CN103441724A - 适用于变频交流发电机的电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于变频交流发电机的电压调节方法，属于三级式变频交流发电机的技术领域。所述方法在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，设计DC-DC变换器的输入输出特性曲线，使得发电机在任何转速下发电机空载端电压为基准电压时，励磁主功率管的占空比均恒定；同时保证了调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。

Description

适用于变频交流发电机的电压调节方法

技术领域

本发明公开了适用于变频交流发电机的电压调节方法，属于三级式变频交流发电机的技术领域。

背景技术

发电机电压调节器是保持发电机输出电压有效值恒定的装置，是飞机、舰船和车辆上的重要部件，一直为生产部门所重视。大部分恒频发电机调压器系统的控制框图如图1。G₁(s)为电压环PID调节模块，G₂(s)为电流环的PID调节模块，G_PWM(s)为PWM波占空比D的产生模块，V_f(s)为交流励磁机的励磁电压，G_gen(s)为两级式发电机的传递函数，G_f(s)为励磁绕组的传递函数，G_uporf(s)为电压检测电路的传递函数。

变频交流发电系统与恒频交流发电系统本质的区别有两个。

1、变频交流发电机存在两个极端情况：①最低转速时交流励磁机的励磁电压很低，但是此时交流励磁机需要的励磁电流很大，必将会导致调压器上励磁主功率管的占空比过大，甚至会出现不够用的情况，导致发电机无法输出基准电压；②最高转速时交流励磁机的励磁电压很高，但是此时交流励磁机需要的励磁电流很小，必将会导致调压器上励磁主功率管的占空比很小，占空比D受一点外界的干扰，会引起发电机端电压很大的变化，系统的抗干扰能力很差。

2、变频发电机转速的宽范围变化，会导致系统前向通道开环增益也在大范围的变化，系统前向通道的开环增益在系统的控制性能方面起着举足轻重的作用。因此变频情况下存在两个极端情况：①最低转速时系统前向通道的开环增益很小，此时系统的稳定性非常高，但是调压系统动态性能特别差，稳态误差比较大；②最高转速时，系统前向通道的开环增益很大，此时系统的稳定性特别差，而且发电机端电压会震荡的特别厉害，甚至不能够稳定。

根据上面分析的两个本质的区别可知，如果在变频交流发电机中应用图1中所示结构的调压器会带来两个问题：①最低转速时可能会出现励磁主功率管的占空比D不够用的情况，最高转速时励磁主功率管的占空比特别小，导致系统的输出对干扰信号特别敏感。②整个转速范围内调压器只能在某些转速下具有良好的控制性能，其余转速下的控制性能会变差，甚至不能够稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了适用于变频交流发电机的电压调节方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

适用于变频交流发电机的电压调节方法，包括如下步骤：

步骤1，在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，根据变频发电机空载特性曲线确定DC-DC变换器的输入输出关系：

其中：V_o为DC-DC变换器输出电压，V_in为永磁副励磁机输出励磁电压，U_ref为变频发电机基准电压，n_额定为变频交流发电机额定转速，k为常数，D为励磁功率管占空比，f^-1为发电机在任意转速下的空载曲线函数的反函数；

步骤2，变频交流发电机在DC-DC变换器输出电压的激励下产生励磁电流，获取励磁电流检测信号；

步骤3，对励磁电流检测信号与励磁电流参考值进行电流环的PID调节得到PWM波调制信号；

步骤4，对PWM波调制信号进行PWM调制得到占空比信号，驱动电路根据占空比信号得到励磁功率管驱动信号。所述适用于变频交流发电机的电压调节方法，步骤1中DC-DC变换器输入输出关系按照如下步骤确定：

步骤1-1，将永磁副励磁机作为变频发电机的一级，将交流励磁机与主发电机作为变频发电机的另一级，测量两级式变频发电机的空载特性曲线；

步骤1-2，由变频发电机电势与转子转速的关系式，得到发电机在不同转速下：励磁电压与空载电势、转速的关系曲线；

步骤1-3，由发电机在额定转速下的空载电势与任意转速的空载电势之比、额定转速与任意转速之比相等，得到DC-DC变换器输入输出曲线，对DC-DC变换器输入输出曲线拟合得到输入输出关系式。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）在任何转速下发电机空载端电压为基准电压时，励磁主功率管的占空比均恒定；

（2）保证调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。

附图说明

图1为恒频发电机调压系统控制框图。

图2为变频发电机调压系统控制框图。

图3为变频发电机调压系统的电路框图。

图4（a）至图4（c）为确定DC-DC变换器输入输出特性过程中得到的曲线图。

图5为利用本发明所述方法调节变频交流发电机电压得到的前向通道开环增益与转速的关系说明图。

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：

基于恒频发电机调压系统应用在变频发电机中存在的问题，本发明采用如图2所示的控制框图以及图3所示的电路框图实现变频发电机的电压调节，具体包括如下步骤：

步骤1，在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，根据变频发电机空载特性曲线确定DC-DC变换器的输入输出关系：

其中：V_o为DC-DC变换器输出电压，V_in为永磁副励磁机输出励磁电压，U_ref为变频发电机基准电压，n_额定为变频交流发电机额定转速，k为由发电机本身参数决定的常数，D为励磁功率管占空比，f^-1为发电机在任意转速下的空载曲线函数的反函数；

步骤2，变频交流发电机在DC-DC变换器输出电压的激励下产生励磁电流，获取励磁电流检测信号U_if；

步骤3，对励磁电流检测信号U_if、励磁电流参考值i_fref电流环的PID调节得到PWM波调制信号i_ex：励磁电流参考值i_fref由调节点检测电压U_por、变频发电机基准电压U_ref经过PID调节得到；

步骤4，对PWM波调制信号i_ex进行PWM调制得到占空比信号，驱动电路根据占空比信号得到励磁功率管驱动信号。

DC-DC变换器输入输出关系确定方法如下：

1、把交流励磁机和主发电机看做一个整体，在额定转速下测试该两级式发电机的空载特性曲线，即图4(a)所示的E₀～V_f曲线。

2、根据

把测得的空载特性曲线的纵坐标除以额定转速即可得到图4(b)所示的曲线。

3、因为在其它的转速下也满足

因此可以把第二步中得到曲线的纵坐标换成

E_0n为发电机在转速n下的空载电势，

为磁通。

4、在等式两边同时乘以额定转速n_额定得到

容易看出该等式的右边就是第一步中测得的空载特性曲线的纵坐标，因此只要把第一步中测得的空载特性曲线的纵坐标换成

即可。

5、发电系统中发电机的基准电压U_ref是确定的，因此可以把

中的E_0n换成U_ref，忽略励磁绕组的电感，即励磁电流的平均值等于励磁电压的平均值除以励磁绕组的电阻，即可得到DC-DC变换器的输出电压V_o与发电机的转速具体的关系如图4(c)。

拟合出空载特性曲线的函数，即：

由于永磁副励磁机输出的励磁电压V_in与转速n成正比，所以n=kV_in(k为常数)，所以公式1可以写成公式2，据此确定DC-DC变换器的输入输出特性：

由图4(c)可知，求出在不同的转速下DC-DC变换器的输出电压V_o，保证在任何转速下发电机空载端电压为U_ref时，调压器上励磁主功率管的占空比均为D。

恒频发电机调压器的控制结构一般如图1所示。该两环调压系统的前向通道由电压环的PID模块G₁(s)，电流环的PID模块G₂(s)，PWM波占空比D的产生模块G_PWM(s)，励磁电压V_f(s)，发电机的传递函数G_gen(s)这五个部分组成。G₁(s),G₂(s)为人为设定的参数，它们不随发电机转速的变化而变化；G_PWM(s)是调压器本身固有的参数，也与发电机的转速无关；V_f(s)为永磁副励磁机输出的三相交流电经整流后得到的直流电压，它随发电机转速的变化而线性变化；G_gen(s)为发电机的传递函数，它的开环增益和时间常数随发电机转速和负载的变化而变化，很难写出其准确的传递函数。但是发电机本身的开环增益K可以根据以下公式求得：

U_rms为发电机端电压的有效值，V_f为交流励磁机的励磁电压。因此可以确定：发电机转速越低，它的开环增益就越小，反之则反。

假设发电机转速从n₁降低到n₂，从图5可以看出要保持发电机的空载端电压为U_ref，交流励磁机的励磁电压必须从V₁调整为V₂，根据之前发电机开环增益K的定义可以看出发电机转速从n₁降低到n₂时，发电机的开环增益减小为转速为n₁时的V₁/V₂倍，因此要把励磁电压增大为n₁转速下的V₂/V₁倍，即要把励磁电压增大为V₂，就可以保证系统前向通道的开环增益不变，而此时DC-DC变换器的输出电压刚好为V₂，所以设计的DC-DC变换器可以保证调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）在任何转速下发电机空载端电压为基准电压时，励磁主功率管的占空比均恒定；

（2）保证调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。

Claims (2)

1.适用于变频交流发电机的电压调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，根据变频交流发电机空载特性曲线确定DC-DC变换器的输入输出关系：

其中：V_o为DC-DC变换器输出电压，V_in为永磁副励磁机输出励磁电压，U_ref为变频发电机基准电压，n_额定为变频交流发电机额定转速，k为常数，D为励磁功率管占空比，f^-1为发电机在任意转速下的空载曲线函数的反函数；

步骤2，变频交流发电机在DC-DC变换器输出电压的激励下产生励磁电流，获取励磁电流检测信号；

步骤3，对励磁电流检测信号与励磁电流参考值进行电流的PID调节得到PWM波调制信号；

步骤4，对PWM波调制信号进行PWM调制得到占空比信号，驱动电路根据占空比信号得到励磁功率管驱动信号。

2.根据权利要求1所述的适用于变频交流发电机的电压调节方法，其特征在于，所述步骤1中DC-DC变换器输入输出关系按照如下步骤确定：

步骤1-1，将永磁副励磁机作为变频发电机的一级，将交流励磁机与主发电机作为变频发电机的另一级，测量两级式变频发电机的空载特性曲线；

步骤1-2，由变频发电机电势与转子转速的关系式，得到发电机在不同转速下：励磁电压与空载电势、转速的关系曲线；

步骤1-3，由发电机在额定转速下的空载电势与任意转速的空载电势之比、额定转速与任意转速之比相等，得到DC-DC变换器输入输出曲线，对DC-DC变换器输入输出曲线拟合得到输入输出关系式。

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