CN109660011A - 一种发电机的辅助供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电机的辅助供电装置，属于电气控制技术领域。装置包括：超级电容、双向直流电DC/DC变换器和控制器，双向DC/DC变换器分别与超级电容和直流母排电连接，直流母排分别与逆变器和整流器电连接，逆变器与电机电连接，整流器与发电机电连接，控制器用于，分别对超级电容的电压和直流母排的电压进行采样，比较超级电容的电压和直流母排的电压，基于比较结果，控制直流母排通过双向DC/DC变换器向超级电容充电、或者控制超级电容通过双向DC/DC变换器向直流母排放电。本发明能够利用回馈的能量辅助发电机供电，使发电机平稳过渡，从而避免发电机过载，同时改善了柴油机发电机的污染排放达到了降低噪音的效果。

Description

一种发电机的辅助供电装置
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，特别涉及一种发电机的辅助供电装置。
背景技术
目前，舰船等船舶上的设备电源一般由柴油发电机等发电机供电。其供电过程包括：发电机发电产生交流电，经整流器整流为直流电，直流电经直流母排(也称母线)输送至逆变器，经逆变器转换为交流电提供给驱动用电设备的电机。
当某型用电设备需要多台较大功率的电机同时工作时，电机需要很大的输入功率。这种情形下，在电机突然启动、突然加速、或者波浪的干扰(舰船由于波浪的作用将向下运动，这时电机做功需要较大的输入功率)造成负荷突变的瞬间，常常会造成柴油机过负荷，这时，柴油机的排气管喷黑烟，造成机舱环境污染；在恶劣情况时，甚至会造成柴油发电机停机。
发明内容
本发明实施例提供了一种发电机的辅助供电装置，能够利用回馈的能量辅助发电机供电，使发电机平稳过渡，从而避免发电机过载，同时改善了柴油机发电机的污染排放达到了降低噪音的效果。所述技术方案如下：
本发明提供了一种发电机的辅助供电装置，所述装置包括：
超级电容，
双向直流电DC/DC变换器，
控制器，
所述双向直流电DC/DC变换器分别与所述超级电容和直流母排电连接，所述直流母排分别与逆变器和整流器电连接，所述逆变器与电机电连接，所述整流器与发电机电连接，
所述控制器用于，分别对所述超级电容的电压和所述直流母排的电压进行采样，比较所述超级电容的电压和所述直流母排的电压，基于比较结果，控制所述直流母排通过所述双向DC/DC变换器向所述超级电容充电、或者控制所述超级电容通过所述双向DC/DC变换器向所述直流母排放电。
可选地，所述双向直流DC/DC变换器包括：第一晶体三极管VT1、第二晶体三极管VT2、第一晶体二极管D1、第二晶体二极管D2、电感L、支撑电容C和限流电阻R，
所述第一晶体三极管VT1和所述第一晶体二极管D1构成第一支路，所述第一支路的第一端为所述第一晶体三极管VT1的集电极与所述第一晶体二极管D1的负极的连接点，所述第一支路的第二端为所述第一晶体三极管VT1的发射极与所述第一晶体二极管D1的正极的连接点，所述第一晶体三极管VT1的基极接地，
所述第二晶体三极管VT2和所述第二晶体二极管D2构成第二支路，所述第二支路的第一端为所述第二晶体三极管VT2的集电极与所述第二晶体二极管D2的负极的连接点，所述第二支路的第二端为所述第二晶体三极管VT2的发射极与所述第二晶体二极管D2的正极的连接点，所述第二晶体三极管VT2的基极接地，
所述电感L的第一端与所述超级电容的第一端电连接，所述电感L的第二端与所述第一支路的第二端电连接，所述第一支路的第一端与所述限流电阻R的第一端电连接，所述限流电阻R的第二端与所述支撑电容C的第一端电连接，所述支撑电容C的第二端与所述超级电容的第二端电连接，所述第二支路的第一端与所述电感L和所述第一支路的连接点电连接，所述第二支路的第二端与所述超级电容和所述支撑电容C的连接点电连接，所述第一支路与限流电阻R的连接点、以及所述支撑电容C与所述超级电容的连接点分别与所述直流母排电连接。
可选地，所述电感L的电感值大于或等于，
Ud为所述直流母排的平均工作电压，f为晶体三极管的斩波频率，Id为所述直流母排输出的平均电流。
可选地，所述支撑电容的电容值为，
S为Ud的纹波系数。
可选地，所述控制器用于，
当所述直流母排的电压大于第一电压时，保持所述第一晶体三极管VT1导通和所述第二晶体三极管VT2断开，并在第一时段后，保持所述第一晶体三极管VT1断开和所述第二晶体三极管VT2断开；
当所述直流母排的电压小于第二电压、且所述超级电容的电压大于第三电压时，保持所述第一晶体三极管VT1断开和所述第二晶体三极管VT2导通，并在第二时段后，保持所述第一晶体三极管VT1断开和所述第二晶体三极管VT2断开；
所述第一电压大于所述第二电压，所述第二电压大于所述第三电压，所述第一电压为启动所述超级电容充电的最高电压值，所述第二电压为启动所述超级电容放电的最低电压值，所述第三电压为所述超级电容正常放电时的最低放电电压。
可选地，所述控制器用于，
接收电机启动指示，所述电机启动指示包括逆变器标识；
基于所述电机启动指示，启动所述逆变器标识指示的逆变器。
可选地，所述控制器用于，
接收电机停机指示，所述电机停机指示包括逆变器标识；
基于所述电机停机指示，关闭所述逆变器标识指示的逆变器。
可选地，所述装置还包括显示模块，
所述控制器还用于，向所述显示模块发送显示信息，所述显示信息包括采样得到的超级电容的电压和直流母排的电压；
所述显示模块用于，显示所述显示信息。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过分别对超级电容的电压和直流母排的电压进行采样，能够获取超级电容的电压和直流母排的实时电压；比较超级电容的电压和直流母排的电压，可以了解超级电容的实时电压和直流母排的实时电压之间的大小关系；基于比较结果，控制直流母排通过双向DC/DC变换器向超级电容充电、或者控制超级电容通过双向DC/DC变换器向直流母排放电；这样，当直流母排的实时电压超过一定范围时，意味着供电系统存在回馈的能量，这时，可以控制直流母排通过双向DC/DC变换器向超级电容充电，将回馈的能量储存起来；而当直流母排的实时电压低于一定范围，且超级电容的实时电压超过一定范围时，意味着发电机可能过载，可以控制超级电容通过双向DC/DC变换器向直流母排放电，释放储存的能量，辅助发电机供电，使发电机平稳过渡，从而避免发电机过载，同时改善了柴油机发电机的污染排放达到了降低噪音的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的供电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种发电机的辅助供电装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的控制器控制超级电容充放电的工作流程的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为便于理解本发明实施例提供的一种发电机的辅助供电装置，首先介绍一下供电系统。参见图1，供电系统包括直流母排100、逆变器101、整流器102、电机103和发电机(图未示出)。直流母排100分别与逆变器101和整流器102电连接，逆变器101与电机103电连接，整流器102与发电机电连接。供电过程包括：发电机发电产生交流电，经整流器102整流为直流电，直流电经直流母排100输送至逆变器101，经逆变器101转换为交流电提供给驱动用电设备的电机103。发电机可以是柴油发电机。电机103可以是大功率电机。本发明实施例提供的发电机的辅助供电装置，适用于该供电系统的发电机。
其中，某些情形下，例如电机103制动减速运行时将作为发电机发电，这将在供电系统中引起短时的大能量回馈。能量将通过逆变器101反馈到直流母排100上。传统技术中，将采用制动电阻与直流母排100电连，以通过制动电阻发热的形式消耗掉回馈的能量，这会造成了极大的能源浪费。本发明实施例提供的发电机的辅助供电装置，将充分利用到该回馈的能量。
图2示出了本发明实施例提供的一种发电机的辅助供电装置。参见图2，该辅助供电装置包括：超级电容1、双向DC(Direct Current，直流电)/DC变换器2、以及控制器3。其中，双向DC/DC变换器2分别与超级电容1和直流母排100电连接。直流母排100分别与逆变器101和整流器102电连接，逆变器101与电机103电连接，整流器102与发电机电连接。控制器3用于：分别对超级电容1的电压和直流母排100的电压进行采样；比较超级电容1的电压和直流母排100的电压；基于比较结果，控制直流母排100通过双向DC/DC变换器2向超级电容1充电、或者控制超级电容1通过双向DC/DC变换器2向直流母排100放电。
通过分别对超级电容1的电压和直流母排100的电压进行采样，能够获取超级电容1的电压和直流母排100的实时电压；比较超级电容1的电压和直流母排100的电压，可以了解超级电容1的实时电压和直流母排100的实时电压之间的大小关系；基于比较结果，控制直流母排100通过双向DC/DC变换器2向超级电容1充电、或者控制超级电容1通过双向DC/DC变换器2向直流母排100放电；这样，当直流母排100的实时电压超过一定范围时，意味着供电系统存在回馈的能量，这时，可以控制直流母排100通过双向DC/DC变换器2向超级电容1充电，将回馈的能量储存起来；而当直流母排100的实时电压低于一定范围，且超级电容1的实时电压超过一定范围时，意味着发电机可能过载，可以控制超级电容1通过双向DC/DC变换器2向直流母排100放电，释放储存的能量，辅助发电机供电，使发电机平稳过渡，从而避免发电机过载，同时改善了柴油机发电机的污染排放达到了降低噪音的效果，还降低了柴油发电机组对柴油的消耗，从而达到节能降耗的效果。
此外，在能量回馈时能够及时的吸收回馈的能量，在大功率电机103在负载载荷变化而消耗能量时及时释放能量达到节能的目的。并且，由于可以重复吸收回馈的能力，因此其吸收能量的效率大于常规制动电阻热消耗的效率，这将改善电机103的减速制动性能。
示例性地，超级电容1为多个电容串并联形成的电容组。
示例性地，图3为本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的结构示意图。参见图3，双向DC/DC变换器2包括：第一晶体三极管VT1、第二晶体三极管VT2、第一晶体二极管D1、第二晶体二极管D2、电感L、支撑电容C和限流电阻R。其中，第一晶体三极管VT1和第一晶体二极管D1构成第一支路，第一支路的第一端为第一晶体三极管VT1的集电极与第一晶体二极管D1的负极的连接点，第一支路的第二端为第一晶体三极管VT1的发射极与第一晶体二极管D1的正极的连接点，第一晶体三极管VT1的基极接地。第二晶体三极管VT2和第二晶体二极管D2构成第二支路，第二支路的第一端为第二晶体三极管VT2的集电极与第二晶体二极管D2的负极的连接点，第二支路的第二端为第二晶体三极管VT2的发射极与第二晶体二极管D2的正极的连接点，第二晶体三极管VT2的基极接地。电感L的第一端与超级电容的第一端电连接，电感L的第二端与第一支路的第二端电连接，第一支路的第一端与限流电阻R的第一端电连接，限流电阻R的第二端与支撑电容C的第一端电连接，支撑电容C的第二端与超级电容的第二端电连接，第二支路的第一端与电感L和第一支路的连接点电连接，第二支路的第二端与超级电容和支撑电容C的连接点电连接，第一支路与限流电阻R的连接点、以及支撑电容C与超级电容的连接点分别与直流母排电连接。
图3中，双向DC/DC变换器2主要工作在充电和放电两种模式。
在充电模式，直流母排100向超级电容1充电。这时，第二晶体三极管VT2始终断开，当第一晶体三极管VT1导通时，由于直流母排100上的电压大于超级电容1的电压，电流流过电感L，由于电感L具有阻止电流增大的作用，于是在电感L上存储了一定的能量；此时第一晶体三极管VT1断开，存储在电感L上的能量通过第二晶体二极管D2向超级电容1进行充电。
在放电模式，超级电容1向直流母排100放电。这时，第一晶体三极管VT1始终断开，当第二晶体三极管VT2导通时，超级电容1作为电源，电流流过电感L，由于电感L具有阻止电流增大的作用，于是在电感L上存储了一定的能量；此时第二晶体三极管VT2断开，存储在电感L上的能量通过第一晶体二极管D1向直流母排100进行放电。
需要说明的时，在选择超级电容1的工作参数如容量时，考虑以最恶劣情况回馈的最大能量，并预留1.5倍余量，确保整个工作过程中不会造成超级电容1能量存满。以最恶劣情况回馈的最大能量是指，供电系统中所有电机同时减速作为发电机时发电反馈的能量。
其中，电感L、和支撑电容C的存在，确保了充电过程和放电过程的可靠执行，提高了设备的可靠性。在电感L参数的选取上需满足临界电感值Ud为直流母排100的平均工作电压，f为晶体三极管(第一晶体三极管VT1或第二晶体三极管VT2)的斩波频率，Id为直流母排100输出的平均电流。支撑电容C参数的选取要考虑直流母排100上的电压Ud的纹波系数S(S通常为1％)，按极端情况计算，取
示例性地，电感L的电感值大于或等于，
示例性地，支撑电容C的电容值为，
通过上述双向DC/DC变换器2的结构，能够确保超级电容器1平稳充电和放电，这将延长超级电容1的使用寿命。
示例性地，基于图3示出双向DC/DC变换器，控制器3用于，当直流母排100的电压大于第一电压时，保持第一晶体三极管VT1导通和第二晶体三极管VT2断开，并在第一时段后，保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2断开；当直流母排100的电压小于第二电压、且超级电容1的电压大于第三电压时，保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2导通，并在第二时段后，保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2断开。其中，第一电压大于第二电压，第二电压大于第三电压，第一电压为启动超级电容1充电的最高电压值，第二电压为启动超级电容1放电的最低电压值，第三电压为超级电容1正常放电时的最低放电电压。
其中，第一时段可以是，从直流母排100的电压大于第一电压开始，到直流母排100的电压等于第一电压结束的时间段。第二时段可以是，从直流母排100的电压小于第二电压、且超级电容1的电压大于第三电压开始，到直流母排100的电压等于第二电压结束的时间段，或者，第二时段可以是，从直流母排100的电压小于第二电压、且超级电容1的电压大于第三电压开始，到超级电容1的电压等于第三电压结束的时间段。
示例性地，第一电压为直流母排100额定电压的1.2倍，第二电压为直流母排100额定电压的0.85倍。第三电压可以对超级电容1进行测试得到。
具体地，控制器3通过驱动电路分别与第一晶体三极管VT1和第二晶体三极管VT2连接，并通过驱动电路驱动第一晶体三极管VT1和第二晶体三极管VT2导通或者断开。驱动电路用于生成脉冲信号。
图4示出了控制器控制超级电容充放电的工作流程，该工作流程的执行主体为控制器，包括如下步骤11-步骤19。
步骤11、上电启动后，首先进行初始化。
步骤12、分别对超级电容和直流母排的实时电压进行连续采样。
示例性地，控制器可以通过信号检测电路分别对超级电容和直流母排的实时电压进行连续采样。信号检测电路包括传感器电路。
假设采样得到的超级电容的实时电压为Uc，直流母排的实时电压为Ud。
步骤13、比较采样获得的Ud与Udmax。
其中，Udmax为第一电压。如果Ud＞Udmax，那么执行步骤14。如果Ud≤Udmax，那么执行步骤15。
步骤14、启动充电模式对超级电容进行充电。
具体地，控制器保持第一晶体三极管VT1导通和第二晶体三极管VT2断开，并在第一时段后，保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2断开。
步骤15、比较Ud与Udmin。
其中，Udmin为第二电压。如果Ud＜Udmin，那么执行步骤16。如果Ud＜Udmin，那么控制器自动返回进行下一次工作流程。
步骤16、比较Uc与Ucmin。
其中，Ucmin为第三电压。如果Uc＞Ucmin，那么执行步骤17。如果Uc≤Ucmin，那么控制器自动返回进行下一次工作流程。
步骤17、启动放电模式对超级电容进行放电。
具体地，控制器保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2导通，并在第二时段后，保持第一晶体三极管VT1断开和第二晶体三极管VT2断开。
步骤18、接收停机指示。
步骤18在步骤12-步骤17之前或之后均可以执行，即控制器在任何时候检测是否接收停机指示。在步骤18后，执行步骤19。
步骤19、控制停机。
示例性地，参见图2，该装置还包括显示模块4。控制器3还用于，向显示模块4发送显示信息，该显示信息包括采样得到的超级电容的电压和直流母排的电压。显示模块4用于，显示显示信息。
具体地，控制器3可以通过发送模块向显示模块4发送显示信息。
其中，控制器3还可以控制各个电机的启停。
示例性地，控制器3还用于，接收电机启动指示，电机启动指示包括逆变器标识；基于电机启动指示，启动逆变器标识指示的逆变器。
示例性地，控制器3用于，接收电机停机指示，电机停机指示包括逆变器标识；基于电机停机指示，关闭逆变器标识指示的逆变器。
具体地，控制器3可以通过接收模块接收电机启动指示或者电机停机指示。
示例性地，控制器3向显示模块4发送的显示信息还可以包括电机运行指示、以及电机过载指示。控制器3在启动逆变器标识指示的逆变器后，向显示模块4发送电机运行指示，该电机运行指示包括逆变器标识对应的电机标识。控制器3采样各个逆变器的工作电流，并将采样的逆变器的工作电流与电流阈值进行比对，假若逆变器的工作电流大于电流阈值，则控制器3向显示模块4发送电机过载指示，该电机过载指示包括逆变器标识对应的电机标识。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发电机的辅助供电装置，其特征在于，所述装置包括：
超级电容，
双向直流电DC/DC变换器，
控制器，
所述双向直流电DC/DC变换器分别与所述超级电容和直流母排电连接，所述直流母排分别与逆变器和整流器电连接，所述逆变器与电机电连接，所述整流器与发电机电连接，
所述控制器用于，分别对所述超级电容的电压和所述直流母排的电压进行采样，比较所述超级电容的电压和所述直流母排的电压，基于比较结果，控制所述直流母排通过所述双向DC/DC变换器向所述超级电容充电、或者控制所述超级电容通过所述双向DC/DC变换器向所述直流母排放电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双向直流DC/DC变换器包括：第一晶体三极管(VT1)、第二晶体三极管(VT2)、第一晶体二极管(D1)、第二晶体二极管(D2)、电感(L)、支撑电容(C)和限流电阻(R)，
所述第一晶体三极管(VT1)和所述第一晶体二极管(D1)构成第一支路，所述第一支路的第一端为所述第一晶体三极管(VT1)的集电极与所述第一晶体二极管(D1)的负极的连接点，所述第一支路的第二端为所述第一晶体三极管(VT1)的发射极与所述第一晶体二极管(D1)的正极的连接点，所述第一晶体三极管(VT1)的基极接地，
所述第二晶体三极管(VT2)和所述第二晶体二极管(D2)构成第二支路，所述第二支路的第一端为所述第二晶体三极管(VT2)的集电极与所述第二晶体二极管(D2)的负极的连接点，所述第二支路的第二端为所述第二晶体三极管(VT2)的发射极与所述第二晶体二极管(D2)的正极的连接点，所述第二晶体三极管(VT2)的基极接地，
所述电感(L)的第一端与所述超级电容的第一端电连接，所述电感(L)的第二端与所述第一支路的第二端电连接，所述第一支路的第一端与所述限流电阻(R)的第一端电连接，所述限流电阻(R)的第二端与所述支撑电容(C)的第一端电连接，所述支撑电容(C)的第二端与所述超级电容的第二端电连接，所述第二支路的第一端与所述电感(L)和所述第一支路的连接点电连接，所述第二支路的第二端与所述超级电容和所述支撑电容(C)的连接点电连接，所述第一支路与限流电阻(R)的连接点、以及所述支撑电容(C)与所述超级电容的连接点分别与所述直流母排电连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电感(L)的电感值大于或等于，
Ud为所述直流母排的平均工作电压，f为晶体三极管的斩波频率，Id为所述直流母排输出的平均电流。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支撑电容(C)的电容值为，
S为Ud的纹波系数。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制器用于，
当所述直流母排的电压大于第一电压时，保持所述第一晶体三极管(VT1)导通和所述第二晶体三极管(VT2)断开，并在第一时段后，保持所述第一晶体三极管(VT1)断开和所述第二晶体三极管(VT2)断开；
当所述直流母排的电压小于第二电压、且所述超级电容的电压大于第三电压时，保持所述第一晶体三极管(VT1)断开和所述第二晶体三极管(VT2)导通，并在第二时段后，保持所述第一晶体三极管(VT1)断开和所述第二晶体三极管(VT2)断开；
所述第一电压大于所述第二电压，所述第二电压大于所述第三电压，所述第一电压为启动所述超级电容充电的最高电压值，所述第二电压为启动所述超级电容放电的最低电压值，所述第三电压为所述超级电容正常放电时的最低放电电压。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器用于，
接收电机启动指示，所述电机启动指示包括逆变器标识；
基于所述电机启动指示，启动所述逆变器标识指示的逆变器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器用于，
接收电机停机指示，所述电机停机指示包括逆变器标识；
基于所述电机停机指示，关闭所述逆变器标识指示的逆变器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块，
所述控制器还用于，向所述显示模块发送显示信息，所述显示信息包括采样得到的超级电容的电压和直流母排的电压；
所述显示模块用于，显示所述显示信息。
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