CN104779856A - 一种双馈轴带发电机系统 - Google Patents

Abstract

针对双馈发电机系统的非线性多耦合系统，提供一种可以应用于船舶的双馈轴带发电机系统。主要包含以下几个模块：轴带机械装置、双馈发电机、变流器、信号检测电路、控制电路及其它装置。发电机通过机械传动装置与螺旋桨同轴的主轴连接,当主机驱动桨叶旋转的同时,带动发电机运转。转子励磁电路部分通过背靠背式变频器完成工作。中励磁部分由三相全桥变频电路构成，采用双PWM控制，一部分全桥进行整流，另一部分全桥进行逆变。控制系统包含两部分：定子侧变换器控制系统和转子侧变换器控制系统，它们分别由两片DSP来实现。

Description

一种双馈轴带发电机系统

技术领域

本发明涉及的是一种发电机，特别涉及一种双馈轴带发电机系统。 

背景技术

船舶轴带发电机系统在船舶业内也叫轴发或轴机系统，它通过原动机驱动船舶发电机，利用主机富裕功率达到节能的目的，早在70年代初，中东石油危机后得到迅速发展。采用主机轴带发电，在直流电制时期各国在中小型船舶上就已应用。 

随着电力电子技术的发展，运用轴带发电机可以提高船舶运营的经济性，可以充分利用主机10%-15%的功率储备裕量，使主机高效率、低能耗运行，实现节能；还可以减少柴油机投入成本和燃料成本；同时还能减少维护、减少机舱噪声和热源。由于轴带发电系统具有的节能、经济等突出特点，因此在当今船舶上被广泛使用。因此，轴带发电机系统凭借其节能减排、改善航运管理等突出的优点得到了造船业的高度关注，在当今船舶上被广泛使用。 

发明内容

本发明针对双馈发电机系统具有非线性多耦合的特点，提供一种可以有效克服系统非线性问题并可应用于船舶的双馈轴带发电机系统。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明包含以下几个模块：轴带机械装置、双馈发电机、变流器、信号检测电路、控制电路及其它装置。 

1、主电路单元：本发明的功率器件可采用伟肯公司的智能功率模块（IPM）。它是目前较为先进的功率开关器件，不仅集成了IGBT功率开关器件，它的内部还附带了过压过流过热等一系列保护电路，若系统发生故障，IPM能确保内部的IGBT不损坏。根据轴带双馈发动机系统要求，选型的各项指标为：直流侧电压500-1200V；工作电压+15V；信号为低电平工作，功率管开通信号小于0.7V，关断信号大于4.5V；死区时间最低达4us，最大工作频率为20kHz。 

2、信号检测单元：轴带双馈发电机系统中，需要反馈的信号有直流母线电压、定转子电压电流以及转子转速，这些反馈量会直接影响控制系统的性能，因此为了实现控制系统的精确性和快速性，避免电磁干扰引起的误差，需要将主电路和控制电路隔离开，本发明中的电量测量元件采用霍尔式传感器，它兼备了互感器和分流器的所有特点，又克服这两者的不足，转速则通过光电编码器进行检测。 

3、控制电路：本发明中控制系统使用美国TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2808作为主控芯片。TMS320F2808为32位，具有运算速度快，分析能力强等优点。同时TMS320F2808芯片本身具备eCAN控制器，可以实现系统的CAN总线通讯。 

4、其它装置：主要包括如直流母线上的储能装置，往往选用蓄电池。还有网侧滤波器。另外，轴带机械传动装置也是本系统的重要组成部分，是采用机械轴硬联接还是采用柔性联接，这根据实际情况来决定。 

本发明的优点：本发明中配置的双PWM变换器在转子回路，仅需要处理转差功率，为部分功率变频，所需变频器容量小，另外还实现了能量双向流通和机电部分柔性联接，弥补了传统轴带发电机系统中系统配置的变频器容量大、占地面积大、成本高的缺点。 

附图说明

图1为双馈轴带发电机系统总体控制框图； 

图2为本发明中的DSP控制系统； 

图3为系统程序流程图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

结合图1，图1为双馈轴带发电机系统总体控制框图。船舶轴带系统中的发电机通过机械传动装置与螺旋桨同轴的主轴连接,当主机驱动桨叶旋转的同时,带动发电机运转。转子励磁电路部分通过背靠背式变频器完成工作，而控制系统包含两部分：定子侧变换器控制系统和转子侧变换器控制系统，它们分别由两片DSP来实现。 

原动机通过传动轴输入机械功率，定子绕组向外输出功率，而转子绕组的功率流向则与转差率有关，转子绕组既可以能吸收功率也可以输出功率。当s>0时，双馈发电机运行于次同步状态，转子绕组吸收功率；当s<0时，双馈发电机运行于超同步状态，转子绕组回馈功率。因此定子侧变换器为整个控制系统提供能量双向流动的通道，维持直流母线电压稳定，同时确保交流侧的功率因数可控，而转子侧变换器的功率流向由双馈发电机的运行状态（转差率）决定。由于船舶轴带双馈发电机基本工作于次同步状态，所以励磁系统中定子侧变换器负责整流，转子侧变换器负责逆变，并且通过设计合理的主电路使直流侧母线电压能够高于交流电压峰值，若直流侧母线电压需求较低时，可在交流侧装变压器进行降压处理。 

结合图2，图2为本发明中的DSP控制系统。在本系统中，DSP1接受交流侧电压电流信号、直流母线电压信号、给定信号，及是否并网的情况，产生SVPWM信号。DSP2分析转子位置和转速信号，接受定转子电压电流的反馈信号和给定值，并进行PI调节，产生 SVPWM信号控制功率管通断。 

结合图3，图3为系统程序流程图。由轴带原动机主轴输出得到定子有功功率指令值，由电网需求确定无功功率指令值。通过功率外环将有功和无功功率指令值与实际值比较，把误差值通过功率PI调节器就可以得到转子电流无功分量和有功分量指令值再和转子电流实际值比较，误差值再通过电流PI调节器，求出转子电压方程中的解耦部分，再分别加上进过补偿计算得到的转子电压补偿部分便求得转子电压控制指令值，进过坐标变换最终得到转子侧电压控制指令值产生SVPWM调制脉冲信号，控制变换器功率管的开关，产生符合要求的电压对转子进行励磁使发电机定子侧恒频恒压输出。 

Claims (5)

1.一种双馈轴带发电机系统，其组成主要包括：轴带机械装置、双馈发电机、变流器、信号检测电路、控制电路。 

2.根据权利要求1所述的一种双馈轴带发电机系统，其特征是主电路单元：本发明的功率器件可采用伟肯公司的智能功率模块（IPM），它是目前较为先进的功率开关器件，不仅集成了IGBT功率开关器件，它的内部还附带了过压过流过热等一系列保护电路，若系统发生故障，IPM能确保内部的IGBT不损坏，根据轴带双馈发动机系统要求，选型的各项指标为：直流侧电压500-1200V；工作电压+15V；信号为低电平工作，功率管开通信号小于0.7V，关断信号大于4.5V；死区时间最低达4us，最大工作频率为20kHz。 

3.根据权利要求1所述的一种双馈轴带发电机系统，其特征是信号检测单元：轴带双馈发电机系统中，需要反馈的信号有直流母线电压、定转子电压电流以及转子转速，这些反馈量会直接影响控制系统的性能，因此为了实现控制系统的精确性和快速性，避免电磁干扰引起的误差，需要将主电路和控制电路隔离开，本发明中的电量测量元件采用霍尔式传感器，它兼备了互感器和分流器的所有特点，又克服这两者的不足，转速则通过光电编码器进行检测。 

4.根据权利要求1所述的一种双馈轴带发电机系统，其特征是控制电路：本发明中控制系统使用美国TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2808作为主控芯片，TMS320F2808为32位处理器，具有运算速度快，分析能力强等优点，同时TMS320F2808芯片本身具备eCAN控制器，可以实现系统的CAN总线通讯。 

5.根据权利要求1所述的一种双馈轴带发电机系统，其特征是其它装置：主要包括如直流母线上的储能装置，往往选用蓄电池，还有网侧滤波器，另外，轴带机械传动装置也是本系统的重要组成部分，是采用机械轴硬联接还是采用柔性联接，这根据实际情况来决定。