CN104993758B - 一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置及控制方法，该装置包括三相变压器、三相可控整流器和电流传感器；三相变压器的原边用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的功率绕组；三相可控整流器的交流输入端连接三相变压器的副边，电流传感器的电流输入端连接三相变压器直流输出端；电流传感器的电流输出端用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的控制绕组；在无刷双馈轴带发电系统里，该装置并联在无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统两端；当出现短时过载，则由该装置代替无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统对发电机提供强励磁，实现发电机短时输出3倍能力过载电流的功能，满足船用发电系统短时过载需求。

Description

一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于交流电机及其控制技术领域，具体涉及一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置及控制方法。

背景技术

现有的常规轴带发电系统一般采用异步发电机，永磁同步发电机和绕线转子异步发电机，其电机是有刷双馈电机。常规异步发电机和永磁同步发电机一般配合可调距桨并辅以较大容量的交-直-交电能变换系统运行，需要主机转速与之相匹配，从而带来整体运行效率下降问题，同时可能影响船舶正常航行需求；并且，整个发电过程电能变换环节多，一方面增加了损耗，同时降低了系统可靠性；另一方面，需要采用大容量的电力电子变换设备，成本较高，而且永磁同步电机在船舶机舱的恶劣工作环境下，可靠性不高，维护复杂。

双馈异步发电机可以实现变速恒频发电，对主轴转速配合要求不高，可以采用较小功率等级的电力电子变换装置实现较大功率变速恒频发电的控制，降低使用成本，产生可观的经济效益；但其电机本体采用了电刷和滑环结构，需要定期维护，为其使用带来不便，且维护成本高。

无刷双馈电机作为一种新型的电机，广泛应用于变速恒频发电以及变频调速驱动控制场合，诸如风力发电，船舶轴带发电及电力推进系统、电动汽车等领域；无刷双馈电机具有常规双馈异步电机双馈发电系统的诸多优点，如功率变换器容量小，系统转换效率高等，同时又实现了馈电的无刷化，电机可靠性比有刷双馈电机高，维护周期长，具有明显的优势。

船舶供电系统的现有标准明确规定，要求其具备短时过载3倍的负载能力，以保障电力系统的供电能力；然而，无刷双馈轴带发电系统采用四象限变频控制器对无刷双馈电机进行变速恒频发电控制的传统拓扑，很难满足过载3倍的能力；除非增大四象限变流器功率器件IGBT的容量，如此则会大幅增加控制系统成本，但系统又长期运行在极轻载的工作点，严重影响系统经济性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置及控制方法，其目的在于在不增加无刷双馈轴带发电系统四象限变频控制器容量的基础上，满足船舶供电系统的现有标准关于其发电机短时过载能力需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，包括三相变压器、三相可控整流器和电流传感器；

其中，三相变压器的高压侧为原边，低压侧为副边；原边用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的功率绕组；三相可控整流器的交流输入端连接三相变压器的副边，电流传感器的电流输入端连接三相可控整流器的直流输出端；电流传感器的电流输出端用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的控制绕组；

三相变压器用于将电网电压变压至产生直流励磁电流所需的电压；三相可控整流器用于提供连续可调的直流励磁电流；电流传感器用于实时检测励磁电流；

无刷双馈轴带发电系统本身包括无刷双馈轴带发电机，四象限变频控制器，电抗器、供电电网侧电流传感器和供电电网侧电压传感器；

无刷双馈轴带发电机包含功率绕组和控制绕组；功率绕组直接与供电电网相连接，控制绕组通过四象限变频控制器及电抗器接至供电电网；

其中，四象限变频控制器与电抗器构成控制系统，由四象限变频控制器对无刷双馈轴带发电机提供励磁，实现发电机功率绕组对电网的变速恒频恒压供电；供电电网侧电流传感器和电压传感器则用于实时检测无刷双馈轴带发电机输送至电网的负载电流值和电网电压值；

在无刷双馈轴带发电系统里，本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，并联在无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统两端；

当无刷双馈轴带发电系统工作在正常状态下，本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置停机，由无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统提供电流电压的控制；当出现短时过载，则由本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置代替无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统对发电机提供强励磁，实现发电机短时输出3倍能力过载电流的功能，满足船用发电系统短时过载需求。

优选的，三相可控整流器包括控制单元、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第五晶闸管和第六晶闸管；

其中，第一晶闸管与第二晶闸管串联，构成第一晶闸管组；第三晶闸管和第四晶闸管串联，构成第二晶闸管组；第五晶闸管和第六晶闸管串联，构成第三晶闸管组；

以上第一晶闸管与第二晶闸管的串联端作为三相可控整流器输入第一端；第三晶闸管与第四晶闸管的串联端作为三相可控整流器输入第二端；第五晶闸管与第六晶闸管的串联端作为三相可控整流器输入第三端；

以上三个晶闸管组并联，并联负端作为三相可控整流器直流输出负端；并联正端作为三相可控整流器直流输出正端；

其中，各晶闸管组内部的连接关系如下：

第一晶闸管的阴极作为第一晶闸管组的负端，第二晶闸管的阴极与第一晶闸管的阳极连接，第二晶闸管的阳极作为第一晶闸管组的正端；

第三晶闸管的阴极作为第二晶闸管组的负端，第四晶闸管的阴极与第三晶闸管的阳极连接，第四晶闸管的阳极作为第二晶闸管组的正端；

第五晶闸管的阴极作为第三晶闸管组的负端，第六流晶闸管的阴极与第五晶闸管的阳极连接，第六晶闸管的阳极作为第三晶闸管组的正端；

各晶闸管的控制端与控制单元输出端连接；控制单元用于根据目标电压调节晶闸管的导通角，以调节三相可控整流器输出的励磁电流。

按照本发明的另一方面，提供了一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制方法，该方法基于上述装置，具体如下：

(1)实时检测供电电网侧电压和电流；

(2)判断上述电压检测值是否在标称范围内且电流检测值在标称范围内，若是，则无刷双馈轴带发电系统运行正常，进入步骤(3)；若否，则则无刷双馈轴带发电系统短时过载，进入步骤(4)；

(3)若无刷双馈轴带发电机的励磁由无刷双馈轴带发电系统的四象限变频控制器提供，则不动作，继续由四象限变频控制器对无刷双馈轴带发电机提供励磁；若无刷双馈轴带发电机的励磁由无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置的三相可控整流器提供，表明系统是由短时过载状态恢复至正常状态，则进入步骤(5)；

(4)若无刷双馈轴带发电机的励磁由四象限变频控制器提供，则关闭四象限变频控制器，切除四象限变频控制器提供的励磁；同时开启无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，接入其三相可控整流器提供的励磁；若励磁由三相可控整流器提供，则不动作，继续由三相可控整流器提供励磁；

(5)开启四象限变频控制器，接入四象限变频控制器提供的励磁；同时关闭无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，切除其三相可控整流器提供的励磁；将无刷双馈轴带发电机的励磁由三相可控整流器提供切换为由四象限变频控制器提供。

优选的，步骤(2)中，电网电流的标称范围取系统额定电流的1.8～2.5倍；电压的标称范围取系统额定电压的90％～94％。

优选的，通过启动四象限变频控制器控制单元发送到其功率单元的触发脉冲来启动四象限变频控制器；通过封锁四象限变频控制器控制单元发送到功率单元的触发脉冲关闭四象限变频控制器；

优选的，通过启动三相可控整流器控制单元发送到其功率单元的触发脉冲，开启三相可控整流器；通过封锁三相可控整流器控制单元发送到功率单元的触发脉冲关闭三相可控整流器。

优选的，三相可控整流器对其输出的励磁电流的调节通过控制晶闸管的移相触发角实现。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)在船用电力系统中，当发生瞬时过载时，负载电流可能会上升到额定负载电流的3倍，若发电机侧无相应的快速控制措施，会导致电网电压降低；为维持供电电网电压恒定，本发明所提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，可通过对无刷双馈轴带发电机进行强励磁，实现发电机短时输出3倍能力过载电流的功能，从而满足船用发电系统短时过载需求；

(2)本发明提供的无刷双馈轴带系统短时过载控制装置，其三相可控整流器可根据供电电网电压、电网电流控制励磁输出，通过控制励磁电流的大小从而维持电网电压的恒定，同时输出满足需求的过载电流；

(3)本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，在无刷双馈轴带发电系统里并联在无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统两端；当系统正常运行时，采用无刷双馈轴带发电系统本身的基于IGBT器件的四象限变频控制器对双馈发电系统进行控制，具备良好的控制性能，不需要考虑过载要求，相对可以降低成本，具有较好的经济性；

当系统过载时，关闭四象限变频控制器，由本发明提供的基于晶闸管的短时过载控制装置代替无刷双馈轴带发电系统本身的控制系统提供发电机励磁，具有较好的过载能力；且晶闸管器件不易损坏、成本较低，在短时工作情况下，只需提供无刷双馈轴带发电机励磁所需功率，进一步减小了装置的设计容量，可以以较低成本满足系统3倍过载容量需求，满足船舶相关规范对其供电系统的过载要求。

附图说明

图1是无刷双馈轴带发电系统结构原理图；

图2是实施例提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置结构原理图；

图3是实施例提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置在无刷双馈轴带发电系统中的应用示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-无刷双馈轴带发电机，2-四象限变频控制器，3-功率绕组，4-控制绕组，5-供电电网侧电流传感器，6-供电电网侧电压传感器，7-电抗器，8-三相变压器、9-三相可控整流器，10-电流传感器，9-1-第一晶闸管，9-2-第二晶闸管，9-3-第三晶闸管，9-4-第四晶闸管，9-5-第五晶闸管，9-6-第六晶闸管，5-1-供电电网侧A相电流传感器，5-2-供电电网侧C相电流传感器，6-1-供电电网侧AB相间电压传感器，6-2-供电电网侧BC相间电压传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示是无刷双馈轴带发电系统结构原理图；无刷双馈轴带发电系统在硬件上包括无刷双馈轴带发电机1，四象限变频控制器2，供电电网侧电流传感器5，供电电网侧电压传感器6，电抗器7；

其中，无刷双馈轴带发电机1又包含功率绕组3和控制绕组4两套绕组；功率绕组3直接与供电电网相连接，控制绕组4通过四象限变频控制器2及电抗器7接至供电电网；通过四象限变频控制器2对控制绕组4的电流电压控制作用，实现发电机功率绕组3对电网的变速恒频恒压供电；供电电网侧电流传感器5和电压传感器6用于检测无刷双馈轴带发电机1输送至电网的负载电流值和电网电压值；电流传感器5-1及5-2分别用于检测电网两相的电流，电压传感器6-1及6-2分别用于检测电网两相的相间电压，即线电压。

本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，包括三相变压器、三相可控整流器和电流传感器；

其中，三相变压器的原边与轴带发电机功率绕组连接；三相可控整流器的交流输入端连接三相变压器的副边；三相可控整流器的直流输出端串联电流传感器后连接到轴带发电机控制绕组；通过该连接方式，使得无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置并联在无刷双馈轴带发系统自身的四象限变频控制系统两端；

当发电机功率输入端负载电流超过设定的负载电流后，本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置启动，同时无刷双馈轴带发电系统自身的四象限变频控制系统停止运行，无刷双馈轴带发电机所需励磁由四象限变频控制器提供改为由本发明装置中的可控整流器提供，通过对无刷双馈轴带发电机进行强励磁实现发电机输出3倍能力过载电流的功能，从而满足发电系统短时过载的需求。

实施例所提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，其结构如图2所示，包括三相变压器8、三相可控整流器9和电流传感器10；其中，三相可控整流器9的功率回路包括晶闸管9-1至9-6；

三相变压器8的输入端与供电电网主回路即轴带发电机功率绕组3连接，其中三相变压器8的3-1至3-3输入端口分别对应连接功率绕组A、B、C相接线端子；三相可控整流器9的交流输入端与三相变压器8的输出端连接，三相可控整流器9的直流输出端串联电流传感器10后与轴带发电机控制绕组4相接，其中三相可控整流器9的4-1至4-3输出端口分别对应控制绕组A、B、C相接线端子，选取其中任意两相端子分别与可控整流器9直流输出的正负端相接，而剩余的一相端子悬空；由电流传感器10检测三相可控整流器9的直流输出电流值。

图3所示，是实施例提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置在无刷双馈轴带发电系统中的应用示意图；实施例中，以64kW/380V轴带发电系统为例。

以下集合实施例与附图3，具体阐述本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制过程：

(1)由电流传感器5和电压传感器6实时检测供电电网侧电压和电流值；

(2)判断上述电压检测值和电流检测值是否在各自的标称范围内，若是，则判定系统运行正常；若否，则判定系统过载；

对于64kW/380V轴带发电系统，发电机机端电压在390-400V，额定电流为95-97A，则标称电压范围在360V～425V，标称电流范围在0A～220A；

(3)当系统运行状态正常时，四象限变频控制器2对无刷双馈轴带发电机提供励磁；三相可控整流器9则停机；

(4)当系统过载，将四象限变频控制器停机；由三相可控整流器9对无刷双馈轴带发电机提供励磁，

(5)四象限变频控制器2和三相可控整流器9分别依据指令其投入及切除，具体如下：

当无刷双馈轴带发电系统正常运行时，四象限变频控制器2工作，为无刷双馈轴带发电机提供励磁控制，其目标是维持400V/50Hz机端电压；此时本发明提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置处于停机状态；

当无刷双馈轴带发电系统所在供电网络中出现诸如大功率电机设备启动，或电网某局部出现短路故障切除过程中引起电网线路中出现短时过载时，电网侧电流传感器5及电压传感器6检测到电网电流或电压超出标称范围，判定电网中出现异常；投入三相可控整流器9，同时将四象限变频控制器2停机；由三相可控整流器9对无刷双馈轴带发电机控制绕组提供励磁电流，其目标是维持发电机机端400V电压；

供电电网侧电压传感器6实时检测电网电压大小，电流传感器10检测三相可控整流器9输出的励磁电流大小；以电网电压为控制目标，动态调节励磁电流大小，维持无刷双馈轴带发电机输出电压的水平，满足电网过载需求；

当检测到电网电压电流值再次进入标称范围，则表明电网负载恢复至正常水平，将四象限变频控制器2重新投入系统；同时将无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置从系统切除，系统恢复至正常发电运行状态。

在船舶无刷双馈轴带发电系统应用中，发电机的原动机输入是船舶的推进轴系，具有以下特征：

(1)推进系统功率相比发电系统功率要大得多；

(2)推进系统转速主要需根据航速受推进机组影响，发电机组对其影响微乎其微；

因此，当发电系统出现较大电流过载时，为了满足过载的功率需求，要么提高原动机输入功率，此时就必须增加转速，但推进轴系的转速又不由发电系统控制，如此则只能在固定转速不变的情况下，通过强励磁手段增大发电功率，维持电网电压水平，此时原动机输入功率也会相应增加，但发电系统所引起的功率增加几乎不会影响到船舶的正常航行。

无刷双馈轴带发电系统在正常运行时，根据航速的不同，其四象限变频控制器2需提供无刷双馈轴带发电机励磁所需的功率以及相应的转差功率，在一定的调速范围内，总功率大小最大可以达到系统额定发电功率的30-50％，以64kW轴带发电系统为例，主轴在300-700转/分调速范围内，四象限变频控制器容量需要达到30kW左右；

3倍过载情况下，四象限变频控制器需提供90kW左右的功率，若实际系统按90kW设计，则会使装置成本大幅增加；而采用本发明所提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，因仅需提供励磁功率，功率大小仅占额定发电功率的3％左右，实际装置容量在2-3kW左右，极大的降低了装置的容量，而且基于晶闸管的三相可控整流器具备较强的过载能力。

总的来说，通过采用本发明所提供的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，当系统正常运行时，采用基于IGBT器件的四象限控制器对无刷双馈发电系统进行控制，IGBT器件的选型基于双馈轴带发电系统额定容量，按照较低过载容量设计即可满足使用要求，可选取较低成本的功率器件，满足系统经济行要求，同时具备良好的控制性能；

当系统过载时，基于IGBT器件的四象限控制器停止运行，其功能由本发明提供的基于晶闸管的短时过载控制装置代为提供；晶闸管相比同容量的IGBT器件，其成本大幅降低，同时具有较好的过载能力，器件不易损坏，在短时工作情况下，可以以较低成本满足系统3倍过载容量需求，满足船舶相关规范对供电系统的过载要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，其特征在于，包括三相变压器(8)、四象限变频控制器(2)、电抗器(7)、三相可控整流器(9)和电流传感器(10)；

四象限变频控制器(2)一端用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的控制绕组；四象限变频控制器(2)另一端通过电抗器(7)连接至供电电网；四象限变频控制器(2)用于对控制绕组(4)的电流电压进行控制，实现提供无刷双馈轴带发电机的励磁；

所述三相变压器的原边(8)用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的功率绕组；三相可控整流器(9)的交流输入端连接三相变压器的副边，电流传感器(10)的电流输入端连接三相可控整流器(9)直流输出端；电流传感器(10)的电流输出端用于连接无刷双馈轴带发电系统轴带发电机的控制绕组；

所述三相变压器(8)用于将电网电压变压至生成直流励磁电流所需的电压；三相可控整流器(9)用于提供连续可调的直流励磁电流；电流传感器(10)用于实时检测所述直流励磁电流；当出现短时过载，由所述三相可控整流器(9)对无刷双馈轴带发电系统发电机提供强励磁，实现发电机短时输出过载电流的功能，满足船用发电系统短时过载需求。

2.如权利要求1所述的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，其特征在于，所述三相可控整流器(9)包括控制单元和功率回路；

所述功率回路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第五晶闸管和第六晶闸管；所述第一晶闸管与第二晶闸管串联，构成第一晶闸管组；第三晶闸管和第四晶闸管串联，构成第二晶闸管组；第五晶闸管和第六晶闸管串联，构成第三晶闸管组；

所述第一晶闸管与第二晶闸管的串联端作为三相可控整流器(9)输入第一端；第三晶闸管与第四晶闸管的串联端作为三相可控整流器(9)输入第二端；第五晶闸管与第六晶闸管的串联端作为三相可控整流器(9)输入第三端；

三个晶闸管组并联，并联负端作为三相可控整流器(9)直流输出负端；并联正端作为三相可控整流器(9)直流输出正端；控制单元根据电网电压调节晶闸管的导通角。

3.一种基于权利要求1或2所述装置的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)实时检测供电电网侧电压和电流；

(2)判断所述电压检测值是否在标称范围内且电流检测值在标称范围内，若是，进入步骤(3)；若否，则进入步骤(4)；

(3)若无刷双馈轴带发电机的励磁由无刷双馈轴带发电系统的四象限变频控制器提供，则不动作，继续由所述四象限变频控制器提供励磁，完成无刷双馈轴带发电系统正常运行控制；若无刷双馈轴带发电机的励磁由无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置的三相可控整流器提供，则进入步骤(5)；

(4)若无刷双馈轴带发电机的励磁由四象限变频控制器提供，则关闭所述四象限变频控制器，切除四象限变频控制器提供的励磁；同时开启无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，接入其三相可控整流器提供的励磁；若所述励磁由所述三相可控整流器提供，则不动作，继续由三相可控整流器提供励磁；

(5)开启所述四象限变频控制器，接入四象限变频控制器提供的励磁；同时关闭无刷双馈轴带发电系统短时过载控制装置，切除其三相可控整流器提供的励磁。

4.如权利要求3所述的无刷双馈轴带发电系统短时过载控制方法，其特征在于，步骤(2)所述的电流的标称范围取系统额定电流的1.8～2.5倍，电压的标称范围取系统额定电压的90％～94％。

5.如权利要求3或4所述无刷双馈轴带发电系统短时过载控制方法，其特征在于，通过启动四象限变频控制器控制单元发送到其功率单元的触发脉冲来启动四象限变频控制器；通过封锁四象限变频控制器控制单元发送到功率单元的触发脉冲关闭四象限变频控制器。