CN103746622B - 基于单管igbt的三级无刷发电机电源控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置及方法，包括最小系统、控制电路、电源单元、电源模块、副励磁机、主励磁机、发电机、第一电压测量变压器、第二电压测量变压器、第三电压测量变压器、第一电流互感器、第二电流互感器、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、给定电压电路、起励继电器、灭磁继电器、IGBT驱动电路、模拟量输入电路、锁相环倍频电路、开关量输入光电隔离模块和开关量输出光电隔离模块；采用单管IGBT作为功率开关元件可有效的减小开关损耗，提高反映速度，可靠性高，以控制器为主要控制单元对三级式同步发电机精确控制，通过与上位机通讯对系统进行监控，快速、方便地进行故障诊断和维修。

Description

基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置及方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置及方法。

背景技术

励磁控制是三级无刷发电机电源控制装置的核心部分，良好的励磁控制装置不仅可以保证整个电源控制装置运行的安全性和可靠性，而且能提高电源控制装置的经济性。传统的励磁控制采用可控硅相控励磁方式，而这种励磁方式存在驱动电路复杂、所需电源功率大、功率因数小、换相时形成较大的过电压、需要复杂而准确的同步电路等缺点。

随着电力电子器件的飞速发展，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）得到了广泛应用，因此，出现了基于PWM技术的开关式斩控励磁方式的励磁控制，与传统的可控硅相控励磁方式相比，开关式斩控励磁方式所需电源功率要小、功率因数要高、降低了励磁回路的过电压水平并且不需要同步电路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置及方法。

本发明的技术方案是：一种基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置包括：最小系统、控制电路、电源单元、电源模块、副励磁机、主励磁机、发电机、第一电压测量变压器、第二电压测量变压器、第三电压测量变压器、第一电流互感器、第二电流互感器、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、给定电压电路、起励继电器、灭磁继电器、IGBT驱动电路、模拟量输入电路、锁相环倍频电路、开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模。

所述最小系统包括控制器。

所述控制电路包括以单管IGBT为功率单元的降压式DC/DC斩波电路、压敏电阻器、三相不可控整流桥-滤波电路、缓冲电路、灭磁电路、LC电路和励磁接通继电器。

所述控制电路中压敏电阻器接在副励磁机的三相输出端上，副励磁机的三相输出端与三相不可控整流桥-滤波电路的三相输入端相连，三相不可控整流桥-滤波电路的输出端分别与降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端、缓冲电路的输入端和降压式DC/DC斩波电路中二极管的正向导通端相连；降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端、基级端、发射极端均与IGBT驱动电路的输出端相连；缓冲电路的输入端与降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端相连，缓冲电路的输出端与降压式DC/DC斩波电路的输出端相连；降压式DC/DC斩波电路的输出端与灭磁电路的输入端相连，灭磁电路的输出端与LC电路的输入端相连，LC电路的一个输出端与励磁接通继电器的输入端相连，励磁接通继电器的输出端与主励磁机的一个输入端相连，主励磁机的另一输入端与LC电路的另一输出端相连。

整个装置的连接为：

电源单元的输出端分别与电源模块的输入端、控制器的电源输入端相连；副励磁机的三相输出端分别与三相不可控整流桥-滤波电路的三相输入端、第一电压测量变压器输入端相连，第一电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；励磁接通继电器的一个输出端与起励继电器的输入端相连，励磁接通继电器的一个输出端与起励继电器的输入端之间接有霍尔电流传感器和霍尔电压传感器；起励继电器的输出端与主励磁机的一个输入端相连，LC电路的一个输出端与主励磁机的另一个输入端相连；起励继电器的输出端与灭磁继电器的输入端相连；主励磁机的输出端与发电机的输入端相连；发电机的三相输出端分别与第二电压测量变压器的输入端、第一电流互感器的输入端相连，第二电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；第三电压测量变压器的输入端、第二电流互感器的输入端均连接电网，第三电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；锁相环倍频电路的输出端与控制器的捕获口输入端相连；模拟量输入电路的输入端分别与第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端、第一电流互感器输出端、第二电流互感器输出端、给定电压电路输出端、霍尔电压传感器输出端、霍尔电流传感器输出端相连；模拟量输入电路的输出端与控制器的AD转换模块相连；IGBT驱动电路的输入端分别与电源模块的输出端、控制器的PWM输出端及降压式DC/DC斩波电路的输出端相连；IGBT驱动电路的输出端分别与降压式DC/DC斩波电路的输入端、控制器的过流报警输入端相连；开关量输入光电隔离模块的输出端与控制器的通用输入输出模块的输入端相连，开关量输出光电隔离模块的输入端与控制器的通用输入输出模块的输出端相连。

所述控制器通过串口通信转换模块与上位机相连；所述串口通信转换模块包括电源供电模块、电源转换模块、第一电平转换器、光电隔离器、RS-485收发器、第二电平转换器；所述电源供电模块的输出端与电源转换模块的输入端相连，电源转换模块的输出端与控制器的输入端相连；第一电平转换器、RS-485收发器和第二电平转换器均接在电源供电模块的输出端；控制器与第二电平转换器相连，第二电平转换器与RS-485收发器相连，RS-485收发器与光电隔离器相连，光电隔离器与第一电平转换器相连，第一电平转换器与上位机相连。

所述控制器连接有CAN通信模块；所述CAN通信模块包括电压转换单元、光电隔离单元、CAN总线插口、CAN收发器；所述控制器与电压转换单元相连，电压转换单元与光电隔离单元相连，光电隔离单元与CAN收发器相连，CAN收发器与CAN总线插口相连。

所述第一电压测量变压器输出端、第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端均通过整形电路分别连接至锁相环倍频电路的输入端和控制器的输入端。

所述模拟量输入电路包括交流采样电路和直流采样电路；所述交流采样电路为三级放大器构成的放大电路，直流采样电路为两级放大器构成的放大电路；所述交流采样电路的输入端分别与第二电压测量变压器的输出端、第三电压测量变压器的输出端、第一电流互感器的输出端、第二电流互感器的输出端、给定电压电路的输出端相连，交流采样电路的输出端与控制器的AD转换模块相连；直流采样电路的输入端分别与霍尔电压传感器的输出端、霍尔电流传感器的输出端相连，直流采样电路的输出端与控制器的AD转换模块相连。

所述压敏电阻器用于吸收高次谐波引起的过电压。

所述缓冲电路用于控制降压式DC/DC斩波电路的单管IGBT在开关过程中过电压过的大小和过电流的大小。

采用基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置进行三级无刷发电机电源控制的方法，包括如下步骤：

步骤1：电源单元给控制器和电源模块供电，控制器开始工作。

步骤2：副励磁机输出三相交流电压信号经第一电压测量变压器降压后输入给整形电路，整形后的交流电压信号输入到控制器的捕获口检测副励磁机的频率值，同时，经整形后的交流电压信号经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲。

步骤3：控制器实时检测副励磁机的电压信号并进行频率分析，当发电机转速达到额定值，开关量输出光电隔离模块输出起励控制信号，该信号经放大后输入给起励继电器。

步骤4：起励继电器接通，此时，由副励磁机输出的信号经控制电路输出为主励磁机提供励磁电流，主励磁机输出的三相交流电经主励磁机内部的旋转整流器整流后给发电机提供励磁电流，同时，控制电路输出的励磁电流和励磁电压分别经霍尔电流传感器和霍尔电压传感器传至模拟量输入电路进行信号调理，调理后的信号输入到控制器的AD转换模块进行AD转换，从而实现对励磁电流和励磁电压的稳定调节和过励磁限制。

步骤5：发电机输出的电压经第二电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，发电机输出的电流经第一电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成发电机输出电压和输出电流的检测，同时，发电机输出电压经第二电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到控制器，控制器利用该电压信号检测出发电机的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲。

步骤6：电网输出的电压经第三电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，电网输出的电流经第二电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成电网输出电压和输出电流的检测，同时，电网输出的电压信号经第三电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到控制器，控制器利用该电压信号检测出电网的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲。

步骤7：控制器将采集的发电机输出的电压信号与电网输出的电压信号进行比较和PID运算，输出PWM脉冲，该脉冲经IGBT驱动电路驱动后输出给控制电路，调节控制电路中单管IGBT开关的通断，使发电机输出的电压与电网输出的电压一致，发出并网信号，发电机断路器的辅助接点闭合，完成并网。

步骤8：发电机与电网并网后，控制器根据给定电压电路中的给定电压值和对发电机输出电压值的差额来调整PWM占空比，PWM信号经IGBT驱动电路驱动后输入到控制电路，控制单管IGBT的导通或关断，从而控制副励磁机输出的励磁电流的大小。

步骤9：当发电机的输出电压增到或降到非安全电压范围、频率低于或超过非安全频率范围、发电机的馈线出现故障、绝缘电阻小或者控制装置本身出现故障时，报警系统发出报警信号，控制装置根据报警信号断开发电机励磁、断开电网接触器或启动汇流条转换装置，以保证汇流条的不间断供电。

有益效果：

（1）采用单管IGBT作为功率开关元件，可以有效地减小开关损耗，提高反映速度，可靠性高，驱动电路简单。

（2）以控制器为主要控制单元，实现对三级式同步发电机精确控制。通过与上位机的通讯可以对系统进行监控，能够快速、方便地进行故障诊断和维修。本装置可用于实际工程中，既保障供电可靠性又便于产品更新换代。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的单管IGBT三级无刷发电机电源控制装置的硬件结构框图；

图2是本发明具体实施方式的控制电路的电路图；

图3是本发明具体实施方式的串口通信转换模块结构框图；

图4是本发明具体实施方式的串口通信转换模块原理图；

图5是本发明具体实施方式的CAN通讯模块电路图；

图6是本发明具体实施方式的模拟量输入电路的交流采样电路图；

图7是本发明具体实施方式的模拟量输入电路的直流采样电路图；

图8是本发明具体实施方式的电源控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本实施方式的基于单管IGBT三级无刷发电机电源控制装置的硬件结构如图1所示，包括最小系统、控制电路、27V电源单元、20V电源模块、IGBT驱动电路、模拟量输入电路、整形电路、锁相环倍频电路、CAN通信模块、上位机、串口通信转换模块、开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模块、副励磁机、主励磁机、发电机、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、给定电压电路、起励继电器、灭磁继电器、第一电压测量变压器、第二电压测量变压器、第三电压测量变压器、第一电流互感器和第二电流互感器。

最小系统包括DSP控制器、±5V电源模块和3.3V/1.8V电源芯片。

整个装置的连接为：27V电源单元的输出端分别与20V电源模块的输入端、±5V电源模块的输入端相连，±5V电源模块的输出端与3.3V/1.8V电源芯片的输入端相连，3.3V/1.8V电源芯片的输出端与DSP控制器的电源输入端相连；副励磁机的三相输出端分别与第一电压测量变压器的输入端、控制电路中三相不可控整流桥-滤波电路3的三相输入端相连，第一电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、DSP控制器的CAP1输入端相连；控制电路的励磁接通继电器7的一个输出端与起励继电器的输入端相连，控制电路的励磁接通继电器7的一个输出端与起励继电器的输入端之间接有霍尔电流传感器和霍尔电压传感器；起励继电器的一个输出端与主励磁机的一个输入端相连，主励磁机的一个输入端与LC电路6的一个输出端相连；起励继电器的输出端与灭磁继电器的输入端相连；主励磁机的输出端与发电机的输入端相连；发电机的输出端分别与第二电压测量变压器的输入端、第一电流互感器的输入端相连，第二电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、DSP控制器的CAP1输入端相连；电网的输出端分别与第三电压测量变压器的输入端、第二电流互感器的输入端相连，第三电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、DSP控制器的CAP1输入端相连；锁相环倍频电路的输出端与DSP控制器的XINT2口相连；模拟量输入电路的输入端分别与第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端、第一电流互感器输出端、第二电流互感器输出端、给定电压电路输出端、霍尔电压传感器输出端、霍尔电流传感器输出端相连；模拟量输入电路的输出端与DSP控制器的AD转换模块相连；IGBT驱动电路的输入端分别与20V电源模块的输出端、DSP控制器的PWM输出端、控制电路的降压式DC/DC斩波电路1的输出端相连；IGBT驱动电路的输出端分别与控制电路额降压式DC/DC斩波电路1的输入端、DSP控制器的过流报警输入端相连；开关量输入光电隔离模块的输出端与DSP控制器的通用输入输出模块的输入端相连，通用输入输出模块的输出端与开关量输出光电隔离模块的输入端相连；上位机通过串口通信转换模块与DSP控制器的SCI串口相连；CAN通信模块的输入/输出端与DSP控制器的CAN输出/输入端相连。

DSP型号选择TMS320F2812，3.3V/1.8V电源芯片选用的型号为TPS767D318，霍尔电压传感器选用的型号为LV28-P，霍尔电流传感选用的型号为LA28-NP，第一电流互感器和第二电流互感器选用的型号均为TA1905-04，自制第一电压测量变压器、第二电压测量变压器和第三电压测量变压器的原边与副边的变比均为22:1，开关量输入光电隔离模块选用的型号为TLP521，开光量输出光电隔离模块选用的型号为HCPL3120，起励继电器和灭磁继电器选用的型号均为3TF51。

控制电路如图2所示，包括以单管IGBT(Q1)为功率单元的降压式DC/DC斩波电路1、压敏电阻器2、三相不可控整流桥-滤波电路3、缓冲电路4、灭磁电路5、LC电路6和励磁接通继电器7；其中压敏电阻器2接在副励磁机的三相输出端，副励磁机的三相输出端与三相不可控整流桥-滤波电路3的三相输入端相连，三相不可控整流桥-滤波电路3的输出端分别与降压式DC/DC斩波电路1的输入端、缓冲电路4的输入端、降压式DC/DC斩波电路1中二极管D的正向导通端相连；降压式DC/DC斩波电路1的单管IGBT(Q1)的集电极端、基级端、发射极端均接在IGBT驱动电路的输出端；缓冲电路4的输出端与降压式DC/DC斩波电路1的单管IGBT(Q1)的发射极端相连；降压式DC/DC斩波电路1的输出端与灭磁电路5的输入端相连，灭磁电路5的输出端与LC电路6的输入端相连，LC电路6的一个输出端与励磁接通继电器7的输入端相连，励磁接通继电器7的输出端与主励磁机的一个输入端相连，主励磁机的另一个输入端与LC电路的另一个输出端相连。其中压敏电阻器2是吸收高次谐波引起的过电压；缓冲电路4是控制降压式DC/DC斩波电路1的单管IGBT(Q1)在开关过程中过电压的大小和过电流的大小；灭磁电路5是当需要灭磁时，励磁绕组中的电流可以通过电阻Ra快速释放，然后使励磁接通继电器7断开，防止误动作激磁，保障安全。

串口通信转换模块结构如图3所示，由于上位机的COM通信接口是RS-232标准串行接口，其最大传输距离不超过15米，最高速率为20kb/s，并且RS-232是为只用一对收发设备通信而设计的，所以只适合本地设备间的通信。为了弥补RS-232通信距离短、速率低的缺点，本实施方式采用串口通信转换模块与上位机进行通信。该串口通信转换模块包括5V电源供电模块、3.3V电源转换模块、第一电平转换器、光电隔离器、RS-485收发器、第二电平转换器；其中5V电源供电模块的输出端与3.3V电源转换模块的输入端相连，第一电平转换器、RS-485收发器、第二电平转换器均接在5V电源供电模块的输出端上，3.3V电源转换模块的输出端与DSP控制器的输入端相连；DSP控制器与第二电平转换器相连，第二电平转换器与RS-485收发器相连，RS-485收发器与光电隔离器相连，光电隔离器与第一电平转换器相连，第一电平转换器与上位机相连。

具体工作方式为：上位机插口输出的信号经过第一电平转换器进行电平转换，再经过光电隔离器送到RS-485收发器中，RS-485收发器输出的信号经过第二电平转换器进行电平转换后输入到DSP控制器的SCI口；DSP控制器的SCI口输出端输出的信号经过第二电平转换器进行电平转换，再经过光电隔离器送到RS-485收发器中，RS-485收发器输出的信号经过第一电平转换器进行电平转换后输入到上位机插口。第一电平转换器和第二电平转换器均选用型号为MAX232芯片，RS-485收发器选用型号为MAX485芯片，光电隔离器选用型号为6N136芯片。

串口通信转换模块原理如图4所示，其中U1的8、13、14脚分别与上位机插口DB9的3、7、2针相连，U1的11脚与U2的6脚相连，U1的12脚与U3的2脚相连，U1的9脚与U4的2脚相连，U2的2脚与U5的1脚相连，U3的6脚分别与U5的2、3脚相连，U4的6脚与U5的4脚相连，U5的6、7脚分别与U6的8、14脚相连，U6的9、11脚分别与DSP控制器的91、92脚相连。其具体工作方式为：上位机的插口DB9的2针输出的信号经U1进行电平转换，再经过U2送到U5中，U5的7脚输出的信号再经过U6进行电平转换后由11脚输入到DSP控制器的92脚；DSP控制器的92脚输出的信号经U6进行电平转换后由8脚输入到U5的6脚，然后由U5的4脚输出给U4经过光电隔离送到电平转换芯片U1的9脚，转换后的电平由8脚输出到上位机插口DB9的3针。U1、U6为MAX232电平转换芯片用于在接收和发送数据时转换电平，U2、U3、U4为光电隔离芯片6N136，其目的是消除共模电压的影响，U5为RS-485收发器MAX485芯片。

CAN通信模块电路如图5所示，包括电压转换单元8、光电隔离单元9、CAN总线插口10、CAN收发器11；其中电压转换单元8包括第一电压转换器、第二电压转换器、第三电压转换器和第四电压转换器，光电隔离单元9包括光电隔离器Q1和光电隔离器Q2；DSP控制器的87脚经电压转换单元8的第一电压转换器和第二电压转换器与光电隔离单元9的光电隔离器Q2的3脚相连，光电隔离单元9的光电隔离器Q1的6脚经电压转换单元8的第四电压转换器、第三电压转换器和电阻R1与DSP控制器89脚相连，光电隔离单元9的光电隔离器Q1的3脚与CAN收发器11中Q3的4脚相连，光电隔离单元9的光电隔离器Q2的输出端6脚与CAN收发器11中Q3的1脚相连，CAN收发器11中Q3的8脚经电阻R4与CAN总线插口10的3针相连，CAN收发器11中Q3的6、7脚分别与CAN总线插口10的2、7针相连。

具体工作方式为：DSP控制器的87脚输出的信号先经过电压转换单元8的第一电压转换器和第二电压转换器进行电压转换，再经过光电隔离单元9的光电隔离器Q2隔离后由6脚输出到CAN收发器11中Q3的1脚，CAN收发器11中Q3的6脚和7脚输出差动信号到CAN总线插口10的2针和7针；CAN总线插口10输出差动信号到CAN收发器11中Q3的输入端6脚和7脚，CAN收发器11中Q3的4脚输出的信号给光电隔离单元9的光电隔离器Q1的3脚，然后再经过电隔离单元9的光电隔离器Q1的6脚输入给电压转换单元8的第四电压转换器、第三电压转换器进行电压转换，然后将转换后的电压信号输入到DSP控制器的89脚。第一电压转换器、第二电压转换器、第三电压转换器和第四电压转换器均选用型号为LVX14芯片，其作用是顺利完成5V/3.3V的转换；光电隔离器Q1和光电隔离器Q2均选用型号为6N137芯片，其作用是提高抗干扰能力；CAN收发器Q3选用的型号为PCA82C250，其作用是增大通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰(RFI)实现热防护。

模拟量输入电路包括12路交流采样电路和3路直流采样电路。其中交流采样电路和直流采样电路中的放大器AMP1A、AMP1B、AMP1C、AMP1D、AMP1E型号的均选用LM124芯片。

交流采样电路如图6所示，具体为三级放大器构成的放大电路，包括第一射极跟随放大电路12、第一反相比例放大电路13、反相加法电路14；第一射极跟随放大电路12由第一级放大器AMP1A构成，其作用是提高输入阻抗和带负载能力；第一反相比例放大电路13由第二级放大器AMP1B构成，其作用是通过可调电阻RA5调节放大倍数使信号电压在-1.5~+1.5V之内，反相加法电路14由第三级放大器AMP1C构成，在AMP1C的输入端增加一个偏移电压输入电路，通过调节可调电阻RA7的阻值，使得最终输出电压的变化范围为0~3V之间。

第一射极跟随放大电路12的AMP1A的输入端3脚分别与第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端、第一电流互感器输出端、第二电流电流互感器输出端和给定电压电流输出端相连，第一射极跟随放大电路12的AMP1A的输入端2脚与其输出端1脚相连，第一射极跟随放大电路12的AMP1A的输出端1脚通过电阻RA3与第一反相比例放大电路13的AMP1B的输入端6脚相连，第一反相比例放大电路13的AMP1B的输入端6脚与其输出端7脚之间有电容、可调电阻的并联电路，第一反相比例放大电路13的AMP1B的输出端7脚通过电阻RA9与反相加法电路14的AMP1C的输入端9脚相连，反相加法电路14的AMP1C的输入端9脚与反相加法电路14的AMP1C的输出端8脚之间有电容、电阻的并联电路，反相加法电路14的AMP1C的输出端8脚通过电阻RA12与DSP控制器的AD转换模块相连。

直流采样电路如图7所示，具体为两级放大器构成的放大电路，包括第二射极跟随放大电路15、第二反相比例放大电路16；第一射极跟随放大电路15由第一级放大器AMP1D构成，其作用是提高输入阻抗和带负载能力；第二反相比例放大电路16由第二级放大器AMP1E构成，其作用是通过调节可调电阻RA18的阻值，使得最终输出的直流电压在0~3V之间。

第二射极跟随放大电路15的AMP1D的输入端1脚通过电阻RA15分别与霍尔电流传感器的输出端和霍尔电压传感器的输出端相连，第二射极跟随放大电路15的AMP1D的输入端2脚与其输出端3脚相连，第二射极跟随放大电路15的AMP1D的输出端3脚通过电阻RA16与第二反相比例放大电路16的AMP1E的输入端6脚相连，AMP1E的输入端的6脚与其输出端的7脚之间有电容、可调电阻的并联电路，第二反相比例放大电路16的AMP1E的输出端7脚通过电阻RA19与DSP的AD转换模块连。

本实施方式的流程如图8所示，采用上述基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置进行发电机电源控制的方法，具体按如下步骤进行：

步骤1：27V电源单元给DSP控制器和20V电源模块供电，DSP控制器开始工作。

步骤2：副励磁机输出三相交流电压信号经第一电压测量变压器降压后输入给整形电路，整形后的交流电压信号输入到DSP控制器的CAP1口检测副励磁机的频率值，同时，经整形后的交流电压信号经过锁相环倍频电路倍频后输入到DSP控制器，为AD采样提供触发脉冲。

步骤3：DSP控制器实时检测副励磁机的电压信号并进行频率分析，当频率达到800Hz时，由频率与转速的关系式可知，此时发电机转速达到额定值3000r/min，开关量输出光电隔离模块输出起励控制信号，该信号经放大后输入给起励继电器。

步骤4、起励继电器接通，此时，由副励磁机输出的信号经控制电路输出为主励磁机提供励磁电流，主励磁机输出的三相交流电经主励磁机内部的旋转整流器整流后给发电机提供励磁电流，同时，控制电路输出的励磁电流和励磁电压分别经霍尔电流传感器和霍尔电压传感器传至模拟量输入电路进行信号调理，调理后的信号输入到DSP控制器的AD转换模块进行AD转换，从而实现对励磁电流和励磁电压的稳定调节和过励磁限制。

步骤5：发电机输出的电压经第二电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，发电机输出的电流经第一电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至DSP控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成发电机输出电压和输出电流的检测，同时，发电机输出电压经第二电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到DSP控制器CAP1口，DSP控制器利用该电压信号检测出发电机的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到DSP控制器，为AD采样提供触发脉冲。

步骤6：电网输出的电压经第三电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，电网输出的电流经第二电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至DSP控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成电网输出电压和输出电流的检测，同时，电网输出的电压信号经第三电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到DSP控制器CAP1口，DSP控制器利用该电压信号检测出电网的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到DSP控制器，为AD采样提供触发脉冲；

步骤7：DSP控制器将采集的发电机输出的电压信号与电网输出的电压信号进行比较和PID运算，输出PWM脉冲，该脉冲经IGBT驱动电路驱动后输出给控制电路，调节控制电路中单管IGBT(Q1)开关的通断，使发电机输出的电压与电网输出的电压一致，发出并网信号，发电机断路器的辅助接点闭合，完成并网。

步骤8：发电机与电网并网后，DSP制器根据给定电压电路中的给定电压值和对发电机输出电压值的差额来调整PWM占空比，PWM信号经IGBT驱动电路驱动后输入到控制电路，控制单管IGBT(Q1)的导通和关断，从而控制副励磁机输出的励磁电流的大小。

步骤9：当发电机的输出电压增到非安全电压范围220V-230V或电压降到非安全电压范围175V-185V、频率低于非安全频率范围372Hz-380Hz或超过非安全频率范围420Hz-428Hz、发电机的馈线出现故障、绝缘电阻小或者控制装置本身出现故障时，报警系统发出报警信号，控制装置根据报警信号断开发电机励磁、断开汇流条接触器或启动汇流条转换装置，以保证汇流条的不间断供电。

Claims (7)

1.一种基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，包括最小系统、控制电路、电源单元、电源模块、副励磁机、主励磁机、发电机、第一电压测量变压器、第二电压测量变压器、第三电压测量变压器、第一电流互感器、第二电流互感器、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、给定电压电路、起励继电器、灭磁继电器、IGBT驱动电路、模拟量输入电路、锁相环倍频电路、开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模块；

所述最小系统包括控制器；

所述控制电路包括以单管IGBT为功率单元的降压式DC/DC斩波电路、压敏电阻器、三相不可控整流桥-滤波电路、缓冲电路、灭磁电路、LC电路和励磁接通继电器；

所述控制电路中压敏电阻器接在副励磁机的三相输出端上，副励磁机的三相输出端与三相不可控整流桥-滤波电路的三相输入端相连，三相不可控整流桥-滤波电路的输出端分别与降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端、缓冲电路的输入端和降压式DC/DC斩波电路中二极管的正向导通端相连；降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端、基极端、发射极端均与IGBT驱动电路的输出端相连；缓冲电路的输入端与降压式DC/DC斩波电路中单管IGBT的集电极端相连，缓冲电路的输出端与降压式DC/DC斩波电路的输出端相连；降压式DC/DC斩波电路的输出端与灭磁电路的输入端相连，灭磁电路的输出端与LC电路的输入端相连，LC电路的一个输出端与励磁接通继电器的输入端相连，励磁接通继电器的输出端与主励磁机的一个输入端相连，主励磁机的另一输入端与LC电路的另一输出端相连；

整个装置的连接为：电源单元的输出端分别与电源模块的输入端、控制器的电源输入端相连；副励磁机的三相输出端分别与三相不可控整流桥-滤波电路的三相输入端、第一电压测量变压器输入端相连，第一电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；励磁接通继电器的一个输出端与起励继电器的输入端相连，励磁接通继电器的一个输出端与起励继电器的输入端之间接有霍尔电流传感器和霍尔电压传感器；起励继电器的输出端与主励磁机的一个输入端相连，LC电路的一个输出端与主励磁机的另一个输入端相连；起励继电器的输出端与灭磁继电器的输入端相连；主励磁机的输出端与发电机的输入端相连；发电机的三相输出端分别与第二电压测量变压器的输入端、第一电流互感器的输入端相连，第二电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；第三电压测量变压器的输入端、第二电流互感器的输入端均连接电网，第三电压测量变压器的输出端分别与锁相环倍频电路的输入端、控制器的输入端相连；锁相环倍频电路的输出端与控制器的捕获口输入端相连；模拟量输入电路的输入端分别与第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端、第一电流互感器输出端、第二电流互感器输出端、给定电压电路输出端、霍尔电压传感器输出端、霍尔电流传感器输出端相连；模拟量输入电路的输出端与控制器的AD转换模块相连；IGBT驱动电路的输入端分别与电源模块的输出端、控制器的PWM输出端及降压式DC/DC斩波电路的输出端相连；IGBT驱动电路的输出端分别与降压式DC/DC斩波电路的输入端、控制器的过流报警输入端相连；开关量输入光电隔离模块的输出端与控制器的通用输入输出模块的输入端相连，开关量输出光电隔离模块的输入端与控制器的通用输入输出模块的输出端相连；

其特征在于：所述控制器通过串口通信转换模块与上位机相连；所述串口通信转换模块包括电源供电模块、电源转换模块、第一电平转换器、光电隔离器、RS-485收发器、第二电平转换器；所述电源供电模块的输出端与电源转换模块的输入端相连，电源转换模块的输出端与控制器的输入端相连；第一电平转换器、RS-485收发器和第二电平转换器均接在电源供电模块的输出端；控制器与第二电平转换器相连，第二电平转换器与RS-485收发器相连，RS-485收发器与光电隔离器相连，光电隔离器与第一电平转换器相连，第一电平转换器与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，其特征在于：所述控制器连接有CAN通信模块；所述CAN通信模块包括电压转换单元、光电隔离单元、CAN总线插口、CAN收发器；所述控制器与电压转换单元相连，电压转换单元与光电隔离单元相连，光电隔离单元与CAN收发器相连，CAN收发器与CAN总线插口相连。

3.根据权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，其特征在于：所述第一电压测量变压器输出端、第二电压测量变压器输出端、第三电压测量变压器输出端均通过整形电路分别连接至锁相环倍频电路的输入端和控制器的输入端。

4.根据权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，其特征在于：所述模拟量输入电路包括交流采样电路和直流采样电路；所述交流采样电路为三级放大器构成的放大电路，直流采样电路为两级放大器构成的放大电路；所述交流采样电路的输入端分别与第二电压测量变压器的输出端、第三电压测量变压器的输出端、第一电流互感器的输出端、第二电流互感器的输出端、给定电压电路的输出端相连，交流采样电路的输出端与控制器的AD转换模块相连；直流采样电路的输入端分别与霍尔电压传感器的输出端、霍尔电流传感器的输出端相连，直流采样电路的输出端与控制器的AD转换模块相连。

5.根据权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，其特征在于：所述压敏电阻器用于吸收高次谐波引起的过电压。

6.根据权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置，其特征在于：所述缓冲电路用于控制降压式DC/DC斩波电路的单管IGBT在开关过程中过电压的大小和过电流的大小。

7.采用权利要求1所述的基于单管IGBT的三级无刷发电机电源控制装置进行三级无刷发电机电源控制的方法，其特征在于：具体按如下步骤进行：

步骤1：电源单元给控制器和电源模块供电，控制器开始工作；

步骤2：副励磁机输出三相交流电压信号经第一电压测量变压器降压后输入给整形电路，整形后的交流电压信号输入到控制器的捕获口检测副励磁机的频率值，同时，经整形后的交流电压信号经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲；

步骤3：控制器实时检测副励磁机的电压信号并进行频率分析，当发电机转速达到额定值，开关量输出光电隔离模块输出起励控制信号，该信号经放大后输入给起励继电器；

步骤4：起励继电器接通，此时，由副励磁机输出的信号经控制电路输出为主励磁机提供励磁电流，主励磁机输出的三相交流电经主励磁机内部的旋转整流器整流后给发电机提供励磁电流，同时，控制电路输出的励磁电流和励磁电压分别经霍尔电流传感器和霍尔电压传感器传至模拟量输入电路进行信号调理，调理后的信号输入到控制器的AD转换模块进行AD转换，从而实现对励磁电流和励磁电压的稳定调节和过励磁限制；

步骤5：发电机输出的电压经第二电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，发电机输出的电流经第一电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成发电机输出电压和输出电流的检测，同时，发电机输出电压经第二电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到控制器，控制器利用该电压信号检测出发电机的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲；

步骤6：电网输出的电压经第三电压测量变压器衰减，衰减后的电压信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，电网输出的电流经第二电流互感器隔离，隔离后的电流信号输入到模拟量输入电路进行信号调理，调理后的电压信号和电流信号均传至控制器的AD转换模块进行AD转换，从而完成电网输出电压和输出电流的检测，同时，电网输出的电压信号经第三电压测量变压器衰减后输入给整形电路，整形后的电压信号输入到控制器，控制器利用该电压信号检测出电网的频率值；整形后的电压信号还经过锁相环倍频电路倍频后输入到控制器，为AD采样提供触发脉冲；

步骤7：控制器将采集的发电机输出的电压信号与电网输出的电压信号进行比较和PID运算，输出PWM脉冲，该脉冲经IGBT驱动电路驱动后输出给控制电路，调节控制电路中单管IGBT开关的通断，使发电机输出的电压与电网输出的电压一致，发出并网信号，发电机断路器的辅助接点闭合，完成并网；

步骤8：发电机与电网并网后，控制器根据给定电压电路中的给定电压值和对发电机输出电压值的差额来调整PWM占空比，PWM信号经IGBT驱动电路驱动后输入到控制电路，控制单管IGBT的导通或关断，从而控制副励磁机输出的励磁电流的大小；

步骤9：当发电机的输出电压增到或降到非安全电压范围、频率低于或超过非安全频率范围、发电机的馈线出现故障、绝缘电阻小或者控制装置本身出现故障时，报警系统发出报警信号，控制装置根据报警信号断开发电机励磁、断开电网接触器或启动汇流条转换装置，以保证汇流条的不间断供电。