機(jī)組數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以TMS320LF2407A DSP 為控制核心，主要包括單相同步電機(jī)勵(lì)磁環(huán)節(jié)、直流電機(jī)勵(lì)磁環(huán)節(jié)、信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)和DSP控制環(huán)節(jié)；同步電機(jī)采用自并勵(lì)式勵(lì)磁方式，直流電機(jī)采用并勵(lì)式結(jié)構(gòu)[1]。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于采用數(shù)字式勵(lì)磁控制結(jié)構(gòu)，相較于模擬式勵(lì)磁控制方式，整個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件電路大大簡化。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）具有快速的運(yùn)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使得勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制性能和實(shí)現(xiàn)功能都得到了較大的提高和完善。同時(shí)，在信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)加入新型變壓器設(shè)計(jì)，進(jìn)一步縮短了信號(hào)檢測(cè)時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋能力。

3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件設(shè)計(jì)

3.1 主功率電路設(shè)計(jì)

勵(lì)磁控制系統(tǒng)主電路主要包括直流電機(jī)勵(lì)磁主電路和單相同步電機(jī)勵(lì)磁主電路，兩部分主功率電路均采用由脈寬調(diào)制方式控制的Buck電路。對(duì)于并勵(lì)式直流電機(jī)，其勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由直流電源提供勵(lì)磁電流[5]。對(duì)于自并勵(lì)式同步電機(jī)，其勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)橋式整流后提供。兩部分勵(lì)磁主電路如圖2和圖3所示。

圖2 直流電機(jī)勵(lì)磁主電路

圖3 同步電機(jī)勵(lì)磁主電路

上述Buck電路中的開關(guān)管采用絕緣門極雙極性晶體管（即IGBT）。IGBT的通斷時(shí)間由DSP輸出的PWM波控制。當(dāng)電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)時(shí)，Buck電路輸出端電壓：

由于開關(guān)管關(guān)斷過程是最易損壞的時(shí)間，在IGBT兩端并聯(lián)RC緩沖電路，在IGBT關(guān)斷時(shí)減小集電極電流，起到保護(hù)作用。

3.2 RC緩沖電路計(jì)算

RC緩沖電路的參數(shù)選擇，可按經(jīng)驗(yàn)公式求得。IGBT關(guān)斷時(shí)，其能量可寫成：

式中：IC——最大集電極電流（A）；

VCE——最大集電極-發(fā)射極電壓（V）；

tr——最大集電極電壓上升時(shí)間（μs）；

tf——最大集電極電流下降時(shí)間（μs）。

解得電容：

IGBT關(guān)斷時(shí)，電容C充電；IGBT開通時(shí)，電容C通過R放電，電容器兩端電壓為：為了承擔(dān)IGBT關(guān)斷時(shí)的全部充電電壓，選擇適當(dāng)RC值，使

同樣，選擇RC，使電容在每次導(dǎo)通時(shí)間ton中能完全放電。假設(shè)3倍時(shí)間常數(shù)可以放完，則有3RC=tr，得：

算得的電阻值，必須滿足放電電流Idis只是集電極電流IC的1/4，則有：

如果Idis>0,25Ic，則必須按照R= VCE/0.25 IC重新選取R值，電阻的功率為：

式中：F——IGBT工作頻率（kHz）。

3.3 基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

EXB841是高速系列的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路，工作頻率可達(dá)40 kHz；內(nèi)部有隔離高壓的光電耦合器，隔離電壓可達(dá)到2500 V；具有過電流保護(hù)和低速過流切斷電路的功能，保護(hù)信號(hào)可輸出供控制電路使用；單電源供電，內(nèi)部電路可將+20 V的單電壓轉(zhuǎn)換為+15 V的開通電壓和-5 V的關(guān)斷電壓[4]。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

4 變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制性能實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能，對(duì)變流機(jī)組空載啟動(dòng)、突加負(fù)載和突減負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)機(jī)組基本參數(shù)如表1。

1）變流機(jī)組空載啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)變流機(jī)組空載啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電壓給定值為220 V，頻率為400 Hz。啟動(dòng)時(shí)同步發(fā)電機(jī)端電壓波形如圖5。直流電機(jī)勵(lì)磁電流和同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓波形分別見圖6、圖7。

機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)測(cè)得空載運(yùn)行數(shù)據(jù)如下（進(jìn)行5次測(cè)量）：

a) 發(fā)電機(jī)端電壓：

219.9 V, 219.7 V, 220.0V, 219.8 V, 220.2 V。平均值219.98 V。

b) 發(fā)電機(jī)頻率：

400.3 Hz, 400.2 Hz, 400.1 Hz, 400.4 Hz, 400.1Hz。平均值為400.22 Hz。

c) 直流電機(jī)勵(lì)磁電流：

0.08 A, 0.06 A, 0.07 A, 0.06 A, 0.06 A。平均值為0.066 A。

d) 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流：

0.14 A, 0.15 A, 0.14 A, 0.13 A, 0.14 A, 平均值為0.14 A。

通過以上圖形和數(shù)據(jù)可以看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在給定值附近。

2）突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)

對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖8。

加載后發(fā)電機(jī)電壓：

221.5V, 221.6V 221.5V, 221.6V, 221.6V平均值：221.56 V。

加載后發(fā)電機(jī)頻率：

398.7 Hz, 398.8 Hz, 398.9 Hz, 398.8 Hz, 398.7 Hz,平均值：398.78 Hz。

從圖中可以看出，突加負(fù)載后，發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)過小范圍波動(dòng)，最后穩(wěn)定在給定電壓值附近。說明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能有效調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載變化做出快速反應(yīng)。

3）突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)

對(duì)變流機(jī)組進(jìn)行突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖9。

減載后發(fā)電機(jī)電壓：平均值：219.8 V。

減載后發(fā)電機(jī)頻率：平均值：399.82 Hz。

從上述波形和數(shù)據(jù)可以看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在變流機(jī)組突減負(fù)載情況下也能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，快速穩(wěn)定發(fā)電機(jī)端電壓。

通過中頻變流機(jī)組空載啟動(dòng)、突加負(fù)載和突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)說明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在變流機(jī)組啟動(dòng)、加載和減載過程中能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的端電壓和頻率進(jìn)行快速有效的調(diào)節(jié)，最終使其穩(wěn)定在給定值附近。上述實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有良好的勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)ψ兞鳈C(jī)組進(jìn)行有效的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

中頻變流機(jī)組是艦船電力系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著艦船電能轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是維持變流機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是否能準(zhǔn)確獲取變流機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

基于目前艦船中頻變流機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了以DSP為控制核心的中頻變流機(jī)組數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

[1] 李基成．現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2002．

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Research on DSP Based Excitation Regulator for Converter Set

Yang Ming1, Sun Hongguang1, Fu Zhenyu2

（1. Naval representatives Office in Dalian , Dalian 116011, Liaoning, China；2. China satellite maritime tracking and control department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China）

This paper analyzes the A-circuits shortcomings of excitation regulator for converter set, and designs a new regulator based on DSP and establishes a hardware circuit. By experiments, the digital regulator has a better excitation regulation characteristic, and has a more effective regulation result, which shows that this digital regulator has a higher reliability and stability.

DSP; converter; excitation regulation

TM461

A

1003-4862（2013）05-0035-04

2012-10-22

楊明（1973-），男，工程師。研究方向：艦船監(jiān)造。