林 洋 馮京京 李 超 宋生壯

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

交流移動(dòng)電站，一般采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源，拖動(dòng)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，輸出滿足負(fù)載使用的合格電能。在獨(dú)立用電系統(tǒng)中，交流移動(dòng)電站作為電力支持裝備，其輸出電能的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)的完成情況，是系統(tǒng)的重要組成部分。

柴油發(fā)電機(jī)組的恒壓控制由電壓控制器實(shí)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上廣泛使用的電壓控制器還停留在采用模擬分離元件的單板控制階段，電路復(fù)雜，元件繁多，可靠性低，參數(shù)整定困難，控制回路中的電阻、電容、調(diào)節(jié)電位器等器件參數(shù)易受溫度、振動(dòng)等環(huán)境的影響產(chǎn)生漂移，影響控制精度及機(jī)組工作的穩(wěn)定性。

電壓控制器采用的是以發(fā)電機(jī)組輸出電壓為反饋量的閉環(huán)控制算法。由于電網(wǎng)存在干擾，以及非線性負(fù)載的應(yīng)用(如調(diào)頻驅(qū)動(dòng)、整流電源等)，電壓諧波含量大，如圖1所示，圖中為線性負(fù)載和非線性負(fù)載的電壓波形。在控制回路中，作為反饋量的電壓發(fā)生畸變，采用平均值轉(zhuǎn)換法來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量，會(huì)存在較大的誤差。

本文介紹一種電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)字電壓控制器，通過(guò)AD736高精度芯片，測(cè)量交流電壓真有效值，并采用基于雙閉環(huán)數(shù)字PI算法的電壓控制技術(shù)，解決模擬分離器件組成控制器帶來(lái)的穩(wěn)定性差及控制誤差大的問(wèn)題，提高發(fā)電機(jī)電壓控制的可靠性和精確性。

(a)線性負(fù)載的電壓波形 (b)非線性負(fù)載的電壓波形圖1 線性負(fù)載和非線性負(fù)載電壓波形Fig.1 Voltage waveforms of linear load and non-linear load

2 系統(tǒng)原理及架構(gòu)

發(fā)電機(jī)組的電壓數(shù)字控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)輸入輸出接口電路采樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓、負(fù)載電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等信號(hào)，由DSP控制芯片實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法，控制功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，進(jìn)行數(shù)字電壓控制。

圖2 發(fā)電機(jī)組電壓數(shù)字控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of the generator voltage digital control system

圖3是同步發(fā)電機(jī)等效電路圖，圖4是同步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化向量圖。

圖3 同步發(fā)電機(jī)等效電路圖Fig.3 Synchronous generator equivalent circuit diagram

圖4 同步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化向量圖Fig.4 Synchronous generator simplified vector diagram

由上述兩圖可知，端電壓與空載電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為

Ug=Eq-jIXd=Eq-IgXd

(1)

式中：Ug——同步發(fā)電機(jī)輸出端電壓；Eq——同步發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)(勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì))；j——復(fù)數(shù)變量的符號(hào),在此代表存在向量的關(guān)系；I——同步發(fā)電機(jī)定子(負(fù)荷電流)；Xd——同步發(fā)電機(jī)的電抗；Ig——同步發(fā)電機(jī)無(wú)功電流(勵(lì)磁電流)。

由公式(1)可知，同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流即勵(lì)磁電流，是導(dǎo)致Eq和Ug數(shù)值差的主要原因，隨著負(fù)載的波動(dòng)，同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨之變化，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定，需要設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，通過(guò)不斷的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，控制輸出電壓維持在設(shè)定值。

3 發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器以TI公司的TMS320F28335高性能微控器為核心，以AD公司的高精度真有效值測(cè)量芯片AD736為電壓測(cè)量單元，搭配PWM驅(qū)動(dòng)電路、模擬量采集電路、存儲(chǔ)電路、通信電路、時(shí)鐘電路等設(shè)計(jì)而成，控制器總體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，實(shí)物照片如圖6所示。

圖5 發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Overall block diagram of the generator voltage digital controller

圖6 發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器實(shí)物圖Fig.6 Generator voltage digital controller object

4 主要硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 交流電壓真有效值采樣電路

交流電壓真有效值采樣電路如圖7所示，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓較高，需要進(jìn)行電壓變換，本電路采用電流型電壓互感器，輸入端接限流電阻R1，輸出端接采樣電阻R2，送入AD736的輸入端Vin。

AD736芯片是經(jīng)過(guò)激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，靈敏性好(滿量程為200mVRMS)、測(cè)量速度快、頻率特性好(工作頻率范圍0～460kHz)、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低。用它來(lái)測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過(guò)±0.3%[1]。

圖7 交流電壓真有效值采樣電路Fig.7 AC voltage true RMS sampling circuit

4.2 交流電流檢測(cè)電路

發(fā)電機(jī)三相電流經(jīng)XXA:7A電流互感器，輸入交流電流檢測(cè)電路，交流電流檢測(cè)電路采用ACS714LLCTR-20A-T型號(hào)的芯片，將電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)過(guò)調(diào)理輸入至DSP。芯片靈敏度為100mV/A，Vcc=5.0V，響應(yīng)速度為5μs。芯片的輸出電壓為

Vout=0.1If+2.5

(2)

當(dāng)相電流為5A有效值時(shí)，芯片輸出電壓為3.2V；當(dāng)相電流為-5A有效值時(shí)，芯片輸出電壓為1.8V。由于3.2V超過(guò)了DSP允許的輸入3V，所以設(shè)計(jì)了降壓電路。交流電流采樣電路如圖8所示。

圖8 交流電流采樣電路Fig.8 AC current sampling circuit

4.3 勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路

電壓數(shù)字控制器PWM控制信號(hào)通過(guò)功率放大電路驅(qū)動(dòng)主功率MOS管。驅(qū)動(dòng)放大電路如圖9所示，本電路選擇實(shí)現(xiàn)“與”邏輯的高速驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)SN75451。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，SN75451輸出為高，NPN型晶體管Q5開(kāi)通，MOS管柵源電容上的電荷通過(guò)二極管和SN75451迅速放掉，使MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q5關(guān)斷，工作電源通過(guò)電阻分壓對(duì)MOS管Q6的柵源電容充電，當(dāng)柵極電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，MOS管導(dǎo)通。

圖9 PWM驅(qū)動(dòng)放大電路Fig.9 PWM drive amplifier circuit

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器軟件流程如圖10所示，本程序首先進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，進(jìn)入A/D采樣程序，A/D采樣完成后，通過(guò)判斷發(fā)電的電壓是否達(dá)到設(shè)定值，決定是否啟動(dòng)調(diào)壓程序，調(diào)壓采用雙閉環(huán)PI控制算法，根據(jù)交流發(fā)電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)了交流電壓、勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流電壓的真有效值穩(wěn)壓控制，雙閉環(huán)電壓控制算法框圖如圖11所示。

圖10 發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器軟件流程圖Fig.10 Software flow diagram of the generator voltage digital controller

圖11 雙閉環(huán)電壓控制算法框圖Fig.11 Block diagram of the double closed loop voltage control algorithm

6 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

6.1 試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器性能指標(biāo)考核，按照GJB235A-1997 《軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范》[2]規(guī)定的電壓相關(guān)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)指標(biāo)要求，如表1所示。試驗(yàn)方法按照GJB1488-1992《軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法》[3]開(kāi)展，試驗(yàn)對(duì)象為斯坦福P114F發(fā)電機(jī)(20kW)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖12所示。

表1 GJB 235A電壓指標(biāo)要求

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)指標(biāo)在功率因數(shù)PF分別為1和0.8的工況下，均滿足GJB235A規(guī)定的Ⅲ類電站的指標(biāo)要求。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.12 Schematic diagram of test platform

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于AD736真有效值測(cè)量芯片的發(fā)電機(jī)電壓數(shù)字控制器，測(cè)量交流電壓的真有效值，并通過(guò)雙閉環(huán)PI控制算法，實(shí)現(xiàn)了電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)交流電壓的數(shù)字化穩(wěn)壓控制，提高了控制器的工作可靠性。經(jīng)試驗(yàn)考核，該控制器性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。