CN104467583A - 基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，永磁发电机在原动机的驱动下发出的三相交流电经整流滤波电路得到电压幅值恒定的直流电给负载供电；通过电压反馈及PI调节实现发电机输出电压的无静差调节，此过程中燃料控制阀随负载变化而变化，实现了原动机输出功率与负载功率相匹配的目的。本发明结构简单、易实施，且成本低、效率高、可靠性强，具有很大的实用价值。

Description

基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组

技术领域

 本发明属于电气工程领域，涉及一种基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组。

背景技术

本专利受国家863项目(2012AA061303）及国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ05024207）资助。近年来，由于经济发展和资源分布不均衡而造成的电力紧缺现象突出，使独立电源在国民经济发展中的作用更为明显。独立电源作为主电源或备用电源在船舶、航空、通信、军事、医院、应急、救灾等众多领域得到了广泛的应用。与大电网配合，独立电源可大大的提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害情况下，维持重要用户供电，可避免一些灾难性后果。

目前这种独立电源，都是由原动机-电励磁同步电机组成的恒频恒压电源。系统通过调节原动机的转速实现恒频，调节发电机的励磁维持恒压，增加了系统的复杂性。另外，占发电机额定容量(3-5)%的励磁功率,也以热的形式消耗在电机的转子上,降低了系统的效率，增加了系统的故障因素。

永磁发电机因其功率因数高、效率高、结构简单、功率密度高等诸多显著优点，得到了越来越多的关注和应用。但永磁发电机不能同电励磁同步发电机一样通过调节励磁的方法调节输出电压，很难维持发电机的输出端电压恒定，绕组和永磁体的温度系数的存在，加剧了发电机输出端电压随负载变化的程度。电压幅值的不可控在一定程度上限制了永磁发电机的应用。

为了改变独立电源存在的弊端，一些专利提出了不同方法。实用新型专利“调速节油柴油发电机组供电轮胎式龙门集装箱起重机”（200920108181.4）是针对可调速运行的柴油发电机组，根据负载功率的变化调节柴油发电机组的运行速度，实现节能运行，但依旧采用电励磁同步发电机，且柴油机的转速可变范围较大，很难维持发电机的输出电压在一定的范围内，以满足变频器输入电压变化范围的要求；发明专利“一种变速永磁交流发电机系统及其双端口稳压控制方法”（201210205337.7）是在现有发电机系统的直流输出端电压稳定的前提下，当发电机转速显著变化时能够克服交流输出端电压亦显著变化的问题，实现永磁交流发电机系统的双端口稳压，重点在于发电机转速变化时，如何通过对电机交直轴电流的控制实现交流输出端的稳压，需要转子位置、转速、交流电压检测模块以及复杂的控制器，且在原动机转速变化范围较大时很难维持发电机的端电压恒定；发明专利“一种通信基站的变频节能柴油发电机组”（201110344828.5）是将永磁发电机输出的交流电转换成一个稳定的直流电直接供给直流负载，柴油发动机的转速和永磁发电机的输出电压变化范围大，需采用可控不可控整流模块；实用新型专利“逆变式交流永磁发电机组”（200620163948.X）采用的是机械式调速器，介绍了发电机组的构成及工作原理，但没有对其可行性进行说明；实用新型专利“一种永磁发电机组稳压装置”（201220575418.1）是在原发动机转速反馈信号的基础上，增加了发电机电压反馈信号，目标是维持发电机的电压、频率均在规定范围之内，由于永磁发电机的电压调整率在10%左右，变化范围较大，实现这一目标较为困难。虽然这些专利对传统的电励磁发电机组或永磁发电机组进行了不同改进，但都存在一定的局限性，且控制较为复杂。

发明内容

发明目的：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，永磁发电机在原动机的驱动下发出的三相交流电经整流滤波电路得到电压幅值恒定的直流电给负载供电。通过电压反馈及PI调节实现发电机输出电压的无静差调节，此过程中燃料控制阀随负载变化而变化，实现了原动机输出功率与负载功率相匹配的目的。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，包括原动机、永磁发电机、不可控整流模块、电压传感器、PI调节器、电容组、直流母线、燃料调节机构和逆变器，其特征在于：永磁发电机由原动机驱动，永磁发电机的输出端连接交流电抗器，交流电抗器连接不可控整流模块的输入端，不可控整流模块的正极输出端通过直流电抗器和直流母线连接逆变器的正极输入端，不可控整流模块的负极输出端通过预充电回路连接逆变器的负极输入端，制动电阻与电容组并联，电容组并联在逆变器输入端的正极与负极之间；逆变器的输出端连接负载；永磁发电机连接电压传感器，通过电压反馈的PI调节器连接燃料调节机构，燃料调节机构调节原动机的转速。

以永磁发电机端电压作为反馈信号实现发电机组的单闭环控制，通过电压反馈的PI调节器实现发电机端电压的无静差调节，负载变化时，通过调节原动机转速维持发电机端电压恒定。

永磁发电机输出电压恒定的交流电经不可控整流模块转换为电压恒定的直流电源，直接为直流负载或逆变器供电。

优点和效果：

本发明优点如下：

1、采用电压的PI调节方式，提高了系统的响应速度和抗冲击能力，控制系统无需依赖发电机的电磁参数，同时取消了传统发电机组对电励磁同步发电机电压、原动机转速的双闭环控制，结构简单、成本低。

2、采用永磁发电机，转子无需励磁，省去了励磁功率单元和励磁调节器，具有显著的节能效果，同时省去了电刷、滑环，减少了电力电子器件，提高了系统的可靠性，降低了成本。

3、本发明中永磁发电机无需发出特定频率的交流电，无需用转速闭环来保证原动机转速的恒定，省去了转速传感器，无需机械量检测，提高了系统的可靠性，且提高了系统的响应速度，降低了控制难度，节约了控制成本。可以使原动机得到充分合理的利用，降低发电机成本，提高系统的效率。

4、逆变器采用IGBT作为开关器件，配合续流二极管可以实现能量的双向流动，采用不可控整流模块控制简单，成本低，电容组具有能量存储、缓冲的功能。该系统可以实现电动机的再生制动运行，实现能量回馈，本发明可很好地解决再生能量发生十分频繁的现象，且节电将十分可观。

5、该系统由于采用了交-直-交的能量传递方式，负载的功率因数并不能传递到发电机的输出侧，故对于发电机来说，负载的功率因数主要取决于电流的谐波含量，为了提高其功率因数，本发明采用了交流电抗器和直流电抗器，功率因数可以提高到0.9以上，可以降低发电机的电压调整率，降低运原动机的转速变化范围。

6、该系统通过电压反馈使发电机的输出电压恒定，克服了永磁发电机不能通过调节励磁来稳压的缺点。

7、该系统用整流后得到的的直流电源通过逆变器给负载供电，通过调整逆变器的参数，该独立电源可以同时给不同额定电压、额定频率的负载供电，适用性强，采用逆变器取代了传统变频调速系统中的变频器，降低了成本。

附图说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电压反馈框图。

附图标记说明：

图中：1-原动机、2-三相永磁发电机、3-交流电抗器、4-不可控整流模块、5-直流电抗器、6-预充电回路、7-制动电阻、8-电容组、9-直流母线、10-逆变器、11-反馈系数。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

本发明原理如下：

本发明采用永磁发电机实现机械能到电能的转换，采用永磁发电机具有节能减排的效果，能提高系统的效率，由于整流模块的存在，无需保持发电机的输出频率恒定，故无需速度反馈来维持原动机的转速恒定。由于电压调整率的存在，在感性负载时，由于在感性负载时发电机的外特性呈下降趋势，且如果不调节燃料控制阀，负载的增大会加剧电压的下降，此时，为了维持发电机的端电压恒定，就需要增大燃料控制阀，使燃料控制阀随着负载的变大而增大，使原动机的输出功率跟随负载功率的变化而变化。

采用上述的控制方式后，不能保证发电机端电压的频率恒定，为了得到稳定的电源供给负载，发电机发出的三相电经整流模块后变为电压恒定的直流电源，直接给直流负载供电或通过逆变模块给交流负载供电。

为了维持发电机的输出电压恒定，将电压互感器检测到的电压反馈信号与电压给定信号通过PI调节器得到燃料控制机构的控制信号，用来调节燃料控制阀。

刚接通电源瞬间，电容器两端相当于短路，为了保护整流器的元件不会因电容器瞬间的短路电流而损坏，在电路中设置了预充电电路，预充电电路在这里起到了限制电源接通瞬间对电容器充电电流的作用。

当某一大容量电动机处于再生制动状态，而其它负载不足以吸收该回馈能量时，为了消耗多余的能量，在系统中加入了能耗制动电路，包括制动电阻和制动单元的控制电路，当直流回路的电压超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。

实施例1：

图1是基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组结构示意图，如图1所示，由原动机1，永磁发电机2，交流电抗器3，不可控整流模块4，直流电抗器5，预充电回路6，制动电阻7，电容组8，直流母线9，电压传感器PT，反馈系数11，电压给定，PI调节器、燃料调节机构和逆变器10以及各个负载构成。该供电系统的能量流动方向为：原动机1拖动永磁发电机2旋转，其中原动机1可以为内燃机、燃气轮机、水轮机等，永磁发电机2发出的三相交流电经不可控整流模块3后变为直流电源，直流电源通过逆变器10给负载供电。为了保护整流器的元件不会因电容器瞬间的短路电流而损坏，在启动原动机的时候将预充电回路的开关断开，限制电源接通瞬间对电容器充电电流，当电容两端电压稳定后将开关闭合，避免电阻耗能。加入交流电抗器3和直流电抗器5的目的是降低线路中电流的谐波含量，提高系统的功率因数，不可控整流模块中的电容组8具有能量存储、缓冲的作用，当负载电动机处于能耗制动状态，且反馈能量大于其它负载的需求时，接通能耗制动电阻，使多余的反馈能量通过制动电阻以热的形式消耗掉。系统通过发电机输出端的电压闭环来实现对燃料控制阀的调节，使原动机的输出功率与负载功率匹配。

图2是基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组的电压反馈框图，如图2所示：电压传感器测得发电机的输出端电压，也可以检测直流母线电压，通过一定的反馈系数后，与电压给定值进行比较，比较后的信号经PI比例调节器得到燃料调节机构的控制信号，控制信号控制燃料调节机构（如电—液式调节器）来调节原动机的燃料控制阀。通过电压闭环控制，在维持发电机输出电压恒定的情况下，负载变化时，可以使原动机的燃料控制阀跟随负载的变化而变化，使原动机的输出功率与负载功率匹配。

本发明永磁发电机发出的电能经整流、逆变后给负载供电，无需保持原动机的转速（即发电机端电压的频率）恒定，电压调整率的存在使发电机的端电压随着负载的变化而变化，本发明通过调节原动机的转速维持发电机端电压恒定，通过电压闭环反馈实现对发电机组的控制，负载变化时，燃料的供给量会跟随负载的变化而变化。本发明通过PI调节器实现了系统的无静差调压，通过改变原动机转速维持发电机端电压恒定，克服了永磁发电机无法通过调节励磁恒压的缺陷，该系统具有响应速度快、抗干扰能力强等特点。简单、易实施，且成本低、效率高、可靠性强，具有很大的实用价值。

Claims (3)

1.一种基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，包括原动机（1）、永磁发电机（2）、不可控整流模块（4）、电压传感器（PT）、PI调节器、电容组（8）、直流母线（9）、燃料调节机构和逆变器（10），其特征在于：永磁发电机（2）由原动机（1）驱动，永磁发电机（2）的输出端连接交流电抗器（3），交流电抗器（3）连接不可控整流模块（4）的输入端，不可控整流模块（4）的正极输出端通过直流电抗器（5）和直流母线（9）连接逆变器（10）的正极输入端，不可控整流模块（4）的负极输出端通过预充电回路（6）连接逆变器（10）的负极输入端，制动电阻（7）与电容组（8）并联，电容组（8）并联在逆变器（10）输入端的正极与负极之间；逆变器（10）的输出端连接负载；永磁发电机（2）连接电压传感器（PT），通过电压反馈的PI调节器连接燃料调节机构，燃料调节机构调节原动机（1）的转速。

2. 根据权利要求1所述的基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，其特征在于：以永磁发电机端电压作为反馈信号实现发电机组的单闭环控制，通过电压反馈的PI调节器实现发电机端电压的无静差调节，负载变化时，通过调节原动机转速维持发电机端电压恒定。

3. 根据权利要求1所述的基于原动机调速的恒直流母线电压永磁发电机组，其特征在于：永磁发电机输出电压恒定的交流电经不可控整流模块（4）转换为电压恒定的直流电源，直接为直流负载或逆变器供电。