CN101610060A - 自励混合励磁无刷直流发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种自励混合励磁无刷直流发电系统及其控制方法，属于无刷直流发电系统。本发明所述发电系统包括混合励磁无刷直流发电机、滤波电容、二个电流传感器、励磁电流检测调理电路、输出电流检测调理电路、输出电压检测调理电路和数字调压控制器。本发明所述控制方法为三环控制，包括电压反馈环、负载电流反馈环和励磁电流反馈环。本发明直流发电系统不需外加辅助电源，且能够实现宽转速、大负载范围内恒压输出。数字控制易于实现参数调整和模块化设计。在飞机、舰船、汽车等独立电源直流发电系统中有重要应用价值。
Description
技术领域
发明涉及一种自励混合励磁无刷直流发电系统及其控制方法，属于无刷直流发电系统的技术领域。
背景技术
直流电机根据励磁方式不同可以分为他励和自励两大类。他励直流电机利用外接直流电源给电机励磁绕组供电。自励直流电机的励磁绕组可以用三种方式供电：励磁绕组和电枢绕组串联(串励)；励磁绕组和电枢绕组并联(并励)；或者励磁绕组一部分和电枢绕组串联、一部分和电枢绕组并联(复励)。对于自励直流发电机，电机铁心中必须要有足够的剩磁使自励过程开始，电机系统才能正常建压。而对于完全依靠电励磁磁势作用的直流电机，获得足够的剩磁是不容易的。另外，传统的直流电机都存在机械换向装置、电刷和滑环，为有刷结构，使用寿命短，且维护复杂。高空高速性能差，在航空等领域难以应用于大功率发电系统。
永磁直流发电机利用永磁体励磁，不需外接励磁源，励磁损耗低，效率高。但是，传统永磁直流发电机也为有刷结构，可靠性和维修性较差。而且，永磁电机内主磁通由永磁体提供，无法像电励磁电机一样通过调节励磁电流调节气隙磁场，因此难以实现输出电压调节和故障保护。
另一种方案是由转子励磁的永磁同步电机外接整流装置构成永磁无刷直流发电机，这种电机消除了电刷和滑环，电机可靠性高、效率高。但同样存在永磁电机电压调节和故障灭磁困难的问题。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种易于自励建压且输出电压能够宽范围调节的自励混合励磁无刷直流发电系统及其控制方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
自励混合励磁无刷直流发电系统，其特征在于包括混合励磁无刷直流发电机、滤波电容、二个电流传感器、励磁电流检测调理电路、输出电流检测调理电路、输出电压检测调理电路和数字调压控制器，其中数字调压控制器的输出端分别接混合励磁无刷直流发电机励磁绕组的两端，混合励磁无刷直流发电机励磁绕组的一端设置第一电流传感器，第一电流传感器的输出端经过励磁电流检测调理电路后接数字调压控制器的输入端，混合励磁无刷直流发电机的输出经滤波电容滤波后分别接负载、输出电压检测调理电路和数字调压控制器的输入端，负载的输入端线路上设置第二电流传感器，第二电流传感器的输出端接输出电流检测调理电路的输入端，输出电压检测调理电路和输出电流检测调理电路的输出端分别接数字调压控制器的输入端。
混合励磁无刷直流发电机由切向磁钢混合励磁同步电机的三相输出端串接整流桥构成，切向磁钢混合励磁同步电机的电枢绕组设计为整距绕组，绕组利用率高，电势波形为梯形波，经过半波或桥式整流输出可以获得更为平滑的直流电，减小滤波器体积重量。
数字调压控制器包括数字信号处理器、驱动放大隔离电路、励磁主电路和DC/DC辅助电源，其中DC/DC辅助电源的输入端与励磁主电路的输入端并联，都是由混合励磁无刷直流发电机的输出直流电经过滤波后提供。DC/DC辅助电源的输出端分别为输出电压检测调理电路、输出电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路、数字信号处理器和驱动放大隔离电路提供工作电源，数字信号处理器输出PWM波，经过驱动放大隔离电路控制励磁主电路的开关管的导通和关断时间。
所述的自励混合励磁无刷直流发电系统的控制方法，其特征在于所述控制方法采用三环控制方法，基本环为电压反馈环：将给定基准电压与反馈电压比较后经过第一PI调节器进行PI计算后输出励磁电流调节量；中间环为负载电流反馈环：将检测得到的输出负载电流通过负载电流大小计算得到需要的励磁电流量，将需要的励磁电流量与电压环输出的励磁电流调节量相加作为励磁电流环的励磁电流给定值；最内环为励磁电流反馈环：将检测得到的混合励磁同步电机励磁电流与所述励磁电流给定值比较后经过第二PI调节器进行PI计算后输出占空比，数字调压控制器内数字信号处理器根据占空比大小输出PWM波控制励磁回路的开关管，从而调节励磁电流的大小，稳定输出电压。
本发明基于混合励磁同步电机的无刷直流发电系统可以在没有外加辅助电源的情况下，就能实现发电输出，且输出电压可以调节。利用切向磁钢混合励磁同步电机的永磁磁势的剩磁作用，只要发电机在原动机驱动下具有一定转速，不需外加任何励磁电源，电机即能输出交流电，经过半波或桥式整流电路整流后输出直流电，该直流电既可以给负载供电，同时给控制电路部分供电，保证系统正常工作。由于切向磁钢混合励磁同步电机有较宽的输出电压调节范围，因而在较宽的转速范围内和负载波动较大的情况下，都能稳定电压输出。数字调压控制器控制方式灵活，可以方便实现各种控制算法，易实现模块化。
本发明不同于以前之处和优点在于：
1.整个混合励磁无刷直流发电系统独立，不需要外部励磁电源，省去了单独的励磁机或外部电源，简化了系统结构、降低使用环境要求。由于利用的是混合励磁同步电机中永磁磁势的剩磁作用，保证了系统具有足够的输出电压，容易实现自励建压。
2.发电系统有较宽的电压调节范围，能够实现宽转速、大负载范围内恒压输出。特别适用于飞机、舰船、汽车等独立电源系统。
3.数字调压控制器采用基于电压反馈环、负载电流反馈环和励磁电流反馈环的三环控制方法，可以提高系统稳定性，加快系统的动态响应速度。所有控制算法实现都是在数字信号处理芯片内部完成，方便参数调整和模块化设计。
附图说明
图1为自励混合励磁无刷直流发电系统结构图；
图2为切向磁钢混合励磁同步电机空载特性图；
图3为数字调压控制器结构图；
图4为数字调压控制器励磁主电路图；
图5为混合励磁无刷直流发电系统三环控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
图1为本实施例的混合励磁无刷直流发电系统，由混合励磁无刷直流发电机、电流传感器、励磁电流检测调理电路、输出电流检测调理电路、输出电压检测调理电路和数字调压控制器构成。切向磁钢混合励磁同步电机三相电枢绕组输出端接整流电路后输出直流电，构成混合励磁无刷直流发电机，经滤波电容后接负载，数字调压控制器通过电压检测调理电路检测混合励磁无刷直流发电机的输出电压即无刷直流发电系统的输出电压Udc，通过输出电流检测调理电路检测直流输出电流IL，通过励磁电流检测调理电路检测励磁电流If。
切向磁钢混合励磁同步电机在没有励磁电流的情况下，由永磁部分提供励磁磁势，因此在没有电励磁的情况下也会有输出电压Ur，电机的空载特性如图2所示。利用这一特性，根据工作转速范围要求，合理设计电机永磁体尺寸和磁路特性，使得切向磁钢混合励磁同步电机在没有电励磁磁势作用的情况下，整个工作转速范围内混合励磁无刷直流发电机的输出直流电压Udc能够满足励磁电源和数字调压控制器电源需要。
数字调压控制器结构如图3所示，在数字调压控制器内有一个宽范围输入的DC/DC辅助电源，其输入端由混合励磁无刷直流发电机的输出直流电压Udc供电，该DC/DC辅助电源负责为输出电压检测调理电路、输出电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路，以及数字调压控制器内的数字信号处理器和驱动放大隔离电路供电。
图4为调压控制器励磁主电路，为全桥电路结构，其输入端电源也由混合励磁无刷直流发电机的输出直流电压Udc供电，励磁主电路由四个开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成，Q1和Q4的驱动信号为T1，Q2和Q3的驱动信号为T2，可以实现励磁电流的双向调节。
发电机的励磁电流和输出电流分别通过第一个电流传感器和第二个电流传感器检测后，再经过励磁电流检测调理电路和输出电流检测调理电路变成可接受的输入电压范围，送到数字信号处理芯片(DSP)的ADC采样模块。发电机的输出电压经过输出电压检测调理电路后，送到数字信号处理芯片(DSP)的ADC采样模块。经过量化后，励磁电流，负载电流和输出电压转换成数字信号。
在数字信号处理芯片(DSP)内实现的三环控制算法如图5所示。三环控制最基本的为电压反馈环，通过给定基准电压Vref与反馈电压Vout的比较，经过第一个PI调节计算，输出为励磁电流调节量iexreg。直流发电系统中的反馈电压Vout是输出直流电压Udc的瞬时采样值。
三环控制的中间环为负载电流反馈环，通过检测输出负载电流值iL，计算出需要的励磁电流量iexgive，与电压环计算得到的励磁电流调节量iexreg相加，得到励磁电流环的给定量iexref。直流发电系统中的输出电流iL是输出直流电流IL的瞬时采样值。
三环控制的最内环为励磁电流反馈环，通过检测励磁电流iex和给定励磁电流iexref的比较，经过第二个PI调节计算，得到占空比值。数字信号处理芯片(DSP)根据占空比值生成PWM信号，输出两路互补的PWM信号，经驱动信号隔离放大后，输出互补驱动信号T1和T2，驱动励磁回路的四个开关管。互补驱动信号T1和T2中间设一死区，防止出现上下管(Q1和Q2为一组上下管；Q3和Q4为另一组上下管)直通现象。当T1占空比值大于T2时，通入正向励磁电流；当T1占空比小于T2时，通入反向励磁电流。
Claims (4)
1、一种自励混合励磁无刷直流发电系统，其特征在于包括混合励磁无刷直流发电机、滤波电容、二个电流传感器、励磁电流检测调理电路、输出电流检测调理电路、输出电压检测调理电路和数字调压控制器，其中数字调压控制器的输出端分别接混合励磁无刷直流发电机励磁绕组的两端，混合励磁无刷直流发电机励磁绕组的一端设置第一电流传感器，第一电流传感器的输出端经过励磁电流检测调理电路后接数字调压控制器的输入端，混合励磁无刷直流发电机的输出经滤波电容滤波后分别接负载、输出电压检测调理电路和数字调压控制器的输入端，负载的输入端线路上设置第二电流传感器，第二电流传感器的输出端接输出电流检测调理电路的输入端，输出电压检测调理电路和输出电流检测调理电路的输出端分别接数字调压控制器的输入端。
2、根据权利要求1所述的自励混合励磁无刷直流发电系统，其特征在于所述混合励磁无刷直流发电机由混合励磁同步电机的三相输出端串接整流桥构成，混合励磁同步电机采用切向磁钢混合励磁同步电机，电枢绕组设计为整距绕组，电势波形为梯形波，整流桥可以是半波或桥式整流电路。
3、根据权利要求1或2所述的自励混合励磁无刷直流发电系统，其特征在于所述数字调压控制器包括数字信号处理器、驱动放大隔离电路、励磁主电路和DC/DC辅助电源，其中DC/DC辅助电源的输入端与励磁主电路的输入端并联，它们的输入电源都是由混合励磁无刷直流发电机的输出直流电经过滤波后提供，DC/DC辅助电源的输出端分别为输出电压检测调理电路、输出电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路、数字信号处理器和驱动放大隔离电路提供工作电源，数字信号处理器输出PWM波，经过驱动放大隔离电路控制励磁主电路的开关管。
4、一种基于权利要求1所述的自励混合励磁无刷直流发电系统的控制方法，其特征在于所述控制方法采用三环控制，基本环为电压反馈环：将给定基准电压与反馈电压比较后经过第一PI调节器进行PI计算后输出励磁电流调节量；中间环为负载电流反馈环：将检测得到的输出负载电流通过负载电流大小计算得到需要的励磁电流量，将需要的励磁电流量与电压环输出的励磁电流调节量相加作为励磁电流环的励磁电流给定值；最内环为励磁电流反馈环：将检测得到的混合励磁同步电机励磁电流与所述励磁电流给定值比较后经过第二PI调节器进行PI计算后输出占空比，数字调压控制器内数字信号处理器根据占空比大小输出PWM波控制励磁回路的开关管，从而调节励磁电流的大小，稳定输出电压。
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