CN104319804B - 一种交流发电机并联电路 - Google Patents

Abstract

一种交流发电机并联电路，包括主发电机和从发电机，两个并联控制模块和逆变桥，其中，并联控制模块用于通过调整参考电压以及比例环节的比例系数，控制两台发电机的供电；每个并联控制模块包括二极管功率模块、比较单元、比例环节、PWM发生器、IGBT开关管、电容C1和二极管；两台发电机的输出端与各自并联控制模块的输入端相连，两台发电机的并联控制模块输出端连接于共同的支流母线，最后经逆变桥后输出稳定的交流电；两台发电机的并联控制模块相同，之间无任何连线，连接于共同的直流母线。本发明可解决传统发电机并联环流大、操作复杂以及功率分配不均等问题。

Description

一种交流发电机并联电路

技术领域

本发明涉及一种交流发电机并联电路，特别是一种新型车载交流发电机并联电路。

背景技术

随着社会的不断发展，救护、紧急卫星通信等特种车辆需求日益提高，随着科学技术的不断进步，越来越多的大功率设备被应用于这些特种车辆，因此单台的交流发电机已然满足不了实际的功率需求。而柴油发电机组虽然可满足用户大功率的需求，但其在同功率等级下体积庞大，且噪音污染严重，因此不适合用于一些特定的工作场合。而现有的发电机并机技术都是在发电机输出侧进行并联，这种并联必须要求两台发电机的输出电压幅值、频率、相位以及相序完全一致，否则会产生较大环流，影响电机的正常运行，甚至烧毁电机，因此用传统方法实现两台电机尤其是两台不同功率电机的并联非常困难，往往需要额外的同步装置，成本太高。与此同时，不同功率等级电机的并联会使得功率供应更加高效。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，设计了一种新型车载交流发电机并机电路，在无需柴油发电机组的情况下，由两台交流发电机在直流母线侧完成并联，既解决了传统并联所产生的环流以及控制复杂的问题，又能为用户提供大功率的可靠稳定的交流电。

本发明的技术解决方案是：一种交流发电机并联电路，其特征在于：包括主发电机和从发电机，主发电机的并联控制模块和从发电机的并联控制模块、直流母线和一个逆变桥，其中，主发电机的三相输出端与主发电机的并联控制模块的输入端相连，从发电机的三相输出端与从发电机的并联控制模块输入端相连；所述主发电机的并联控制模块包括二极管功率模块、比较单元、比例环节、PWM发生器、IGBT开关管(IGBT开关管全称为绝缘门级双级型晶体管)、限流电阻、电容C和二极管；所述二极管功率模块的输入端与发电机的输出端相连，正输出端与电容C的正极和二极管的阳极相连，并经二极管后连接到逆变桥的正输入端，电容C的负极接地，所述二极管功率模块的负输出端连接到逆变桥的负输入端；所述二极管功率模块的正输出端与比较单元的负极相连，比较单元的正极接入参考电压，比较单元的输出端连接一个比例环节，并经PWM发生器后连接到IGBT开关管的栅极；所述二极管功率模块的正输出端与主发电机的励磁绕阻串联后连接到IGBT开关管的漏极，IGBT开关管的源极经串联的限流电阻后连接到所述二极管功率模块的副输出端；所述逆变桥的正负输入端并联一个电容Cd，电容Cd的正极与二极管的阴极相连且负极与二极管功率模块的副输出端相连；所述从发电机的并联控制模块与主发电机的并联控制模块相同，二者连接于共同的直流母线。

所述二极管具有低导通压降与允许高导通电流的特性，其中导通压降1.5V，允许导通电流50A。

所述二极管的反向耐压值不小于1200V。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)两台交流发电机通过本发明的电路完成并联，解决了传统的在电机输出端并联方法的控制复杂的问题，且安装简单，无需同步装置，节约成本。

(2)两台交流发电机通过各自的并联控制模块与公共直流母线之间串联一个二极管，防止了环流的产生，可实现两发电机的并联，同时通过合理设定参考电压以及调节比例环节的比例关系，可使两台发电机运行时进行功率自动分配；

(3)主发电机与副发电机的并机组合可使整个发电系统的供电能力更加灵活，既能满足用户大功率设备的正常运行，又能在负载较小时提高供电效率。

附图说明

图1为本发明的交流发电机并联电路图；

图2为本发明的交流发电机电路连接图；

图3为本发明的交流发电机负载特性曲线图；

具体实施方式

如图1为本发明的交流发电机并联电路图，如图所示：包括主发电机2和从发电机3，主发电机2的并联控制模块20和从发电机3的并联控制模块21、直流母线12和一个逆变桥13，主交流发电机2和从交流发电机3与汽车发动机1通过取力器或皮带分别连接，所述主发电机2的并联控制模块20包括二极管功率模块4、比较单元5、比例环节6、PWM发生器7、IGBT开关管8、限流电阻9、电容10和二极管11；所述二极管功率模块(4)的输入端与发电机(2)的三相输出端相连，正输出端与电容C的正极和二极管11的阳极相连，并经二极管11后连接到逆变桥13的正端，电容C的负极接地，所述二极管功率模块4的负输出端连接到逆变桥13的负输入端；所述二极管功率模块4的正输出端与比较单元5的负极相连，用于进行电压采样，比较单元5的正极接入参考电压，比较单元5的输出端连接一个比例环节6，并经PWM发生器7后连接到IGBT开关管8的栅极；所述二极管功率模块4的正输出端与主发电机2的励磁绕阻串联后连接到IGBT开关管8的漏极，IGBT开关管8的源极经串联的限流电阻9后连接到所述二极管功率模块4的副输出端；所述逆变桥13的输入端并联一个电容Cd，电容Cd的正极与二极管11的阴极相连且负极与二极管功率模块4的副输出端相连；所述从发电机3的并联控制模块21与主发电机2的并联控制模块20的组成、电路和与逆变桥的连接方式相同，连接在同一直流母线12上，通过逆变桥13为负载14提供稳定的交流电。

该交流发电机并联电路的供电如下：

首先，将主发电机2和从发电机3各自的励磁系统在空载状态下的直流参考电压分别设定为V_ref1和V_ref2，其中V_ref1>V_ref2，且V_ref1-V_ref2＝V_o，V_o恒定。参考电压的控制过程如下，即直流采样电压与给定电压参考值作差后经过比例环节，用所得结果来产生PWM信号从而控制发电机励磁回路的通断。当直流电压高于参考值时，经过闭环调节使占空比减小，发电机励磁电流减小，从而减小发电机输出电压，间接减小了整流后的直流电压，完成闭环控制，当直流母线电压稳定后，经过逆变桥实现稳定交流输出；当直流电压低于参考值时，经过闭环调节使占空比增大，发电机励磁电流增大，从而增大发电机输出电压，间接增大了整流后的直流电压，完成闭环控制。当直流母线电压稳定后，经过逆变桥实现稳定交流输出。

空载情况下，由于无负载效应，主发电机的直流侧电压为给定的空载直流稳态电压V_ref1，从发电机直流稳态电压为V_ref2，由于V_ref1>V_ref2，因此主发电机2的二极管11导通，从发电机3的二极管反向截止，此时当负载有功率需求时只有主发电机2单独供电；随着负载的逐渐增大，电路的电流逐渐增加，由负载效应引起的电路压降增大，因此V_ref1逐渐下降，当V_ref1下降到与V_ref2相等时，此时主发电机2和从发电机3的直流母线电压趋于相同，此时，负载14的功率为P_o，为并机临界状态。如果负载14继续增加，即负载14功率大于P_o时，则发电机3的二极管满足导通条件，两发电机开始同时为负载供电，负载总功率为P₁+P₂，其中，P₁为并机状态下发电机2的最终输出功率，P₂为并机时发电机3的最终输出功率。根据两台发电机的负载特性曲线斜率分别为k₁和k₂，可推得(P₁-P_o)/P₂＝k₁/k₂。因此可调节负载特性曲线的斜率k₁和k₂的比例关系，实现不同的功率自动分配工作点。在发电机励磁系统正常工作状态下(即不饱和状态)，负载特性曲线近似为一条直线，因此按直线处理，设k_p1和k_p2分别为主发电机和从发电机比例环节的比例系数，因为比例系数越大负载曲线的斜率越小，并满足k_p2/k_p1＝k₁/k₂，其中，k_p2/k_p1为自变量，k₁/k₂为因变量，而k_p1和k_p2可分别通过两台发电机的比例环节调节，进而达到调节k₁/k₂的目的，最终实现在并机临界功率以上负载所需功率部分由两台发电机按照k₁/k₂的比例共同提供。

以下结合具体实施例对本发明予以进一步说明：

设主发电机2的额定功率为12kW，通过取力器与汽车发动机1连接，从发电机3的额定功率为5kW，通过皮带与汽车发动机1连接，比较单元5、比例环节6和PWM发生器7三部分由集成控制芯片SG3524实现，比例环节由电阻分压实现，二极管功率模块4选型为6RI100G-160，IGBT开关管8选型为IRG4PH50U，限流电阻9选型为150Ω。直流滤波单元10为电容滤波，电容选型为铝电解电容，800V/2200uF。二极管11选型为RM50HA-24F，具有低导通压降特点，导通压降1.5V，允许导通电流50A，反向耐压值1200V。

对于采用上述型号元器件的本发明电路供电过程如下：

对于三相并网发电系统，发电机2额定功率12kW，发电机3额定功率5kW，设定两发电机负载特性曲线斜率相同，即k₁＝k₂，输出电压为380V/50Hz交流电。设定两发电机的直流母线稳态电压V_ref1和V_ref2分别为635V和630V，即V_o＝5V，经实验验证当负载功率达到7kW时，直流稳态电压降低5V，因此临界功率点P_o＝7kW。当负载功率小于7kW时，由于V_ref1大于V_ref2，只有发电机2供电；当负载功率达到7kW时，发电机2的直流稳态电压降至350V，只要负载增加很小的功率就能使发电机3的二极管满足导通条件；当负载功率大于7kW时，两发电机同时供电。从特性曲线可得，在k₁＝k₂的条件下，(P₁-P_o)/P₂＝1，P₁-P_o＝P₂，即超出7kW的功率部分两发电机按1：1的比例分配。因此当负载最终功率为10kW时，发电机2提供功率8.5kW，发电机3提供1.5kW。当负载功率为15kW时，发电机2提供11kW，发电机3提供4kW。

图2所示为本发明的发电机2与二极管功率模块4的电路连接图，二级管功率模块4包含六个二级管，分为三组，每组包含两个串联的二极管，并与另外两组串联的二极管并联，三组并联的二极管在并联一个电容后以共同的正负输出端输出电信号，每组串联的二极管之间形成桥臂，发电机输出三相交流电分别与二极管功率模块4的三个桥臂中间点相连，二极管功率模块4的正负输出端接电容滤波器，本发明的发电机3的二级管功率模块与发电机2的二极管功率模块4相同，且与发电机的连接方式也相同。

图3所示即为本实施例的主发电机2和从发电机3的负载特性曲线图，其中，横坐标为发电机输出功率kW，纵坐标为发电机直流母线电压，k₁和k₂分别为发电机2和发电机3的负载特性曲线斜率，V_ref1和V_ref2分别为发电机2和发电机3各自的励磁系统在空载状态下的直流参考电压，P_o为并机临界功率，P₁为并机状态下发电机2的最终输出功率，P₂为并机时发电机3的最终输出功率。功率分配方式随着临界功率点P_o以及斜率k₁和k₂的比例关系的变化而变化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术，本发明的保护范围并不局限于上述具体方式，根据本发明的基本技术构思，本领域技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种交流发电机并联电路，其特征在于：包括主发电机(2)和从发电机(3)，主发电机(2)的并联控制模块(20)和从发电机(3)的并联控制模块(21)，直流母线(12)和一个逆变桥(13)，其中，主发电机(2)的三相输出端与主发电机(2)的并联控制模块(20)的输入端相连，从发电机(3)的三相输出端与从发电机(3)的并联控制模块(21)输入端相连；所述主发电机(2)的并联控制模块(20)包括二极管功率模块(4)、比较单元(5)、比例环节(6)、PWM发生器(7)、IGBT开关管(8)、限流电阻(9)、电容C(10)和二极管(11)；所述二极管功率模块(4)的输入端与主发电机(2)的三相输出端相连，二极管功率模块正输出端分别与电容C的正极以及二极管(11)的阳极相连，二极管(11)的阴极连接到逆变桥(13)的正输入端，电容C的负极接地，所述二极管功率模块(4)的负输出端连接到逆变桥(13)的负输入端；所述二极管功率模块(4)的正输出端与比较单元(5)的负极相连，比较单元(5)的正极用于接入参考电压，比较单元(5)的输出端连接一个比例环节(6)后，经PWM发生器(7)连接到IGBT开关管(8)的栅极；所述二极管功率模块(4)的正输出端与主发电机(2)的励磁绕阻串联后连接到IGBT开关管(8)的漏极，IGBT开关管(8)的源极经串联的限流电阻(9)后连接到所述二极管功率模块(4)的负输出端；所述逆变桥(13)的正负输入端并联一个电容Cd，电容Cd的正极与二极管(11)的阴极相连且负极与二极管功率模块(4)的负输出端相连；所述从发电机(3)的并联控制模块(21)与主发电机(2)的并联控制模块(20)相同，二者连接于共同的直流母线(12)；将主发电机(2)和从发电机(3)各自的励磁系统在空载状态下的直流参考电压分别设定为V_ref1和V_ref2，V_ref1和V_ref2满足：V_ref1>V_ref2，且V_ref1-V_ref2＝V_o，V_o恒定；设k_p1和k_p2分别为主发电机(2)和从发电机(3)比例环节的比例系数，k₁和k₂分别为主发电机(2)和从发电机(3)的负载特性曲线斜率，且满足k_p2/k_p1＝k₁/k₂，其中，k_p2/k_p1为自变量，k₁/k₂为因变量，通过调节k_p1和k_p2，间接调节k₁/k₂，使得并机临界功率以上负载所需功率部分由主发电机(2)和从发电机(3)按照k₁/k₂的比例共同提供。

2.根据权利要求1所述的一种交流发电机并联电路，其特征在于：所述二极管(11)具有低导通压降与允许高导通电流的特性，其中导通压降1.5V，允许导通电流50A。

3.根据权利要求1或2所述的一种交流发电机并联电路，其特征在于：所述二极管(11)的反向耐压值不小于1200V。