CN111555421A - 基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，包括励磁控制器、直流发电机和直流稳压器，励磁控制器和直流稳压器与绝缘栅双极型晶体管驱动器连接，绝缘栅双极型晶体管驱动器是驱动绝缘栅双极型晶体管模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护，绝缘栅双极型晶体管驱动与控制板连接，励磁控制器输入110V的直流电压，直流稳压器输出600V的直流电压。本发明提出一种基于自励原理的直流电动机再生制动电路，同时可将再生的能量存储在超级电容或者蓄电池中，构成直流电动机发电电源系统，以供其它用电设备使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统。
背景技术
直流电动机以其良好的调速性能在工业领域依然有着广泛的应用。在很多应用场合，直流电动机频繁工作于制动工况，而传统的机械制动、反接制动、能耗制动等制动方式耗费大量的能量。
为了精确的控制发出的直流电压，现有的励磁控制器采用斩波电路控制其励磁电流，电枢输出回路采用直流升压电路，即由励磁回路与电枢回路的共同控制，实现发电电压的稳定。由于电机励磁回路的内阻一般较小，如果采用传统的斩波电路，会使得斩波器的占空比过小，且其占空比调整范围很小，闭环控制时影响其精度和稳定运行。
发明内容
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，包括励磁控制器、直流发电机和直流稳压器，励磁控制器和直流稳压器与绝缘栅双极型晶体管驱动器连接，绝缘栅双极型晶体管驱动器是驱动绝缘栅双极型晶体管模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护，绝缘栅双极型晶体管驱动与控制板连接，励磁控制器输入110V的直流电压，直流稳压器输出600V的直流电压。本发明通过励磁控制器和直流稳压器的两级电压控制，即可以使该直流发电系统兼容低速与高速工况。待电枢输出端110VDC直流电压建立后，利用接触器将其加到励磁绕组的输入端，实现电机发电自励运行。
本发明的进一步改进在于：制动工况时，励磁控制器使直流电机电枢发出较低的相对稳定的直流电压，在电机输出端（电枢）通过直流升压电路以获得最终需要的600VDC直流电源。励磁控制器通过对开关管IGBT进行周期性的通、断控制，将DC110V变换为0～110VDC可调输出，为励磁绕组提供电源。调整励磁回路的电流大小，低速区段时增大励磁电流，高速区段时减小励磁电流，以使电机在不同转速工况下发出相对稳定的直流电压，可设定为110VDC。励磁控制器包括第一H桥逆变器、第一隔离变压器和第一不可控整流器，第一H桥逆变器输入110V的直流电压，第一不可控整流器的输出端连接第一电流传感器，第一不可控整流器输出600V的直流电压，第一H桥逆变器和第一电流传感器连接第一控制与驱动器，第一控制与驱动器连接第一电压传感器。
本发明的进一步改进在于：直流稳压器采用带升压隔离变压器的H桥DC/DC变换电路，将发电机电枢端得到的DC110V稳压输出为DC600V，为后级逆变器提供稳定的直流电源。直流稳压器包括第二H桥逆变器、第二隔离变压器和第二不可控整流器，第二H桥逆变器的输入端连接第一滤波电感和第一滤波电容，第二不可控整流器的输出端连接第二滤波电感、第二滤波电容、第二电流传感器和第二电压传感器，第二H桥逆变器输入110V的直流电压，第二不可控整流器输出600V的直流电压，第二H桥逆变器、第二电流传感器和第二电压传感器连接第二控制与驱动器。
本发明的有益效果为：本发明提出一种基于自励原理的直流电动机再生制动电路，同时可将再生的能量存储在超级电容或者蓄电池中，构成直流电动机发电电源系统，以供其它用电设备使用。
附图说明：
图1为发明的电气原理图；
图2为励磁控制器的电气原理图；
图3为直流稳压器的电气原理图；
图4为仿真电路图；
图5为电机转速为400r/min时的结果图；
图6为电机转速为1500r/min时的结果图；
图中标号：1-励磁控制器、1-1-第一H桥逆变器、1-2-第一隔离变压器、1-3-第一不可控整流器、1-4-第一电流传感器、1-5-第一控制与驱动器、1-6-第一电压传感器、2-直流发电机、3-直流稳压器、3-1-第二H桥逆变器、3-2-第二隔离变压器、3-3-第二不可控整流器、3-4-第一滤波电感、3-5-第一滤波电容、3-6-第二滤波电感、3-7-第二滤波电容、3-8-第二电流传感器、3-9-第二电压传感器、3-10-第二控制与驱动器、4-绝缘栅双极型晶体管驱动器、5-控制板。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，包括励磁控制器1、直流发电机2和直流稳压器3，励磁控制器1和直流稳压器3与绝缘栅双极型晶体管驱动器4连接， 绝缘栅双极型晶体管驱动器4是驱动绝缘栅双极型晶体管模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护，绝缘栅双极型晶体管驱动器4与控制板5连接，励磁控制器1输入110V的直流电压，直流稳压器3输出600V的直流电压。
励磁控制器1的输入电压为110VDC，输出电流为0～200A，额定功率为2kW，开关频率为10kHZ～20kHZ，控制电压为110V。励磁控制器1包括第一H桥逆变器1-1、第一隔离变压器1-2和第一不可控整流器1-3，第一H桥逆变器1-1输入110V的直流电压，第一不可控整流器1-3的输出端连接第一电流传感器1-4，第一不可控整流器1-3输出600V的直流电压，第一H桥逆变器1-1和第一电流传感器1-4连接第一控制与驱动器1-5，第一控制与驱动器1-5连接第一电压传感器1-6。为了使占空比有一个较宽的调整范围，可采用带高频隔离变压器的DC/DC变换电路。110VDC输入经全控型开关管IGBT和反并联二极管组成的H桥逆变成方波，经隔离变压器降压，然后由不控整流电路输出给励磁绕组供电。通过检测电机端电压和励磁绕组的电流进行电压电流双闭环控制，调整H桥IGBT的PWM驱动脉冲宽度来调节励磁电流大小，进而使发电机输出稳定在110VDC。电气原理图如图2所示。
励磁控制器1采用隔离变压器实现DC/DC降压斩波，避免了传统BUCK降压斩波电路斩波脉宽过小和控制稳定性的问题。同时，为了兼顾电机在大范围的转速内实现输出电压稳定，引入励磁电流和电枢输出电压的闭环控制，提高了电机发电电压的控制精度。
直流稳压器3的输入电压为90～110VDC，额定输出电压为600 VDC，输出功率为30kW，开关频率为5kHZ。直流稳压器3包括第二H桥逆变器3-1、第二隔离变压器3-2和第二不可控整流器3-3，第二H桥逆变器3-1的输入端连接第一滤波电感3-4和第一滤波电容3-5，第二不可控整流器3-3的输出端连接第二滤波电感3-6、第二滤波电容3-7、第二电流传感器3-8和第二电压传感器3-9，第二H桥逆变器3-1输入110V的直流电压，第二不可控整流器3-3输出600V的直流电压，第二H桥逆变器3-1、第二电流传感器3-8和第二电压传感器3-9连接第二控制与驱动器3-10。升压电路将发电机发出的直流110V（发电机工作转速400-1850RPM）滤波后经全控型开关管IGBT和反并联二极管组成的H桥逆变成方波，经隔离变压器升压，然后由不控整流电路及滤波电路输出DC600V给负载供电。通过检测输出侧的直流电压进行闭环控制，调整H桥IGBT的PWM驱动脉冲宽度来调节输出电压稳定在DC600V。电气原理图如图3所示。
直流稳压器3采用带隔离变压器的单相桥式电路，通过合理的选择变压器的变比，同时控制单相桥的占空比，避免了传统BOOST升压电路用到的电感与电容的参数适应性差与体积较大的问题。同时，由于采用了高频脉冲变压器，变压器体积将大大减小。
为了验证上述方案的有效性，并进一步考察各个环节的相关参数，在MATLAB/Simulink下进行了系统仿真，仿真电路如图4所示。
其仿真参数为：
输入Udc：启动时由蓄电池提供110VDC，启动后切换到自励模式，输出电压：600VDC，输出功率： 30kW，负载电阻R：12Ω，开关频率：5kHz。
如图5所示，电机转速400r/min时，励磁电流约210A时，可发出电枢电压为110VDC，升压后输出600VDC直流电压，负载电阻为12欧姆，负载功率约为30kW。此时电机输出端的电枢电流约为273A。
如图6所示，电机转速为1500r/min时，励磁电流约为57A时，可发出电枢电压为110VDC，升压后输出600VDC直流电压，负载电阻为12欧姆，负载功率约为30kW。此时电机输出端的电枢电流约为272A。
上述仿真分析结果进一步验证了所提直流电动机发电电源系统的可行性与有效性。
本发明制动时存在超级电容，电动时由超级电容释放能量，是绿色节能型设备。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (3)
1.一种基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，其特征在于：包括励磁控制器（1）、直流发电机（2）和直流稳压器（3），所述励磁控制器（1）和直流稳压器（3）与绝缘栅双极型晶体管驱动器（4）连接，所述绝缘栅双极型晶体管驱动器（4）是驱动绝缘栅双极型晶体管模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护，所述绝缘栅双极型晶体管驱动器（4）与控制板（5）连接，所述励磁控制器（1）输入110V的直流电压，所述直流稳压器（3）输出600V的直流电压。
2.根据权利要求1所述基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，其特征在于：所述励磁控制器（1）包括第一H桥逆变器（1-1）、第一隔离变压器（1-2）和第一不可控整流器（1-3），所述第一H桥逆变器（1-1）输入110V的直流电压，所述第一不可控整流器（1-3）的输出端连接第一电流传感器（1-4），所述第一不可控整流器（1-3）输出600V的直流电压，所述第一H桥逆变器（1-1）和所述第一电流传感器（1-4）连接第一控制与驱动器（1-5），所述第一控制与驱动器（1-5）连接第一电压传感器（1-6）。
3.根据权利要求1所述基于自励原理的直流电动机发动机的发电系统，其特征在于：所述直流稳压器（3）包括第二H桥逆变器（3-1）、第二隔离变压器（3-2）和第二不可控整流器（3-3），所述第二H桥逆变器（3-1）的输入端连接第一滤波电感（3-4）和第一滤波电容（3-5），所述第二不可控整流器（3-3）的输出端连接第二滤波电感（3-6）、第二滤波电容（3-7）、第二电流传感器（3-8）和第二电压传感器（3-9），所述第二H桥逆变器（3-1）输入110V的直流电压，所述第二不可控整流器（3-3）输出600V的直流电压，所述第二H桥逆变器（3-1）、所述第二电流传感器（3-8）和所述第二电压传感器（3-9）连接第二控制与驱动器（3-10）。
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