張洪濤，吳世君

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同步發(fā)電機勵磁電流放大器研究

張洪濤1，吳世君2

(92132部隊25分隊，山東青島 266000；92337部隊，遼寧大連 116025)

給出了勵磁電流放大器所使用的Buck電路和電壓雙象限H橋功率主電路的工作原理，并針對后者分析了兩路中心對稱但占空比不同的PWM實現(xiàn)三電平工作方式(稱為對稱PWM法)，同時提出了采用兩路占空比相同但具有一定相位差的PWM控制方法以減小電流紋波(稱為移相法)。給出了對稱PWM法和移相法兩種方式下的電流紋波計算公式，指出半周移相(180°移相)時電流紋波大為減小且?guī)缀醪皇茈娫措妷河绊?。利用Matlab對勵磁電流放大器進行了仿真，構(gòu)建了以DSP為控制核心的試驗平臺，并進行了發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)試驗。理論分析、數(shù)字仿真和試驗結(jié)果表明，對不同工況下的紋波大小分析正確有效，試驗所采用的勵磁電流放大器調(diào)節(jié)性能優(yōu)良。

勵磁電流放大器 電壓雙象限H橋電路 電流紋波 勵磁調(diào)節(jié) DSP

0 引言

電流放大器主要目的是在線圈繞組中產(chǎn)生大小可控的電流，通常作為控制系統(tǒng)中電流環(huán)的執(zhí)行環(huán)節(jié)[1-2]，廣泛使用于電流加熱器系統(tǒng)、同步發(fā)電機勵磁控制等電流控制等場合。將電流功率放大器應用到發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，通過對勵磁電流的控制以實現(xiàn)對發(fā)電機端口電壓的調(diào)節(jié)，稱之為勵磁電流放大器。

隨著電力電子器件的發(fā)展，全控型器件(如IGBT)比半控性器件(如晶閘管)有著控制方便的優(yōu)勢，全控型器件取代半控型晶閘管已成為電流放大器功率電路的的必然趨勢[3]。文獻[4]和文獻[5]分別介紹了采用Buck電路和電壓H橋電路作為勵磁電流放大器主電路，這兩種電路均能實現(xiàn)輸出電流功能，但這兩種電路又各具特點，本文對正兩種電路進行了分析研究。

電流跟蹤動態(tài)特性和輸出電流紋波大小是勵磁電流放大器主要有兩個主要指標。動態(tài)特性指標受到控制規(guī)律和控制參數(shù)影響，通過理論分析配置系統(tǒng)的零極點可以獲得較好的調(diào)節(jié)效果[6-8]。減小輸出電流紋波可以減小感性負載損耗、提高系統(tǒng)控制精度。本文針對發(fā)電機系統(tǒng)的勵磁電流放大器的電路拓撲、PWM控制策略進行了對比分析。電路拓撲包括了單管斬波電路(Buck電路)和電壓雙象限H橋電路以及不同的PWM控制方法。

1 采用Buck電路的勵磁電流放大器

1.1工作原理

圖1為Buck電路電氣原理圖，V為IGBT功率管，D為續(xù)流二極管，R和L為勵磁繞組的電阻和電感，C為支撐電容。當V導通時，電源U加在負載上，勵磁電流I增加，稱之為充電階段；當V斷開時，勵磁繞組通過D續(xù)流，勵磁電流I減小，稱之為放電狀態(tài)。圖2為Buck電路輸出穩(wěn)態(tài)電流波形。

圖2 Buck電路輸出穩(wěn)態(tài)電流波形

設加在V管子上的PWM脈沖占空比為D，可以得出勵磁繞組上的平均電壓U和平均電流I分別為

其中I=U/R。根據(jù)阻感性負載電流計算公式，輸出電流表達式為公式(2)所示。

其中，=/為繞組時間常數(shù)，為負載初始電流?？紤]到PWM開關周期<<，對公式(2)進行線性化處理，得到

從而求得紋波電流Δ為

由公式(4)可知，電流紋波勵磁電壓成正比，與開關頻率、負載電感成反比

分析可知，Buck電路中電流減小主要是通過續(xù)流過程完成，具有電流衰減緩慢且不可控制的特點，不能滿足電流快速增加和減小(尤其是減小過程)的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

2 采用電壓雙象限H橋電路的勵磁電流放大器

2.1工作模態(tài)分析

電壓雙象限H橋電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。圖3中VT1、VT2均為IGBT，D1、D2為續(xù)流二極管，由于D1和D2的作用，輸出電流只能沿一個方向流動。開關與電阻構(gòu)成放電回路。為直流勵磁電源，與為平波電感的電感和電阻參數(shù)，為直流支撐電容電壓。

定義VT1和VT2組成的開關函數(shù)(S1，S2)：

根據(jù)(S1,S2)模態(tài)分為以下4種狀態(tài)：

1) (S1,S2)=(1,1)，此時VT1和VT2導通，加在繞組兩端電壓=，繞組處于充電過程，勵磁電流不斷增加。稱之為“＋1”狀態(tài)

2) (S1,S2)=(0,1)，VT1截止，VT2導通，加在繞組兩端電壓= 0。勵磁電流經(jīng)過VT2和D1自然續(xù)流，電流緩慢減小，稱之為“0＋”狀態(tài)。

3) (S1,S2)=(0,0)， VT1和VT2均截止，加在繞組兩端電壓= -，繞組通過D1、D2向電容C反向充電，勵磁電流快速減小。稱之為“-1”狀態(tài)

4) (S1,S2)=(1,0)，VT1導通，VT2截止，加在繞組兩端電壓= 0。勵磁電流經(jīng)過D2和VT1自然續(xù)流，電流緩慢減小，稱之為“0-”狀態(tài)。

圖4 電壓雙象限H橋電路四種工作模態(tài)

根據(jù)以上分析，如果VT1和VT2控制脈沖PWM1和PWM2完全相同，(S1，S2)只能取得“+1”狀態(tài)和“-1”兩種狀態(tài)，因此稱這種方式為兩電平方式；當(S1，S2)取得上述所列出的4種狀態(tài)時，除了可以存在“+1”狀態(tài)和“-1”外，還可以獲得“0+”和“0-”兩種形式的“0”狀態(tài)，因此稱這種方式為三電平控制方式[9-10]。

控制PWM1和PWM2的占空比和相位兩個要素，可以產(chǎn)生三電平和兩電平的控制效果，其中的兩電平可看成三電平控制方式的一個特例[11]。

2.2對稱PWM控制工作原理分析

圖5為采用對稱PWM方法的電壓雙象限H橋勵磁電流放大器輸出電流波形示意圖。PWM1為采用固定占空比的方波，稱為參考波；PWM2的占空比可以改變，且兩個PWM方波在正半波和負半波均中心對稱，兩個PWM占空比不同導致出現(xiàn)了四種工作狀態(tài)，實現(xiàn)了三電平工作方式。本文稱之為對稱PWM控制方法。

從圖5(a)可以看出當<時，在一個開關周期內(nèi)功率電路出現(xiàn)了“0+”、“+1”、“-1”三種工作模式；從圖5(b)可以看出當>時，在一個開關周期內(nèi)功率電路出現(xiàn)了“0-”、“+1”、“-1”三種工作模式?？梢姴捎脤ΨQPWM方法實現(xiàn)了三電平工作方式。無論是D<還是D>，容易得出負載的平均電壓和平均電流為

其中，D=+D- 0稱為平均占空比，=/，為電源電壓。要獲得≥0，從公式(5)可以得出PWM2的占空比范圍為

從公式(5)可以看出，改變PWM2占空比D可以改變加在負載上的平均電壓以及負載電流平均值。

參照公式(2)、(3)中的電流表達式，可以得到線性化后的電流波動峰值I和I計算公式[12]

求解公式(7)，可以得出

為了加快電流響應速度，較大而較小，因此D≈0，公式(9)可以簡化為

從公式(10)可以看出電流紋波均與勵磁電壓成正比，與開關頻率和負載電感成反比。

2.3移相法PWM控制工作原理分析

當PWM1和PWM2占空比相同而相位不同時，輸出電流波形示意圖如圖6和圖7所示。Δ1為“+1”狀態(tài)時間，“0+”與“0-”狀態(tài)時間相同且均為Δ0，Δ2為“-1”狀態(tài)時間。為相位差相對于周期的比例，其有效范圍為[0,0.5]。當=(1-)時“-1”狀態(tài)作用時間為零。以=(1-)為界線，將勵磁電流放大器分為兩種計算情況。

1) 0 ≤≤( 1-)

按照之前的計算思路，可以列出對應圖6所示的輸出電流線性方程

2) (1-) ≤≤0.5

(1-) ≤≤0.5時，H半橋電路只有“+1”和“0”兩種狀態(tài)。這種工況公式(11)中的向量為

從而得到

當=0.5時，紋波ΔI為最小且為

公式(16)反映出半周移相=0.5時，電流紋波很小且?guī)缀跖c勵磁電壓無關。

公式(15)可以看出，采用移相法時，電流紋波與和L成反比而與U成正比。從公式(16)可以看出，=0.5時(半周移相)電流紋波幾乎不受電源電壓影響。

3 仿真及試驗分析

3.1勵磁電流放大器仿真和試驗

從上述理論分析可知，電壓雙象限H電路具有控制方式多樣，輸出電流紋波小以及電流減小迅速的優(yōu)勢，本文針對電壓雙象限H電路的勵磁電流放大器進行分析。

本文在Matlab中建立了H半橋電流功率放大器仿真模型，并進行了仿真研究。

仿真的參數(shù)為：電流輸出指令I=3A，電源電壓= 60 V，阻感負載=2.0 mH、=1.5，開關頻率=10 kHz。仿真結(jié)果如圖8所示。

試驗采用TI公司的DSP處理芯片TMS320F28335為控制核心，以三菱公司的智能模塊PM75RL060中的U、W兩相作為H半橋主電路。電流傳感器(CT)將負載電流I檢測后送入DSP的A/D部分[13-14]。閉環(huán)控制及PID控制算法由軟件實現(xiàn)。實驗電氣連接及電流閉環(huán)控制原理如圖9所示。試驗控制參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

試壓結(jié)果如圖10所示，可見勵磁電流放大器均可輸出平均值為3 A的電流，實現(xiàn)了3 A電流指令的電流輸出功能。表1給出了不同控制方式時，輸出電流紋波的理論推導、仿真及試驗對比結(jié)果，可以看出結(jié)果較為一致。

3.2發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)試驗

試驗對象為一臺整流發(fā)電機，勵磁調(diào)節(jié)的目標時在負載變化過程中保持發(fā)電機整流直流側(cè)電壓穩(wěn)定。整流發(fā)電機由三相同步發(fā)電機和二極管整流器構(gòu)成，參數(shù)如下：額定功率32 kW，勵磁繞組電阻35，電感為12.4 H，發(fā)電機額定電壓為400 VAC，額定勵磁電流為4.0 A。試驗負載為可調(diào)電阻箱，可調(diào)范圍10~400，通過快速改電阻箱阻值可以改變發(fā)電機負載，負載變化時的勵磁調(diào)節(jié)試驗曲線如圖11所示。

表1 輸出電流紋波對比(Im=3.0A，Dref=0.7)

從圖11的試驗波形可以看出，快速改變負載阻值大小，直流側(cè)電壓基本穩(wěn)定在220 VDC附近?？梢娫撜靼l(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應速度和較好的電壓調(diào)節(jié)精度。

圖11 發(fā)電機負載變化時的勵磁調(diào)節(jié)波形

4 小結(jié)

Buck電路和電壓雙象限H橋電路均能作為勵磁電流放大器的功率電路拓撲，相對于Buck電路，采用電壓雙象限H橋電路具有控制方式靈活多樣、流動態(tài)響應速度快等優(yōu)勢。針對電壓雙象限H橋電路，分析并給出了對稱PWM法和移相法條件下的電流紋波理論計算公式。仿真和試驗結(jié)果表明，采用半周移相的PWM控制方法能夠有效地減小輸出電流紋波。發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)試驗驗證了采用電壓雙象限H橋電路拓撲和半周移相法的勵磁電流放大器具有良好的調(diào)節(jié)性能。

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Research on the Excitation Current Amplifier for the Synchronous Generator

Zhang Hongtao1, Wu Shijun2

(1. Navy of 92854, Qingdao 266000, Shandong, China；2. Navy of 92132, Dalian 116025, Liaoning, China)

The working principle of the Buck and the voltage quadrant H bridge topology for the excitation current amplifier is described, and the method, called symmetrical PWM with two symmetric but different duty ratio pulse width modulation (PWM) is proposed in the paper, which makes the current amplifier work in three-level mode by using a fixed duty PWM signal and a verified duty PWM signal. Meanwhile, a proper control method which is of two same duty ratios PWM signals but different phase is proposed to reduce the current ripple (called shifting phase). The computing function of the current ripple for the shifting phase method shows that there is almost no influence of source voltage at 180 degree phase shifting point. By using a practical DSP (digital signal processor) controlled current amplifier and the generator excitation regulation as an illustrative example, numerical Matlab simulation and experimental method are implemented. Experimental result shows that the ripple computing function is reasonable and the excitation current amplifier in the generator excitation regulation works with an excellent performance.

excitation current amplifier; voltage quadrant H bridge topology; current ripple; excitation regulation; DSP

TM351

A

1003-4862(2016)04-0001-06

2015-10-16

張洪濤(1971-)，男，高級工程師。研究方向：艦船動力系統(tǒng)。

吳世君(1980-)，男，工程師。研究方向：艦船動力系統(tǒng)。