基于dsPIC的智能功率柜的设计

李志军，李连辉，杨旭东，韩雪晶，王军伟

（河北工业大学电气与自动化学院，天津 300130）

1 引言

随着电力系统的飞速发展以及发电机单机容量的增长，大型同步发电机所需的励磁功率亦有了明显上升，因此对励磁系统的要求也越来越高[1]。励磁系统故障仍是发电机故障停机和非计划停运的主要原因。励磁系统出现故障，将影响发电系统的整体可靠性，可见励磁系统的可靠性十分重要。国内目前使用的各类励磁调节器已经非常先进，但功率柜的制造水平还不高，这势必影响到励磁系统整体性能的提高，从而妨碍电力系统整体性能的提升。

目前，国内生产的励磁功率柜普遍存在检测功能不全、信息传送、控制和检测技术落后等问题。

本文介绍的功率柜是基于dsPIC30F6014的智能励磁功率柜，它与传统的功率柜的不同之处在于在其内部加入了智能检测和控制电路，在减轻了调节器工作压力的同时又提高了系统工作的可靠性。智能功率柜不但具有完备的检测、控制、通信功能而且均流效果理想。

2 dsPIC30F6014的特点

dsPIC30F6014是一款高性能数字信号控制器，拥有很高的性价比。它集成了单片机的控制功能以及数字信号处理器的计算能力和数据吞吐能力。其具有如下特点：快速、复杂和灵活的中断处理，丰富的数字和模拟外设，电源管理，可灵活选择多种时钟模式，上电复位，欠压保护，看门狗定时器，代码加密，全速实时仿真及全速在线调试解决方案。

dsPIC30F6014采用的是改进哈佛（Harvard）总线结构，从而哈佛结构的潜在优势得到了充分发挥。其两级流水线结构，可以有效地提升系统的运行效率和数据的可靠性。

dsPIC30F6014芯片集成了通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串行通信模块和控制器局域网(Controller Area Network, CAN)模块。dsPIC30F系列芯片所配置的CAN模块可用于与其他CAN模块、外设或者单片机之间进行通讯。

3 智能励磁功率柜的系统结构及软硬件设计

3.1 系统结构设计

图1 系统原理框图

智能功率柜的系统原理框图如图 1所示。励磁功率柜的任务是将三相交流电整流成供发电机转子励磁的直流电。在功率柜中三相全控桥为关键部件。励磁调节器经 CAN总线将晶闸管导通角度送至智能功率柜的微机，微机将经检测得到的桥臂实际输出电流值与调节器的设定电流值进行比较，完成相应的PI运算后对触发角度进行微调，调整后的触发角度经输出比较模块形成六路触发脉冲继而驱动三相全控桥导通整流，从而实现整流的目标。功率柜通过信号检测模块将柜内温度、风机工作状态、晶闸管导通状态、熔断器通断状态和桥臂电流值送入微机，微机对各参数进行计算分析并与设定值比较，实时显示工况并可进行报警。

3.2 智能励磁功率柜的硬件设计

在硬件设计中，根据励磁功率柜的特点，设计了以dsPIC30F6014单片机为控制核心的外围硬件电路，包括同步信号捕捉单元、模拟信号采集单元、移相触发脉冲产生单元和通信单元等[3]。

3.2.1 同步电压形成电路

晶闸管的导通，除了应在其阳极与阴极间加上正向电压外，还必须同时在控制极上加上正向触发脉冲。对三相可控整流桥而言，就是要求每次加在晶闸管控制极上的触发脉冲，都应在该晶闸管承受正向电压的一定时刻发出。当整流电压一定时，每一相每个周期送出的第一个触发脉冲，对应于该相阳极电压的时刻都应相同，即控制角α相同。晶闸管触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系，即称为同步[4]。

频率的测量在励磁系统中具有极其重要的地位，实时准确地测量到系统频率是实现跟踪采样、脉冲形成的基础。根据对晶闸管进行导通控制的要求，晶闸管元件上所加的电压和控制极上所加的触发脉冲电压在相位上必须配合合理，否则晶闸管将无法正常工作[5]。触发角的起始时刻是保证晶闸管可靠、准确导通的基础。本文中，同步信号通过同步变压器取自晶闸管的阳极电压。本文采用电压比较器LM211来完成此功能。主要电路如图2所示。

图2 同步电压形成电路

同步信号单元电路的主要部件为高速比较器LM211，通过它可完成同步电压的过零点检测。为了防止同步电压中夹杂有高频的干扰信号，在同步电压输入到LM211之前，采用低通滤波电路对输入的同步电压信号进行滤波。另外，为了加强同步信号单元的抗干扰能力也可以在LM211比较器中加一个正反馈，组成滞回比较电路。

3.2.2 模拟量信号处理电路

本电路采样的模拟量信号有正负半桥的电流信号、励磁电压信号、功率柜内部温度等信号。交流电压、电流信号分别取自经电压互感器（PT）和电流互感器（CT）变换后的交流信号[6]。信号经过处理后送入dsPIC30F6014的A/D转换模块。这里以晶闸管输出的电流信号为例来介绍模拟量的处理电路。信号处理电路如图3所示。

图3 电压信号处理电路

先在外部电路中通过电流互感器将晶闸管的输出电流转换为小电流信号，再将电流信号转换为电压信号，然后送入集成运算放大器组成的电路，最后送入dsPIC30F6014的A/D模块进行处理。

3.2.3 移相触发脉冲形成

三相全控整流桥工作时，晶闸管元件按照一定次序导通，为此必须对晶闸管施加触发脉冲，这是由触发器单元实现的。本文采用的是双窄脉冲触发，即在电流换向时同时向共阳极和共阴极晶闸管各发一路脉冲，以防在换向时因产生负电压而使晶闸管发生截止的现象。

dsPIC30F6014包含输出比较模块，最多可同时产生多达8路的PWM波形。其中有3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对(即6个输出)。在此设计中，采用的是双比较匹配模式。在比较时基与OCxR寄存器发生比较匹配后的下一个指令周期，OCx引脚驱动为高电平，直到时基和OCxRS寄存器之间发生下一次匹配时，该引脚将驱动为低电平。

触发信号从同步信号过零点计时，调节器经CAN总线发送给各功率柜触发角的角度值α，同步信号周期值 Ts，脉冲宽度W。同步信号过零产生中断，使单片机内部计数器开始计数，并根据α、Ts、W计算出α的对应值 Tα1～ Tα6和脉冲后沿的对应值 TW1～TW6，并将这些计算出的数值写入单片机内部相关寄存器中，当寄存器中的值与相关寄存器中的值相等时，特定的事件就会在相应的引脚上触发[7]。下式为TαN和TWN的计算方法：

N=1，2，3，4，5，6。Tclk为 dsPIC30F6014 计数器计数周期。

3.2.4 CAN总线接口模块

为了使智能功率柜能够将运行数据与其他微机系统(如励磁调节器、主控室监控器)进行交换，该功率柜微机必须安装通讯接口。鉴于目前工业现场中常用的通讯方式多为 CAN通讯方式，因此在本系统中采用CAN通讯方式。

CAN总线接口模块主要包括CAN控制器芯片和接口芯片PC82C250。dsPIC30F6014内部集成了CAN控制器，这对于需要良好抗干扰性的测控系统有很大好处。可将dsPIC30F6014构成为集通信与控制功能于一体的单片系统，简化了硬件设计，提高了系统抗干扰能力。

在连接总线时要注意总线两端需接2个120Ω的电阻，对于匹配总线阻抗，起着相当重要的作用。

3.3 智能功率柜的软件设计

设电流输出量为 y ( t)，输入量为 e ( t)，比例系数为Kp，积分时间常数为Ti，则比例积分方程为：

对式(3)离散化后，可得第k次和(k − 1 )次采样时刻dsPIC30F6014的输出：

式中，Ts为dsPIC30F6014的采样周期。

采用增量式算法，可得 2个采样时刻间的dsPIC30F6014输出增量为：

即：

式中：ek为第k次采样时给定量与反馈量之间的偏差。

按上式编程即可实现PI调节程序，使励磁系统获得理想的整流效果。

在本励磁功率柜的软件设计中，主要的软件设计思想有三个方面：一是软件必须满足实时控制的需要；二是软件要充分发挥单片机dsPIC30F6014的指令精简高效和硬件功能丰富的特点；三是软件要有很强的灵活性、通用性、可靠性和移植性[8]。其PI调节子程序流程如图4所示。

图4 PI调节子程序流程图

4 实验结果与分析

智能功率柜应用于发电机励磁系统中。现将其在一台同步三相发电机上进行实验。实验系统的参数如下：

发电机额定励磁电压Ue=109V，发电机额定励磁电流Ie=251A，智能功率柜强励倍数Mf=1.8，励磁变压器二次侧电压U2=203V，励磁变压器二次侧电流I2=205A，励磁变压器容量S=80kVA。

4.1 空载实验

逐步减小导通角α，增加励磁电流，实验数据见表1。

4.2 短路实验

逐渐增大发电机机端三相端子的短路电流，实验数据见表2。

表1 空载试验数据

表2 短路实验数据

4.3 带负载实验

额定负载时，发电机的机端电压为 6300V，励磁电流251A，励磁电压109V。

图5为示波器测得的励磁电流的波形图。该波形图表明，数字均流达到了较高的精度，提高了励磁系统的可靠性和稳定性。

图5 三相全控桥整流输出波形

本实验的主要目的是验证本文所提出的以dsPIC30F6014数字信号控制器为核心的智能励磁功率柜在实际工作时硬件电路的有效性以及相应软件编程的合理性，效果令人满意。

5 结束语

同步发电机励磁系统的研究是一个非常活跃的研究领域。本文采用了当前在工业控制中比较流行的dsPIC作为智能功率柜的控制核心，并设计了相应的硬件电路和软件部分。实验表明，该智能功率柜的性能令人满意。这种基于 dsPIC的励磁功率柜为智能励磁控制方法提供了一种有效的解决方案。该励磁功率柜技术领先，可靠性高，智能化程度高，具有很好的推广价值。

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