CN110401366A - 基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，多相永磁发电机包括n组三相绕组，任意一组三相绕组输出交流电均依次经过变换器的预充电模块、滤波器、标准整流模块以及制动模块后输出直流电，直流电连接至直流配电板或直流断路器；n组相同的预充电模块、n组滤相同的波器、n组相同的标准整流模块和n组相同的制动模块分别置于独立的4个柜体内，每个柜体带有一套冷却系统。集成模块化程度高，输出电压高、工程实现难度小，用以实现与原动机直联的多相高速永磁发电机交流输出与中压直流电网间的可控式电能变换。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率变换器技术，特别涉及一种基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器。
背景技术
随着舰船电力设备技术的不断进步以及综合电力系统研究不断深入，综合电力系统设计方案成为未来船舶动力系统发展趋势。船舶综合电力系统将机械推进系统和电力系统合二为一，通过电力网络为推进系统、通信、导航、高能武器系统、日用设备等提供电能，实现了全船能源统一供应、分配、使用和管理。以高速集成中压整流发电技术代表的发电分系统是综合电力系统的核心系统之一，采用中压直流发电可以突破交流频率对原动机转速的限制，不仅可以降低发电系统噪声，而且可以提高发电系统功率密度。在以直流电制为发展趋势的船舶综合电力系统中，高速中压整流发电已成为重要的发展方向。采用高速永磁发电机替代电励磁同步发电机可以消除原动机转速与母线频率之间的相互影响，原动机可与发电机直接连接，无需使用减速齿轮箱或增速齿轮箱，发电机转速可以突破3000rpm的限制，同时高速永磁发电机以高性能永磁材料为核心，具有功率密度高、可靠性好、振动噪声小等优点。
高速集成中压整流模块的一个主要研究方向是高速永磁发电机和可控整流器组合实现的，由于高速永磁发电机励磁不可调节，由永磁体的特性和电机的结构决定，负载变化时，高速永磁发电机的电压不可调节，随负载的增加，交流输出电压会出现较大的降低，故需要对输出电压进行调节，采用可控整流器的优势是可以对输出电压进行闭环控制，控制高速集成中压整流模块成为带下垂特性(可指定电压斜率)的电压源或保持很定电压输出的电压源，同时具有直流输出电压纹波小、交流侧电能品质好等优势。
发明内容
本发明是针对现在大功率电能转换技术适应现有舰船电力系统发展的问题，提出了一种基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其集成模块化程度高，输出电压高、工程实现难度小，用以实现与原动机直联的多相高速永磁发电机交流输出与中压直流电网间的可控式电能变换。
本发明的技术方案为：一种基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，多相永磁发电机包括n组三相绕组，任意一组三相绕组输出交流电均依次经过变换器的预充电模块、滤波器、标准整流模块以及制动模块后输出直流电，直流电连接至直流配电板或直流断路器；n组相同的预充电模块、n组滤相同的波器、n组相同的标准整流模块和n组相同的制动模块分别置于独立的4个柜体内，每个柜体带有一套冷却系统。
所述标准整流模块包括三相四桥臂结构的交直流转换桥臂功率单元、直流端并联的支撑电容、直流端并联的均压电阻及直流端并联的慢放电阻；整流模块将输入的交流电通过可控整流后输出额定直流电压。
所述n组相同的标准整流模块由一一对应的n个协同控制器控制，n个协同控制器控制信号统一由基于PLC的集中式控制器发出。
所述滤波器为正弦波滤波器或dv/dt滤波器，用于降低电机侧电流纹波和抑制电机绕组上的dv/dt。
所述制动模块采用有源箝位三电平单相桥臂拓扑结构，当每个标准整流模块输出电压高于门槛电压时，制动模块工作，利用电阻消耗电能，将直流电压控制在要求的范围内。
本发明的有益效果在于：本发明基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，集成模块化程度高，输出电压高、工程实现难度小，用以实现与原动机直联的多相高速永磁发电机交流输出与中压直流电网间的可控式电能变换。
附图说明
图1为本发明的变换器电气拓扑示例图；
图2为本发明的标准整流模块电气原理图；
图3为本发明的标准整流模块单相桥臂示意图；
图4为本发明的制动模块的电气原理图；
图5为本发明的基于PLC的集中式控制结构示意图。
具体实施方式
如图1所示基于十二相高速永磁发电机的模块化串联组合式变换器电气拓扑示例图，从十二相高速永磁发电机到直流配电板之间依次包括4个相同的预充电模块、4个相同的滤波器、4个相同的标准整流模块、4个相同的制动模块；4个标准整流模块独立成柜，采用有源箝位三电平的拓扑结构；12相高速永磁发电机采用4Y结构，有4套中性点隔离的三相绕组，每套绕组输出的三相交流电与预充电模块连接，预充电模块与进线滤波器连接；每个滤波器输出端对应连接4个相同的标准整流模块；每个标准整流模块输出端串联制动模块后连接至直流配电板/直流断路器。
图1中输入为十二相高速永磁发电机的4套三相绕组，4套三相绕组的中性点相互隔离，其额定线电压为1575V，十二相高速永磁发电机输出的交流电压输入预充电模块和滤波模块后，接入整流模块。交流输入接通瞬间，预充电模块具有限制直流母线电容充电电流的作用，有效的保护整流器的功率器件不被损坏。预充电模块与滤波器相连，滤波器的设置用以降低整流器交流侧波形畸变对电机的干扰，滤波器输出直接连接到标准整流模块输入端。标准整流模块中包括交直流转换的桥臂功率单元、直流端并联的支撑电容、直流端并联的均压电阻及直流端并联的慢放电阻；整流模块将输入的交流电通过可控整流后输出额定电压为2500V的直流电压；每个标准整流模块均设有多重保护功能，包括直流母线过/欠压保护、过流保护、过温保护、母线电压不均衡保护、通信保护等，并根据不同的情况执行不同的保护动作。制动模块设有电压上限门槛电压，当每个标准整流模块输出到直流母线电压高于门槛电压时，制动模块工作，利用电阻消耗电能，将直流母线电压控制在要求的范围内。4个标准整流模块输出依次串联，从中点与端点取电得到额定电压为±5000V的直流母线电压，直流输出连接至中压直流配电板或直流断路器。
装置还包括4个独立柜体，每个柜体包括换热器、闭式循环水冷系统和外循环冷却水系统；标准整流模块、预充电模块、滤波器、制动模块均分别置于一个柜体内；闭式循环水冷系统设置于柜体内用于吸收柜体内功率器件及其他无源器件的热量，并将带走的热量通过换热器传递给柜体外部的外循环冷却水系统。闭式水冷系统包括水泵、热交换器、膨胀箱、水质处理回路，以及温度检测装置、电导率检测装置、压力检测装置，当检测装置检测到异常时，控制系统报警并显示异常状态。
滤波器为正弦波滤波器或dv/dt滤波器(限制电压率上升和在绕组的瞬态电压尖峰达到非临界值)，用于降低电机侧电流纹波和抑制电机绕组上的dv/dt。
所述的制动模块采用有源箝位三电平桥臂的斩波电路结构；斩波电路输出端直接连接制动电阻。
图2所示为标准整流模块的电气原理图，为三相四桥臂结构。A、B、C为标准整流模块的输入，连接至高速永磁发电机三相绕组的交流输出。T1A(T’1A)-T6A(T’6A)、T1B(T’1B)-T6B(T’6B)、T1C(T’1C)-T6C(T’6C)分别为组成标准整流模块的18×2个带反并联二极管的功率开关器件IGBT，其中T1A和T’1A并联连接。Cd1、Cd2为标准整流模块的直流支撑电容，Rd1、Rd2为标准整流模块的直流均压电阻，R1、R2为标准整流模块的直流慢放电阻。标准整流模块输出端+DC、0、-DC与制动模块连接。图3所示为标准整流模块单相桥臂示意图。1为散热器，共6个。2为功率开关IGBT器件，共12个。3为功率器件驱动，共12个。4为信号分配电路板，共1个。5为辅助供电，共1个。
图4所示为制动模块的电气原理图，为便于模块化设计，制动模块采用有源箝位三电平单相桥臂拓扑，T1D-T6D为组成制动模块6个带反并联二极管的功率开关器件IGBT，R1D、R2D为制动电阻。制动模块的输入端+DC、0、-DC与标准整流模块的输出端相连，输出端与其他制动模块依次串联后，连接至直流配电板/直流断路器。
图5所示为1个基于PLC的集中式控制器、4个协同控制器和1个解码扩展板；主控制器采用PLC工控机、外扩ADC和PWM板卡，所有控制算法都在主控制器内实现；协同控制器包括DSP、FPGA和AD，解码扩展板包括解码芯片和DSP；基于PLC的集中式控制器和4个协同控制器以及解码扩展板采用基于光纤的工业以太网进行通信。
控制器采用基于PLC的集中式控制器处理所有的控制算法，核心控制芯片采用PLC，界面友好，通信和接口资源丰富，计算能力强；使用外扩功能块实现资源的扩充，扩充PWM模块、AD模块、速度位置模块等，弥补了PLC专用模块少的缺点。采用基于以太网的工业以太网通信方式，采用EtherCAT协议，具有周期数据传输功能和同步机制，速度快，数据量大。整流器的控制信号、数据信号和检测信号均采用光纤传输，抗干扰能力强，较好的满足大功率变频装置的电磁兼容要求。控制系统及每个桥臂的辅助供电电路均采用隔离供电，整流器强电与弱电分离。采用多组隔离三相绕组输入、直流输出串联的结构，提高了整流器直流输出电压能力，满足船舶中压直流系统的技术指标要求。
Claims (5)
1.一种基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其特征在于，多相永磁发电机包括n组三相绕组，任意一组三相绕组输出交流电均依次经过变换器的预充电模块、滤波器、标准整流模块以及制动模块后输出直流电，直流电连接至直流配电板或直流断路器；n组相同的预充电模块、n组滤相同的波器、n组相同的标准整流模块和n组相同的制动模块分别置于独立的4个柜体内，每个柜体带有一套冷却系统。
2.根据权利要求1所述基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其特征在于，所述标准整流模块包括三相四桥臂结构的交直流转换桥臂功率单元、直流端并联的支撑电容、直流端并联的均压电阻及直流端并联的慢放电阻；整流模块将输入的交流电通过可控整流后输出额定直流电压。
3.根据权利要求2所述基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其特征在于，所述n组相同的标准整流模块由一一对应的n个协同控制器控制，n个协同控制器控制信号统一由基于PLC的集中式控制器发出。
4.根据权利要求1所述基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其特征在于，所述滤波器为正弦波滤波器或dv/dt滤波器，用于降低电机侧电流纹波和抑制电机绕组上的dv/dt。
5.根据权利要求1所述基于多相永磁发电机的模块化串联组合式变换器，其特征在于，所述制动模块采用有源箝位三电平单相桥臂拓扑结构，当每个标准整流模块输出电压高于门槛电压时，制动模块工作，利用电阻消耗电能，将直流电压控制在要求的范围内。
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