基于DSP的变流机组励磁调节研究

杨 明，孙宏光, 傅震宇

（1. 海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116011；2. 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

基于DSP的变流机组励磁调节研究

杨 明1，孙宏光1, 傅震宇2

（1. 海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连 116011；2. 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

本文分析了目前利用模拟电路控制的舰船中频变流机组励磁调节器存在的不足。设计了基于DSP的变流机组励磁调节，搭建了励磁调节器的硬件电路。通过实验证明，基于DSP设计的数字式励磁调节器具有良好的励磁调节功能，能够对变流机组进行有效的励磁调节，具有较高的可靠性和稳定性。

DSP 变流机组 励磁调节

0 引言

随着电力技术的不断发展，电力系统的规模正在不断扩大，结构也日益复杂，对于电力系统运行的安全性和可靠性的要求也越来越高。为保证舰船安全稳定运行，舰船电力系统必须提供长时间、高质量的电能供应。

400 Hz中频变流机组作为舰船电力系统电能转换的核心，其运行状态直接影响着整个舰船电力系统的稳定性。励磁调节器是实现对变流机组有效控制的重要组成部分，励磁调节器安全、有效的控制作用是保证变流机组可靠供电的首要条件。因此，对于提高变流机组励磁调节器控制性能的研究，具有十分重要的意义。

1 国内现状

目前，舰船400 Hz中频变流机组的励磁调节器大多采用模拟电路控制，相较于新型数字式励磁调节器，其存在的不足变得更加明显[2-4]。舰船中频变流机组励磁调节器存在的问题主要体现在以下几个方面[3]：

1）采用模拟电路控制，系统结构复杂，环境适应能力较差。

由于采用模拟控制方式，为了实现必需的励磁调节和限制保护功能，励磁调节器往往需要大量的硬件电路作支撑，从而导致其结构复杂，设备维护工作量大。且需要占用较大的空间。同时，由于模拟电路自身特点，励磁调节器对环境的适应能力较差；大量模拟元器件的使用，导致励磁调节器容易因为温度、湿度等因素的变化导致控制性能下降，影响变流机组运行的安全性。由于舰船上温度、湿度等环境相对复杂，因而上述问题显得更加突出。

在数字控制技术迅速发展的今天，采用模拟电路进行励磁调节在实现功能和控制性能上都与现代化控制的要求存在一定差距。

2）信号检测电路时间常数大，采样存在较大延迟，控制时效性较差。

目前，舰船中频变流机组的励磁调节器的电压和频率检测环节主要还是采用将同步发电机发出的交流电经降压后，通过整流、滤波电路转换成直流电量的直流采样方式。整个检测电路时间常数大，信号反馈延迟较明显，励磁调节器不能及时跟踪变流机组的运行状态进行实时控制。因此，在励磁调节器的交流信号检测环节还存在较大改进空间，调节器的时效性还有待提高。通过分析目前舰船变流机组励磁调节器主要存在的问题和不足，本文设计并实现了以TMS320LF2407A DSP为控制核心的中频变流机组数字式励磁调节器。

2 变流机组励磁调节器设计

本文设计的400 Hz中频变流机组数字式励磁调节器以TMS320LF2407A DSP 为控制核心，主要包括单相同步电机励磁环节、直流电机励磁环节、信号检测环节和DSP控制环节；同步电机采用自并励式励磁方式，直流电机采用并励式结构[1]。励磁调节器的整体结构如图1所示。

由于采用数字式励磁控制结构，相较于模拟式励磁控制方式，整个励磁调节器的硬件电路大大简化。数字信号处理器（DSP）具有快速的运算能力和强大的数据处理能力，使得励磁调节器的控制性能和实现功能都得到了较大的提高和完善。同时，在信号检测环节加入新型变压器设计，进一步缩短了信号检测时间，提高了数据的实时反馈能力。

3 励磁调节器硬件设计

3.1 主功率电路设计

励磁控制系统主电路主要包括直流电机励磁主电路和单相同步电机励磁主电路，两部分主功率电路均采用由脉宽调制方式控制的Buck电路。对于并励式直流电机，其励磁绕组与电枢绕组并联，由直流电源提供励磁电流[5]。对于自并励式同步电机，其励磁电流由发电机端电压经桥式整流后提供。两部分励磁主电路如图2和图3所示。

图2 直流电机励磁主电路

图3 同步电机励磁主电路

上述Buck电路中的开关管采用绝缘门极双极性晶体管（即IGBT）。IGBT的通断时间由DSP输出的PWM波控制。当电路工作在电感电流连续状态时，Buck电路输出端电压：

由于开关管关断过程是最易损坏的时间，在IGBT两端并联RC缓冲电路，在IGBT关断时减小集电极电流，起到保护作用。

3.2 RC缓冲电路计算

RC缓冲电路的参数选择，可按经验公式求得。IGBT关断时，其能量可写成：

式中：IC——最大集电极电流（A）；

VCE——最大集电极-发射极电压（V）；

tr——最大集电极电压上升时间（μs）；

tf——最大集电极电流下降时间（μs）。

解得电容：

IGBT关断时，电容C充电；IGBT开通时，电容C通过R放电，电容器两端电压为：为了承担IGBT关断时的全部充电电压，选择适当RC值，使

同样，选择RC，使电容在每次导通时间ton中能完全放电。假设3倍时间常数可以放完，则有3RC=tr，得：

算得的电阻值，必须满足放电电流Idis只是集电极电流IC的1/4，则有：

如果Idis>0,25Ic，则必须按照R= VCE/0.25 IC重新选取R值，电阻的功率为：

式中：F——IGBT工作频率（kHz）。

3.3 基于EXB841的IGBT驱动电路设计

EXB841是高速系列的IGBT集成驱动电路，工作频率可达40 kHz；内部有隔离高压的光电耦合器，隔离电压可达到2500 V；具有过电流保护和低速过流切断电路的功能，保护信号可输出供控制电路使用；单电源供电，内部电路可将+20 V的单电压转换为+15 V的开通电压和-5 V的关断电压[4]。IGBT驱动电路如图4所示。

4 变流机组励磁调节器控制性能实验

为验证设计的数字式励磁调节器的调节性能，对变流机组空载启动、突加负载和突减负载进行实验，并对结果进行分析。实验机组基本参数如表1。

1）变流机组空载启动实验

对变流机组空载启动进行实验，电压给定值为220 V，频率为400 Hz。启动时同步发电机端电压波形如图5。直流电机励磁电流和同步发电机励磁电压波形分别见图6、图7。

机组运行稳定时测得空载运行数据如下（进行5次测量）：

a) 发电机端电压：

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

b) 发电机频率：

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

c) 直流电机励磁电流：

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

d) 同步发电机励磁电流：

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

通过以上图形和数据可以看出，励磁调节器能够对发电机电压和频率进行有效调节，使其稳定在给定值附近。

2）突加负载实验

对变流机组进行突加负载实验，得到发电机端电压波形，如图8。

加载后发电机电压：

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

加载后发电机频率：

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

从图中可以看出，突加负载后，发电机端电压经过小范围波动，最后稳定在给定电压值附近。说明励磁调节器能有效调节励磁电流，对发电机负载变化做出快速反应。

3）突减负载实验

对变流机组进行突减负载实验，得到发电机端电压波形，如图9。

减载后发电机电压：平均值：219.8 V。

减载后发电机频率：平均值：399.82 Hz。

从上述波形和数据可以看出，励磁调节器在变流机组突减负载情况下也能进行有效调节，快速稳定发电机端电压。

通过中频变流机组空载启动、突加负载和突减负载实验，实验波形和数据说明励磁调节器在变流机组启动、加载和减载过程中能够对发电机的端电压和频率进行快速有效的调节，最终使其稳定在给定值附近。上述实验证明，设计的数字式励磁调节器具有良好的励磁调节功能，能够对变流机组进行有效的励磁调节，具有较高的可靠性和稳定性。

5 结论

中频变流机组是舰船电力系统的重要组成部分，它承担着舰船电能转换的重要任务。励磁调节器是维持变流机组安全、稳定运行的重要设备，励磁调节器是否能准确获取变流机组运行状态并及时做出相应调节，直接关系到整个电力系统的运行稳定性。

基于目前舰船中频变流机组励磁调节器的现状，并结合当前励磁调节器的发展趋势，本文设计了以DSP为控制核心的中频变流机组数字式励磁调节器。

[1] 李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用[M]．北京：中国电力出版社，2002．

[2] 韩英铎，谢小荣，崔文进．同步发电机励磁控制研究的现状与走向[J]．清华大学学报, 2001，（41）：142-146．

[3] 李家坤．同步发电机励磁控制方式发展综述[J]．电力学报, 2005，20（1）：26-29．

[4] 熊杰，高雄清，曹照秀．微机励磁的现状及发展趋势[J]．中国农村水利水电，2004，（8）：97-98．

[5] 雷蕾，郑中祥，刘梅林等．变流机组运行状态转换直流电机励磁控制[J]．舰船科学技术, 2004，（26）：65-70．

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

杨明（1973-），男，工程师。研究方向：舰船监造。