永磁汽油發電機半控整流技術研究

　永磁汽油發電機輸出的交流電頻率范圍在300Hz～700Hz，輸出電壓最大可達600V，需要將其輸出的交流電轉換成高壓直流電后逆變成規定幅度、頻率的交流輸出。但是當負載改變時，會引起便攜式汽油發電機輸出的三相交流電幅值、頻率均在一定范圍內變化，使得上述高壓直流電難以穩定。為獲得穩定的輸出電壓，一般通過可控整流。

 

　可控整流常用的方法是通過改變可控硅的導通角來控制電壓的，一般采用模擬電路或專用芯片如TC787等。模擬電路由于分立元件多，控制精度較低，目前已很少采用。而專用芯片只可以適應一定的電壓頻率范圍，且需修改外部電路參數，使用時不夠靈活。本文以dsPIC30F2010作為數字控制器的核心，它是Microchip公司專為電源控制所設計的一種16位數字信號控制器，具有DSP功能強，運行速度快的特點，通過軟件編程來實現半控整流，觸發脈沖的控制角和觸發脈沖的寬度都可通過軟件設置，具有控制算法靈活，便于參數調整的特點，大大簡化了硬件電路。

 

　1、電路拓撲

 

　圖1為可控硅半控整流電路拓撲。三相半控整流電路由3個可控硅和3個二極管組成。3個可控硅共陰極連接，其觸發脈沖互差1/3周期。當相電壓最大的那相可控硅被觸發導通后，負載電流從該可控硅流出至相電壓最小的那路流回。設相電壓為Ua，控制角為α，則直流輸出電壓可表示為:

 

　Ud=1.17Ua(1+cosα) (1)

 

　通過改變控制角α可控制直流輸出電壓Ud。

 

　圖1 半控整流電路拓撲

 

　2、軟件系統設計

 

　2.1系統結構

 

　圖2為永磁汽油發電機整流控制系統框圖，它由電壓采樣電路、同步信號調理電路、脈沖放大電路和控制器數據處理等部分組成。

 

　圖2 整流控制系統框圖

 

　2.2同步信號調理

 

　線電壓Uac與相電壓Ua相位差為30°，設計時以交流電信號Uac調理為同步信號后作為A相觸發信號的起始相位參考。圖3為同步信號調理電路圖，將發電機輸出的交流電信號Ua和Uc經光耦進行隔離輸出，產生近似方波信號，光耦輸出信號再經過積分電路、前后沿凈化電路，消除前后沿干擾信號，將最終產生的同步信號送到控制器的捕捉輸入I/O口。捕捉輸入I/O口在同步信號的上升沿，將計數時間保存在相應的寄存器中。

 

　圖3 同步信號調理電路圖

 

　同步信號的作用是使控制器能在每個周期相同的時刻產生觸發脈沖，使對應的可控硅導通。圖4為同步信號Usyn和線電壓Uac的波形圖，Usyn為0～5V的方波，對應左側坐標，Uac為高壓正弦波，對應右側坐標。

 

圖4 同步信號波形圖

 

　2.3觸發角控制

 

　控制器根據電壓采樣電路測得的反饋直流電壓Ud與預設參考電壓Ur比較后，通過數字PID控制器計算觸發信號控制角α，使輸出電壓穩定在設置值。

 

　對三相半控橋的觸發控制采用增量式PID控制算法[7]，其公式為:

 

　Δu(k)=K{pe(k)-e(k-1)+(T/TI)*e(k)+TD/T[e(k)-2e(k-1)+e(k-2})] (2)

 

　數字PID控制器主要參數是比例系數Kp、積分時間TI和微分時間TD，式中的T為采樣周期。采用歸一參數整定法:令T=0.1Tk;TI=0.5Tk;TD=0.125Tk，式中Tk為純比例作用下的臨界振蕩周期。則:

 

　Δu(k)=Kp[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)] (3)

 

　問題簡化為整定參數Kp，改變Kp并觀察控制效果。在本系統中，通過多次試驗比較控制效果，考慮到Kp過大時系統超調會隨之增大，容易產生振蕩，使系統穩定性變差，經過多次試驗，采用分段PID控制。當電壓誤差在50V以內時，Kp取3，當誤差在50V以上時，Kp取8，使系統能穩定工作且負載突變時具有較快的響應。

 

　2.4觸發脈沖生成

 

　圖5為控制器的主程序流程圖。同步信號送入控制器dsPIC30F2010的捕捉輸入I/O口，當同步信號的上升沿來臨時產生中斷，以兩次上升沿之間的定時器3計數差值計算同步信號周期T，并判斷測得的信號周期是否落在有效工作頻率范圍內，對異常擾動不動作。當同步信號周期有效，使能觸發輸出。

 

　根據測得的同步信號上升沿作為觸發的相位調節基準計算控制角，在捕捉中斷子程序中按算得的控制角作相應延遲，由控制器的I/O口產生A相觸發信號，并啟動定時器1。在A相觸發產生后延遲T/3，進入定時器1中斷子程序，根據控制角作相應延遲，由控制器的I/O口產生B相觸發信號，并啟動定時器2，關閉定時器1。在B相觸發產生后延遲T/3，進入定時器2中斷子程序，根據控制角作相應延遲，由控制器的I/O口產生C相觸發信號，并關閉定時器2。

 

　圖5 控制器的主程序流程圖

 

　當下一周期三相交流電信號輸入時，重復步驟以上步驟，各相信號的起始相位與觸發控制角即時更新，與輸入的三相交流電相位保持同步，控制器產生的三路觸發信號，經過脈沖放大電路將觸發信號發大，控制相應的可控硅。算得的控制角乘以周期補償系數T2/T1(T2為當前時刻的信號周期值，T1為上一時刻的信號周期值)為實際控制角α，以快速跟蹤頻率不斷變化的電壓信號，改變相應可控硅的導通時刻，進而改變整流輸出，實現對輸出電壓的閉環控制。

 

　圖6 脈沖放大電路

 

　為滿足可控硅門極對觸發脈沖功率的要求，采用脈沖變壓器對控制器I/O口輸出的觸發脈沖進行隔離、放大后加至可控硅的門極。圖6為其中一路脈沖放大電路，DRVA為經過放大的A相觸發脈沖信號。

 

　3、試驗結果

 

　永磁汽油發電機額定功率1kW，輸出電壓為300～600V，頻率為400～700Hz，整流電壓Ud設為340V。如圖7所示，在負載不變的情況下，輸出電壓Ud十分穩定。進行負載切換試驗，由600W加至1000W的整流電壓輸出波形如圖7(a)所示，由1000W減至200W的整流電壓輸出波形如圖7(b)所示?？梢钥闯鲇奢p載到重載時整流電壓降低后恢復迅速，響應時間在100ms左右，由重載到輕載時整流電壓過沖較小，響應迅速。

 

圖7 負載切換時整流電壓輸出波形

 

　4、結束語

 

　圍繞永磁汽油發電機整流穩壓技術，使用dsPIC芯片控制可控硅半控整流電路的觸發，使得觸發電路具有集成度高、控制方式靈活等優點。實驗表明，本文設計的基于dsPIC的永磁汽油發電機整流控制系統，提高了對整流輸出工作狀態的控制及跟蹤能力，觸發脈沖對稱度好，性能穩定。

 

　本文利用故障樹建模方法對西門子TXP型DCS的工廠總線建立了可靠性模型，并對其進行了定量分析，得出系統的平均壽命偏低。針對這個問題，在原系統的基礎上，用四種不同冗余方式，來改進系統的可靠性，通過對改進后系統的可靠性進行建模仿真，總結出冗余方式一是較優的系統冗余配置方式，能很好地改善系統可靠性。

 

（責任編輯：小徐）