变速恒频电源系统的全数字控制.pdf

文章编号!#$%&#()*#+#$%#$*,%#(变速恒频电源系统的全数字控制陈新陈志辉严仰光)南京航空航天大学航空电源科技重点实验室南京-*#.+摘要变速恒频电源数字控制技术以/0 1作为控制核心-主要实现对变换器的控制和发电系统电压调节-同时也实现了系统保护功能2数字变换器控制方案采取了十三块波开关点预置最优0 1%34控制和动态波形的校正技术-明显改善了变换器的性能2数字电压调节器采用了模糊%滤波控制算法-并采用软起动技术5最大励磁电流限制技术及逆磁电路-在保证系统具有良好稳态性能的前提下-使加卸载过渡过程时间比模拟电压调节器有明显缩短2最后通过系统实验验证了60 7 8电源系统全数字控制的优势2关键词!变速恒频电源9数字变换器9数字调压器中图分类号!:4$.$9:;(,(?A B C D E F A G E C H I J K F E C E LE M N O D PQ E R I GO L S A I TU V W XYZ X U V W X V Z V Z X X _ _ X _=a b%1 b c a0 d e%:d f7 g h a-;i g j e g klg e m a n e h o=a b g i p h e d nq=n h a b g i p h ersd n;i g j e g k*#.-1 t 7 f e g iu v S A G B J A/e k e h i w d b g h a b w b x60 7 8y b c an o n h z-cf e d fp n n/0 1i ne h nd b g h a b wd b a -a i w e nh f d b g h a b w b x e g m a h ai g|m b w h i k a k p w i h b a-i nc w w i nh f n o n h zy a b h d h e b g 7 b g h a b w n d f zb x|e k e h i w e g m a h ap n n ci m n ce h d f e g kg b|y a n hb y h e zp z 0 1 34-i g|h f|o g i ze dci m x b a z d b a a d h e g kh d f g b w b k o h ne g m a h ay a x b a zi g d e nk a i h w oe zy a b m|8 p o%x e w h ai w k b a e h f z i g|h d f g b w b k ob xn b x hn h i a h e g k-zi e zp z d e h e g kd p a a g ha n h a e d h e b g-g k i h e m x e w|x b a d e g ki a p n|e g|e k e h i w m b w h i k a k p w i h b a:f y a x d hn h i|oi g|o g i ze dy a x b a zi g d b x h f n o n%h z e nm a e x e|!o y a e z g h n I LR E G#S!60 7 8y b c a n o n h z9|e k e h i w d b g h a b w e g m a h a 9m b w h i k a k p w i h b a收稿日期!*#%#%*9修订日期!*#%#$%*#引言由于变速恒频)60 7 8+电源系统在供电质量5效率5可靠性5维修性等方面都较恒速恒频电源系统具有明显的优势-并且随功率电子器件和微电子技术的发展-变速恒频电源系统还有很大的发展空间-目前已成为飞机电源系统的主要发展方向之一2变速恒频电源由三个主要部分构成-即无刷发电机5变换器和控制器)见图+2变频交流发电机产生的交流电通过整流桥整流为直流电-再通过逆变器将直流电转变为$#$-%&*#6正弦交流电2控制器实现对逆变器的控制和输出电压调节2全数字控制技术以数字信号处理器/0 1作为控制核心-采用全软第.卷第$期*#年*月数据采集与处理 b p a g i w b x/i h i=d(p e n e h e b gq1 a b d n n e g k6b w .;b$/d*#万方数据图!变速恒频电源方块图件控制方式实现对变换器的控制和实现发电系统电压调节同时也实现了系统的保护功能#!数字变换器变换器作为$%&电源系统中的一个关键部件其作用是将飞机发电机发出的变频交流电变换为!($)*+,的恒频交流电因此其变换效率-输出电能质量-工作可靠性将直接影响整个系统的性能.!/#传统变速恒频电源变换器的控制方案采用基于0 1 2 34的开关点预置九块波最优正弦脉宽调制在这种控制方案中开关点是事先离线计算好然后固化到0 1 2 34中所以不容易改变功率器件的控制波形即不容易实现变换器系统的在线控制#随着数字信号处理5 6%1 7技术的成熟和普及使得6%1不仅运算能力较单片机有了较大的提高而且在该处理器上更容易实现高级语言能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能#在基于6%1的变换器系统中采用了数字控制方案变换器系统的全部控制和保护功能均可由软件实现系统实现电路不仅进一步简化而且6%1的高速数据处理能力保障了系统的准确性-实时性和灵活性有效地提高了系统的整体效率#以8 4%9:*&9:为核心的数字变换器根据系统需要和6%1的性能特点将完成开关控制波形的形成-故障保护-直流分量调节-动态波形校正等功能5其结构框图如图:所示7.:;)/#图:基于6%1的数字变换器系统结构简图!?&变换器控制中起着越来越重要的作用#开关点预置最优正弦脉宽调制5%1=47控制以使输出电压总谐波含量最小为目的求解出最优的开关控制波形系统的直流利用率高-开关频率低具有很好的发展前景#在实际计算机仿真过程中对控制波形的开关角进行量化后在一定范围内连续变化所有独立开关角变量根据公式计算出对应的各种性能参数以总谐波含量为筛选原则选取一组总谐波含量最小:)第)期陈新等A变速恒频电源系统的全数字控制万方数据且其它性能指标均较优的开关角!因为各个开关角是在所有可能的量化范围内变化所以通过这种方法可以得到最优开关点预置的控制波形!在以前的以#$%作为功率管的变换器中因为#$%的开关频率限制采取了九块波开关点预置功率管的开关频率为&()*+而,#-$的开关频率比#$%要高得多所以在,#-$作为主功率模块的变换器中考虑提高功率管的开关频率以达到减小输出电压谐波含量减轻输出滤波器体积重量提高系统效率在保障系统效率的前提下采取十三块波最优./01控制!运用相关变换器仿真软件对以上两种控制方案下的2 3)45变换器系统作出了系统仿真6比较结果见表2!通过仿真数据可以看出改成十三块波控制方案后其输入功率基本没有变化各元器件电流应力略有降低但输出电压的性能却能得到提高7 3 89:!表2九块波;十三块波控制方案变换器系统性能对比&负载电流;5?&3&3输出电压;42 2 3?2 2 3?2 2 3?功率因数2?9 3滤波电容电流;5最大值A&;(9A 3;(9&A ;(A B有效值&(A;&3 9&(B;&3 A&9?;&3 B基波有效值&9;&9&9;&9&9;&9功率晶体管电流;5最大值A 2 ;(3 (B(9;A A (&;(&2有效值2 A ;2 9 B&A 2;&A?(;?平均值9 B;A?2;&2 3?;2 (直流环节电压;4(2;(;9 9 9 A;A 9$*C;2 (3;2 2?2 (3;2 2?注E表格中的数据格式为E九块波方案仿真数据;十三块波仿真数据中点形成变压器参数E FGH2&B?I*J2H2 (9I*JH(2I*K?H?L滤波电路参数E F H(9M*N H2?M O开关角E 3 B?2 9 B 2 B AM P A B 2?A 2 A 3?M P 数字动态波形校正技术当C./发出控制信号后由于存在控制信号传输延时6桥臂互锁延时6功率管死区保护和功率管开关延时因此变换器桥臂电平不可能马上随之跳变而存在一个延迟时间定义为开关延时=即桥臂输出电压相对于控制信号的延时!由于实际电路中元器件的参数的不一致性和电路工作状态的不同在整个周期内波形各个跳变处的开关延时也是变化的这必然会导致实际输出电压偏离理想控制信号影响输出电压性能因此系统必须具备动态波形校正功能!动态波形校正技术的实现基于如下原理E当理想开关波形发生跳变时并不立即输出控制信号而是加入一个合适的控制延时使Q2RQHQ常数=!系统处于稳态工作时同一位置的开关延时在连续的两周期内是相同的因此可以认为最后的桥臂输出电压波形与理想控制信号只是存在一个固定的Q时间延时而波形的脉宽完全一样7 A:!系统以2 3)45变速恒频电源变换器为实例进行实验图&即为加动态波形校正前后的输出电压波形!在未加波形校正环节时由于变换器开关延时等影响变换器桥臂实际输出波形与理想控制波形存在较大偏差最大为3 3M P=输出$*C为&D而加入动态波形校正后由于系统是直接以桥臂电压为反馈对象形成的大闭环因此可以完全补偿变换器的开?&数据采集与处理第2(卷万方数据关延时!使桥臂电压波形与理想波形相一致#$%波形偏差小于&()*+,其输出电压波形明显改善!-./减小至&(0以下,图1动态波形校正前后输出电压波形2数字电压调节器组成从变速恒频交流电源系统的调压要求出发!设计3开发了适用于变速恒频交流电源系统的数字电压调节器硬件系统,数字电压调节器硬件系统可大致分为主控制电路3模拟量调理电路3输出功率放大电路,其中!主控制电路采用了/4#作为处理器!可以满足大多数控制算法的要求!5#6根据采样到的电压数值!并通过一定的算法在数字输出接口产生脉宽调制信号,模拟量调理电路3输出功率放大电路!可完成数字调压功能以及实现起动7发电的其它功能8 9:,数字电压调节器的组成框图见图;,图;数字电压调节器的组成框图2 数字电压调节器的电压测量方法交流发电机电压调节器需要对三相电压进行测量=当发电机正常工作时三相负载对称+!要求得到一个反映三相电压大小的电压量=当负载严重不对称 时!需要将最高相电压限制在规定数值内+,在无刷交流发电机与变速恒频交流电源系统的数字电压调节器中!如何检测三相电压是实现数字电压调节的一个关键问题,在三相电压对称时!一般有如下几种方法求得电压有效值?瞬时值法3半周期积分方法3改进积分方法8&!:,表2是各种测量方法的对比结果!其中平均值测量法是传统模拟电压调节器所采用的测量方法,表2各种三相交流电压测量方法的性能比较测量方法平均值测量法瞬时值法半周期积分法改进积分法测量时间常数7*AB&2&(B&;2B&;C 对称时+B&;C谐波分量影响小D E 0D&(F 0D;G负载不对称影响较小大很小较大频率影响小无较小无在数字电压调节器中!一般要求有最高相电压调节功能!故半周期积分法是必须的,在本电压调节器中采用半周期积分法检测三相输出电压,在负载对称的场合!可以考虑使用瞬时值法或改进积分法,2 2数字电压调节器的关键技术模糊控制算法容易获得良好的稳态性能调节精度+!为了改善数字电压调节器的动态性能!引入了H门槛电压I JKL和JKM!当电压误差信号超过门槛电压时!使电压调节器输出最强的控制,为保证此时1;第;期陈新!等?变速恒频电源系统的全数字控制万方数据系统的稳定性!又引入了一个滤波器!于是形成了数字电压调节器的模糊滤波控制器方案#控制器框图如图$所示!图中滤波系数%&()$*+,!+-.#在变速恒频电源系统中!由于整流滤波电路中图$模糊滤波控制结构框图存在大电容!在建压时必须采用软起动!否则在建压过程中直流环节将会产生很大的电压过冲!危害变换器#软起动技术可以保证在尽可能短的时间内实现无超调建压#数字电压调节器在建压时!使参考电压沿所求得的最大允许电压上升速度增加到额定值#实验证明!这种软起动方法简单可行!有效地抑制了建压超调#为了改善变速恒频电源系统的卸载动态过程!在数字电压调节器中采纳了逆磁电路!当输出电压与额定电压的误差大于/01时!逆磁电路起作用2这时励磁机的励磁电流通过逆磁功率二极管3稳压管4进行续流!相当于在励磁绕组上加一个负电压!此电压可以使励磁电流迅速下降!以达到加快卸载过渡过程的目的#为了改善变速恒频电源系统的加载动态性能!数字电压调节器采用了最大励磁电流限制的方法!当励磁机的励磁电流大于最大励磁电流时!数字电压调节器对其进行限制!避免由于励磁电流过大引起输出电压的超调!而输出电压的超调会造成加载过渡过程的加长#-56 7 8电源系统稳态实验在变速恒频电源系统中!无刷交流发电机的转速是变化的!实验中56 7 8发电机容量为+$9 5:!其工作转速范围是;?A#另外!为了使直流环节的滤波电容取值较小!以减小直流环节的时间常数!主发电机的电枢绕组设计成双星形结构!故每个星形绕组的容量约B($9 5:#主发电机的极对数为;!在转速为C =?A时!输出电压的频率为;DE#试验转速在;?A之间#表-3=H?AI+4励磁电流:输出电压 5输出电流:相J相7相:相J相7相输出K DL 3 M4直流分量?5直流电压 5变换器效率 3 M4;+(,+$(+B+$(C-+;(F,(F-;(,C,(C ($;+$(,F+$(C C+;()F(F+,$(C,C,(F (-C+$(,F+$(C-+;()-(F-,;(,C,(,-;数据采集与处理第+C卷万方数据表!系统稳态实验之二额定阻性#电机转速$%&()*+#励磁电流$,输出电压$-输出电流$,相.相/相,相.相/相输出0 12$3#直流分量$-直流电压$-变换器效率$3#!4 4 45 6 7 4+8 6!9+8 6 5:+!6:4!6 8:!6;5!6!4 6 9+5 6 7 45 9 4 6 4:8 6 874 4 4+6 8 4+8 6 8 +8 6 9+!6:8!6 8;!6;5!6!4 6 9!+7 6 7 45 9 4 6 4:8 6 8;4 4 4+6+;+8 6 8 4+8 6 8+!6:7!6 8!6 9 8!6 :4 6 9;+;6 5 45 9 4 6 4:8 6!表8系统稳态实验之三额定感性=负载功率因数分别为4 6 9!=4 6 9 8=4 6 9!#电机转速$%&()*+#励磁电流$,输出电压$-输出电流$,相.相/相,相.相/相输出0 12$3#直流分量$-直流电压$-变换器效率$3#!4 4 45 6 5 7+8 6 8+8 6 4 5+!6:4!6 9;!6 4+!6 4!4 6 8 5 6 4 45;+6 4:7 6 474 4 4+6 5 4+8 6 8+8 6 4!+!6;:!6 9 9!6 4!6 4 94 6 8 55 6 7 45;+6 4:7 6;4 4 44 6;+8 6!7+8 6+7+!6:9!数字变换器采用开关点预置?AB控制方式=获得!4 41C正弦输出电压=具有输出电压谐波小D三相电压对称D直流分量小D工作可靠等优点=此外通过数字动态波形校正技术=进一步改善输出电压波形的质量=同时还可以通过2?实现功率变换器的保护由于变换器本身没有电压调节功能=因此-?/E电源输出电压的调节借助调节发电机励磁电流来实现因为-?/E电源发电机在广阔的转速范围内变化=电机转速和特性也跟着变化=又因三级式无刷发电机和输出整流滤波电路具有高阶特性=因此采用普通模拟式电压调节器很难获得好的调节性能由2?构成的数字调节器实现发电机的软起动=减少了起动时电压超压=采用逆磁控制D模糊控制和最大励磁电流随转速改变等措施=不仅提高了稳态调节精度=也加快了突加突卸负载的响应速度=使动态性能D稳态性能均优于模拟电压调节器此外=由于基于2?的-?/E电源系统全部控制和保护功能均可由软件实现=一片0 B?5 4/另外由于这种系统平台的控制完全采取软件完成=适用范围较宽=可实现普通变换器的数字控制F数字调压器可实现普通交直流发电机的电压调节=且可方便地实现控制的更新和升级参考文献+谢少军=严仰光6开关点预置三相四线?AB逆变器研究G H I 6航空学报=+:5=+5#J.7+;K.7 5!5/L M)N OPH=0 M Q R(SH,6,0 B?5 4+4T M U O V)O M%W X Y(Z(C O VX Q U O(V Y LW V Q M Y O VM O R W%S O)O%M Y W%G/I 6)J/W)R%W N+:;_ _ _)V Q U Y%,X X (N M Y(W)U?W N(O Y,)BO O Y()S=+:5 6:4 K:4;陈新=谢少军6基于2?的变速恒频电源变换器G/I 6见J中国电源学会第十三届学术年会=+:6 4!K 4 9!陈新=谢少军60 B?5 4/5在开关点预置?AB控制中的应用G H I 6电气自动化=5 4 4 4 6 5 K5 78 M Y O 1?=1W R YP a6a O)O%M (C O VY O N L)(b Q O UW RL M%ZW)(NO ()M Y(W)M)V W Y M S O N W)Y%W ()Y L%(U Y W%()O%Y ZO%U J M%Y+Z 1M%W)(NO ()M Y(W)G H I 6 _ _ _0%M)U)V,X X =+:9 =,Z:J +4 K+97?Q)H=.O()O c O?=a%W Y U Y W O)16dX Y(M AB T M U O VW)%O M Z Y(OU W Q Y(W)W RL M%W)(NO ()M Y(W)O b Q M Y(W)UG H I 6 _ _ _ _0%M)UW)W O%_ O N Y%W)(N U=+:7=+!#J7+5 K7 5+9陈新=谢少军=严仰光6开关点预置?AB控制方案研 究G H I 6南京航空航天大学学报=5 4 4 4=5#J 5 9 4 K5 9 8!第!期陈新=等J变速恒频电源系统的全数字控制万方数据!陈新谢少军严仰光#具有动态波形校正功能的数字变换器$%&#电力电子技术()*+,-.)/),0陈志辉陈鸿茂严仰光#以1 23)(4)为核心的控制器的设计$%&#电工技术杂志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作者简介陈新男博士研究生 5 0 O)年5 5月生研究方向.变速恒频电源变换器技术陈志辉男博士研究生5 0 O 年5 5月生研究方向.功率变换技术严仰光男教授博士生导师 5 0)6年)月生研究方向.电力电子变换器和航空电源系统*)*数据采集与处理第5,卷万方数据