基于DSP的變流機組勵磁調節研究

楊 明，孫宏光, 傅震宇

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

基于DSP的變流機組勵磁調節研究

楊 明1，孫宏光1, 傅震宇2

（1. 海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧大連 116011；2. 中國衛星海上測控部，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組勵磁調節器存在的不足。設計了基于DSP的變流機組勵磁調節，搭建了勵磁調節器的硬件電路。通過實驗證明，基于DSP設計的數字式勵磁調節器具有良好的勵磁調節功能，能夠對變流機組進行有效的勵磁調節，具有較高的可靠性和穩定性。

DSP 變流機組 勵磁調節

0 引言

隨著電力技術的不斷發展，電力系統的規模正在不斷擴大，結構也日益復雜，對于電力系統運行的安全性和可靠性的要求也越來越高。為保證艦船安全穩定運行，艦船電力系統必須提供長時間、高質量的電能供應。

400 Hz中頻變流機組作為艦船電力系統電能轉換的核心，其運行狀態直接影響著整個艦船電力系統的穩定性。勵磁調節器是實現對變流機組有效控制的重要組成部分，勵磁調節器安全、有效的控制作用是保證變流機組可靠供電的首要條件。因此，對于提高變流機組勵磁調節器控制性能的研究，具有十分重要的意義。

1 國內現狀

目前，艦船400 Hz中頻變流機組的勵磁調節器大多采用模擬電路控制，相較于新型數字式勵磁調節器，其存在的不足變得更加明顯[2-4]。艦船中頻變流機組勵磁調節器存在的問題主要體現在以下幾個方面[3]：

1）采用模擬電路控制，系統結構復雜，環境適應能力較差。

由于采用模擬控制方式，為了實現必需的勵磁調節和限制保護功能，勵磁調節器往往需要大量的硬件電路作支撐，從而導致其結構復雜，設備維護工作量大。且需要占用較大的空間。同時，由于模擬電路自身特點，勵磁調節器對環境的適應能力較差；大量模擬元器件的使用，導致勵磁調節器容易因為溫度、濕度等因素的變化導致控制性能下降，影響變流機組運行的安全性。由于艦船上溫度、濕度等環境相對復雜，因而上述問題顯得更加突出。

在數字控制技術迅速發展的今天，采用模擬電路進行勵磁調節在實現功能和控制性能上都與現代化控制的要求存在一定差距。

2）信號檢測電路時間常數大，采樣存在較大延遲，控制時效性較差。

目前，艦船中頻變流機組的勵磁調節器的電壓和頻率檢測環節主要還是采用將同步發電機發出的交流電經降壓后，通過整流、濾波電路轉換成直流電量的直流采樣方式。整個檢測電路時間常數大，信號反饋延遲較明顯，勵磁調節器不能及時跟蹤變流機組的運行狀態進行實時控制。因此，在勵磁調節器的交流信號檢測環節還存在較大改進空間，調節器的時效性還有待提高。通過分析目前艦船變流機組勵磁調節器主要存在的問題和不足，本文設計并實現了以TMS320LF2407A DSP為控制核心的中頻變流機組數字式勵磁調節器。

2 變流機組勵磁調節器設計

本文設計的400 Hz中頻變流機組數字式勵磁調節器以TMS320LF2407A DSP 為控制核心，主要包括單相同步電機勵磁環節、直流電機勵磁環節、信號檢測環節和DSP控制環節；同步電機采用自并勵式勵磁方式，直流電機采用并勵式結構[1]。勵磁調節器的整體結構如圖1所示。

由于采用數字式勵磁控制結構，相較于模擬式勵磁控制方式，整個勵磁調節器的硬件電路大大簡化。數字信號處理器（DSP）具有快速的運算能力和強大的數據處理能力，使得勵磁調節器的控制性能和實現功能都得到了較大的提高和完善。同時，在信號檢測環節加入新型變壓器設計，進一步縮短了信號檢測時間，提高了數據的實時反饋能力。

3 勵磁調節器硬件設計

3.1 主功率電路設計

勵磁控制系統主電路主要包括直流電機勵磁主電路和單相同步電機勵磁主電路，兩部分主功率電路均采用由脈寬調制方式控制的Buck電路。對于并勵式直流電機，其勵磁繞組與電樞繞組并聯，由直流電源提供勵磁電流[5]。對于自并勵式同步電機，其勵磁電流由發電機端電壓經橋式整流后提供。兩部分勵磁主電路如圖2和圖3所示。

圖2 直流電機勵磁主電路

圖3 同步電機勵磁主電路

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

由于開關管關斷過程是最易損壞的時間，在IGBT兩端并聯RC緩沖電路，在IGBT關斷時減小集電極電流，起到保護作用。

3.2 RC緩沖電路計算

RC緩沖電路的參數選擇，可按經驗公式求得。IGBT關斷時，其能量可寫成：

式中：IC——最大集電極電流（A）；

VCE——最大集電極-發射極電壓（V）；

tr——最大集電極電壓上升時間（μs）；

tf——最大集電極電流下降時間（μs）。

解得電容：

IGBT關斷時，電容C充電；IGBT開通時，電容C通過R放電，電容器兩端電壓為：為了承擔IGBT關斷時的全部充電電壓，選擇適當RC值，使

同樣，選擇RC，使電容在每次導通時間ton中能完全放電。假設3倍時間常數可以放完，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驅動電路設計

EXB841是高速系列的IGBT集成驅動電路，工作頻率可達40 kHz；內部有隔離高壓的光電耦合器，隔離電壓可達到2500 V；具有過電流保護和低速過流切斷電路的功能，保護信號可輸出供控制電路使用；單電源供電，內部電路可將+20 V的單電壓轉換為+15 V的開通電壓和-5 V的關斷電壓[4]。IGBT驅動電路如圖4所示。

4 變流機組勵磁調節器控制性能實驗

為驗證設計的數字式勵磁調節器的調節性能，對變流機組空載啟動、突加負載和突減負載進行實驗，并對結果進行分析。實驗機組基本參數如表1。

1）變流機組空載啟動實驗

對變流機組空載啟動進行實驗，電壓給定值為220 V，頻率為400 Hz。啟動時同步發電機端電壓波形如圖5。直流電機勵磁電流和同步發電機勵磁電壓波形分別見圖6、圖7。

機組運行穩定時測得空載運行數據如下（進行5次測量）：

a) 發電機端電壓：

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

b) 發電機頻率：

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

c) 直流電機勵磁電流：

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

d) 同步發電機勵磁電流：

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

通過以上圖形和數據可以看出，勵磁調節器能夠對發電機電壓和頻率進行有效調節，使其穩定在給定值附近。

2）突加負載實驗

對變流機組進行突加負載實驗，得到發電機端電壓波形，如圖8。

加載后發電機電壓：

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

加載后發電機頻率：

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，突加負載后，發電機端電壓經過小范圍波動，最后穩定在給定電壓值附近。說明勵磁調節器能有效調節勵磁電流，對發電機負載變化做出快速反應。

3）突減負載實驗

對變流機組進行突減負載實驗，得到發電機端電壓波形，如圖9。

減載后發電機電壓：平均值：219.8 V。

減載后發電機頻率：平均值：399.82 Hz。

從上述波形和數據可以看出，勵磁調節器在變流機組突減負載情況下也能進行有效調節，快速穩定發電機端電壓。

通過中頻變流機組空載啟動、突加負載和突減負載實驗，實驗波形和數據說明勵磁調節器在變流機組啟動、加載和減載過程中能夠對發電機的端電壓和頻率進行快速有效的調節，最終使其穩定在給定值附近。上述實驗證明，設計的數字式勵磁調節器具有良好的勵磁調節功能，能夠對變流機組進行有效的勵磁調節，具有較高的可靠性和穩定性。

5 結論

中頻變流機組是艦船電力系統的重要組成部分，它承擔著艦船電能轉換的重要任務。勵磁調節器是維持變流機組安全、穩定運行的重要設備，勵磁調節器是否能準確獲取變流機組運行狀態并及時做出相應調節，直接關系到整個電力系統的運行穩定性。

基于目前艦船中頻變流機組勵磁調節器的現狀，并結合當前勵磁調節器的發展趨勢，本文設計了以DSP為控制核心的中頻變流機組數字式勵磁調節器。

[1] 李基成．現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M]．北京：中國電力出版社，2002．

[2] 韓英鐸，謝小榮，崔文進．同步發電機勵磁控制研究的現狀與走向[J]．清華大學學報, 2001，（41）：142-146．

[3] 李家坤．同步發電機勵磁控制方式發展綜述[J]．電力學報, 2005，20（1）：26-29．

[4] 熊杰，高雄清，曹照秀．微機勵磁的現狀及發展趨勢[J]．中國農村水利水電，2004，（8）：97-98．

[5] 雷蕾，鄭中祥，劉梅林等．變流機組運行狀態轉換直流電機勵磁控制[J]．艦船科學技術, 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

楊明（1973-），男，工程師。研究方向：艦船監造。