CN100495902C - 无刷励磁控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无刷励磁控制器。解决现有交流无刷励磁发电机，特别是用于内燃机车辅助系统的交流无刷励磁发电机没有合适的励磁控制装置的问题。该无刷励磁控制器包含由电抗器L和电流互感器T串联而成的励磁电压电流信号采集电路，电流互感器(T)的两端并联有由二极管(V5-V8)构成的励磁整流桥，励磁整流桥的直流输出端并联有可控硅(V26)，其控制极连接有可控硅(V26)的通断控制电路。励磁整流桥(V5～V8)提供无刷励磁发电机的励磁机所需的励磁电流，通过可控硅(V26)的通断控制电路控制并接于励磁整流桥直流侧的可控硅(V26)，给励磁电流提供一个电流分路，控制发电机的输出电压满足恒压频比特性。
Description
技术领域
本发明涉及无刷励磁发电机的励磁控制装置，具体为一种无刷励磁控制器。该无刷励磁控制器用于控制交流无刷励磁发电机的电压以恒压频比的特性输出，从而保证发电机在柴油机的任何转速工况下都能恒磁通运行，提高电机的效率和可靠性。
背景技术
当今，内燃机车主辅系统采用交流传动已成为内燃机车发展的主要趋势，目前国内内燃机车的交流化还处于起步阶段，各主机厂均开始从辅助系统的交流化开始探索和试验，辅助系统作为机车上一套独立的供电系统，要完成以往静液压冷却系统和机械连接通风装置的功能。机车的使用特点注定了辅助系统中负载的频繁投切，这对系统中控制交流辅助发电机的励磁控制器提出了更高的要求，不仅要保证负载投入前后控制发电机机端电压的稳定，而且应具有负载投入或切除过程控制发电机电压使其具有快速响应特性，以保护系统中的负载电机和发电机。其对辅助发电机电压控制性能的好坏直接影响着辅助系统的运行可靠程度。在国内内燃机车辅助系统中，率先采用交流传动的是四方厂生产的DF5G机车，该机车采用了有刷的辅助发电机和微机控制的励磁控制器。由于微机控制一方面要借用机车上的110V辅助电源，另一方面微机控制方式强励能力差，使负载在变化时，发电机的端电压调整过程较长，对辅助系统电机的使用不利，曾出现烧损风扇电动机的事故。而无刷励磁发电机目前没有合适的励磁控制装置，也未见相关的文献报道。
发明内容
本发明为了解决现有交流无刷励磁发电机，特别是用于内燃机车辅助系统的交流无刷励磁发电机没有合适的励磁控制装置的问题，提供一种无刷励磁控制器。该励磁控制器采用相复励励磁和恒压频比控制及限压控制相结合原理设计，并直接安装在无刷励磁发电机上，不需要机车上的任何电气联接，与电机自成一体。
本发明是采用如下技术方案实现的：无刷励磁控制器，包含由电抗器L和电流互感器T串联而成的励磁电流采集电路，电流互感器T的两端并联有由二极管V5-V8构成的励磁整流桥，励磁整流桥的直流输出端并联有可控硅V26，其控制极连接有可控硅V26的通断控制电路；可控硅V26的通断控制电路包含变压器T1，变压器T1的次级端连接有由二极管V1-V4构成的检测整流桥，检测整流桥的直流输出端并联有可调电阻RV，可调电阻RV的调节输出端经滤波电路LB与运算放大器N2A的反相输入端相连通；可控硅V26的通断控制电路还包含频率/电压转换芯片ZH，频率/电压转换芯片ZH的输入端与检测整流桥的交流侧相连通，输出端与运算放大器N2A的同相输入端相连通，运算放大器N2A的输出端与另一运算放大器N2B的反相输入端相连通，运算放大器N2B的同相输入端与检测整流桥的直流输出的正极端相连通，运算放大器N2B的输出端经触发电路CF与可控硅V26的控制极相连。所述的滤波电路LB和触发电路CF采用公知的常规电路，并可以有多种不同的电路结构选择。安装时，由电抗器L和电流互感器T串联而成的励磁电压电流信号采集电(支)路连接于发电机输出端的相电压上，可控硅V26的通断控制电路中的变压器T1的初级端连接于发电机输出端的线电压上，发电机的励磁绕组连接于励磁整流桥的直流输出端。
励磁电流采集电路提供的励磁电流经励磁整流桥V5～V8供给无刷励磁发电机的励磁机，通过可控硅V26的通断控制电路控制并接于励磁整流桥直流侧的可控硅V26，给励磁电流提供一个电流分路。发电机的输出电压过高或过低(与满足恒压频比特性的理想电压值相比)，可控硅V26的通断控制电路将触发可控硅V26导通并控制可控硅V26的导通角，以调节经过可控硅V26的分流电流的大小，从而调节励磁电流的大小，用这种方式来控制发电机的输出电压满足恒压频比特性。
可控硅V26的通断控制电路中，变压器T1将接入控制器的反馈电压(发电机机端电压)降低，然后经整流桥V1～V4整流，这个直流电压(经整流滤波后)一方面给控制器提供了工作电源(电路图中的电源U)，另一方面通过可调电阻RV提供发电机输出电压的反馈信号，同时还作为运算放大器N2B同相输入端的比较反馈电压。根据发电机输出电源的频率控制励磁输出的给定信号由频率/电压转换芯片提供(发电机输出电源的频率由柴油机的转速决定。当柴油机的转速确定时，发电机的输出电源的频率是一定值，经频率/电压转换芯片后得到的电压值也是一定值，该确定的电压值作为电压信号比较的(理想)给定值)，频率/电压转换芯的转换斜率可根据需要通过Rf进行调整，反馈电压信号的调节可通过Rv进行调整。频率/电压转换芯片输出的给定电压信号与电阻RV给出的反馈电压信号在运算放大器N2A构成的比较器上进行比较，比较后的输出值再进入另一运算放大器N2B与取自检测整流桥直流输出端的直流脉冲基准电压信号进行比较并放大，运算放大器N2B的输出信号使触发电路CF导通，根据发电机输出电压的波动发出触发脉宽可调的触发脉冲，以不同的导通角触发可控硅V26，从而实现励磁调节。
该无刷励磁控制器是无刷励磁发电机特别是用于内燃机车辅助系统的无刷励磁发电机的控制核心，技术特点包括以下几点：1)使用部件少、结构简单，可靠性高，简化了接线：依靠发电机的剩磁建压，控制电源来自发电机的机端电压，完全脱离机车110V直流辅助电源；2)提高了励磁控制器的强励能力，从而提高发电机在负载变化时的带载和动态性能：采用相复励励磁技术后，发电机的励磁电源是通过电抗器和电流互感器取自发电机的机端电压和电枢电流，负载的变化通过电抗器和电流互感器同步正比例地反映到励磁电源上，提高了强励能力并加速了励磁调节过程，由于励磁电源是取自发电机自身发出的电能，完全不同于使用机车110V电源的微机控制方式；其工作可靠、故障少、寿命长；3)恒压频比控制和限压控制技术：控制器完全采用模拟器件组成，对励磁电源进行分流控制，以达到控制发电机恒压频比输出和限压的目的，几乎不受强电流电磁辐射的影响，因而有较高的抗干扰能力，和微机控制方式相比，完全不受发电机的高电压和大电流干扰的影响，其更适宜于和电机做成一体并应用于机车动力间这样的恶劣环境下。该无刷励磁控制器试用于戚墅堰机车厂、资阳机车厂、二七机车厂的多种内燃机车上。试用证明该控制器大大提高了内燃机车辅助系统的可靠性，并推进了国内内燃机车交流化发展的进程。
附图说明
图1为本发明所述的无刷励磁控制器的电路原理图；
图2为本发明所述的无刷励磁控制器与无刷励磁发电机的连接结构图；
图3为可控硅V26通断控制电路的具体电路原理图；
具体实施方式
无刷励磁控制器，包含由电抗器L和电流互感器T串联而成的励磁电流采集电路，电流互感器T的两端并联有由二极管V5-V8构成的励磁整流桥，励磁整流桥的直流输出端并联有可控硅V26，其控制极连接有可控硅V26的通断控制电路；可控硅V26的通断控制电路包含变压器T1，变压器T1的次级端连接有由二极管V1-V4构成的检测整流桥，检测整流桥的直流输出端并联有可调电阻RV，可调电阻RV的调节输出端经滤波电路LB与运算放大器N2A的反相输入端相连通；可控硅V26的通断控制电路还包含频率/电压转换芯片ZH，频率/电压转换芯片ZH的输入端与检测整流桥的交流侧相连通，输出端与运算放大器N2A的同相输入端相连通，运算放大器N2A的输出端与另一运算放大器N2B的反相输入端相连通，运算放大器N2B的同相输入端与检测整流桥的直流输出的正极端相连通，运算放大器N2B的输出端经触发电路CF与可控硅V26的控制极相连。滤波电路LB是由电阻、电容连接而成的常规滤波电路(如图3所示)。频率/电压转换芯片ZH是现有公知产品，可选用LM2907型号。运算放大器可选用LM2904。触发电路CF包含三极管V23，三极管V23的基极经稳压管V21与运算放大器N2B的输出端相连，发射极与可控硅V26的控制极相连。控制器还设有过压保护电路，过压保护电路包含连接于励磁整流桥直流输出端的电阻R26、R29的串联支路，电阻R26和电阻R29的连接节点经稳压管V20与三极管V23的基极相连。当发电机输出电压过压时励磁电路的过电压经电阻R26、R29分压后使稳压管V20导通，进而使三极管V23导通，连续触发可控硅V26。过压保护装置起作用后，给发电机提供一个稳定的励磁电流。
工作时，励磁控制器的励磁电流采集电路中的电抗器L和电流互感器T的参数选择要求在发电机空载或带载情况下其提供的励磁电流为此时发电机所需励磁电流的1.5倍左右，通过控制器后续的控制电路进行调节来提供合适的所需励磁电流。电抗器可以通过调整其气隙大小改变其电抗值大小，从而改变空载时向发电机提供励磁电流的大小，电流互感器T的基本匝数为335匝，为了方便在带载情况下调整励磁电流大小电流互感器的副绕组制作成多抽头。
安装时，由电抗器L和电流互感器T串联而成的励磁电流采集电(支)路连接于发电机输出端的相电压上，可控硅V26的通断控制电路中的变压器T1的初级端连接于发电机输出端的线电压上，发电机的励磁绕组连接于励磁整流桥的直流输出端。
励磁电流采集电路提供的励磁电流经励磁整流桥V5～V8供给无刷励磁发电机的励磁机，通过并接于励磁整流桥直流侧的可控硅V26，给励磁电流提供一个电流分路。发电机的输出电压过高时(与满足恒压频比特性的理想电压值相比)，随着输出电压的升高，电阻RV调节输出端的输出电压及滤波后施加于运算放大器N2A反相输入端的电压逐渐升高，在运算放大器N2A中与频率/电压转换芯片的输出电压进行比较后，使运算放大器N2A的输出端电压随之逐渐降低，该逐渐降低的电压在运算放大器N2B中与取自检测整流桥直流输出端的直流脉冲基准电压信号进行比较(并放大)，使运算放大器N2B的输出电压逐渐上升，该输出电压经稳压管V21使三极管V23导通而触发可控硅V26导通，并且随着运算放大器N2B输出电压的逐渐上升，可控硅V26的导通角逐渐增大，从而增大了分流，使励磁电流下降，发电机的输出电压下降而趋于稳定。反之，发电机的输出电压过低时(与满足恒压频比特性的理想电压值相比)，随着输出电压的降低，电阻RV调节输出端的输出电压及滤波后施加于运算放大器N2A反相输入端的电压逐渐降低，在运算放大器N2A中与频率/电压转换芯片的输出电压进行比较后，使运算放大器N2A的输出端电压随之逐渐升高，该逐渐升高的电压在运算放大器N2B中与取自检测整流桥直流输出端的直流脉冲基准电压信号进行比较(并放大)，使运算放大器N2B的输出电压逐渐降低，该输出电压经稳压管V21使三极管V23导通而触发可控硅V26导通，并且随着运算放大器N2B输出电压的逐渐降低，可控硅V26的导通角逐渐减小，从而减小了分流，使励磁电流增大，发电机的输出电压上升而趋于稳定。由于负载的投切，发电机的输出电压发生波动，控制器重复上述的动态工作过程，从而调节励磁电流的大小，来控制发电机的输出电压满足恒压频比特性。
Claims (3)
1、一种无刷励磁控制器，其特征为：包含由电抗器(L)和电流互感器(T)串联而成的励磁电流采集电路，电流互感器(T)的两端并联有由第五二极管至第八二极管(V5-V8)构成的励磁整流桥，励磁整流桥的直流输出端并联有可控硅(V26)，其控制极连接有可控硅(V26)的通断控制电路；可控硅(V26)的通断控制电路包含变压器(T1)，变压器(T1)的次级端连接有由第一二极管至第四二极管(V1-V4)构成的检测整流桥，检测整流桥的直流输出端并联有可调电阻(RV)，可调电阻(RV)的调节输出端经滤波电路(LB)与第一运算放大器(N2A)的反相输入端相连通；可控硅(V26)的通断控制电路还包含频率/电压转换芯片(ZH)，频率/电压转换芯片(ZH)的输入端与检测整流桥的交流侧相连通，输出端与第一运算放大器(N2A)的同相输入端相连通，第一运算放大器(N2A)的输出端与第二运算放大器(N2B)的反相输入端相连通，第二运算放大器(N2B)的同相输入端与检测整流桥的直流输出的正极端相连通，第二运算放大器(N2B)的输出端经触发电路(CF)与可控硅(V26)的控制极相连。
2、如权利要求1所述的无刷励磁控制器，其特征为：触发电路(CF)包含第一三极管(V23)，第一三极管(V23)的基极经第一稳压管(V21)与第二运算放大器(N2B)的输出端相连，发射极与可控硅(V26)的控制极相连。
3、如权利要求2所述的无刷励磁控制器，其特征为：还设有过压保护电路，过压保护电路包含连接于励磁整流桥直流输出端的第一电阻(R26)、第二电阻(R29)的串联支路，第一电阻(R26)和第二电阻(R29)的连接节点经第二稳压管(V20)与第一三极管(V23)的基极相连。
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