CN101610062A - 自励混合励磁同步电机交流发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种自励混合励磁同步电机交流发电系统及其控制方法，属于同步电机交流发电系统。本发明所述发电系统包括混合励磁同步电机、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、整流桥、滤波电容和数字调压控制器。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。本发明交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、汽车和风力发电等恒频或变频交流发电系统中有重要应用价值。

Description

自励混合励磁同步电机交流发电系统及其控制方法

技术领域

发明涉及一种自励混合励磁同步电机交流发电系统及其控制方法，属于同步电机交流发电系统的技术领域。

背景技术

交流电机根据励磁源不同可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机两大类。

电励磁交流同步电机在转速或负载变化的情况下，可以通过调节直流励磁，方便地实现稳压输出，但是励磁电源需要由外部电源提供。通常解决的方法是设置单独的外部电源或者采用三级式电机结构。采用外部电源需要增加额外的电源设备如蓄电池，在某些场合，特别是一些小型的独立电源系统，在没有外部附加电源的情况下，系统将难以正常工作，这样限制了发电系统的应用。三级式电励磁同步电机目前在航空及民用电源系统中得到了广泛应用，该电机采用三级式无刷结构，包括永磁副励磁机、励磁机和主发电机，永磁副励磁机输出通过控制单元给励磁机的励磁绕组供电，而励磁机输出通过转子上的旋转整流器整流后为主发电机提供励磁，可见，该电机系统实际上是通过增加两个与主发电机同轴旋转的发电机，从而为主发电机提供励磁，电机结构尤其是转子结构复杂，而且转子上存在旋转整流器件，不利于高温高速运行，可靠性较低。

永磁同步电机作为交流发电机，不需要励磁源，且转子永磁结构即可实现无刷励磁，工作效率高。但是永磁同步发电机一旦制成后，气隙磁场难以调节，导致输出电压调节困难，因此在转速和负载变化的情况下很难实现输出电压稳定，且故障灭磁困难，难以应用于航空等主电源系统。

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同步电机交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：

本发明自励混合励磁同步电机交流发电系统，其特征在于包括混合励磁同步电机、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、整流桥、滤波电容和数字调压控制器，其中数字调压控制器的输出端分别接混合励磁同步电机励磁绕组的两端，混合励磁同步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电路后接数字调压控制器的输入端，混合励磁同步电机的三相输出端分别接输出电压检测调理电路、整流桥和负载的输入端，整流桥的输出经滤波电容后接数字调压控制器的输入端，混合励磁同步电机的一相输出端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，输出电流检测调理电路和输出电压检测调理电路的输出端分别接数字调压控制器的输入端。

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同步电机的三相交流输出经过整流桥整流和滤波电容滤波后提供，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。

所述的自励混合励磁同步电机交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。

本发明基于混合励磁同步电机的交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，电机即能输出三相交流电，从而给负载供电。混合励磁同步电机的电枢绕组设计为短距分布、120度相带绕组，电势波形为正弦波，满足交流电源品质要求。同时，电机输出的三相交流电经过半波或桥式整流电路整流后成为直流电，给数字调压控制器电路部分供电，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.整个混合励磁同步电机交流发电系统独立，不需要外部励磁电源，直接利用混合励磁同步电机中永磁磁势的剩磁作用，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。

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。

3.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为自励混合励磁同步电机交流发电系统结构图；

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为混合励磁同步电机交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同步电机交流发电系统，由切向磁钢混合励磁同步电机、电流传感器、整流桥、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直接接负载，数字调压控制器通过电压检测调理电路检测三相交流输出电压(Ua、Ub、Uc)，通过输出电流检测调理电路检测一相输出电流I_a，通过励磁电流检测调理电路检测励磁电流I_f。混合励磁同步电机交流发电系统中，整流桥输出只需要供给励磁电源和数字调压控制器工作电源，因此可以选择小功率的整流桥。

切向磁钢混合励磁同步电机在没有电励磁的情况下，由永磁部分提供励磁，因此在没有电励磁的情况下也会有输出电压U_r，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三相输出电压经整流滤波后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参见图3，在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同步电机的三相交流输出(Ua、Ub、Uc)经过整流桥整流和滤波电容滤波后得到的直流电压供电，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同步电机的三相交流输出(Ua、Ub、Uc)经过整流桥整流和滤波电容滤波后得到的直流电压供电，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通过电流传感器检测后，经过调理电路变成可接受的输入电压范围，送到数字控制芯片(DSP)的ADC采样模块。发电机的输出电压经过调理电路调理后，送到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。

在数字控制芯片(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V_ref与反馈电压V_out的比较，经过一个PI调节计算，输出为励磁电流调节量i_exreg。对于交流发电系统的反馈电压V_out，计算公式如下：

$V_{\mathrm{out}}=\sqrt{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}({u_{a\left(n\right)}}^2+{u_{b\left(n\right)}}^2+{u_{c\left(n\right)}}^2)/(3\×N)}$

式中：u_a，u_b，u_c分别为三相相电压瞬时采样值，N为一个电周期内的采样次数。

三环控制的中间环为负载电流反馈环，通过检测输出电流值i_L，计算出需要的励磁电流量i_exgive，与电压环计算得到的励磁电流调节量i_exreg相加，得到励磁电流环的给定量i_exref。对于交流发电系统的输出电流值i_L，计算公式如下：

$i_L=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{a\left(n\right)}/N}$

式中：i_a为一相相电流的瞬时采样值，N为一个电周期内的采样次数。

三环控制的最内环为励磁电流反馈环，通过检测励磁电流i_ex和给定励磁电流i_exref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、一种自励混合励磁同步电机交流发电系统，其特征在于包括混合励磁同步电机、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、整流桥、滤波电容和数字调压控制器，其中数字调压控制器的输出端分别接混合励磁同步电机励磁绕组的两端，混合励磁同步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电路后接数字调压控制器的输入端，混合励磁同步电机的三相输出端分别接输出电压检测调理电路、整流桥和负载的输入端，整流桥的输出经滤波电容后接数字调压控制器的输入端，混合励磁同步电机的一相输出端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，输出电流检测调理电路和输出电压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同步电机交流发电系统，其特征在于所述混合励磁同步电机采用切向磁钢混合励磁同步电机，电枢绕组设计为短距分布、120度相带绕组，电势波形为正弦波。

3、根据权利要求1或2所述的自励混合励磁同步电机交流发电系统，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同步电机的三相交流输出经过整流桥整流和滤波电容滤波后提供，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同步电机交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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