一種新型高功率因數(shù)電磁發(fā)射機

李佳鵬，張一鳴，馮馨月，王海濤

（北京工業(yè)大學 信息學部，北京100124）

0 引 言

電磁法勘探是地球物質(zhì)勘探中一種常用的探測方法。電磁法勘探設備系統(tǒng)主要包括發(fā)射機、接收機和數(shù)據(jù)處理三部分，電磁發(fā)射機的作用是將電性源按規(guī)定的頻率進行逆變，并將該信號通過兩個接地電極發(fā)射出去，借此來獲取有效的人工電磁場信號進行深部地球物質(zhì)勘探。

作為地球物理探測裝備的供電電源，電磁發(fā)射機的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法得到了深入的研究。文獻［2］提出了一種AC／DC／AC的拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)采用三相不控整流器接逆變電路輸出，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但交流側(cè)諧波分量較大，功率因數(shù)低，同時輸出電壓不可調(diào)，不能滿足地質(zhì)探測中實際應用的要求。文獻［3］采用 AC／DC／AC／DC／AC的拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)具有控制簡單，通用性好的優(yōu)點，但這種雙交直整流變換增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜度，由于大型電感和變壓器的加入，增大了系統(tǒng)的體積和重量。文獻［4］提出了一種電壓可調(diào)的AC／DC／AC的拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)采用了勵磁控制的方法，輸出電壓可調(diào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省略了傳統(tǒng)發(fā)射機中的電感和變壓器。但該方法在發(fā)電機運行于非線性部分時，控制實現(xiàn)復雜，同時系統(tǒng)整流部分采用不控整流技術，功率因數(shù)較低。美國ZONGE公司的GGT系列發(fā)射機［8］采用相控整流技術進行AC／DC變換，整流器輸出端電壓可調(diào)，但電壓調(diào)節(jié)動態(tài)響應慢。

本文針對傳統(tǒng)電磁發(fā)射機體積重量大，功率因數(shù)低的缺點，設計了一種具有AC／DC／AC拓撲結(jié)構(gòu)的高功率因數(shù)電磁發(fā)射機。在該拓撲結(jié)構(gòu)中，由于發(fā)電機不需要對勵磁實時調(diào)節(jié)，只需提供恒定的勵磁電流，因此采用永磁同步發(fā)電機即可。整流部分采用了三相電壓型PWM整流器。系統(tǒng)的控制部分采用了基于前饋解耦的雙閉環(huán)控制方法，該方法不僅可以實現(xiàn)整流器輸出直流電壓可調(diào)，還可以實現(xiàn)發(fā)電機單位功率因數(shù)運行。在前饋解耦雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置角是解耦控制的必要條件，通常采用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器進行轉(zhuǎn)子位置與速度估計，可以準確、方便地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，但在復雜環(huán)境下，位置傳感器不僅增大了系統(tǒng)的體積，同時也存在安裝困難、對環(huán)境要求苛刻、響應速度慢、抗電磁干擾能力弱等問題［9］。本文采用了基于滑模觀測器的無位置傳感器方法，利用包含轉(zhuǎn)子位置信息的電機反電動勢信號估算出轉(zhuǎn)子的位置，并提出了一種基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置提取方法。這降低了硬件電路的復雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時減小了系統(tǒng)的體積和重量［10］。國內(nèi)外很多學者對無位置傳感器都做了研究，但大多用于電機控制系統(tǒng)中，很少應用于發(fā)電機PWM整流系統(tǒng)。

1 發(fā)射機拓撲結(jié)構(gòu)原理

電磁發(fā)射機系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：發(fā)電機組、PWM整流電路、逆變脈沖形成電路、發(fā)射電極。

圖1 發(fā)射機電路結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機組為整個電磁探測發(fā)射系統(tǒng)提供初始電能，本文發(fā)電機組采用永磁同步發(fā)電機。與傳統(tǒng)三相電壓型PWM整流器［12］類似，發(fā)電機定子繞組與后面的三相六開關共同組成PWM整流部分，只是省去了外部的濾波電感，而直接采用發(fā)電機的定子電樞電感作為濾波電感。應用于陸地的電磁探測發(fā)射機需要提供大功率大電壓輸出，所以本文采用的是boost型PWM整流器。逆變脈沖形成電路將可控直流電逆變成頻率可調(diào)的方波交流電，通過發(fā)射電極將電能輸送到大地。

2 系統(tǒng)模型控制策略

發(fā)電機PWM整流電路如圖2所示。

圖2 三相PWM整流電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 給出了發(fā)電機的等效模型，其中ea，eb，ec為轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的等效反電動勢，Rs為等效電樞繞組電阻，Ls為等效定子繞組電感。本文所用永磁同步電機為表面貼式電機，屬于隱極式同步電機，交、直軸電感相等，因此有Ls＝Ld＝Lq＝L。永磁發(fā)電機PWM整流器在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型如式（1）：

從式（3）可以看出，由于發(fā)電機PWM整流器d、q變量相互耦合，因而給控制器設計造成了一定的困難。為了解決上述問題，可以采用前饋解耦控制策略，當電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，得到狀態(tài)反饋方程如下：

將式（4）展開且忽略發(fā)電機內(nèi)阻Rs可得ud、uq的控制方程如下。

基于前饋解耦的控制算法使整流器電流內(nèi)環(huán)（id，iq）實現(xiàn)了解耦控制，如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)

由于d軸和q軸對稱，因此電流環(huán)的PI控制器設計以d軸為例進行分析。考慮電流內(nèi)環(huán)信號的采樣延遲和PWM控制的小信號特性，已解耦的id電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，KiP，KiI為電流內(nèi)環(huán)控制器比例、積分系數(shù)，Kpwm為PWM等效增益，Tif為采樣和給定延時。

圖4 id電流環(huán)結(jié)構(gòu)

在永磁同步發(fā)電機PWM整流器中，忽略三相PWM整流橋自身損耗，則整流橋交流側(cè)有功功率pac和直流側(cè)功率pdc平衡，即

根據(jù)式（6）、（7）可得，電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電壓環(huán)控制框圖

3 無位置傳感器控制

3.1 滑模觀測器法

一般而言，滑模觀測器的設計分為以下兩步，首先選擇滑模切換面，其次設計控制輸入，使系統(tǒng)軌跡向滑模切換面運動，確保系統(tǒng)滿足滑?？蛇_性條件。

永磁同步發(fā)電機在兩相 － 靜止參考坐標系下的電壓方程如下：

由式（8）所描述的反電動勢方程可知，在兩相靜止坐標系下電機反電動勢中包含了電機轉(zhuǎn)子位置與電角度信息。因此，為了獲取電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，定義切換函數(shù)如下：

由于估算電流值和實際電流值產(chǎn)生的誤差信號中包含大量高頻開關信息，需要用低通濾波器從開關信息中提取連續(xù)的等效信號，即為反電動勢估算值。

由兩相靜止參考坐標系下反電動勢方程式（8）及反電動勢信息估計值式 （19）可知，對反電動勢估計值經(jīng)過式（20）的數(shù)學處理后便可提取出轉(zhuǎn)子位置與速度信息。

由于式（18）所估計反電動勢過程中需要進行低通濾波，導致得到的反電動勢估計值有一定的相位延遲，進而影響轉(zhuǎn)子位置與速度的準確估計，在實際應用中需要進行相應的相位補償，補償公式為：

最終可得經(jīng)過相位補償?shù)霓D(zhuǎn)子位置為：

3.2 位置跟蹤算法

對反電動勢進行反正切運算得到轉(zhuǎn)子位置的方法在數(shù)值實現(xiàn)時精度不高，噪聲干擾明顯。為了提高轉(zhuǎn)子位置的觀測精度，本節(jié)采用了轉(zhuǎn)子位置跟蹤算法從觀測得到的反電動勢中提取轉(zhuǎn)子位置信息。圖6為轉(zhuǎn)子位置與速度跟蹤算法結(jié)構(gòu)框圖。

式（23）中，k代表反電動勢系數(shù)；θe＊為反電動勢相位角。若轉(zhuǎn)子位置觀測誤差滿足，則可將式（23）化簡為：

圖6 轉(zhuǎn)子位置與速度跟蹤算法

由式（24）可見，轉(zhuǎn)子位置跟蹤算法相當于圖7所示的鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)。電機轉(zhuǎn)子實際位置與估算位置信息相減后獲得轉(zhuǎn)子速度估計值，對轉(zhuǎn)子速度估計值進行積分運算便可估算出轉(zhuǎn)子位置信息。

圖7 鎖相環(huán)原理圖

3.3 電壓重構(gòu)技術

無位置傳感器控制需要發(fā)電機輸出電壓量，若采用傳統(tǒng)傳感器測量方式無疑增加了硬件的成本，且直接檢測量為PWM脈沖信號，需要設計濾波器，從而不可避免的產(chǎn)生相位延遲。本文采用電壓重構(gòu)技術，它依據(jù)直流母線電壓Udc和逆變器功率開關管的狀態(tài)（Sa，Sb，Sc）而計算出各相輸出電壓。發(fā)電機輸出端相電壓可以用式（25）表示：

4 仿真分析

為了驗證設計方案的可行性，使用Matlab／Simulink軟件對發(fā)射機性能進行了仿真研究，所采用的工具箱是SimPowerSystem，仿真的采樣時間為50s。發(fā)電機仿真參數(shù)如表1所示，整流器仿真參數(shù)如表2所示。

表1 發(fā)電機參數(shù)

表2 整流器參數(shù)

圖8給出了發(fā)射機工作在200 Hz時，PWM整流器的輸入輸出端波形。仿真結(jié)果表明，發(fā)電機輸出端相電壓接近正弦波，電流的THD為1．92%，如圖8（a）和（b）所示。圖8（d）為采用PLL得到的發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置，相比反正切法，得到的角度更加平滑，且在轉(zhuǎn)角為90°時，沒有太大偏差。由圖8（a）和圖8（d）可知，發(fā)電機相電流與發(fā)電機反電動勢同相位。因此，發(fā)射機的瞬時無功功率（如圖8（c））Q為0，發(fā)射機處于單位功率因數(shù)運行。

圖8 發(fā)射頻率為200 Hz時，整流器輸入端和輸出端波形

5 實驗驗證

為了驗證本文提出方案的可行性，搭建了一個實驗平臺，主要包括以下幾個部分：一臺改造的定勵磁發(fā)電機組（與永磁發(fā)電機等效），PWM整流器（3個型號為FF150R12RT4的IGBT），發(fā)射電路（2個型號為FF150R12RT4的IGBT），負載。系統(tǒng)的控制算法及PWM生成由DSP28335實現(xiàn)，發(fā)射電路控制信號由FPGA實現(xiàn)。系統(tǒng)的實驗參數(shù)與仿真參數(shù)完全一致。

圖9、圖10分別給出了新型發(fā)射機輸出低頻（32 Hz）和高頻（4 096 Hz）方波時的波形，輸出波形平滑穩(wěn)定，滿足地球物理探測的要求。由于發(fā)射機在輸出不同頻率時，PWM整流器的輸入端和輸出端的波形相同，因此以32 Hz發(fā)射頻率為例，給出PWM整流器的輸入輸出端的波形。

圖9 發(fā)射頻率為32 Hz時，新型發(fā)射機輸出電壓電流

圖10 發(fā)射頻率為4 096 Hz時，新型發(fā)射機輸出電壓電流

由圖11（a）可以發(fā)現(xiàn)，新型發(fā)射機輸入電流近似為標準的正弦波，波形畸變小，PWM整流器輸出直流電壓穩(wěn)定在400 V左右。

圖11（b）為發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置和發(fā)射機輸入電流波形，對比兩者波形可以發(fā)現(xiàn)，電流和轉(zhuǎn)子位置保持一致。

圖12給出了發(fā)射機的有功電流和無功電流波形，此波形是DAC8562輸出得到。經(jīng)過計算可以得到有功電流iq穩(wěn)定在25 A左右，無功電流穩(wěn)定在0左右。

圖11 新型發(fā)射機PWM整流器輸入輸出波形

圖12 新型發(fā)射機有功電流無功電流

6 結(jié) 論

本文基于PWM整流技術設計了一種可以滿足地球物理探測需求的新型高功率因數(shù)電磁發(fā)射機，給出了發(fā)射機的拓撲結(jié)構(gòu)，建立了發(fā)電機PWM整流器的數(shù)學模型，提出了基于前饋解耦的雙閉環(huán)控制策略，采用基于滑模觀測器的無位置傳感器法對發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置進行觀測，克服了位置傳感器的缺陷，并通過PLL方法提取得到轉(zhuǎn)子的位置角。最后，對設計方案進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結(jié)果表明，采用本文提出的方法，發(fā)射機可以實現(xiàn)高功率因數(shù)運行。