CN103683989B - 一种高速低压发电机的宽输入交直变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高速低压发电机的宽输入交直变换器及其控制方法，该变换器包括连接三相高速低压发电机的AC‑DC不控整流电路（1），连接整流电路的双管Buck‑Boost变换器（2），连接高速低压发电机任意两相的转速检测电路（3），图中为a、b两相，连接整流电路后端给整个控制系统供电的辅助电源电路（4），双管Buck‑Boost变换器的控制电路（5）。本发明的变换器可以在宽范围输入条件下输出稳定的直流电压，具备过压，过流保护能力，提供转速方波信号，整个变换器的体积小，功率密度高。

Description

一种高速低压发电机的宽输入交直变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于电气技术领域，具体涉及一种高速低压发电机的宽输入交直变换器及其控制方法。
背景技术
高速低压发电机电机较多应用于航空无人机系统、电动汽车系统以及新能源系统等特殊的能源转换领域。高速低压发电机工作转速范围宽，相应的输出电压范围也很宽，在利用此电能时，需要先对输出电压做升压和降压变换。
低压直流电源系统是广泛应用的一种电源系统，结构简单、使用维护方法方便等特点，常用的额定电压一般有5伏、12伏、28伏等，其中28伏比较常见。根据实际需要，对高速低压发电机输出的电压变换成低压直流。传统的做法是，当输入电压低于需要电压是，用Boost电路进行升压；当输入电压高于需要电压时，用Buck电路进行降压。这种电路两级式的方案，储能电感，电容多，电路体积大，控制电路复杂，成本高，不适于小体积的场合。
因此，针对高速低压电机的工作特性，设计合适的交直变换器尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术之不足，提出一种高速低压发电机的宽输入交直变换器及其控制方法，旨在针对电机的工作特性，通过增加后级转换电路，把电机工作于发电状态的电能转化成电源系统可直接利用的低压直流电，提高能量的利用率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速低压发电机的宽输入交直变换器，所述变换器包括连接三相高速低压发电机的AC-DC不控整流电路，连接整流电路的双管Buck-Boost变换器，连接高速低压发电机任意两相的转速检测电路，连接整流电路后端给整个控制系统供电的辅助电源电路，双管Buck-Boost变换器的控制电路；其中，辅助电源电路基于Sepic电路设计；所述高速低压发电机输出的三相交流电经过AC-DC不控整流电路后，连接可工作于宽范围输入的单级双管Buck-Boost变换器；双管Buck-Boost变换器电路结构可工作于输入电压是正常工作低压的5-8倍的宽范围，同时该电路结构的输入输出电压同极性；所述变换器包含转速检测电路，通过检测高速低压发电机的任意两相点电压，输出转速方波信号，供给系统其他设备使用；双管Buck-Boost的开关管Q1、Q2选用MOSFET，二极管选用快恢复二极管，C1是不可控整流电路的滤波电容，C2是变换器的输出滤波电容，L是储能电感；控制电路包括高端电流检测电路、电压采集电路、电压环PID调节器，控制芯片以及隔离驱动电路；高端电流检测电路用于检测电感的电流，采用专用的高端电流检测芯片，所输出的电压信号做滤波处理，输入到控制芯片；采用电阻分压的电压采集电路，采集变换器的输出电压，将采集电压与给定的基准电压比较，经电压环PID调节器，得到的电压作为电流内环的给定。
一种高速低压发电机的宽输入交直变换器的控制方法，所述双管Buck-Boost变换器的控制模式采用平均电流控制，区别于单一的电压模式控制，引入电流环控制；所述双管Buck-Boost变换器包括控制电路，其中所述控制电路包括：高端电流检测电路、电压采集电路、电压环PID调节器，电流环PID调节器，控制芯片以及隔离驱动电路；所述双管Buck-Boost变换器，采用高频同步方式控制，无模式切换。
本发明相对现有技术具有以下优点：
1、提高能量利用率，转换的低压直流电能给设备供电或者给蓄电池充电。
2、非常适用于宽输入电压范围的工作场合。
3、体积小，占用空间小，节约了生产成本。
4、附加了速度检测电路，方便了设备对速度信号的检测利用。
附图说明
图1是与本发明具体实施例一致的高速低压发电机交直变换器的整个系统框图，主要由五部分组成，图中Vo是变换器的输出电压，iL是采集的电感电流信号，d是控制电路输出的占空比信号。
图2是与本发明具体实施例一致的高速低压发电机交直变换器的主电路示意图。
图3是与本发明具体实施例一致的高速低压发电机交直变换器控制电路图，采用专业集成的PWM控制芯片SG3525设计。
图4是与本发明具体实施例一致的转速检测电路图，基于LM393设计，可输出与转速相关的5V方波信号。
图5是与本发明具体实施例一致的双管Buck-Boost变换器的驱动电路图，基于HCPL-3180驱动光耦设计，既能实现隔离，又满足驱动能力的要求。
图6是与本发明具体实施例一致的高速低压发电机交直变换器实验波形(升压试验波形)。
图7是与本发明具体实施例一致的高速低压发电机交直变换器实验波形(降压试验波形)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的实施电路包括连接三相高速低压发电机的AC-DC不控整流电路，连接整流电路的双管Buck-Boost变换器，连接高速低压发电机任意两相的转速检测电路，连接整流电路后端给整个控制系统供电的辅助电源电路，双管Buck-Boost变换器的控制电路。其中，辅助电源电路基于Sepic电路设计，控制芯片选用TI的电源芯片LM3488。
图2所示的主电路包括不可控整流桥，选用专用的整流桥，双管Buck-Boost的开关管Q1、Q2选用MOSFET，二极管选用快恢复二极管，C1是不可控整流电路的滤波电容，C2是变换器的输出滤波电容，L是储能电感，主电路的器件参数根据实际的电路工作条件计算。
双管Buck-Boost变换器的控制方法采用平均电流控制，区别于单一的电压模式控制，系统的响应速度快，引入了电流环控制，兼具过流保护的作用。采用高频同步方式控制，无模式切换，减小整个变换器的体积，提高功率密度。具体体现在控制电路，控制电路包括：高端电流检测电路、电压采集电路、电压PID调节器，主控制芯片以及隔离驱动电路。
高端电流检测电路用于检测电感的电流，采用专用的高端电流检测芯片MAX4173，所输出的电压信号做滤波处理，输入到控制芯片SG3525。
采用电阻分压的电压采集电路，采集变换器的输出电压，将采集电压与给定的基准电压比较，经PID调节器，得到的电压作为电流内环的给定。
图3是基于LM393设计的转速检测电路，检测高速低压发电机的任意两相线电压，通过过零比较触发，输出5V的转速方波信号。
图4是主控制芯片外围电路，选用专用的PWM集成芯片SG3525，设计电路工作频率为100KHz，电流内环调节器采用SG3525的内置精密运放。通过外加二极管，改变SG3525的占空比输出模式，使SG3525的占空比在0～1之间可调。
图5是基于HCPL-3180设计的驱动电路，除驱动功能外，还起到强弱电的隔离的作用。
图6是本发明的高速低压发电机交直变换器升压实验波形，其中输入交流电压是8V，输出是28V的工作波形，CH1：开关管Q1的占空比信号，CH2：开关管Q2的占空比信号，CH3：输出电压28V波形，CH4：电感电流波形。
图7是本发明的高速低压发电机交直变换器降压实验波形，输入交流电压是60V，输出是28V的工作波形，CH1：开关管Q1的占空比信号，CH2：开关管Q2的占空比信号，CH3：输出电压28V波形，CH4：电感电流波形。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种高速低压发电机的宽输入交直变换器，其特征在于：所述变换器包括连接三相高速低压发电机的AC-DC不控整流电路(1)，连接整流电路的双管Buck-Boost变换器(2)，连接高速低压发电机任意两相的转速检测电路(3)，连接整流电路后端给整个控制系统供电的辅助电源电路(4)，双管Buck-Boost变换器的控制电路(5)；其中，辅助电源电路基于Sepic电路设计；所述高速低压发电机输出的三相交流电经过AC-DC不控整流电路(1)后，连接可工作于宽范围输入的单级双管Buck-Boost变换器(2)；双管Buck-Boost变换器电路结构可工作于输入电压是正常工作低压的5-8倍的宽范围，同时该电路结构的输入输出电压同极性；所述变换器包含转速检测电路(3)，通过检测高速低压发电机的任意两相点电压，输出转速方波信号，供给系统其他设备使用；双管Buck-Boost的开关管Q1、Q2选用MOSFET，二极管选用快恢复二极管，C1是不可控整流电路的滤波电容，C2是变换器的输出滤波电容，L是储能电感；控制电路包括高端电流检测电路、电压采集电路、电压环PID调节器，控制芯片以及隔离驱动电路；高端电流检测电路用于检测电感的电流，采用专用的高端电流检测芯片，所输出的电压信号做滤波处理，输入到控制芯片；采用电阻分压的电压采集电路，采集变换器的输出电压，将采集电压与给定的基准电压比较，经电压环PID调节器，得到的电压作为电流内环的给定。
2.采用权利要求1所述的一种高速低压发电机的宽输入交直变换器的控制方法，其特征在于：所述双管Buck-Boost变换器(2)的控制模式采用平均电流控制，区别于单一的电压模式控制，引入电流环控制；所述双管Buck-Boost变换器(2)包括控制电路(5)，其中所述控制电路(5)包括：高端电流检测电路、电压采集电路、电压环PID调节器，电流环PID调节器，控制芯片以及隔离驱动电路；所述双管Buck-Boost变换器(2)，采用高频同步方式控制，无模式切换。
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