（通信与信息系统专业论文）大功率交流变频稳压系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着港1 2 1 贸易扩张和港1 2 1 污染之间的矛盾逐步加大，在港c i 为停泊的大型 轮船提供清洁能源的呼声与日俱增，将港口电能引入船舶成为最实际、最有效 的解决方案。由于中国、日本等国3 8 0 v ，5 0 h z 的交流电标准不同于大部分欧洲 国家4 4 0 v ，6 0 h z 的交流电标准，而船舶的用电标准普遍遵循欧洲的交流电标准， 想要在非4 4 0 v ，6 0 h z 交流电标准的港口为船只供电，必须提供一种交流电变频 设备，将3 8 0 v ，5 0 h z 的交流电转换成4 4 0 v ，6 0 h z 的交流电。本课题的目的正 是为了解决港口交流电变频的问题，设计一种的大功率交流电变频稳压设备。 针对大功率交流变频稳压设备在港口应用中的广泛需求和现今市场上该类 设备在大功率条件下稳定性低、使用寿命短等缺陷，本文提出了一种安全可靠、 使用寿命长、转换效率高的变频稳压系统的设计。该设计从方案上摒弃了通用 变频设备中电能转换电能的思路，而采用电能转换机械能再转换到电能的方法， 先将市电通过直流电机转换成机械能，然后由直流电机拖动交流发电机发电， 将机械能转换成电能。频率的转换通过直流调速器调节直流电机转速实现，电 压的稳定通过负载电流正反馈和输出电压负反馈结合控制的方式实现。此方案 的优点是变频过程通过使用机械器件实现，避免在大功率下使用电子器件，提 高了系统的稳定性。输出电压通过多种反馈共同调节，并且输出电压负反馈加 入了p i d 控制，减小了因负载变动造成的输出电压改变，增强了输出电压的稳 定性。 通过大量实验结果表明，本设计提出的大功率变频稳压系统实现了设计的 初衷。该系统不仅克服了现有设备的致命缺点，实现了大功率条件下交流电频 率的转换，还具有绿色无污染、转换效率高，安全可靠、实用性强等优点。由 于转换过程采用机械器件而非电子器件，转换效果不会随着功率增大而减弱。 与市场上同类产品相比，功率越大，本方案的优势越明显。通过市场反馈结果 表明，该系统不仅可以广泛应用在各大小港口，还可以用于交流电机调速等需 要非本地工频交流电的场合。 关键词：岸电，交流电变频，反馈，励磁，p i d 算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ep o l l u t i o ni n c r e a s i n gs t e pw i t ht r a d ee x p a n d i n ga tt h ep o r t s ，t h ev o i c eo f p r o v i d i n gc l e a ne n e r g yt os h i p sd o c k e da tt h ep o r tb e c o m i n gl o u d e ra n dl o u d e r ，a n d e l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o nf r o mp o r t st os h i p sw i l lb et h eb e s ts o l u t i o n i nc h i n a , j a p a na n ds o m eo t h e rc o u n t r i e s ，3 8 0 v ，5 0 h za cs t a n d a r di sd i f f e r e n tf r o m4 4 0 v , 6 0 h za cs t a n d a r du s e di nm o s te u r o p e a nc o u n t r i e s ，b u tm o s to ft h es h i p sa r e f o l l o w i n ge u r o p e a np o w e rs u p p l ys t a n d a r d t h ep o r tm u s tp r o v i d ee q u i p m e n tw h i c h g a l lt r a n s f e r3 8 0 v , 5 0 h za ct o4 4 0 v , 6 0 h za cs oa st os u p p l ys h i p s t h i sp a p e r p r e s e n t st h es c h e m ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fah i g h p o w e rm o b i l es u b s t a t i o n , w h i c hu s e dt oc o n v e r tl o c a ls t a n d a r da ct ot h er e q u i r e m e n to fs h i p s t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g no fas t a b l e ，d u r a b l ea n dl a j i g he f f i c i e n c yh i g h p o w e r s u b s t a t i o nt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gp r o d u c t sa n dm e e tt h ee x t e n s i v e m a r k e td e m a n d i nt h i sd e s i g n ，at h r e e p h a s ea cg e n e r a t o ri sd r i v e nb yad cm o t o r , t h em o t o ri su s e dt oc o n v e r te l e c t r i c a le n e r g yt om e c h a n i c a le n e r g ya n dt h eg e n e r a t o r i su s e dt oc o n v e r tm e c h a n i c a le n e r g yt oe l e c t r i c a le n e r g y t h es p e e do fd cm o t o r d e t e r m i n e st h ef r e q u e n c yo fo u t p u ta c ，a n dt h ev o l t a g eo fo u t p u ti sc o n t r o l l e db yt h e f e e d b a c ks y s t e m t h em a i ne q u i p m e n t so ft h es y s t e ma r em e c h a n i c a lr a t h e rt h a n e l e c t r i c a l ，5 0t h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi sm u c hb e t t e rt h a nf r e q u e n c yc o n v e r t e r v o l t a g er e g u l a t i o ni s c o n t r o l l e db yb o t l lc u r r e n tp o s i t i v ef e e d b a c ka n dv o l t a g e n e g a t i v ef e e d b a c k , a n dt h ev o l t a g en e g a t i v ef e e d b a c k i sw o r k i n gw i t hap i d c o n t r o l l e r , s ot h eo u t p u ti ss t a b l ew h e n1 0 a dc h a n g e s a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to fam o u n to fe x p e f i m e n lt h i ss y s t e ms h o w st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b l e c o m p a r i n gw i t ht h ee x i s t i n gf r e q u e n c y c o n v e r s i o ne q u i p m e n t ，i t ss t r u c t u r ei sm o r es t a b l ea n ds e r v i c el i f ei sm u c hl o n g e r t h e a d v a n t a g eo ft h i sd e s i g ni st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi sc o n s t a n ta st h ep o w e r i n c r e a s i n g t h ef e e d b a c ko ft h ec u s t o m e rs h o w st h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di n p o r t ，m o t o rs p e e dc o n t r o l l i n ga n da n yo t h e rs i t u a t i o n sw h e na4 4 0 v , 6 0 h zp o w e r s u p p l yi sn e c e s s a r yi na38 0 v , 5 0 h zr e g i o n k e y w o r d s ：s h o r ep o w e r ；a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；f e e d b a c k ；e x c i t a t i o n ；p i d 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景、目的及意义 海运从古至今都是最有效的远距离大容量运输手段，随着全球化经济的不 断扩张，海运在运输业中的核心地位愈发凸显，轮船的数量和港口的规模都是 与日俱增。众所周知，大型港口往往位于经济繁荣，人v i 众多的沿海城市。熙 熙攘攘的巨轮在带来海上贸易的同时也给港口带来了极大的污染。有统计表明， 港口城市由于停靠的各类船舶燃烧重油( 或柴油) 发电产生的废气排放比其他 城市平均多2 5 t ，轮船溢油或燃油废弃物排放对水质的影响更是无法估量。 据上港集团提供的相关资料表明，上海港平均每天大约有1 7 0 艘大型船舶停靠， 小船更是不计其数。船舶停靠后，仍需要燃烧柴油发电来供应船舶的照明和设 备正常运转。这些船只在停靠期间每天的有害物质排放高达9 3 3 吨、二氧化碳 和废气排放达3 1 万吨【2 1 。而随着上海港吞吐量的增长，船舶燃烧柴油发电产生 的有害物质和废气的污染将更加严重。无论是空气污染，还是水污染都不仅只 是对港口所在地区的生态环境造成破坏，还会影响到周边市民的生活环境，危 害市民的身体健康。因此，杜绝或者减少港口燃油排放成了各大港口亟待解决 的难题。除了产生巨大的污染，由于船舶柴油机发电无法并网，所产生的过剩电 能无法储存，造成了极大的浪费。另外从经济角度来看，能源紧缺造成的国际 原油价格的不断攀升使得靠港船舶使用燃油发电的成本不断升高，增加了货物 的运输成本。 针对船舶靠港时柴油发电产生有害物质和二氧化碳对港口所在地空气质量 和气候造成的严重影响，世界各国港口纷纷寻求解决方案，虽然付出了巨大的 努力，但进展缓慢，成效甚微。早前，不少港口采用限制燃油硫含量的方法， 减少有害气体的排放，甚至有一些港口为减少船舶污染物排放，直接禁止船舶 在停靠码头期间使用船舶辅机1 3 】。这些举措要么治标不治本，无法从源头上杜绝 污染；要么不符合实际情况，难以运作。近几年，有不少港口开始尝试将市电 引入港口，提供岸电供船只使用。例如美国洛杉矶港和长滩港采用了趸船式的 供电装置，给少量集装箱班轮供电，其中长滩港于2 0 0 9 年开放了世界上首座配 备岸电系统的油轮码头；瑞典的哥德堡港和加拿大的温哥华港采用了码头固定 武汉理工大学硕士学位论文 式的供电装置，给邮轮和滚装船供电【4 1 。上海的外高桥码头也于2 0 1 0 年首次给“新 常熟”号邮轮提供了岸电，是国内首次实现移动式船用岸电系统。 在世界各国纷纷提倡节能减排的今天，减少不可再生资源的消耗，降低污 染排放是最符合时代步伐的举措，使用清洁能源代替传统能源无疑是最理想的 解决问题的方案，而电能是各种清洁能源最普遍的表现形式，也是最容易获得 的清洁能源。在大多数国家，由于轮船的用电标准符合标准的6 0 h z ，4 4 0 v 的交 流电工频标准【5 】，将市电引入港口供船只使用比较容易，只需要解决港岸到船只 的传输线和供电接口问题。在中国，由于市电采用5 0 h z ，3 8 0 v 的工频标准， 无法直接将市电引入港口供船只使用，国外已有的技术方案也无法直接用于中 国的港口。轮船要想使用岸电，必须提供一种将5 0 h z ，3 8 0 v 的交流电转换成 6 0 h z ，4 4 0 v 的交流电的装置1 6 j 。由于大型集装箱船的耗电量极大，几乎等同于 一座上万人的小城镇，供电期间必须高度稳定，因此该装置不仅要完成频率的 转换，还要提供升压和稳压的功斛丌。大型船舶在停靠港口时，随着潮位以及自 身载重的变化，甲板与港口高低落差有时多达1 0 多米，考虑到可能存在的拉伸 和磨损，岸电系统的供电电缆也必须经过特别设计【8 】。 本文主要是针对变频稳压装置在大型港口的广泛需求和逆变方式的致命缺 陷，提出一种新颖的大功率变频稳压系统的设计。该设计不仅能克服逆交方式 的缺点，还具有转换效率高，故障率低的优点。本变频稳压系统的出现，不仅 大大降低了船只有害物质的排放，还可以解约日益枯竭的石油和煤炭资源，同 时由于使用的是并网的市电，按需求使用，不会造成任何浪费，顺应了国家节 能减排的宗旨。根据测算，港口岸电系统如果推广到上海港所有的大型船舶， 每年将减少有害物质排放3 3 8 万吨和二氧化碳排放9 1 2 4 万吨，节约3 6 6 万吨 标准煤1 9 】。如果岸电系统能在全国各港口推广使用，以1 0 0 0 吨级以上的各类船 舶在靠泊期间的燃油统计，每年将减少二氧化碳排放9 1 7 万吨，减少二氧化硫 排放1 2 6 万吨，减少氮化物排放1 9 5 万吨。如把我国1 0 0 0 吨级以下的1 4 万艘 船舶也计算进来，温室气体和有害物质的减排效果将更高，社会和经济效益十 分明显【i 们。如果将该类设备推广至全国各大型港口，减少排放和节约能源的总 量将相当可观。因此为船舶提供岸电，不仅是绿色生态型港口发展的趋势，还 会大幅降低船舶靠港的运营成本，是集生态效益和经济效益于一体的可持续发 展的方案。本设计提出的大功率变频稳压系统与现有设计相比，在继承高效率 的优点的同时更具有故障率低，使用寿命长等独特优势，是一种具有广泛市场 前景的设计。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 相关领域的研究现状 1 2 1 交流变频的研究现状 目前，码头岸电系统的基本原理都是将工业用电经过变压、变频处理，再 传输到船舶上使用，而其中的变频技术至关重要。在交流电变频的研究中，国 内外最新并且最普遍采用的是逆变技术。逆变技术是电力电子技术中最主要， 最核心的技术，虽然出现的历史不长，但发展非常迅速，并且由于极高的转换 效率一直被视为一种革命性的电源【1 1 1 。 逆变技术的原理是先将本地工频交流电通过整流稳压滤波电路变换成直流 电，再通过升压电路将该直流电升压到目标交流电的峰值电压，然后将升压后 的直流电加至逆变电路，通过逆变电路将直流电逆变成脉冲宽度按正弦规律变 化的高频脉冲，再经过变压器降压后由输出滤波器滤掉高频谐波，得到目标频 率和电压的交流电。逆变电路的核心是通过s p w m 波形发生器产生正弦脉冲， 作为功率开关管i g b t 的驱动信号【1 2 1 。只要选取合适的s p w m 波形发生器，产 生较高精度的正弦脉冲，可以轻易的得到稳定的输出频率。 1 2 2 逆变技术的缺陷 逆变技术的优点是输出交流电频率稳定度高，输出电压稳定，并且转换效 率较高】，但逆变也具有不可避免的缺陷。常用的逆变电路有推挽逆变、全桥 逆变和高频升压逆变三种i l3 1 。其中全桥逆变电路和高频升压逆变电路结构极其 复杂，电路的可靠性不高，推挽逆变电路虽然结构简单，但变压器利用率较低， 带感性负载的能力不强。 从工作原理上分析，逆变技术存在两个重大的缺陷。一是整流过程会产生 高次谐波，容易引起用电设备的干扰问题，并且逆变器对输入的直流电的稳定 性要求较高，谐波问题容易导致逆变器工作状况不佳。二是逆变器内部元器件 较多，在高电压、大电流情况下各器件工作状况难以确定，并且在大电流下器 件的管耗产生大量散热i l4 1 ，容易导致器件故障，并且器件越多，故障率越高， 在长期使用时寿命和稳定性都无法保证。综合上述缺陷，逆变技术在大功率交 流变频稳压系统中不仅难以发挥其固有的优势，还会由于其复杂的结构造成安 全隐患，因此本设计放弃采用逆变技术。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容及创新点 本文的主要研究内容有如下几点： ( 1 ) 5 0 h z 交流电到6 0 h z 交流电频率的转换。 ( 2 ) 3 8 0 v 到4 4 0 v 交流电峰值电压的转换。 ( 3 ) 在各种复杂负载情况下输出电压的稳定。 ( 4 ) 正常工作时输出电压、输出频率和负载电流的监控，异常时提供报警 功能并自动切断电源确保安全。 本文的核心技术是通过对输出电压、负载电流的采样并通过正反馈和负反 馈结合的方式实现输出电压的稳定。采样时通过变压器、电流传感器等硬件电 路实现强电信号到弱电信号的转换。控制量的输出通过i g b t 等功率转换电路实 现弱电信号到强电信号的转换。反馈信号和控制量的关系通过p i d 算法等软件 算法确定。 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用电流正反馈和电压负反馈结合的方式稳定输出电压，电流正反馈 调节迅速，能及时提升负载电流上升导致的压降，电压负反馈通过p i d 算法进 一步稳定输出电压，减小输出电压的波动，增强系统的指标。 ( 2 ) 三路控制信号在进行功率变换之前进行波形合成，既减小了驱动电路 的规模，又可以有效防止因驱动信号突变导致的输出电压波动。 ( 3 ) 硬件设计和软件设计充分考虑了系统的可扩展性，主要参数可以通过 电位器和上位机进行修改。硬件电路和软件程序不做任何改动，仅仅通过调节 电位器和上位机中的参数即可将本变频稳压控制电路应用于3 0 0 k w ，5 0 0 k w 甚 至更大功率的系统上。 1 4 论文的结构安排 第1 章首先简要介绍本课题的研究背景，然后通过分析国内外关于本课题 的研究现状引出本课题研究的意义，最后阐述了本文的主要研究内容及论文的 大体结构。 第2 章首先进行本课题的需求分析，然后通过建模等手段进行方案探讨， 并通过对比各方案的利弊确定本设计选取的方案，然后将系统设计划分为硬件 设计和软件设计，最后总结本章的主要内容。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章首先确定硬件的总体结构，然后细分为电源电路、控制电路、反馈 电路和励磁电路几个单元电路的设计。单元电路设计中通过对硬件原理图的讲 解来阐明硬件功能的实现。在完成原理图设计后，通过三个注意事项讲述p c b 的设计。最后对本章的主要内容进行总结。 第4 章首先确定将软件设计分为下位机设计和上位机设计。然后确定下位 机的总体框架，并用模块设计的方法，通过流程图和算法分析来详细解读各软 件模块的设计。最后简述上位机设计并对本章工作作出小结。 第5 章通过大量的实验数据，采用作图等方式分析系统达到的性能和指标， 并通过实际达到的指标和需求指标的对比来评估本设计是否达到预期目标。最 后通过本章小结综述本章的主要内容。 第6 章总结本设计的主要工作内容并分析本课题的优缺点，并对系统后期 维护和改进作出展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大功率交流变频稳压系统的方案论证 2 1 变频稳压系统的设计需求分析 本变频稳压系统的设计需求如下： ( 1 ) 输入：3 8 0 v ，5 0 h z 。 ( 2 ) 输出：4 4 0 v ，6 0 h z 。 ( 3 ) 额定功率：2 5 0 k w 。 ( 4 ) 波动范围：正常运行时频率波动小于1 ，电压波动要求低于5 。从 无负载向突然加入极大负载的突变过程要求电压波动不超过1 0 。 ( 5 ) 监控报警：输出频率、输出电压、负载电流要求实时监控，异常情况 及时报警并可自动关断系统。 通过分析上述设计要求可知，输出电压为4 4 0 v ，且负载电流最大可达5 0 0 a ， 系统的功率极大。负载可能在极大的波动范围内变动，但在极端情况电压的波 动不应超过4 4 v ，正常工作时电压波动应低于2 2 v ，频率波动应低于1 h z 。各输 出量应做实时采样并显示，在系统异常时应有报警功能并能自行切断输出。 2 2 变频稳压系统的总体方案设计 由上述设计要求可知该变频稳压装置是工作在高压大功率条件下，负载在 一个较大的动态范围内，并且可能发生从无到有和从有到无的突变。设计的难 点是交流电频率的转换和负载变动时输出电压的稳定。目前在交流电变频系统 中较为前沿的逆变方案由于采用了大量的开关器件和功率器件，难以保证在大 电流条件下无故障运行，因此逆变方案很难满足本系统的设计要求。本文提出 一种在大功率条件下稳定可靠且具有较长使用寿命的方案，设计思想是尽量避 免采用电能转化成电能的方式，而采用先将电能通过电机转化成动能，再由发 电机将动能转化成电能的方法。这样设计的好处是频率的转换极为简单，并且 避免在大电流情况下使用电子器件，转而使用稳定度较高，寿命较长的机械器 件，大大降低系统故障率，提高系统的稳定性。系统结构如图2 - l 所示，直流电 机和三相交流发电机通过联轴器相连，由直流电机拖动交流发电机发电。由于 6 武汉理工大学硕士学位论文 直流电机与交流发电机联轴，两者转速相同【15 1 。直流电机由直流调速器驱动， 直流调速器直接决定直流电机的转速【1 6 l ，而交流发电机的输出频率只取决于其 转速【1 7 1 ，因此输出交流电的频率由直流电机的转速决定，可通过直流调速器调 节。负载电流和负载端电压经过反馈调节电路作用于发电机从而调节发电机的 输出电压。 直流电机交流发电机 图2 1 电机拖动发电机的结构图 要了解如何控制发电机的输出频率和输出电压，必须先清楚交流发电机的 工作原理。图2 2 所示为三相交流发电机的内部结构，外围的定子上u 1 u 2 、 v 1 v 2 、w 1 w 2 三相绕组按1 2 0 度等间距排列【l 引。定子内部的转子铁芯上有励 磁绕组f g ，励磁绕组可以是一相或者多相。励磁绕组通电后，会产生正比于励 磁绕组电流的磁场。当转子在外力作用下旋转时，定子上的三相绕组做切割磁 感线运动，且经过绕组的磁场强度呈正弦规律变化，由电磁感应定律可知，定 子三相绕组会产生三相相位相差1 2 0 度的感应电动势i l9 1 。 图2 2 交流发电机内部结构 发电机的输出频率取决于转子的转速n ，公式如下。 f = 嚣( e - 1 ) 6 ( ) 其中p 为发电机转子励磁绕组数，已知输出频率，也可反推转速，再获得 武汉理工大学硕士学位论文 励磁绕组数，则可求得所需输出频率对应的转速。 发电机的输出电压大小与发电机励磁绕组的励磁电流大小相关【2 0 1 。为了确 定输出电压和励磁电流的确切关系，取定子三相绕组的其中一组分析，则感应 电动势如下所示。 e 。= e s i nc o t = 2 e s i n 国芒 ( 2 - 2 ) 其中e m 为电动势的最大值，e 巾为电动势的有效值，c o 为发电机转子的角速 度。e o 的取值与发电机的特性参数、励磁磁通和转速相关。 l = c 。加 ( 2 - 3 ) 其中c 。为发电机特性参数，n 为发电机转速，两者都是常数，西为励磁磁 通，在不饱和的情况下，励磁磁通m 正比于励磁电流i s 。 妒a i 。 ( 2 - 4 ) 将( 2 - 4 ) 代入( 2 - 3 ) 再代入( 2 2 ) 可得。 e 。4 2 c 。a n i ss i nc o t ( 2 - 5 ) 其中a ，c 。，n 均为常数，则可将励磁电流与发电机电动势之间的关系表示 为。 e 。c i ss i n t ( 2 - 6 ) 由此可知输出电压的瞬时值是时间的正弦函数f 2 i 】，其幅值与励磁电流的大 小近似成正比。通过改变励磁电流的大小，可以相应改变发电机的输出电压， 并且输出电压有效值的变化量正比于励磁电流的变化量。 2 3 发电机和负载的建模分析 由于发电机的输出驱动的是变动范围极大的动态负载，为了方便分析，将 发电机等效成如图2 2 所示的电压源和内阻的模型【2 2 1 ，动态负载通过 r 1 ，l 毪，r n 的不确定电阻模拟。 r s i v s 图2 2 发电机和负载的等效电路 其中v s 为发电机的内电压，即为感应电动势，飚为发电机内阻，v o 为负 8 武汉理工大学硕士学位论文 载端电压，i 为负载电流。则根据基尔霍夫定律可知。 = k b i ( 2 7 ) 空载时，相当于发电机的负载开路，由于没有负载电流，负载端电压即为 发电机的内电压，v o 与v s 相等。接入负载电阻后，负载电流在发电机内阻上的 耗损将使输出电压下降，而用电设备要正常工作，负载端电压v 6 应近似为一个 恒定值，故先假设v o 为一个恒定值。 j ：堕 r l ( 2 - 8 ) 由( 2 8 ) 可知，当负载r l 变化时，负载电流i 随之变化，若要稳定v o ，v s 必须随i 的趋势变化。通过前述( 2 6 ) 可知，v s 的有效值近似正比于励磁电流i s ， 因此i s 应正比于负载电流i 而变化。在负载为理想线性负载时，仅用电流正反馈 即可将负载端电压稳定在目标电压附近。由于实际负载不可能为理想线性负载， 所以v s 并非完全正比于负载电流i 。在非线性变化的部分，可将负载端电压取 样反馈给控制器，采用电压负反馈对励磁电流进行调节，将负载端电压稳定在 目标电压波动很小的范围内。 2 4 变频和稳压环节的具体方案设计 通过以上分析可知，本设计的主要内容分为输出频率控制和输出电压控制。 输出频率控制通过图2 3 所示的方案实现。通过调节直流调速器来调节直流电机 的转速从而间接调节发电机的转速，直流调速器和直流电机建立频率闭环控制 以保证稳定直流电机以稳定的转速运转。发电机的输出频率必须满足一定的指 标要求，才能保证用电设备正常运转。因此必须选用控制精度较高的直流调速 器，保证直流电机以稳定的转速运转。市场上绝大部分的直流调速器都采用p i d 控制四】，频率稳定度即取决于直流调速器的p i d 控制效果，因此必须选择合适 的p i d 参数，以达到最佳的控制效果1 2 4 】。 图2 3 稳定输出频率的方案 9 武汉理工大学硕士学位论文 通过前述分析可知，负载具有极大的不确定性，而且可能出现从有到无和 从无到有的极端情况。无论负载如何变动，都应保持输出电压的稳定性，因此 在不带负载的情况下应设置一个空载电压，在加入负载后应使输出电压尽量不 发生突变，并且在负载变动时，输出电压应始终稳定在空载电压附近。图2 4 所 示为输出电压的控制方案，分为空载电压设定、电流正反馈、电压负反馈三个 部分1 2 5 j 。三个过程产生的控制信号经过控制器处理后转换成驱动信号作用于发 电机的励磁绕组，最终转换成目标频率和电压的交流电。 图2 - 4 稳定输出电压的方案 空载时，电流正反馈和电压负反馈均为0 ，都不产生调节作用。通过图2 5 所示的电路设定初试的励磁电流使空载时发电机输出电压为4 4 0 v 。控制器的 a d 采样端口通过采样电位器上的分压值，输出一路占空比正比于电位器分压值 的p w m 信号，然后经i g b t 模块进行功率放大后形成基准励磁电流，励磁电流 作用于发电机励磁绕组使发电机产生空载输出电压。调节电位器即可线性调节 发电机空载输出电压值。这样设计不仅可以根据不同电机的特性调节空载电压， 还可以在环境改变时随时调整空载电压为4 4 0 v 。 | 电位器h 篡h 控制器削惦盯h 发电机i 图2 5 空载电压设置示意图 接入负载后，负载电流作用与发电机内阻产生压降，使负载端电压下降。 通过引入图2 - 6 所示的电流正反馈可有效提升负载端电压。由于负载电流较大， 需通过霍尔传感器或者电流变送器检测负载电流，电流传感器一般输出正比于 负载电流的电流或电压值。本处先假设使用霍尔电流传感器，由于负载电流为 交流信号，霍尔传感器的输出也为交流信号。为了获得负载电流的有效值，通 过整流桥将霍尔传感器的输出信号整流，经电容滤波后引入控制器的a d 采样 l o 武汉理工大学硕士学位论文 端口。控制器计算后输出一路占空比正比于采样值的p w m 信号，然后经过i g b t 模块进行功率放大后产生与负载电流相应比例的励磁电流，励磁电流作用于发 电机励磁绕组时可补充因负载电流导致的内阻压降，将负载端电压提升至4 4 0 v 附近。 图2 - 6 电流正反馈示意图 对于用电设备来说，电源的波动越小，设备的工作状态越好。在理想的线 性负载条件下，前述电流正反馈的引入即可将输出电压稳定在目标电压很小的 波动范围内。由于实际负载情况较为复杂，而且负载性质不可预估，为了进一 步减小负载端电压的波动，引入如图2 - 6 所示的电压负反馈。先通过一定比例的 变压器将负载两端电压按比例转换到弱电范围内，经整流桥变换成直流，然后 通过光耦隔离，再引入控制器a d 采样端口采样即可得到负载端电压大小。根 据负载端电压实际值和目标值的差值，建立p i d 算法，根据算法得出一路相应 占空比的p w m 信号，然后经过i g b t 模块进行功率放大后转换成励磁电流。由 于p i d 算法具有良好的跟踪调节效果，由p i d 算法得出的励磁电流作用于发电 机的励磁绕组可将电压稳定在4 4 0 v 左右极小的范围内波动。 图2 7 电压负反馈示意图 三路p w m 信号都经过i g b t 模块进行功率放大后形成三路励磁电流，然后 根据叠加原理通过加法电路将三路励磁电流叠加作用于发电机的励磁绕组，形 成最终的励磁电流。 发电机的输出频率和输出电压都必须满足一定的指标要求，才能保证用电 设备正常运转。频率稳定度由直流调速器的p i d 控制效果决定。输出电压的稳 定度取决于电流正反馈和电压负反馈的控制效果。电流正反馈采用比例调节， 而电压负反馈采用p i d 算法调节。 武汉理工大学硕士学位论文 p i d 控制器由于结构简单、调整方便，并且稳定可靠而普遍应用于自动化控 制工程实际中【2 6 】。p i d 控制技术的优势在于当被控对象的结构和参数不能完全确 定时，可通过经验或现场调试来获取p i d 参数达到较好的控制效果。通用p i d 控制系统的结构框图如图2 8 所示。比例环节用于减小系统偏差，一旦系统出现 了偏差，比例环节立即按比例对偏差作出反应，减小系统偏差。积分环节用于 消除稳态误差，只要系统存在误差，积分环节就会进行调节，直至误差消失。 微分环节针对被控对象的惯性或趋势改善动态特性，有助于减小超调量，克服 系统振荡，让系统保持稳定【2 7 1 。 图2 8p i d 控制系统框图 根据p i d 控制的三个环节，可以得出其输入e ( t ) 与输出u ( t ) 之间的的关系 如下。 u ( t ) 呐卜+ 毒i 出肌掣l ( 2 - 9 ) 式( 2 9 ) 中e ( 0 为系统偏差，是目标值“t ) 与实际输出c ( t ) 之间的差值。k p 为 比例系数，t i 为积分时间常数，t d 为微分时间常数【2 8 1 。积分上下限取0 到t ，对 ( 2 - 9 ) 进行拉普拉斯变换，可以得到p i d 控制的传递函数如下。 厂11 g p l 0 ( s ) - 尸l1 + 毒+ si ( 2 - 1 0 ) 本设计中由于很难得到交流发电机的准确参数，并且负载情况复杂，用p i d 控制来实现输出电压的稳定是最佳选择。式( 2 6 ) 求出了励磁电流与输出电压的 近似关系，对式( 2 6 ) 求拉普拉斯变换可求得发电机的传递函数如下【2 9 i 。式中c 为常数，当输出电压频率为6 0 h z 时，为1 2 0 z 。 g ( s ) = c 。z ( 2 - 1 1 ) 根据图2 7 所示的结构在s i m u l i n k 中建立如图2 - 9 所示的仿真模型。其中 武汉理工大学硕士学位论文 g a i n l ，g a i n 2 ，g a i n 3 分别为p i d 的比例系数，积分时间常数，微分时间常数。g a i n 4 为发电机的传递函数中的增益，g a i n 5 为反馈增益。 图2 - 9p i d 仿真模型 以阶跃信号作为系统的激励，调节k p ，t i ，t d 三个参数，在k g = 5 0 ，t i ：4 ， t o = 0 2 5 时得到如图2 1 0 所示的仿真波形，可以看出在调节开始2 s 之后输出逐 渐稳定，通过调节p i d 的三个参数，可以使进入稳定的时间更短。由仿真波形 可以看出，在合适的参数下p i d 控制具有非常好的跟踪调节效果。 图2 1 0p i d 仿真波形 本设计中通过软件p i d 算法实现p i d 控制，与硬件p i d 的连续控制不同的 是软件p i d 控制是基于采样的，而嵌入式控制器的采样是离散的，故软件p i d 控制是离散控制。 c k t ( 丘= 0 ，1 ，2 ，) ( 2 - 1 2 ) 将( 2 9 ) 中的积分相和微分项需经过离散处理，用求和代替积分。 k c e ( t ) d t e ( j t ) = 7 e ( j ) ( 2 1 3 ) 山 一一 j - 00 用差分代替微分。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 掣塑上掣：盟掣( 2 - 1 4 ) d 亡丁r 则量化后的表达式为( 2 15 ) ，其中k l = k p t 厂r i ，k d = k p t d t 。 u ( 七) = k p e ( k ) + k j e ( j ) + k d e ( 良) 一e ( 七一1 ) ( 2 一1 5 ) p i d 算法通常分为增量式和位置式两类。位置式p i d 算法控制精度高，但其 计算量极大，不适用于嵌入式控制器中f 3 0 】。增量式p i d 算法每次只输出控制量 的增量，计算量较小，故本设计中采用增量式p i d 算法。 a u ( k ) = u ( 七) 一u ( k 一1 )( 2 1 6 ) 将u ( k ) 和u ( k - 1 ) 代a ( 2 1 6 ) 可得。 a u ( k ) = j i f ，p ( 七) 一e ( j i f 一1 ) j + k j e ( 七) ， + k dl e ( k ) 一2 e ( k 1 ) + e ( k 一2 ) i ( 2 1 7 ) 式( 2 17 ) 可进一步化简为。 a u ( k ) = a e ( k ) + b e ( k 1 ) + 如( 七一2 )( 2 - 1 8 ) 其中a = j i f p ( 1 + 号) + ( 争) ，b = k 趣+ 孕) ，c = p 争。 由( 2 1 8 ) 可知，当采样周期t 确定时，通过确定k p ，t i ，t d 即可确定a ，b ， c ，再通过程序求出前后三次偏差值，即可求出控制量的增量。 2 5 本章小结 本章首先通过需求分析提出了本设计的大体方案，通过建模等手段分析了 发电机的控制原理，然后以电流正反馈和电流负反馈为核心介绍了本设计的设 计重点，最后通过建模仿真对电流负反馈中的软件p i d 控制进行了说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章大功率交流变频稳压系统的硬件设计 频率的转换是通过直流调速器调节电机的转速实现的，直流调速器内置频 率闭环控制，可以保证电机以固定的转速稳定的运行。只要选用控制精度高的 直流调速器，即可得到稳定的输出频率的。因此在动态负载条件下通过多种反 馈调节的互补实现输出电压的稳定才是本设计的重点。 3 1 稳压部分的硬件总体结构 硬件设计的目的是搭建硬件平台，为系统各功能的实现提供硬件基础。系 统主要实现的功能包括监控量和反馈量的采样反馈、控制信号到发电机励磁电 流的功率变换、监控量的显示和报警、上位机和下位机的通信等。系统的总体 结构如图3 1 所示。电源电路为控制器及其外围电路、显示电路和励磁电路等弱 电部分提供电源。主控制器及其外围电路构成控制电路，控制器完成监控信号 和反馈信号的采样、控制信号的计算和输出。控制器外围电路为控制器提供时 钟、复位等外部条件。反馈电路将负载电路中的强电信号通过功率或电平变换 电路转换成弱电信号并反馈给控制器处理。励磁电路将控制器输出的控制弱信 号进行功率转换后驱动发电机的励磁线圈发电。显示电路给用户提供观察各监 控量的窗口。串口通信电路通过和p c 中的上位机通信完成监控和调试等任务。 图3 1 稳压部分的硬件总体结构图 武汉理工大学硕士学位论文 3 r 稳压部分的单元电路设计 硬件设计的核心是反馈电路和驱动电路，为了描述的方便，将主控制器、 控制器外围电路以及显示电路统称为控制电路，负载电路和反馈电路合并为反 馈电路，励磁电路和发电机线圈合并为驱动电路。硬件设计分为电源电路、控 制电路、反馈电路和驱动电路四个单元电路。 3 2 1 电源电路 通过分析整个设计中弱电部分所有器件的用电需求，可以确定电源部分需 要提供+ 1 5 v 、+ 5 v 和9 v 三种电平的电源输出。电源电路如图3 2 所示。外部通 过常用的2 4 v 电源供电，先经过二极管d 3 用于防止反接，再经过电容c 5 、电 感l 2 和电容c 6 、c 7 组成的兀型滤波电路滤波。限流电阻r 4 和发光二极管d 5 提供显示电源状态的指示灯。滤波后的+ 2 4 v 电源分别通过两个电感l 3 和l 4 输 入到两个并联的直流稳压器u l 和u 2 ，u l 是2 4 v 到5 v 的d c d c 模块，将2 4 v 输入转换为+ 5 v 输出，再经滤波后可以为需要+ 5 v 供电的器件提供电源。u 2 是 2 4 vn + 5 v 和1 5 v 的d c d c 模块，将2 4 v 的输入转换成+ 1 5 v 和1 5 v 输出， + 1 5 v 经滤波后为需要1 5 v 供电的器件提供电源。1 5 v 再经过三端稳压器7 9 0 9 滤波后输出9 v 给需要9 v 供电的器件提供电源。d c d c 模块和三端稳压器的输 入端和输出端都经过1 0 0 u f 量级的电解电容和0 1 u f 量级的电容分别滤除低频和 高频纹波【3 l j 。在+ 5 v ，+ 1 5 v 和9 v 输出之间通过l 欧的小电阻为后级提供保护， 防止过流损坏后级器件。两个d c 。d c 模块在输入端是共地的，由于两个d c d c 模块都是带隔离的，因此在输出时两路电源的g n d 要区分开来。 图3 2 电源电路 3 2 2 控制器及其外围电路 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 控制器的选择需要根据整个系统所需的硬件资源来评估，通过分析本系统 所需实现的功能，将所需硬件资源通过表3 1 描述。 表3 1 硬件资源 资源个数 用途 初始设置、电压反馈、电压监控、电流反馈、电流监控五个 a d 转换器 5 信号需要模数转换 p 删发生器 3 初始设置、电流正反馈、电压负反馈三路p 删输出 定时器 2 用于产生调度时钟和用于测频 计数器 1 用于测频 串口 1 用于和上位机通信 i o2 0液晶显示 根据系统的硬件需求，可选择a t m e l 公司的a v r 单片机a t m e g a l 2 8 作为控制器。该单片机有8 路1 0 位的a d c 、两路8 位的p w m 和6 路1 6 位的 p w m 、两个8 位的定时器计数器和两个1 6 位的定时器计数器，两个串行接口、 多达5 3 个i o 口p 2 l ，完全可以满足设计需求。由于p w m 定时器计数器都是基 于定时器，两路8 位的定时器配合使用实现测频功能，一路1 6 位的定时器用于 产生任务调度时钟，另一路1 6 位的定时器用于产生三通道的p w m 。 控制器及其外围电路的原理图如图3 3 所示。外围电路主要包括电源电路、 下载电路、时钟电路和复位电路。电源采用前述电源电路中的+ 5 v 电源。下载 电路采用图中j p l 所示的i s p 下载接口，用于下载程序。时钟电路中为了在采样 时得到精准的定时时间以及串口通信时能得到整数波特率，采用7 3 7 2 8 m h z 的 外部晶振作为系统时钟，2 2 p f 的耦合电容能提供恰当的起振时间和时钟稳定度。 复位电路通过将单片机的复位引脚通过1 0 k 的电阻上拉到电源正极并通过接地 的按键构成简易的复位电路。由于需要使用单片机的模数转换功能，将+ 5 v 的 电源通过电感滤波后接入模拟电源输入端构成模数转换器的电源。由于采用+ 5 的外部电源作为模拟参考电压，故要在模拟参考引脚通过1 0 4 p f 去耦电容接地。 整个控制电路中所有电源引脚都要通过1 0 4 p f 去耦电容接地以防止电源波动对 控制器的正常运行造成影响。 监控量的显示采用上位机和液晶显示结合的方式，在有p c 机的时候通过串 行端口将下位机数据上报并显示，在没有p c 机的条件下通过液晶1 2 8 6 4 显示。 上位机除了作为显示窗口，同时还具有调试功能。串行端口通过m a x 2 3 2 进行 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 t t l 电平和2 3 2 电平的转换【3 3 1 ，然后引出到d b 9 的母头，再通过串口线