基于三相PWM 电压型整流器的自动励磁控制器的研制

曹小康 杜加峰 曹建军

（青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛266520）

1 概述

在现代电力系统中，性能优越的励磁调节控制器不仅可以提高发电机运行过程中的各种性能，还能提高电能质量，同时还能够降低交流同步发电机定子绕组和转子绕组由于电流谐波引起的有功损耗造成的温升。对于现阶段投入使用的同步发电机励磁调节器，采用的电路拓扑多是二极管整流器、相控整流器等传统的整流电路，其在运行过程中能量只能从电网侧流向负载侧，而且动态响应时间较长，不但在整流器交流侧电流中会产生大量谐波，还会导致能源浪费和电磁兼容等问题。为了解决这些问题，PFC（Power Factor Correction）变流器等一类电路应运而生，PFC 变流器就是将全控型开关器件和高性能控制器结合在一起，并使用先进的现代控制原理作为理论基础，这种变换电路的各种特性正好可以用作发电机自动励磁调节器。

三相PWM电压型整流电路是PFC变流器中的一种，因为是基于动态模型设计的，所以动态响应快，而且可以控制器算法将整流器交流侧电流的无功分量消除来实现单位功率因数输入，通过控制器算法将交流侧电压变为正弦波。本文提出一种用三相PWM电压型整流器来代替传统的相控整流器的自动励磁控制器，根据其数学模型选择相应的控制方式，并开发了相关的硬件电路和控制器所需要的软件程序。

2 三相PWM整流励磁调节器的基本原理

2.1 励磁调节器的系统结构。要实现三相PWM整流器作为同步发电机励磁控制器，不但要有控制算法，还必须有相应的硬件电路支持，三相PWM整流励磁调节器系统的硬件框图，如

图1 三相PWM整流励磁控制系统的硬件框图

2.2 主电路设计。整流器作为同步发电机的励磁回路的电源，就要根据小型同步发电机铭牌上标识的额定参数来选择、计算开关管、续流二极管、交流侧电感、直流侧电容等元件的参数并完成器件的选型。由实验室样机的铭牌可知，额定功率为3kW、励磁额定电压70V、励磁额定电流3A等参数。

2.2.1 交流侧滤波电感选择。整流器交流侧回路滤波电感的主要作用有两个，一是使电网和整流器隔离，这样就可以让整流器交流侧电压不被电网电动势钳住；二是因为整流器交流侧电压是通过SVPWM调制得到的，并且没有交流侧电容滤波，所以包含较多的电压谐波，进而导致交流侧电流谐波含量增多，通过交流侧串联电感将其中的谐波吸收，可以使交流侧电流更接近正弦波。当电感的感值小与一定值时，电感对电流的滤波效果就会大大折扣，而电感值大于一定值时，又会对电流控制器的调节速度有较大的影响。通过分析，在满足上述条件的前提下，充分考虑和衡量电感外型尺寸、成本高低等因素，最终选择交流侧电感值为10mH。

2.2.2 直流侧滤波电容的选择。直流侧滤波电容的主要作用是将直流侧输出的电压所含的高频谐波吸收掉，从而使直流侧输出电流的谐波含量减少。整流器直流侧滤波电容的取值还要考虑直流侧电压闭环跟随性能。如果电容的容值过大时，就会导致控制器中电压调节器的响应速度较慢。如果电容的容值过小时，就会导致直流侧电压高次谐波含量过高，整流器的性能就不够好。综合考虑直流侧电容对整流器直流回路各项指标的影响，并综合电路设计的经验和成本，最终选择直流侧滤波电容为的电解电容。

2.2.3 开关器件的选择。在选择开关管的时候要考虑开关管导通时的载流能力和关断时的反相耐压能力，还要考虑开关管在导通状态与关断状态之间切换时所承受的尖峰电压，以及散热和成本问题。由于电力系统负荷大小会影响电网电压的大小，当负荷较轻时，电网电压会高于额定值，当负荷较重时，电网电压会低于额定值，所以在选择开关管的时候要充分考虑电网电压的波动。经过分析计算，在整流器主电路中，选择开关管的型号为IRF640N，其耐压值为200V，过电流为18A。为了避免因开关管关断，而导致的整流器交流侧电流断流而发生电流波形畸变，所以需要在三相PWM整流器主电路中使用续流二极管。虽然选择的MOSFET内部有寄生的二极管，但是因为恢复特性并不好，所以需要为其并联上性能较好的续流二极管。在本文中选择型号为SR5150 的肖特基二极管，其耐压值为150V，载流能力为5A。

2.3 控制电路的设计。三相PWM电压型整流器涉及到的算法和数据的运算量比较大，对于控制器的计算能力、芯片主频、外设资源丰富程度的要求都比较高，在本设计中，选择TI 公司推出的DSPTMS28335 作为主控芯片。DSPTMS28335 的集成在芯片内部的外设资源比较丰富，就大大提升了控制电路设计的复杂程度，为了提高控制芯片工作的稳定性，也为了缩短硬件设计的周期，在设计中控制电路选择购买成品最小系统板。

3 主程序设计

在DSPTMS28335 程序开始运行前要进行芯片本身的初始化，首先判断GPIO84-GPIO87 引脚的高低电平，这些引脚的电平高低决定了程序开始运行的首地址，之后就是设置看门狗程序、设置系统的时钟主频和外设时钟使能，接着就失能总中断和清除所有中断标志位，以便于中断向量表的初始化。之后就是本文中所涉及使用到的外设模块的初始化。每个模块都包含了很多的功能，例如在PWM控制模块中，用到了时基功能、死区功能、错误联防功能、事件触发功能等等，为了让它们正常工作，就需要在使用前将其对应的寄存器进行相应的配置。

使用外部中断模块检测同步信号是否来临。如果同步信号没有到来，就一直在循环等待。如果同步信号到来，使能EPWM中断，并进入主程序的循环。主程序流程图如图2 所示。

图2 初始化和同步检测程序流程图

4 结论

本文提出了一种用三相PWM电压型整流器来代替传统的相控整流器的自动励磁控制器,经过分析和验证，证明了高频整流器的各种特性正好可以满足发电机在运行的时候对励磁控制器的各项要求。同时三相PWM电压型整流器还可以减少励磁控制器对电网的谐波污染和无功消耗，这正好符合了现代社会提倡的环保节能的发展理念。实验表明，该调节器具有计算速度快，体积小、谐波污染小、性价比高等优点，适合在中小型电厂推广。