專利名稱：自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，屬于無刷 直流發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直流電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同可以分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。他勵(lì)直流電機(jī) 利用外接直流電源給電機(jī)勵(lì)磁繞組供電。自勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組可以用三
種方式供電勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)(串勵(lì))；勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián) (并勵(lì))；或者勵(lì)磁繞組一部分和電樞繞組串聯(lián)、 一部分和電樞繞組并聯(lián)(復(fù) 勵(lì))。對(duì)于自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，電機(jī)鐵心中必須要有足夠的剩磁使自勵(lì)過程開 始，電機(jī)系統(tǒng)才能正常建壓。而對(duì)于完全依靠電勵(lì)磁磁勢作用的直流電機(jī)， 獲得足夠的剩磁是不容易的。另外，傳統(tǒng)的直流電機(jī)都存在機(jī)械換向裝置、 電刷和滑環(huán)，為有刷結(jié)構(gòu)，^吏用壽命短，且維護(hù)復(fù)雜。高空高速性能差，在 航空等領(lǐng)域難以應(yīng)用于大功率發(fā)電系統(tǒng)。
永磁直流發(fā)電機(jī)利用永磁體勵(lì)磁，不需外接勵(lì)磁源，勵(lì)磁損耗低，效率 高。但是，傳統(tǒng)永磁直流發(fā)電機(jī)也為有刷結(jié)構(gòu)，可靠性和維修性較差。而且， 7JO磁電機(jī)內(nèi)主磁通由永i茲體提供，無法像電勵(lì)》茲電機(jī)一樣通過調(diào)節(jié)勵(lì)f茲電流
調(diào)節(jié)氣隙磁場，因此難以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)和故障保護(hù)。
另 一種方案是由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的永磁同步電機(jī)外接整流裝置構(gòu)成7lc磁無刷
直流發(fā)電機(jī)，這種電機(jī)消除了電刷和滑環(huán)，電機(jī)可靠性高、效率高。但同樣 存在永磁電機(jī)電壓調(diào)節(jié)和故障滅磁困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種易于自勵(lì)建壓且輸出 電壓能夠?qū)挿秶{(diào)節(jié)的自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，釆用如下技術(shù)方案
自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括混合勵(lì)磁無刷直流發(fā) 電機(jī)、濾波電容、二個(gè)電流傳感器、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、輸出電流檢測 調(diào)理電路、輸出電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)壓控制器，其中數(shù)字調(diào)壓控制器的輸出端分別接混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的兩端，混合勵(lì)》茲無刷直 流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的一端設(shè)置第一電流傳感器，第一電流傳感器的輸出端經(jīng) 過勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路后接數(shù)字調(diào)壓控制器的輸入端，混合勵(lì)磁無刷直流 發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)濾波電容濾波后分別接負(fù)載、輸出電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字 調(diào)壓控制器的輸入端，負(fù)載的輸入端線路上設(shè)置第二電流傳感器，第二電流 傳感器的輸出端接輸出電流才企測調(diào)理電路的輸入端，輸出電壓才企測調(diào)理電路 和輸出電流檢測調(diào)理電路的輸出端分別接數(shù)字調(diào)壓控制器的輸入端。
混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)由切向^茲鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三相輸出端 串接整流橋構(gòu)成，切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電樞繞組設(shè)計(jì)為整距繞組， 繞組利用率高，電勢波形為梯形波，經(jīng)過半波或橋式整流輸出可以獲得更為 平滑的直流電，減小濾波器體積重量。
數(shù)字調(diào)壓控制器包括數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)放大隔離電路、勵(lì)磁主電路
和DC/DC輔助電源，其中DC/DC輔助電源的輸入端與勵(lì)磁主電路的輸入端 并聯(lián)，都是由混合勵(lì)^茲無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出直流電經(jīng)過濾波后提供。 DC/DC輔助電源的輸出端分別為輸出電壓檢測調(diào)理電路、輸出電流檢測調(diào) 理電路、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理器和驅(qū)動(dòng)放大隔離電路提供 工作電源，數(shù)字信號(hào)處理器輸出PWM波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大隔離電路控制勵(lì)磁 主電路的開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。
所述的自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述控 制方法采用三環(huán)控制方法，基本環(huán)為電壓反饋環(huán)將給定基準(zhǔn)電壓與反饋電 壓比較后經(jīng)過第一 PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI計(jì)算后輸出勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量；中間環(huán)為 負(fù)載電流反饋環(huán)將檢測得到的輸出負(fù)載電流通過負(fù)載電流大小計(jì)算得到需 要的勵(lì)》茲電流量，將需要的勵(lì)磁電流量與電壓環(huán)輸出的勵(lì)/磁電流調(diào)節(jié)量相加 作為勵(lì)磁電流環(huán)的勵(lì)磁電流給定值；最內(nèi)環(huán)為勵(lì)磁電流反饋環(huán)將檢測得到 的混合勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流與所述勵(lì)磁電流給定值比較后經(jīng)過第二 PI調(diào) 節(jié)器進(jìn)行PI計(jì)算后輸出占空比，數(shù)字調(diào)壓控制器內(nèi)數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)占 空比大小輸出PWM波控制勵(lì)磁回路的開關(guān)管，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小， 穂、定輸出電壓。
本發(fā)明基于混合勵(lì)磁同步電機(jī)的無刷直流發(fā)電系統(tǒng)可以在沒有外加輔 助電源的情況下，就能實(shí)現(xiàn)發(fā)電輸出，且輸出電壓可以調(diào)節(jié)。利用切向磁鋼
混合勵(lì)磁同步電機(jī)的7JCP茲磁勢的剩磁作用，只要發(fā)電機(jī)在原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下具有
一定轉(zhuǎn)速，不需外加任何勵(lì)磁電源，電機(jī)即能輸出交流電，經(jīng)過半波或橋式 整流電路整流后輸出直流電，該直流電既可以給負(fù)載供電，同時(shí)給控制電路 部分供電，保證系統(tǒng)正常工作。由于切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電才;i4"較寬的輸 出電壓調(diào)節(jié)范圍，因而在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和負(fù)載波動(dòng)較大的情況下，都能 穩(wěn)定電壓輸出。數(shù)字調(diào)壓控制器控制方式靈活，可以方便實(shí)現(xiàn)各種控制算法， 易實(shí)現(xiàn)才莫塊化。
本發(fā)明不同于以前之處和優(yōu)點(diǎn)在于1. 整個(gè)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立，不需要外部勵(lì);茲電源，省去了 單獨(dú)的勵(lì)磁機(jī)或外部電源，筒化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低使用環(huán)境要求。由 于利用的是混合勵(lì)磁同步電機(jī)中7JCP茲磁勢的剩磁作用，保證了系統(tǒng)具 有足夠的輸出電壓，容易實(shí)現(xiàn)自勵(lì)建壓。
2. 發(fā)電系統(tǒng)有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)寬轉(zhuǎn)速、大負(fù)載范圍內(nèi)恒 壓輸出。特別適用于飛機(jī)、艦船、汽車等獨(dú)立電源系統(tǒng)。
3. 數(shù)字調(diào)壓控制器采用基于電壓反饋環(huán)、負(fù)載電流反饋環(huán)和勵(lì)》茲電流反 饋環(huán)的三環(huán)控制方法，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速 度。所有控制算法實(shí)現(xiàn)都是在數(shù)字信號(hào)處理芯片內(nèi)部完成，方便參數(shù) 調(diào)整和模塊化設(shè)計(jì)。


圖1為自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)空載特性圖3為數(shù)字調(diào)壓控制器結(jié)構(gòu)圖4為數(shù)字調(diào)壓控制器厲i^茲主電路圖5為混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)三環(huán)控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
圖1為本實(shí)施例的混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)，由混合勵(lì)磁無刷直流發(fā) 電機(jī)、電流傳感器、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、輸出電流檢測調(diào)理電路、輸出 電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)壓控制器構(gòu)成。切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)三相 電樞繞組輸出端接整流電路后輸出直流電，構(gòu)成混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)， 經(jīng)濾波電容后接負(fù)載，數(shù)字調(diào)壓控制器通過電壓檢測調(diào)理電路檢測混合勵(lì)磁 無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓即無刷直流發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓Udc，通過輸出 電流檢測調(diào)理電路檢測直流輸出電流Il,通過勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路檢測勵(lì) 磁電流If。
切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)在沒有勵(lì)磁電流的情況下，由7乂磁部分提供
勵(lì)磁磁勢，因此在沒有電勵(lì)磁的情況下也會(huì)有輸出電壓u,,電機(jī)的空載特性
如圖2所示。利用這一特性，根據(jù)工作轉(zhuǎn)速范圍要求，合理設(shè)計(jì)電機(jī)永磁體
尺寸和-茲;洛特性，使得切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)在沒有電勵(lì)磁磁勢作用的 情況下，整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓udc 能夠滿足勵(lì)磁電源和數(shù)字調(diào)壓控制器電源需要。
數(shù)字調(diào)壓控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，在數(shù)字調(diào)壓控制器內(nèi)有一個(gè)寬范圍輸入的DC/DC輔助電源，其輸入端由混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出直流電 壓Udc供電，該DC/DC輔助電源負(fù)責(zé)為輸出電壓檢測調(diào)理電路、輸出電流 檢測調(diào)理電路、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路，以及數(shù)字調(diào)壓控制器內(nèi)的數(shù)字信號(hào) 處理器和驅(qū)動(dòng)放大隔離電i 各供電。
圖4為調(diào)壓控制器勵(lì)磁主電路，為全橋電路結(jié)構(gòu)，其輸入端電源也由混
合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓Udc供電，勵(lì)磁主電路由四個(gè)開關(guān)管
(Ql、 Q2、 Q3、 Q4)組成，Ql和Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為Tl， Q2和Q3的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)為T2，可以實(shí)現(xiàn)廁"磁電流的雙向調(diào)節(jié)。
發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流和輸出電流分別通過第 一個(gè)電流傳感器和第二個(gè)電 流傳感器檢測后，再經(jīng)過勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路和輸出電流檢測調(diào)理電路變 成可接受的輸入電壓范圍，送到數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)的ADC釆樣模塊。 發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)過輸出電壓檢測調(diào)理電路后，送到數(shù)字信號(hào)處理芯片 (DSP)的ADC釆樣模塊。經(jīng)過量化后，勵(lì)磁電流，負(fù)載電流和輸出電壓轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)。
在數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的三環(huán)控制算法如圖5所示。三環(huán)控 制最基本的為電壓反饋環(huán)，通過給定基準(zhǔn)電壓F^與反饋電壓J^的比較，經(jīng)
過第一個(gè)PI調(diào)節(jié)計(jì)算，輸出為勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量C《。直流發(fā)電系統(tǒng)中的反饋 電壓^,是輸出直流電壓t/rfc的瞬時(shí)采樣值。
三環(huán)控制的中間環(huán)為負(fù)載電流反饋環(huán)，通過檢測輸出負(fù)載電流值/力，計(jì) 算出需要的勵(lì)磁電流量/一e,與電壓環(huán)計(jì)算得到的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量C目力口， 得到勵(lì)磁電流環(huán)的給定量z;^。直流發(fā)電系統(tǒng)中的輸出電流^是輸出直流電
流A的瞬時(shí)采樣值。
三環(huán)控制的最內(nèi)環(huán)為勵(lì)/磁電流反饋環(huán)，通過檢測勵(lì)》茲電流L和給定勵(lì)》茲
電流^e,的比較，經(jīng)過第二個(gè)PI調(diào)節(jié)計(jì)算，得到占空比值。數(shù)字信號(hào)處理芯
片(DSP)根據(jù)占空比值生成PWM信號(hào)，輸出兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng) 信號(hào)隔離放大后，輸出互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Tl和T2,驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁回路的四個(gè)開關(guān)管。 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Tl和T2中間i殳一死區(qū)，防止出現(xiàn)上下管(Ql和Q2為一組 上下管；Q3和Q4為另一組上下管)直通現(xiàn)象。當(dāng)Tl占空比值大于T2時(shí)， 通入正向勵(lì)磁電流；當(dāng)T1占空比小于T2時(shí)，通入反向勵(lì)磁電流。
權(quán)利要求
1、一種自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)、濾波電容、二個(gè)電流傳感器、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、輸出電流檢測調(diào)理電路、輸出電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)壓控制器，其中數(shù)字調(diào)壓控制器的輸出端分別接混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的兩端，混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的一端設(shè)置第一電流傳感器，第一電流傳感器的輸出端經(jīng)過勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路后接數(shù)字調(diào)壓控制器的輸入端，混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)濾波電容濾波后分別接負(fù)載、輸出電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)壓控制器的輸入端，負(fù)載的輸入端線路上設(shè)置第二電流傳感器，第二電流傳感器的輸出端接輸出電流檢測調(diào)理電路的輸入端，輸出電壓檢測調(diào)理電路和輸出電流檢測調(diào)理電路的輸出端分別接數(shù)字調(diào)壓控制器的輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)，其特征在 于所述混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)由混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三相輸出端串接整 流橋構(gòu)成，混合勵(lì)磁同步電機(jī)釆用切向磁鋼混合勵(lì)磁同步電機(jī)，電樞繞組設(shè) 計(jì)為整距繞組，電勢波形為梯形波，整流橋可以是半波或橋式整流電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)，其特 征在于所述數(shù)字調(diào)壓控制器包括數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)放大隔離電路、勵(lì)磁 主電路和DC/DC輔助電源，其中DC/DC輔助電源的輸入端與勵(lì)磁主電路的 輸入端并聯(lián)，它們的輸入電源都是由混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)的輸出直流電 經(jīng)過濾^^提供，DC/DC輔助電源的輸出端分別為輸出電壓檢測調(diào)理電路、 輸出電流檢測調(diào)理電路、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理器和驅(qū)動(dòng)放 大隔離電i^R供工作電源，數(shù)字信號(hào)處理器輸出PWM波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大隔 離電^4空制勵(lì)磁主電路的開關(guān)管。
4、 一種基于權(quán)利要求1所述的自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)的控制 方法，其特征在于所述控制方法采用三環(huán)控制，基本環(huán)為電壓反饋環(huán)將給 定基準(zhǔn)電壓與反饋電壓比較后經(jīng)過第一 PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI計(jì)算后輸出勵(lì)磁電 流調(diào)節(jié)量；中間環(huán)為負(fù)載電流反饋環(huán)將檢測得到的輸出負(fù)載電流通過負(fù)栽 電流大小計(jì)算得到需要的勵(lì)磁電流量，將需要的勵(lì)^磁電流量與電壓環(huán)輸出的 勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量相加作為勵(lì)磁電流環(huán)的勵(lì)磁電流給定值；最內(nèi)環(huán)為勵(lì)》茲電流 反饋環(huán)將檢測得到的混合勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流與所述勵(lì)磁電流給定值比 較后經(jīng)過第二 PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI計(jì)算后輸出占空比，數(shù)字調(diào)壓控制器內(nèi)數(shù)字 信號(hào)處理器根據(jù)占空比大小輸出PWM波控制勵(lì)磁回路的開關(guān)管，從而調(diào)節(jié) 勵(lì)^f茲電流的大小，穩(wěn)定輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種自勵(lì)混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，屬于無刷直流發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明所述發(fā)電系統(tǒng)包括混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)、濾波電容、二個(gè)電流傳感器、勵(lì)磁電流檢測調(diào)理電路、輸出電流檢測調(diào)理電路、輸出電壓檢測調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)壓控制器。本發(fā)明所述控制方法為三環(huán)控制，包括電壓反饋環(huán)、負(fù)載電流反饋環(huán)和勵(lì)磁電流反饋環(huán)。本發(fā)明直流發(fā)電系統(tǒng)不需外加輔助電源，且能夠?qū)崿F(xiàn)寬轉(zhuǎn)速、大負(fù)載范圍內(nèi)恒壓輸出。數(shù)字控制易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整和模塊化設(shè)計(jì)。在飛機(jī)、艦船、汽車等獨(dú)立電源直流發(fā)電系統(tǒng)中有重要應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02P9/14GK101610060SQ20091018139
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者嚴(yán)仰光, 波 周, 張卓然, 楊善水, 楊春源 申請人:南京航空航天大學(xué)