同步发电机励磁电流放大器研究

张洪涛，吴世君



同步发电机励磁电流放大器研究

张洪涛1，吴世君2

(92132部队25分队，山东青岛 266000；92337部队，辽宁大连 116025)

给出了励磁电流放大器所使用的Buck电路和电压双象限H桥功率主电路的工作原理，并针对后者分析了两路中心对称但占空比不同的PWM实现三电平工作方式(称为对称PWM法)，同时提出了采用两路占空比相同但具有一定相位差的PWM控制方法以减小电流纹波(称为移相法)。给出了对称PWM法和移相法两种方式下的电流纹波计算公式，指出半周移相(180°移相)时电流纹波大为减小且几乎不受电源电压影响。利用Matlab对励磁电流放大器进行了仿真，构建了以DSP为控制核心的试验平台，并进行了发电机励磁调节试验。理论分析、数字仿真和试验结果表明，对不同工况下的纹波大小分析正确有效，试验所采用的励磁电流放大器调节性能优良。

励磁电流放大器 电压双象限H桥电路 电流纹波 励磁调节 DSP

0 引言

电流放大器主要目的是在线圈绕组中产生大小可控的电流，通常作为控制系统中电流环的执行环节[1-2]，广泛使用于电流加热器系统、同步发电机励磁控制等电流控制等场合。将电流功率放大器应用到发电机励磁系统，通过对励磁电流的控制以实现对发电机端口电压的调节，称之为励磁电流放大器。

随着电力电子器件的发展，全控型器件(如IGBT)比半控性器件(如晶闸管)有着控制方便的优势，全控型器件取代半控型晶闸管已成为电流放大器功率电路的的必然趋势[3]。文献[4]和文献[5]分别介绍了采用Buck电路和电压H桥电路作为励磁电流放大器主电路，这两种电路均能实现输出电流功能，但这两种电路又各具特点，本文对正两种电路进行了分析研究。

电流跟踪动态特性和输出电流纹波大小是励磁电流放大器主要有两个主要指标。动态特性指标受到控制规律和控制参数影响，通过理论分析配置系统的零极点可以获得较好的调节效果[6-8]。减小输出电流纹波可以减小感性负载损耗、提高系统控制精度。本文针对发电机系统的励磁电流放大器的电路拓扑、PWM控制策略进行了对比分析。电路拓扑包括了单管斩波电路(Buck电路)和电压双象限H桥电路以及不同的PWM控制方法。

1 采用Buck电路的励磁电流放大器

1.1工作原理

图1为Buck电路电气原理图，V为IGBT功率管，D为续流二极管，R和L为励磁绕组的电阻和电感，C为支撑电容。当V导通时，电源U加在负载上，励磁电流I增加，称之为充电阶段；当V断开时，励磁绕组通过D续流，励磁电流I减小，称之为放电状态。图2为Buck电路输出稳态电流波形。

图2 Buck电路输出稳态电流波形

设加在V管子上的PWM脉冲占空比为D，可以得出励磁绕组上的平均电压U和平均电流I分别为

其中I=U/R。根据阻感性负载电流计算公式，输出电流表达式为公式(2)所示。

其中，=/为绕组时间常数，为负载初始电流。考虑到PWM开关周期<<，对公式(2)进行线性化处理，得到

从而求得纹波电流Δ为

由公式(4)可知，电流纹波励磁电压成正比，与开关频率、负载电感成反比

分析可知，Buck电路中电流减小主要是通过续流过程完成，具有电流衰减缓慢且不可控制的特点，不能满足电流快速增加和减小(尤其是减小过程)的励磁调节系统中。

2 采用电压双象限H桥电路的励磁电流放大器

2.1工作模态分析

电压双象限H桥电路结构原理图如图3所示。图3中VT1、VT2均为IGBT，D1、D2为续流二极管，由于D1和D2的作用，输出电流只能沿一个方向流动。开关与电阻构成放电回路。为直流励磁电源，与为平波电感的电感和电阻参数，为直流支撑电容电压。

定义VT1和VT2组成的开关函数(S1，S2)：

根据(S1,S2)模态分为以下4种状态：

1) (S1,S2)=(1,1)，此时VT1和VT2导通，加在绕组两端电压=，绕组处于充电过程，励磁电流不断增加。称之为“＋1”状态

2) (S1,S2)=(0,1)，VT1截止，VT2导通，加在绕组两端电压= 0。励磁电流经过VT2和D1自然续流，电流缓慢减小，称之为“0＋”状态。

3) (S1,S2)=(0,0)， VT1和VT2均截止，加在绕组两端电压= -，绕组通过D1、D2向电容C反向充电，励磁电流快速减小。称之为“-1”状态

4) (S1,S2)=(1,0)，VT1导通，VT2截止，加在绕组两端电压= 0。励磁电流经过D2和VT1自然续流，电流缓慢减小，称之为“0-”状态。

图4 电压双象限H桥电路四种工作模态

根据以上分析，如果VT1和VT2控制脉冲PWM1和PWM2完全相同，(S1，S2)只能取得“+1”状态和“-1”两种状态，因此称这种方式为两电平方式；当(S1，S2)取得上述所列出的4种状态时，除了可以存在“+1”状态和“-1”外，还可以获得“0+”和“0-”两种形式的“0”状态，因此称这种方式为三电平控制方式[9-10]。

控制PWM1和PWM2的占空比和相位两个要素，可以产生三电平和两电平的控制效果，其中的两电平可看成三电平控制方式的一个特例[11]。

2.2对称PWM控制工作原理分析

图5为采用对称PWM方法的电压双象限H桥励磁电流放大器输出电流波形示意图。PWM1为采用固定占空比的方波，称为参考波；PWM2的占空比可以改变，且两个PWM方波在正半波和负半波均中心对称，两个PWM占空比不同导致出现了四种工作状态，实现了三电平工作方式。本文称之为对称PWM控制方法。

从图5(a)可以看出当<时，在一个开关周期内功率电路出现了“0+”、“+1”、“-1”三种工作模式；从图5(b)可以看出当>时，在一个开关周期内功率电路出现了“0-”、“+1”、“-1”三种工作模式。可见采用对称PWM方法实现了三电平工作方式。无论是D<还是D>，容易得出负载的平均电压和平均电流为

其中，D=+D- 0称为平均占空比，=/，为电源电压。要获得≥0，从公式(5)可以得出PWM2的占空比范围为

从公式(5)可以看出，改变PWM2占空比D可以改变加在负载上的平均电压以及负载电流平均值。

参照公式(2)、(3)中的电流表达式，可以得到线性化后的电流波动峰值I和I计算公式[12]

求解公式(7)，可以得出

为了加快电流响应速度，较大而较小，因此D≈0，公式(9)可以简化为

从公式(10)可以看出电流纹波均与励磁电压成正比，与开关频率和负载电感成反比。

2.3移相法PWM控制工作原理分析

当PWM1和PWM2占空比相同而相位不同时，输出电流波形示意图如图6和图7所示。Δ1为“+1”状态时间，“0+”与“0-”状态时间相同且均为Δ0，Δ2为“-1”状态时间。为相位差相对于周期的比例，其有效范围为[0,0.5]。当=(1-)时“-1”状态作用时间为零。以=(1-)为界线，将励磁电流放大器分为两种计算情况。

1) 0 ≤≤( 1-)

按照之前的计算思路，可以列出对应图6所示的输出电流线性方程

2) (1-) ≤≤0.5

(1-) ≤≤0.5时，H半桥电路只有“+1”和“0”两种状态。这种工况公式(11)中的向量为

从而得到

当=0.5时，纹波ΔI为最小且为

公式(16)反映出半周移相=0.5时，电流纹波很小且几乎与励磁电压无关。

公式(15)可以看出，采用移相法时，电流纹波与和L成反比而与U成正比。从公式(16)可以看出，=0.5时(半周移相)电流纹波几乎不受电源电压影响。

3 仿真及试验分析

3.1励磁电流放大器仿真和试验

从上述理论分析可知，电压双象限H电路具有控制方式多样，输出电流纹波小以及电流减小迅速的优势，本文针对电压双象限H电路的励磁电流放大器进行分析。

本文在Matlab中建立了H半桥电流功率放大器仿真模型，并进行了仿真研究。

仿真的参数为：电流输出指令I=3A，电源电压= 60 V，阻感负载=2.0 mH、=1.5，开关频率=10 kHz。仿真结果如图8所示。

试验采用TI公司的DSP处理芯片TMS320F28335为控制核心，以三菱公司的智能模块PM75RL060中的U、W两相作为H半桥主电路。电流传感器(CT)将负载电流I检测后送入DSP的A/D部分[13-14]。闭环控制及PID控制算法由软件实现。实验电气连接及电流闭环控制原理如图9所示。试验控制参数与仿真参数相同。

试压结果如图10所示，可见励磁电流放大器均可输出平均值为3 A的电流，实现了3 A电流指令的电流输出功能。表1给出了不同控制方式时，输出电流纹波的理论推导、仿真及试验对比结果，可以看出结果较为一致。

3.2发电机励磁调节试验

试验对象为一台整流发电机，励磁调节的目标时在负载变化过程中保持发电机整流直流侧电压稳定。整流发电机由三相同步发电机和二极管整流器构成，参数如下：额定功率32 kW，励磁绕组电阻35，电感为12.4 H，发电机额定电压为400 VAC，额定励磁电流为4.0 A。试验负载为可调电阻箱，可调范围10~400，通过快速改电阻箱阻值可以改变发电机负载，负载变化时的励磁调节试验曲线如图11所示。

表1 输出电流纹波对比(Im=3.0A，Dref=0.7)

从图11的试验波形可以看出，快速改变负载阻值大小，直流侧电压基本稳定在220 VDC附近。可见该整流发电机励磁控制系统具有良好的动态响应速度和较好的电压调节精度。

图11 发电机负载变化时的励磁调节波形

4 小结

Buck电路和电压双象限H桥电路均能作为励磁电流放大器的功率电路拓扑，相对于Buck电路，采用电压双象限H桥电路具有控制方式灵活多样、流动态响应速度快等优势。针对电压双象限H桥电路，分析并给出了对称PWM法和移相法条件下的电流纹波理论计算公式。仿真和试验结果表明，采用半周移相的PWM控制方法能够有效地减小输出电流纹波。发电机励磁调节试验验证了采用电压双象限H桥电路拓扑和半周移相法的励磁电流放大器具有良好的调节性能。

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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

张洪涛(1971-)，男，高级工程师。研究方向：舰船动力系统。

吴世君(1980-)，男，工程师。研究方向：舰船动力系统。