韓雪晶，郭嘉，李志軍

（河北工業(yè)大學(xué) 電工廠，天津 300130）

1 引言

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵控制設(shè)備，其性能優(yōu)劣與可靠性高低直接影響發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。而勵(lì)磁功率單元又是構(gòu)成勵(lì)磁系統(tǒng)的重要一環(huán)，為同步發(fā)電機(jī)提供從空載到滿載及過載時(shí)所需的勵(lì)磁電流。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的勵(lì)磁功率單元普遍存在檢測(cè)功能不全、信息傳送、控制和檢測(cè)技術(shù)落后等問題，這勢(shì)必影響到勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能的提高，從而妨礙電力系統(tǒng)整體性能的提升。

本文介紹的基于dsPIC30F6014A的勵(lì)磁功率單元具有完備的檢測(cè)、控制、網(wǎng)絡(luò)功能。為了提升CAN總線在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中通訊的可靠性，提出了一種基于dsPIC的雙路CAN總線冗余通訊設(shè)計(jì)方案［2］，最后通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了CAN總線勵(lì)磁功率單元的可行性。

2 功率單元系統(tǒng)原理及功能特點(diǎn)

同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，一般采用多個(gè)功率整流單元并聯(lián)運(yùn)行，功率整流單元采用三相全控橋式接線，當(dāng)有1條支路退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)在所有工況下連續(xù)運(yùn)行；當(dāng)并聯(lián)支路等于或大于4，而有1／2的并聯(lián)支路退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。1個(gè)功率單元的額定輸出能力不單受晶閘管元件參數(shù)的限制，更重要的是取決于散熱系統(tǒng)的散熱能力。采取有效措施，限制交直流側(cè)過電壓，對(duì)功率單元的運(yùn)行工況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，提高并聯(lián)功率單元之間的均流等都是功率單元設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)化功率單元系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。三相晶閘管全控橋是功率單元的主要部分，而控制它按照調(diào)節(jié)器的要求輸出勵(lì)磁電流成為了關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)中每個(gè)功率單元內(nèi)安裝有一套嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主機(jī)單元、通訊接口、數(shù)字IO單元、A／D單元、D／A單元、傳感器、以及相應(yīng)的輸入輸出接口電路等。本設(shè)計(jì)方案首先通過CAN總線通訊接受調(diào)節(jié)器的控制，根據(jù)此控制信號(hào)及同步電壓信號(hào)產(chǎn)生調(diào)節(jié)器要求的脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大及隔離電路送到晶閘管的控制極控制勵(lì)磁電流的大小。同時(shí)將本功率單元的輸出電流值通過CAN通訊發(fā)送給調(diào)節(jié)器，以便于調(diào)節(jié)器檢測(cè)控制及多功率柜之間的均流。控制系統(tǒng)對(duì)功率單元的檢測(cè)是全方位的，檢測(cè)功能包括：橋臂電流和單橋總輸出電流，六相脈沖檢測(cè)，快熔狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口溫度檢測(cè)，風(fēng)機(jī)開停狀態(tài)，風(fēng)機(jī)是否斷相，風(fēng)壓檢測(cè)，交、直流側(cè)開關(guān)位置狀態(tài)，脈沖電源投切狀態(tài)。保證了用戶在使用本產(chǎn)品的過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，實(shí)現(xiàn)了功率單元的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。本系統(tǒng)采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中1個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊故障時(shí)，由另一網(wǎng)絡(luò)接管。

圖1 功率單元系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of power unit system

3 冗余CAN總線的設(shè)計(jì)方案和硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)勵(lì)磁功率單元的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以dsPIC30F6014A單片機(jī)為控制核心的外圍硬件電路包括同步電壓形成電路（如圖2所示），模擬量信號(hào)處理電路（如圖3所示），移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路和通訊電路等。由于系統(tǒng)采用了冗余CAN總線通訊技術(shù)，因此冗余CAN總線接口設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。這里主要介紹CAN總線電路設(shè)計(jì)［3］。

雖然CAN協(xié)議自身有比較強(qiáng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，但是在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境中，機(jī)械和電磁的噪聲等都會(huì)影響CAN總線的可靠通信，進(jìn)而使系統(tǒng)的整體可靠性大大降低，冗余是提高可靠性的較好方法，也是一個(gè)成功的經(jīng)驗(yàn)［4］。

圖2 同步電壓形成電路Fig.2 Diagram of synchronous voltage formation

圖3 電壓信號(hào)處理電路Fig.3 Diagram of voltage signal processing circuit

圖4 CAN總線接口電路Fig.4 CAN bus interface circuit

采用dsPIC30F6014A芯片為控制核心的CAN接口硬件原理實(shí)現(xiàn)圖如圖4所示。由于dsPIC30F－6014A芯片內(nèi)部集成了2個(gè)和CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)兼容的CAN總線模塊，支持CAN協(xié)議的CAN2.0A，CAN2.0B的主動(dòng)和被動(dòng)版本［5］，這些突出的特點(diǎn)使dsPIC30F非常適宜冗余CAN總線通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。鑒于dsPIC30F內(nèi)部已經(jīng)集成了雙路CAN控制模塊，因此我們只設(shè)計(jì)了其接口驅(qū)動(dòng)電路。以單路CAN為例說明，另一路完全相同。選用HVD1050器件作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，對(duì)CAN協(xié)議控制器提供差動(dòng)接收能力，對(duì)傳輸總線提供差動(dòng)發(fā)送能力。圖4中在HVD1050與dsPIC30F之間接入光電隔離主要是出于安全角度，以便提高系統(tǒng)的可靠性，這里選用高速光電隔離芯片6N137實(shí)現(xiàn)。

4 冗余CAN總線通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本勵(lì)磁功率柜控制器的軟件設(shè)計(jì)中，主要的設(shè)計(jì)思想有3個(gè)方面：一是軟件必須滿足實(shí)時(shí)控制的需要；二是軟件要充分發(fā)揮dsPIC30F的指令和硬件特點(diǎn)；三是軟件要有很強(qiáng)的靈活性、通用性和可靠性。根據(jù)所要完成的功能不同，我們將整個(gè)勵(lì)磁控制器的軟件劃分為以下模塊：開關(guān)量輸入輸出、A／D轉(zhuǎn)換、脈沖形成與脈沖移相、通訊（包括CAN和UART）、輸入捕捉、輸出比較、檢測(cè)程序等。這里只介紹CAN通訊程序設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序以及CAN總線切換等。限于篇幅僅介紹CAN總線冗余切換程序設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)采用雙CAN冗余方式運(yùn)行，系統(tǒng)中2路CAN總線同時(shí)工作，2路總線都正常時(shí)，它們每一時(shí)刻在勵(lì)磁裝置中傳遞同樣的數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)2路總線發(fā)來的數(shù)據(jù)都會(huì)接收到，各節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷為正確信號(hào)后再進(jìn)行控制和計(jì)算。按照CAN總線出現(xiàn)的錯(cuò)誤類型，系統(tǒng)通訊故障可分為通道通訊故障和總線通訊故障，處理器利用CAN總線控制器的故障界定狀態(tài)機(jī)制判斷通訊故障，并向處理器發(fā)送故障狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)退出，同時(shí)另一網(wǎng)絡(luò)仍可保證勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行。CAN總線控制程序框圖如圖5所示。

圖5 CAN總線控制程序框圖Fig.5 Block diagram of CAN bus control

5 系統(tǒng)注意的問題

系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題如下。

1）CAN總線驅(qū)動(dòng)為電流型，總線兩端的2個(gè)120Ω的電阻，對(duì)于匹配總線阻抗，起著相當(dāng)重要的作用。若忽略掉它們，會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低。

2）在使用雙層屏蔽線的雙絞線時(shí)，使用者必須注意：電纜的外屏蔽層只能通過1個(gè)連接器的外殼連接到大地上。

3）CAN總線信號(hào)傳輸介質(zhì)使用雙絞線，信號(hào)傳輸方式采用差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收的方式。CAN系統(tǒng)內(nèi)2個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，位速率為1Mb／s時(shí)，最大總線長度40m，位速率為500kb／s時(shí)，最大總線長度130m，位速率為250kb／s時(shí)，最大總線長度270 m，位速率為125kb／s時(shí)，最大總線長度530m。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾等因素，總線長度一般不可能用到極限。

4）在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，CAN總線定時(shí)器的設(shè)置非常關(guān)鍵，CAN總線上的所有控制器必須有相同的波特率和位長度。然而，不同的控制器并不要求使用相同的主振蕩器時(shí)鐘。如果各個(gè)控制器的時(shí)鐘頻率不同，必須通過調(diào)節(jié)各段的時(shí)間份額數(shù)調(diào)節(jié)波特率。下面是時(shí)間段編程的一些要求：①傳播段＋ 相位緩沖段1≥相位緩沖段2；②相位緩沖段2＞同步跳轉(zhuǎn)寬度。

通常，位的采樣應(yīng)當(dāng)發(fā)生在位時(shí)間的60%～70%左右，取決于系統(tǒng)參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，通常使用本文推薦的接口參數(shù)能延伸到更長的距離。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)化功率單元應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中［6］?，F(xiàn)將其在1臺(tái)同步三相發(fā)電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.6 Diagram of test system

實(shí)驗(yàn)中采用的三相同步發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 三相同步發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.1 Three－phase synchronous generators parameters

6.1 起勵(lì)試驗(yàn)及調(diào)壓范圍試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，AVR投入，設(shè)定發(fā)電機(jī)電壓給定值為80%額定機(jī)端電壓，按投勵(lì)按鈕，記錄起勵(lì)過程，圖7為錄波裝置測(cè)得的起勵(lì)波形圖。按減磁按鈕將發(fā)電機(jī)端電壓降至20%額定電壓，按增磁按鈕調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓至110%額定電壓。測(cè)得發(fā)電機(jī)電壓給定范圍為70%～110%額定電壓，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流給定范圍為20%～110%額定勵(lì)磁電流，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 起勵(lì)波形圖Fig.7 Waveforms of the excitation flashing

6.2 逆變?cè)囼?yàn)

發(fā)電機(jī)空載額定情況下，按逆變按鈕，記錄逆變過程，滅磁過程迅速，平穩(wěn)。

6.310 %階躍試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)空載情況下（90% 額定機(jī)端電壓），進(jìn)行10%階躍試驗(yàn)，記錄階躍過程。圖8為錄波裝置測(cè)得的＋10%階躍波形圖。波形圖表明，該調(diào)節(jié)性能完全能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了CAN網(wǎng)絡(luò)功率單元的實(shí)時(shí)性和可行性。

圖8 ＋10%階躍試驗(yàn)Fig.8 ＋10%step experiment

6.4 電壓／頻率特性試驗(yàn)

調(diào)節(jié)器自動(dòng)運(yùn)行方式，發(fā)電機(jī)達(dá)空載額定電壓，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為額定轉(zhuǎn)速的95%到1.03倍。試驗(yàn)測(cè)定發(fā)電機(jī)電壓的變化不大于額定值的±0.23%。

6.5 并網(wǎng)試驗(yàn)及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)在不同的有功負(fù)荷下調(diào)節(jié)勵(lì)磁，無功功率在低勵(lì)限制值到額定勵(lì)磁電流的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)平穩(wěn)，勵(lì)磁電壓無明顯晃動(dòng)和異常信號(hào)。

6.6 甩負(fù)荷試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶額定無功功率負(fù)荷，由中控人員人為斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷。發(fā)電機(jī)電壓維持在空載額定值，電壓超調(diào)量小于15%額定值，振蕩次數(shù)不超過3到5次，調(diào)節(jié)時(shí)間小于10s。

7 結(jié)論

試驗(yàn)證明本文提出的雙冗余容錯(cuò)的CAN網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁功率單元各種指標(biāo)均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，且硬件簡單、運(yùn)行可靠，具有很高的推廣價(jià)值。目前已在多個(gè)電站應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

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