CN105207555A - 一种数字式发电机自动调节系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式发电机自动调节系统，包括柴油机和与其连接的同步发电机，同步发电机通过其三次谐波绕组与第一旋转整流器连接，同步发电机通过其励磁绕组与第二旋转整流器连接，第一旋转整流器一端与功率开关管的源极连接，功率开关管的漏极和第一旋转整流器另一端之间并联连接励磁机的励磁绕组，励磁机的励磁绕组与励磁机的电枢绕组一端耦合相接，励磁机的电枢绕组另一端与第二旋转整流器连接，功率开关管的栅极与主控驱动电路连接，主控驱动电路与DSP控制器连接，DSP控制器输入端与发电机运行采样环节模块连接，发电机运行采样环节模块输入端与同步发电机连接。其具有可靠性高、功能多、性能好、稳定性强、运行维护方便等特点。

Description

一种数字式发电机自动调节系统及其方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种数字式发电机自动调节系统及其方法。

背景技术

发电机组作为备用电源、移动电源广泛地应用于野外等无电网的场合及重要的部门中,其中谐波励磁无刷发电机由于具有电压调整率低、故障少、可靠性高等优点而得到迅速发展。励磁调节器是发电机的重要组成部分,它对保证供电质量具有关键作用。现有的模拟励磁电压调节器具有对电路工艺性要求高、存在温漂现象、功能少、维护不方便等缺点,难以满足用电设备的要求。而且，传统的发电机仅限机械调速，突加及突减负载时不能及时的恢复到正常工作符合的参数值，而且发电机过载时有可以导致发电机超速及熄火，不便于了解并监控发电机使用运行状态和发电机性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种数字式发电机自动调节系统及其方法，其以微型计算机为核心构成,它具有可靠性高、功能多、性能好、稳定性强、运行维护方便等特点，有效解决了现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：包括柴油机和与柴油机连接的同步发电机，所述同步发电机通过其三次谐波绕组与第一旋转整流器连接，所述同步发电机通过其励磁绕组与第二旋转整流器连接，所述第一旋转整流器一端与功率开关管的源极连接，所述功率开关管的漏极和第一旋转整流器另一端之间并联连接励磁机的励磁绕组，所述励磁机的励磁绕组与励磁机的电枢绕组一端耦合相接，所述励磁机的电枢绕组另一端与第二旋转整流器连接，所述功率开关管的栅极与主控驱动电路连接，所述主控驱动电路与DSP控制器连接，所述DSP控制器输入端与发电机运行采样环节模块连接，所述发电机运行采样环节模块输入端与同步发电机连接，所述功率开关管的漏极和源极两端之间还并联有一中间继电器。

上述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述DSP控制器还分别与系统外部总线、输入输出模块和PC机相连接。

上述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述DSP控制器为TMS320F2812芯片。

上述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述主控驱动电路采用的是带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。

上述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述发电机运行采样环节模块包括电压互感器、电流互感器。

上述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述输入输出模块为键盘和显示电路。

本发明的有益效果是：

本发明设计了基于TMS320F2812控制的谐波励磁同步发电机的数字电压调节器,通过MOSFET功率器件进行励磁电流的PWM调节。充分利用DSP的快速运算能力和片内丰富的外设资源,使DSP与其他功能模块融合成整体;使用现场总线构建网络,保证通信的高度可靠性和稳定性。该调节器具有可靠性高、功能多、性能好、稳定性强、运行维护方便等特点，有效解决了现有技术的不足。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的励磁调节器系统结构示意框图。

具体实施方式

如图1所示，一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：包括柴油机1和与柴油机1连接的同步发电机2，所述同步发电机2通过其三次谐波绕组3与第一旋转整流器14连接，所述同步发电机2通过其励磁绕组8与第二旋转整流器7连接，所述第一旋转整流器14一端与功率开关管6的源极连接，所述功率开关管6的漏极和第一旋转整流器14另一端之间并联连接励磁机的励磁绕组4，所述励磁机的励磁绕组4与励磁机的电枢绕组5一端耦合相接，所述励磁机的电枢绕组5另一端与第二旋转整流器7连接，所述功率开关管6的栅极与主控驱动电路10连接，所述主控驱动电路10与DSP控制器15连接，所述DSP控制器15输入端与发电机运行采样环节模块9连接，所述发电机运行采样环节模块9输入端与同步发电机2连接，所述功率开关管的漏极和源极两端之间还并联有一中间继电器。

本实施例中，所述DSP控制器15还分别与系统外部总线11、输入输出模块12和PC机13相连接。

本实施例中，所述DSP控制器15为TMS320F2812芯片。它运算速度快,工作时钟频率达150MHz,指令周期可以达到6.67ns以内,功耗低(核心电压1.8V,I/O口电压3.3V)。采用哈佛总线结构,具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理以及统一的寄存器编程模式。

本实施例中，所述主控驱动电路10采用的是带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。调节器输出的控制信号是占空比可调PWM波,用于控制开关管的通断时间,达到调节励磁绕组的励磁电流的目的。由于TMS320F2812的PWM的输出电压就是I/O的电压(3.3V),不能直接去驱动开关管的工作。另一方面,因为主电路电压均为高电压、大电流情况,而控制单元为弱电电路。为了保护DSP不受到主电路的干扰,以提高系统的稳定性。所以,本实施例在TMS320F2812的PWM输出口中加入带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。

本实施例中，所述发电机运行采样环节模块9包括电压互感器、电流互感器。其功能是实现电压和电流信号的采集工作。电压通过电流型精密互感器、电流通过电流互感器转换成为电流信息,再经由运算放大器组成的信号调理电路生成0～3V的电压信号送入DSP的AD转换通道,将模拟量转换成数字量,放入指定单元,供程序调用。

本实施例中，所述输入输出模块12为键盘和显示电路。

图1中,同步发电机2、三次谐波绕组3、励磁绕组8是主发电机部分,励磁机的励磁绕组4、励磁机的电枢绕组5、第二旋转整流器7是励磁机部分。对主发电机而言,励磁机是一个控制源,可以控制主发电机的励磁绕组中励磁电流的大小,由于采用了励磁机和旋转整流器,使电机励磁实现了无刷化。发电机端电压、谐波电压和相电流,通过运行参数采样环节转换成适合于DSPAD转换端口要求的正电压。

利用DSP产生的可控的PWM波来实现对励磁机的励磁电流大小的控制。柴油发电机属于小型发电机,励磁电流一般在十几安培左右,所以本文开关元件采用小功率的MOSFET电力场效应晶体管。电压调节器的工作电压来自发电机的端口电压,只有在发电机两端有电压的前提下,电压调节器才能工作,这就要求在主电路中有一个单独的起励回路,来提供起励电流。在发电机输出端电压达到一定值以后,再自动切换到MOSFET控制的回路。所以本实施例在主电路中加入一个中间继电器,它的常闭触点并接在MOSFET管的D、S两端,将MOSFET管短路,提供一个闭合的起励回路提供给起励使用,在继电器动作前,整流后三次谐波电压全部输出到起动电阻和励磁机的励磁绕组上。随着发电机的输出端电压快速上升,中间继电器的线圈通电,开始动作。在继电器动作后,它的常闭触点自动打开,MOSFET开始导通,励磁电路自动就从不可控切换成由DSP控制的闭环系统。

另外，本实施例借鉴了直流电动机双闭环调速系统的优点,用三次谐波电压输入模拟了直流电动机励磁电流的输入,设计了具有串级闭环结构的新调节器,其系统结构示意框如图2所示。

该系统对发电机的控制由端电压控制器输出和三次谐波控制器输出两部分共同实现,两者是一个线性叠加的关系。在该控制系统中,端电压控制器对发电机的电压输出调节作用是主要的。稳态时,三次谐波电压控制器的输出控制量很小,主要起修正作用。但当发电机的负载发生突变时,三次谐波电压和端电压瞬间都会发生较大的变化,三次谐波电压控制器在整个系统中的作用,将会因为控制输出量的增大和控制频率高这两方面因素,明显增大。

三次谐波对发电机的控制算法,在本实施例中设置成为了一个采用谐波电压控制器变化量的决定的三维空间线性函数,即:Ys(k)=a×ΔU+Kps×ΔUs，其中:Ys(k)是三次谐波输出的控制量;a是端电压偏差关联系数;Kps三次谐波电压控制器的比例系数;ΔU是端电压的偏差值;ΔUs是三次谐波在控制周期内的变化量。这样,发电机端电压变化的时候,该调节器就会一方面提供一个与端电压控制器同向的控制分量,同时还会提供一个与输出线电流有关的控制分量。两个分量叠加在一起,共同用于抑制端电压的变化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：包括柴油机（1）和与柴油机（1）连接的同步发电机（2），所述同步发电机（2）通过其三次谐波绕组（3）与第一旋转整流器（14）连接，所述同步发电机（2）通过其励磁绕组（8）与第二旋转整流器（7）连接，所述第一旋转整流器（14）一端与功率开关管（6）的源极连接，所述功率开关管（6）的漏极和第一旋转整流器（14）另一端之间并联连接励磁机的励磁绕组（4），所述励磁机的励磁绕组（4）与励磁机的电枢绕组（5）一端耦合相接，所述励磁机的电枢绕组（5）另一端与第二旋转整流器（7）连接，所述功率开关管（6）的栅极与主控驱动电路（10）连接，所述主控驱动电路（10）与DSP控制器（15）连接，所述DSP控制器（15）输入端与发电机运行采样环节模块（9）连接，所述发电机运行采样环节模块（9）输入端与同步发电机（2）连接,所述功率开关管（6）的漏极和源极两端之间还并联有一中间继电器（16）。

2.如权利要求1所述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述DSP控制器（15）还分别与系统外部总线（11）、输入输出模块（12）和PC机（13）相连接。

3.如权利要求1所述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述DSP控制器（15）为TMS320F2812芯片。

4.如权利要求1所述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述主控驱动电路（10）采用的是带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。

5.如权利要求1所述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述发电机运行采样环节模块（9）包括电压互感器、电流互感器。

6.如权利要求2所述的一种数字式发电机自动调节系统，其特征在于：所述输入输出模块（12）为键盘和显示电路。