永磁汽油发电机半控整流技术研究

　永磁汽油发电机输出的交流电频率范围在300Hz～700Hz，输出电压最大可达600V，需要将其输出的交流电转换成高压直流电后逆变成规定幅度、频率的交流输出。但是当负载改变时，会引起便携式汽油发电机输出的三相交流电幅值、频率均在一定范围内变化，使得上述高压直流电难以稳定。为获得稳定的输出电压，一般通过可控整流。

 

　可控整流常用的方法是通过改变可控硅的导通角来控制电压的，一般采用模拟电路或专用芯片如TC787等。模拟电路由于分立元件多，控制精度较低，目前已很少采用。而专用芯片只可以适应一定的电压频率范围，且需修改外部电路参数，使用时不够灵活。本文以dsPIC30F2010作为数字控制器的核心，它是Microchip公司专为电源控制所设计的一种16位数字信号控制器，具有DSP功能强，运行速度快的特点，通过软件编程来实现半控整流，触发脉冲的控制角和触发脉冲的宽度都可通过软件设置，具有控制算法灵活，便于参数调整的特点，大大简化了硬件电路。

 

　1、电路拓扑

 

　图1为可控硅半控整流电路拓扑。三相半控整流电路由3个可控硅和3个二极管组成。3个可控硅共阴极连接，其触发脉冲互差1/3周期。当相电压最大的那相可控硅被触发导通后，负载电流从该可控硅流出至相电压最小的那路流回。设相电压为Ua，控制角为α，则直流输出电压可表示为:

 

　Ud=1.17Ua(1+cosα) (1)

 

　通过改变控制角α可控制直流输出电压Ud。

 

　图1 半控整流电路拓扑

 

　2、软件系统设计

 

　2.1系统结构

 

　图2为永磁汽油发电机整流控制系统框图，它由电压采样电路、同步信号调理电路、脉冲放大电路和控制器数据处理等部分组成。

 

　图2 整流控制系统框图

 

　2.2同步信号调理

 

　线电压Uac与相电压Ua相位差为30°，设计时以交流电信号Uac调理为同步信号后作为A相触发信号的起始相位参考。图3为同步信号调理电路图，将发电机输出的交流电信号Ua和Uc经光耦进行隔离输出，产生近似方波信号，光耦输出信号再经过积分电路、前后沿净化电路，消除前后沿干扰信号，将最终产生的同步信号送到控制器的捕捉输入I/O口。捕捉输入I/O口在同步信号的上升沿，将计数时间保存在相应的寄存器中。

 

　图3 同步信号调理电路图

 

　同步信号的作用是使控制器能在每个周期相同的时刻产生触发脉冲，使对应的可控硅导通。图4为同步信号Usyn和线电压Uac的波形图，Usyn为0～5V的方波，对应左侧坐标，Uac为高压正弦波，对应右侧坐标。

 

图4 同步信号波形图

 

　2.3触发角控制

 

　控制器根据电压采样电路测得的反馈直流电压Ud与预设参考电压Ur比较后，通过数字PID控制器计算触发信号控制角α，使输出电压稳定在设置值。

 

　对三相半控桥的触发控制采用增量式PID控制算法[7]，其公式为:

 

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

 

　数字PID控制器主要参数是比例系数Kp、积分时间TI和微分时间TD，式中的T为采样周期。采用归一参数整定法:令T=0.1Tk;TI=0.5Tk;TD=0.125Tk，式中Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。则:

 

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

 

　问题简化为整定参数Kp，改变Kp并观察控制效果。在本系统中，通过多次试验比较控制效果，考虑到Kp过大时系统超调会随之增大，容易产生振荡，使系统稳定性变差，经过多次试验，采用分段PID控制。当电压误差在50V以内时，Kp取3，当误差在50V以上时，Kp取8，使系统能稳定工作且负载突变时具有较快的响应。

 

　2.4触发脉冲生成

 

　图5为控制器的主程序流程图。同步信号送入控制器dsPIC30F2010的捕捉输入I/O口，当同步信号的上升沿来临时产生中断，以两次上升沿之间的定时器3计数差值计算同步信号周期T，并判断测得的信号周期是否落在有效工作频率范围内，对异常扰动不动作。当同步信号周期有效，使能触发输出。

 

　根据测得的同步信号上升沿作为触发的相位调节基准计算控制角，在捕捉中断子程序中按算得的控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生A相触发信号，并启动定时器1。在A相触发产生后延迟T/3，进入定时器1中断子程序，根据控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生B相触发信号，并启动定时器2，关闭定时器1。在B相触发产生后延迟T/3，进入定时器2中断子程序，根据控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生C相触发信号，并关闭定时器2。

 

　图5 控制器的主程序流程图

 

　当下一周期三相交流电信号输入时，重复步骤以上步骤，各相信号的起始相位与触发控制角即时更新，与输入的三相交流电相位保持同步，控制器产生的三路触发信号，经过脉冲放大电路将触发信号发大，控制相应的可控硅。算得的控制角乘以周期补偿系数T2/T1(T2为当前时刻的信号周期值，T1为上一时刻的信号周期值)为实际控制角α，以快速跟踪频率不断变化的电压信号，改变相应可控硅的导通时刻，进而改变整流输出，实现对输出电压的闭环控制。

 

　图6 脉冲放大电路

 

　为满足可控硅门极对触发脉冲功率的要求，采用脉冲变压器对控制器I/O口输出的触发脉冲进行隔离、放大后加至可控硅的门极。图6为其中一路脉冲放大电路，DRVA为经过放大的A相触发脉冲信号。

 

　3、试验结果

 

　永磁汽油发电机额定功率1kW，输出电压为300～600V，频率为400～700Hz，整流电压Ud设为340V。如图7所示，在负载不变的情况下，输出电压Ud十分稳定。进行负载切换试验，由600W加至1000W的整流电压输出波形如图7(a)所示，由1000W减至200W的整流电压输出波形如图7(b)所示。可以看出由轻载到重载时整流电压降低后恢复迅速，响应时间在100ms左右，由重载到轻载时整流电压过冲较小，响应迅速。

 

图7 负载切换时整流电压输出波形

 

　4、结束语

 

　围绕永磁汽油发电机整流稳压技术，使用dsPIC芯片控制可控硅半控整流电路的触发，使得触发电路具有集成度高、控制方式灵活等优点。实验表明，本文设计的基于dsPIC的永磁汽油发电机整流控制系统，提高了对整流输出工作状态的控制及跟踪能力，触发脉冲对称度好，性能稳定。

 

　本文利用故障树建模方法对西门子TXP型DCS的工厂总线建立了可靠性模型，并对其进行了定量分析，得出系统的平均寿命偏低。针对这个问题，在原系统的基础上，用四种不同冗余方式，来改进系统的可靠性，通过对改进后系统的可靠性进行建模仿真，总结出冗余方式一是较优的系统冗余配置方式，能很好地改善系统可靠性。

 

（责任编辑：小徐）