專利名稱：采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)壓技術(shù)，特別是一種采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào) 節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置。
背景技術(shù)：
目前，在航空器、輪船、汽車、工程機(jī)械的供電中，采用永磁發(fā)電機(jī)越來(lái)越普遍。永 磁發(fā)電機(jī)用于上述用途時(shí)，其工作轉(zhuǎn)速變化范圍大，因而輸出電壓變化范圍也大，轉(zhuǎn)速高時(shí) 輸出電壓高，轉(zhuǎn)速低時(shí)輸出電壓低，有時(shí)甚至相差1-3倍。為了穩(wěn)定輸出電壓，已有的技術(shù) 采用機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)短路電能泄放法、機(jī)械或電子調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻降壓法、單相或三相 半控可控硅橋式整流電路穩(wěn)壓法等穩(wěn)壓方式。如現(xiàn)在普遍采用的三相半控可控硅橋式整流 電路穩(wěn)壓方式，在大電流的使用條件下存在可控硅功率損耗大、溫升高、沒(méi)有過(guò)電流和短路 保護(hù)功能，不能按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲線對(duì)蓄電池充電，也不能進(jìn)行 溫度補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種電路可靠、工作效率 高、功率損耗低、具有過(guò)電壓、過(guò)電流、短路保護(hù)和蓄電池連接反向保護(hù)功能、能夠按照蓄電 池的最佳蓄電池可接受充電電流曲線對(duì)蓄電池充電、同時(shí)對(duì)蓄電池充電進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)牟?用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電 機(jī)穩(wěn)壓裝置，由第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流二極管3、第一單向可控硅 4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6、第四整流二極管7、第五整流二極管8、第六整流二 極管9、第一濾波電容器10、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11、第一偏置電阻12、第二偏置電阻13、續(xù) 流二極管14、濾波電感15、高邊電流采樣電阻16、第一輸出端子17、第二輸出端子18、第三 輸出端子19、電壓采樣第一電阻20、電壓采樣第二電阻21、低邊電流采樣電阻22、第三偏置 電阻23、驅(qū)動(dòng)三極管24、限壓保護(hù)電路25、直流穩(wěn)壓電源電路沈、單片計(jì)算機(jī)電路27、高邊 電流檢測(cè)電路觀、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路29、溫度補(bǔ)償電路30、第二濾波電容器31、反向保護(hù)二 極管32、第一輸入端子33、第二輸入端子34、第三輸入端子35組成。第一輸入端子33、第二輸入端子34、第三輸入端子35端加載永磁三相交流發(fā)電 機(jī)的三相交流電壓。第一輸入端子33連接第一整流二極管1正極、第一單向可控硅4陰 極和第四整流二極管7正極，第二輸入端子34連接第二整流二極管2正極、第二單向可控 硅5陰極和第五整流二極管8正極，第三輸入端子35連接第三整流二極管3正極、第三單 向可控硅6陰極和第六整流二極管9正極。第四整流二極管7、第五整流二極管8、第六整 流二極管9負(fù)極均連接到限壓保護(hù)電路25的電壓信號(hào)輸入Vin端和直流穩(wěn)壓電源電路沈 的電壓輸入Vin端，直流穩(wěn)壓電源電路沈的電壓輸出+5V端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的電源+5V端、高邊電流檢測(cè)電路觀的電源+5V端和溫度補(bǔ)償電路30的電源+5V端，直流穩(wěn) 壓電源電路26的GND端連接到公共地線。第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流 二極管3的負(fù)極均連接到第一濾波電容器10正極，第一濾波電容器10負(fù)極和第一單向可 控硅4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6的陽(yáng)極均連接到公共地線，第一單向可控硅 4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6的控制極均連接到限壓保護(hù)電路25的控制信號(hào)輸 出Contr端，限壓保護(hù)電路25的GND端連接到公共地線。第一濾波電容器10正極連接到 半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的S極和第一偏置電阻12 —端，第一偏置電阻12另一端連接到半 導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的G極和第二偏置電阻13 —端，第二偏置電阻13另一端連接到驅(qū)動(dòng) 三極管M的集電極，驅(qū)動(dòng)三極管M的發(fā)射極連接到公共地線，驅(qū)動(dòng)三極管M的基極連接 到單片計(jì)算機(jī)電路27的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出IPWM端和第三偏置電阻23—端，第三偏置電阻 23另一端連接到公共地線，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的D極連接到續(xù)流二極管14負(fù)極和濾 波電感15 —端，濾波電感15另一端連接到第二濾波電容器31 —端、高邊電流采樣電阻16 一端和高邊電流檢測(cè)電路28的電壓信號(hào)輸入mi端，高邊電流采樣電阻16另一端連接到 高邊電流檢測(cè)電路28的電壓信號(hào)輸入IN2端、電壓采樣第一電阻20 —端、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電 路四的電壓輸入Vin端、單向二極管32 —端，反向保護(hù)二極管32另一端連接第一輸出端 子17，電壓采樣第一電阻20另一端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信號(hào)輸入2ADC端和電 壓采樣第二電阻21 —端，第二濾波電容器31 —端和電壓采樣第二電阻21另一端連接到公 共地線，高邊電流檢測(cè)電路觀的模擬信號(hào)輸出Iout端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信 號(hào)輸入端IADC端，溫度補(bǔ)償電路30的溫度信號(hào)輸出Temp端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的 模擬信號(hào)輸入端4ADC端，單片計(jì)算機(jī)電路27的GND端、高邊電流檢測(cè)電路觀的GND端、溫 度補(bǔ)償電路30的GND端和限壓電路25的GND端均連接到公共地線，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四 的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入PWMin端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出2PWM端，負(fù) 載穩(wěn)壓輸出電路四的輸出電壓反饋信號(hào)輸出i^out端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信 號(hào)輸入端5ADC端，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四的RB端連接到低邊電流采樣電阻22 —端和單片 計(jì)算機(jī)電路27的模擬信號(hào)輸入端3ADC端，低邊電流采樣電阻22另一端連接到公共地線， 負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路的電壓輸出Vout端連接到第二輸出端子18，第三輸出端子19連接到公 共地線。本實(shí)用新型提供的采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置通過(guò)如下方 式調(diào)節(jié)輸出電壓交流三相永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電能通過(guò)第一輸入端子33、第二輸入端子 34、第三輸入端子35輸入，經(jīng)由第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流二極管3和 第一單向可控硅4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6組成的全波半控橋式整流器整流， 第一濾波電容器10濾波，單片計(jì)算機(jī)電路M根據(jù)由第一電阻20和第二電阻21構(gòu)成的輸 出電壓采樣電路采集的輸出電壓所反饋的電壓信號(hào)輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)半 導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的輸出電壓，續(xù)流二極管14、濾波電感15和濾波電容31組成輸出電 壓濾波電路，經(jīng)過(guò)高邊電流采樣電阻16、電壓第一輸出端子17向蓄電池充電，充電電流Ic 由計(jì)算機(jī)根據(jù)下式計(jì)算Ic = Io-Iz = f0*Vc式中，
5[0010]Io=負(fù)載總電流Iz=負(fù)載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓計(jì)算機(jī)根據(jù)負(fù)載總電流Ιο、負(fù)載電流Iz計(jì)算充電電流Ic，再根據(jù)蓄電池電壓Vc 和充電曲線的函數(shù)關(guān)系fo編制的程序由單片計(jì)算機(jī)電路27輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào) 控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行三段式充電。負(fù)載電壓的穩(wěn)壓輸出，是由單片計(jì)算機(jī)電路27的2PWM端輸出的脈沖寬度調(diào)制信 號(hào)控制的，通過(guò)負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四、電壓第二輸出端子18輸出供直流用電負(fù)載使用的直 流穩(wěn)定電壓。單片計(jì)算機(jī)電路27內(nèi)置設(shè)定了預(yù)設(shè)最大電流數(shù)值，流經(jīng)高邊電流采樣電阻16的 負(fù)載總電流Io在電阻16兩端產(chǎn)生的電壓信號(hào)，送入高邊電流檢測(cè)電路觀整理后再送入 單片計(jì)算機(jī)電路27進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，經(jīng)過(guò)比較后，如果負(fù)載總電流Io超出設(shè)定的最大電 流值，單片計(jì)算機(jī)電路將關(guān)斷半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11，達(dá)到過(guò)電流保護(hù)和短路保護(hù)的目的； 流經(jīng)低邊電流采樣電阻22的負(fù)載電流Iz在電阻22兩端產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)，送入單片計(jì) 算機(jī)電路27進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，如果負(fù)載電流超出設(shè)定的最大電流值，單片計(jì)算機(jī)電路27 的2PWM端停止輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，從而關(guān)斷負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路，達(dá)到過(guò)電流保護(hù)和短 路保護(hù)的目的；溫度的檢測(cè)由溫度補(bǔ)償電路30完成，內(nèi)置溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成與單片 計(jì)算機(jī)電路27中的AD轉(zhuǎn)換器相匹配的模擬電壓信號(hào)，送入單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬輸 入端口 4ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，內(nèi)嵌單片計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整對(duì)蓄電池的過(guò)充電閾值 電壓數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償；采用三相半控可控硅橋式整流電路整流時(shí)，設(shè)置了限壓保護(hù)電路 25，在限壓保護(hù)電路25中置入預(yù)先設(shè)定了的電壓值，經(jīng)內(nèi)置的電壓比較器與永磁發(fā)電機(jī) 輸出的直流電壓比較后，如果永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓超出了預(yù)先設(shè)定的電壓值，限壓保護(hù) 電路25輸出信號(hào)關(guān)閉第一單向可控硅4、第二單向可控硅5和第三單向可控硅6，使得永磁 發(fā)電機(jī)的直流輸出電壓不超過(guò)預(yù)先設(shè)定的電壓值；蓄電池連接的反向保護(hù)功能由反向保護(hù) 二極管32實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)1、采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置的輸出電壓，提高了工 作效率，降低了功率消耗，提高了可靠性；2、在內(nèi)嵌單片計(jì)算機(jī)的控制下，能夠按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲 線對(duì)蓄電池充電、同時(shí)對(duì)蓄電池充電進(jìn)行溫度補(bǔ)償，延長(zhǎng)了蓄電池的工作壽命；3、具有完善的過(guò)電壓、過(guò)電流、短路和蓄電池連接反向保護(hù)功能，大大提高了工作
可靠性。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型的詳細(xì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步描述。
附圖1為本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為開(kāi)關(guān)器件11的工作原理示意圖；附圖3為開(kāi)關(guān)器件11接通和關(guān)斷時(shí)的波形圖；附圖4為蓄電池可接受充電電流曲線圖。[0027]具體實(shí)施方式
如附圖1所示一種采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝 置，由第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流二極管3、第一單向可控硅4、第二單 向可控硅5、第三單向可控硅6、第四整流二極管7、第五整流二極管8、第六整流二極管9、 第一濾波電容器10、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11、第一偏置電阻12、第二偏置電阻13、續(xù)流二極 管D14、濾波電感15、高邊電流采樣電阻16、第一輸出端子17、第二輸出端子18、第三輸出 端子19、電壓采樣第一電阻20、電壓采樣第二電阻21、低邊電流采樣電阻22、第三偏置電阻 23、驅(qū)動(dòng)三極管24、限壓保護(hù)電路25、直流穩(wěn)壓電源電路沈、單片計(jì)算機(jī)電路27、高邊電流 檢測(cè)電路觀、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四、溫度補(bǔ)償電路30、濾波電容31、反向保護(hù)二極管32、第 一輸入端子33、第二輸入端子34、第三輸入端子35組成。第一輸入端子33、第二輸入端子34、第三輸入端子35端加載永磁三相交流發(fā)電機(jī) 的三相交流電壓。第一輸入端子33連接第一整流二極管1正極、第一單向可控硅4陰極和 第四整流二極管7正極，第二輸入端子34連接第二整流二極管2正極、第二單向可控硅5 陰極和第五整流二極管8正極，第三輸入端子35連接第三整流二極管3正極、第三單向可 控硅6陰極和第六整流二極管9正極。第四整流二極管7、第五整流二極管8、第六整流二 極管9負(fù)極均連接到限壓保護(hù)電路25的電壓信號(hào)輸入Vin端和直流穩(wěn)壓電源電路沈的電 壓輸入Vin端，直流穩(wěn)壓電源電路沈的電壓輸出+5V端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的電源 +5V端、高邊電流檢測(cè)電路28的電源+5V端和溫度補(bǔ)償電路30的電源+5V端，直流穩(wěn)壓電 源電路沈的GND端連接到公共地線。第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流二 極管3的負(fù)極均連接到第一濾波電容器10正極，第一濾波電容器10負(fù)極和第一單向可控 硅4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6的陽(yáng)極均連接到公共地線，第一單向可控硅4、 第二單向可控硅5、第三單向可控硅6的控制極均連接到限壓保護(hù)電路25的控制信號(hào)輸 出Contr端，限壓保護(hù)電路25的GND端連接到公共地線。第一濾波電容器10正極連接到 半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的S極和第一偏置電阻12 —端，第一偏置電阻12另一端連接到半 導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的G極和第二偏置電阻13 —端，第二偏置電阻13另一端連接到驅(qū)動(dòng) 三極管M的集電極，驅(qū)動(dòng)三極管M的發(fā)射極連接到公共地線，驅(qū)動(dòng)三極管M的基極連接 到單片計(jì)算機(jī)電路27的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出IPWM端和第三偏置電阻23—端，第三偏置電阻 23另一端連接到公共地線，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的D極連接到續(xù)流二極管14負(fù)極和濾 波電感15 —端，濾波電感15另一端連接到第二濾波電容器31 —端、高邊電流采樣電阻16 一端和高邊電流檢測(cè)電路28的電壓信號(hào)輸入mi端，高邊電流采樣電阻16另一端連接到 高邊電流檢測(cè)電路28的電壓信號(hào)輸入IN2端、電壓采樣第一電阻20 —端、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電 路四的電壓輸入Vin端、單向二極管32 —端，反向保護(hù)二極管32另一端連接第一輸出端 子17，電壓采樣第一電阻20另一端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信號(hào)輸入2ADC端和電 壓采樣第二電阻21 —端，第二濾波電容器31 —端和電壓采樣第二電阻21另一端連接到公 共地線，高邊電流檢測(cè)電路觀的模擬信號(hào)輸出Iout端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信 號(hào)輸入端IADC端，溫度補(bǔ)償電路30的溫度信號(hào)輸出Temp端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的 模擬信號(hào)輸入端4ADC端，單片計(jì)算機(jī)電路27的GND端、高邊電流檢測(cè)電路觀的GND端、溫 度補(bǔ)償電路30的GND端和限壓電路25的GND端均連接到公共地線，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四 的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入PWMin端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出2PWM端，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四的輸出電壓反饋信號(hào)輸出i^out端連接到單片計(jì)算機(jī)電路27的模擬信 號(hào)輸入端5ADC端，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四的RB端連接到低邊電流采樣電阻22 —端和單片 計(jì)算機(jī)電路27的模擬信號(hào)輸入端3ADC端，低邊電流采樣電阻22另一端連接到公共地線， 負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路的電壓輸出Vout端連接到第二輸出端子18，第三輸出端子19連接到公 共地線。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置通過(guò) 如下方式調(diào)節(jié)輸出電壓交流三相永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電能通過(guò)第一輸入端子33、第二輸入端子 34、第三輸入端子35輸入，經(jīng)由第一整流二極管1、第二整流二極管2、第三整流二極管3和 第一單向可控硅4、第二單向可控硅5、第三單向可控硅6組成的全波半控橋式整流器整流， 第一濾波電容器10濾波，單片計(jì)算機(jī)電路M根據(jù)由第一電阻20和第二電阻21構(gòu)成的輸 出電壓采樣電路采集的輸出電壓所反饋的電壓信號(hào)輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)半 導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的輸出電壓，續(xù)流二極管14、濾波電感15和第二濾波電容器31組成 輸出電壓濾波電路，經(jīng)過(guò)高邊電流采樣電阻16、電壓第一輸出端子17向蓄電池充電，同時(shí) 通過(guò)負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四、電壓第二輸出端子18輸出供直流用電負(fù)載使用的直流穩(wěn)定電 壓。電壓采樣第一電阻20、第二電阻21對(duì)輸出電壓采樣，采樣電壓信號(hào)送單片計(jì)算機(jī)電路 27的模擬信號(hào)輸入端口 2ADC端，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，輸出2路脈沖占空系數(shù)與輸出電壓的采樣 信號(hào)相關(guān)的調(diào)制數(shù)字信號(hào)，分別控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11和負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路四，達(dá)到 穩(wěn)定輸出電壓的目的。采用調(diào)制脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出電壓的基本工作原理如附圖2和附圖3所示附圖2 是半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11的工作原理示意圖，附圖3是開(kāi)關(guān)器件11接通和關(guān)斷時(shí)的波形 圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)器件11導(dǎo)通，直流輸入電壓ui加到負(fù)載電阻上；當(dāng)開(kāi)關(guān)器件11關(guān)斷，負(fù)載電阻 RL上無(wú)電壓。如果開(kāi)關(guān)器件11交替導(dǎo)通關(guān)斷，在負(fù)載上便出現(xiàn)如附圖3所示的矩形波。設(shè)功率開(kāi)關(guān)11導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間為ton，功率開(kāi)關(guān)11斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間為toff，功率
開(kāi)關(guān)11轉(zhuǎn)換周期為τ = ton+toff，則輸出電壓的平均值為Uo
ττ tonTT τU0 Ui=SUi式中δ為脈沖占空系數(shù)，它等于ton/T。由此可見(jiàn)，改變占空系數(shù)δ值，就可以調(diào) 節(jié)輸出電壓平均值的高低。為此有三種方法可供選擇一是脈沖頻率控制法，即保持開(kāi)關(guān)導(dǎo) 通時(shí)間ton不變，改變開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換周期T來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Uo ；二是脈沖寬度控制法，即保持開(kāi) 關(guān)轉(zhuǎn)換周期T不變，改變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間ton來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Uo ；三是混合法，即同時(shí)改 變開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換周期T和開(kāi)關(guān)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間ton，以調(diào)節(jié)輸出電壓Uo，使輸出電壓保持穩(wěn)定。本 實(shí)用新型采用第二種方法即脈沖寬度調(diào)制方法，隨著輸出電壓變化所反饋的電壓信號(hào)，改 變輸出電壓的脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。儲(chǔ)能元件電感14、第二電容器31和續(xù)流二極管14組成濾波器，將經(jīng)過(guò)功率開(kāi)關(guān)器 件11調(diào)節(jié)的脈沖電壓變成平滑的直流電壓輸出。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件11飽和導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二 極管14由于反偏而截止，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)器件11的輸出電流通過(guò)電感15、第二電容器31構(gòu) 成的濾波器對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)電感15、第二電容器31儲(chǔ)存一定的能量。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件11 截止時(shí)，它的輸出電流為零，電感15上的感應(yīng)電壓使續(xù)流二極管14處于正偏狀態(tài)而導(dǎo)通，電感15中儲(chǔ)存的能量便通過(guò)續(xù)流二極管14對(duì)負(fù)載繼續(xù)放電。當(dāng)電感15的放電電流小于 輸出電流Io時(shí)，不足的部分由第二濾波電容器31對(duì)負(fù)載補(bǔ)充放電，這樣負(fù)載便可獲得連續(xù) 的平滑直流供電電壓。流經(jīng)高邊電流采樣電阻16的負(fù)載總電流Io在電阻16兩端產(chǎn)生的電壓信號(hào)，送入 高邊電流檢測(cè)電路觀整理成與單片計(jì)算機(jī)電路27中的AD轉(zhuǎn)換器相匹配的模擬電壓信號(hào)， 送入單片計(jì)算機(jī)電路27進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，如果負(fù)載總電流Io超出設(shè)定的最大電流值，單 片計(jì)算機(jī)電路關(guān)斷半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11，達(dá)到過(guò)電流保護(hù)和短路保護(hù)的目的。流經(jīng)低邊 電流采樣電阻22的負(fù)載電流Iz在電阻22兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，送入單片計(jì)算機(jī)電路27 進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，如果負(fù)載電流超出設(shè)定的最大電流值，單片計(jì)算機(jī)電路27關(guān)斷負(fù)載穩(wěn)壓 輸出電路，達(dá)到過(guò)電流保護(hù)和短路保護(hù)的目的。本實(shí)用新型的蓄電池連接反向保護(hù)功能由反向保護(hù)二極管32實(shí)現(xiàn)。永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置主要功能是按照一定的技術(shù)要求控制永磁發(fā)電機(jī)向蓄電池 充電。在本實(shí)用新型中，單片計(jì)算機(jī)電路27中內(nèi)嵌單片計(jì)算機(jī)根據(jù)流經(jīng)高邊電流采樣 電阻16的負(fù)載總電流Io和流經(jīng)低邊電流采樣電阻22的負(fù)載電流Iz，計(jì)算蓄電池的充電電 流Ic Ic = Io-Iz單片計(jì)算機(jī)電路27根據(jù)設(shè)定的蓄電池的充電曲線，建立蓄電池在充電過(guò)程中充 電電壓與充電電流的函數(shù)關(guān)系&相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，蓄電池電壓通過(guò)第一電阻20、第二電阻 21采樣，再送入單片計(jì)算機(jī)電路27中10位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。以下是根據(jù)負(fù)載總電 流Ιο、負(fù)載電流Iz、充電電流Ic、蓄電池電壓Vc和充電曲線的函數(shù)關(guān)系&建立的計(jì)算機(jī)數(shù) 學(xué)模型Io-Iz = Ic = f0*Vc式中，Io=負(fù)載總電流Iz =負(fù)載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，不正確的充電方式不僅會(huì)降低電池的儲(chǔ)能容 量，還會(huì)縮短電池的使用壽命。本實(shí)用新型中充電曲線的函數(shù)關(guān)系&是根據(jù)上世紀(jì)60年 代末期美國(guó)科學(xué)家馬斯(Mascc)提出的以最低出氣率為前提的理想可接受充電電流曲線 而建立的，其充電電流滿足以下公式i = I0e_at式中，i為充電電流I0為最大初始充電電流α為電流衰減指數(shù)，又稱為充電接受率t為充電時(shí)間充電接受率是蓄電池的關(guān)鍵性能，對(duì)快速充電起著決定性的作用。若按馬斯理想可接受充電電流曲線進(jìn)行充電，則充電時(shí)間t與α成反比，S卩α越大，充電時(shí)間越短；反 之，α越小，充電時(shí)間越長(zhǎng)。理想蓄電池可接受充電電流曲線如附圖4所示，其充電電流軌 跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮 短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)有影響，因此把這條曲線稱為最佳充電曲線。傳統(tǒng)的充電方式無(wú)論是定電壓充電還是定電流充電均不能提高電池的充電效率， 而依據(jù)附圖4充電曲線提出的三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率，縮短充電 時(shí)間，并能有效延長(zhǎng)電池壽命。三段式充電采用先恒流充電，再恒壓充電，最后采用浮充進(jìn) 行維護(hù)充電，一般分為快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電三個(gè)階段快速充電階段用大電流對(duì)電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)電池電能，充電速率可以達(dá) 1C(C表示蓄電池的容量，單位為安培/小時(shí))以上，此時(shí)充電電壓較低，但會(huì)限制充電電流 在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。補(bǔ)足充電階段相對(duì)于快速充電階段，補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng) 快速充電階段終止時(shí)，電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過(guò)程，補(bǔ)足充電速率一般不超 過(guò)0. 3C，因?yàn)殡姵仉妷航?jīng)過(guò)快速充電階段后有所升高，所以補(bǔ)足充電階段的充電電壓也應(yīng) 該有所提升，并且恒定在一定范圍之內(nèi)。涓流充電階段在補(bǔ)足充電階段后期，當(dāng)檢測(cè)到溫度上升超過(guò)極限值或充電電流 減小到一定值之后，開(kāi)始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿足一定的條件后結(jié)束充電。本實(shí)用新型中，充電電流Ic由計(jì)算機(jī)根據(jù)下式計(jì)算Ic = Io-Iz = f0*Vc式中，Io=負(fù)載總電流Iz =負(fù)載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓計(jì)算機(jī)根據(jù)負(fù)載總電流Ιο、負(fù)載電流Iz計(jì)算充電電流Ic，再根據(jù)蓄電池電壓Vc 和充電曲線的函數(shù)關(guān)系fo編制的程序由單片計(jì)算機(jī)電路27輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào) 控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行三段式充電。當(dāng)蓄電池電壓Vc低于標(biāo)稱電 壓的2/3時(shí)，單片計(jì)算機(jī)電路27輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11輸出 大電流對(duì)電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)蓄電池電能，充電速率可以達(dá)IC (C表示蓄電池的容量， 單位為安培/小時(shí))，隨著大電流充電的繼續(xù)，蓄電池電壓Vc逐漸升高，當(dāng)蓄電池電壓Vc超 過(guò)標(biāo)稱電壓的2/3時(shí)，轉(zhuǎn)入補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng)快速充電階段終止 時(shí)，蓄電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過(guò)程，補(bǔ)足充電速率一般不超過(guò)0.3C。當(dāng)蓄電 池接近充足電時(shí)，轉(zhuǎn)入限壓浮充狀態(tài)下(限壓浮充電壓一般為蓄電池標(biāo)稱電壓的1. 1倍)， 此時(shí)的充電電流會(huì)由快速充電狀態(tài)下逐漸下降，至電池完全充足電后，充電電流僅為幾十 毫安，用以補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。蓄電池充電時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的工作壽命。溫度的檢 測(cè)由溫度補(bǔ)償電路30完成，溫度信號(hào)送入單片計(jì)算機(jī)電路27進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，內(nèi)嵌單片計(jì)算 機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整對(duì)蓄電池的過(guò)充電閾值電壓數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如對(duì)目前廣泛使用的 閥控密封鉛酸(VRLA)蓄電池，其單體蓄電池的無(wú)溫度補(bǔ)償過(guò)充電閾值電壓為2. 275V(t =25°C )。對(duì)VRLA蓄電池的過(guò)充電閾值電壓必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，若無(wú)溫度補(bǔ)償而僅設(shè)置單體 VRLA蓄電池的過(guò)充電閾值電壓為2. 275V，則當(dāng)溫度低于25°C時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)控制器過(guò)早關(guān)斷 而蓄電池并未充滿，長(zhǎng)期如此會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量下降，當(dāng)溫度大于25°C時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蓄電 池已過(guò)充而控制器并未關(guān)斷，此時(shí)蓄電池起了水的電解槽作用，產(chǎn)生的焦耳熱嚴(yán)重時(shí)會(huì)使 VRLA蓄電池?zé)崾Э?，熱失控將?huì)使蓄電池迅速失水，隔膜內(nèi)電解液很快干枯。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) VRLA蓄電池溫度高于50°C時(shí)，十多次過(guò)充電就會(huì)導(dǎo)致蓄電池永久失效。本實(shí)用新型中，單片計(jì)算機(jī)電路27對(duì)電流、電壓和溫度信號(hào)檢測(cè)之后進(jìn)行判斷， 再輸出一定大小占空比的PWM信號(hào)，控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件11實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行三段式 充電并在蓄電池充電時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度的檢測(cè)由溫度補(bǔ)償電路30完成，內(nèi)置溫度傳感 器將溫度轉(zhuǎn)換成與單片計(jì)算機(jī)電路27中的AD轉(zhuǎn)換器相匹配的模擬電壓信號(hào)，送入單片計(jì) 算機(jī)電路27的模擬輸入端口 4ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，內(nèi)嵌單片計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整對(duì) 蓄電池的過(guò)充電閾值電壓數(shù)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨工作轉(zhuǎn)速變化，變化范圍大，因而輸出電壓變化范圍也 大，轉(zhuǎn)速高時(shí)輸出電壓高，轉(zhuǎn)速低時(shí)輸出電壓低，有時(shí)甚至相差1-3倍。如額定輸出電壓為 28V的永磁發(fā)電機(jī)，有的其空載電壓竟達(dá)400V。本實(shí)用新型采用三相半控可控硅橋式整流 電路整流，并設(shè)置了限壓保護(hù)電路25，在限壓保護(hù)電路25中置入預(yù)先設(shè)定了電壓值，經(jīng)內(nèi) 置的電壓比較器與永磁發(fā)電機(jī)輸出的直流電壓比較后，如果永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓超出了 預(yù)先設(shè)定的電壓值，限壓保護(hù)電路25輸出信號(hào)關(guān)閉第一單向可控硅4、第二單向可控硅5和 第三單向可控硅6，使得永磁發(fā)電機(jī)的直流輸出電壓不超過(guò)預(yù)先設(shè)定的電壓值。
權(quán)利要求1. 一種采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置，其特征是由第 一整流二極管(1)、第二整流二極管O)、第三整流二極管(3)、第一單向可控硅0)、第二單 向可控硅( 、第三單向可控硅(6)、第四整流二極管(7)、第五整流二極管(8)、第六整流二 極管(9)、第一濾波電容器(10)、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件(11)、第一偏置電阻(12)、第二偏置 電阻(13)、續(xù)流二極管(14)、濾波電感(15)、高邊電流采樣電阻(16)、第一輸出端子(17)、 第二輸出端子(18)、第三輸出端子(19)、電壓采樣第一電阻(20)、電壓采樣第二電阻(21)、 低邊電流采樣電阻02)、第三偏置電阻03)、驅(qū)動(dòng)三極管(M)、限壓保護(hù)電路05)、直流穩(wěn) 壓電源電路(26)、單片計(jì)算機(jī)電路(27)、高邊電流檢測(cè)電路( )、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路(四)、 溫度補(bǔ)償電路(30)、濾波電容(31)、反向保護(hù)二極管(32)、第一輸入端子(33)、第二輸入端 子(34)、第三輸入端子(3 組成；第一輸入端子(33)、第二輸入端子(34)、第三輸入端子(3 端加載永磁三相交流發(fā)電 機(jī)的三相交流電壓，第一輸入端子(3 連接第一整流二極管(1)正極、第一單向可控硅(4) 陰極和第四整流二極管(7)正極，第二輸入端子(34)連接第二整流二極管( 正極、第二 單向可控硅( 陰極和第五整流二極管(8)正極，第三輸入端子(3 連接第三整流二極管 (3)正極、第三單向可控硅(6)陰極和第六整流二極管(9)正極，第四整流二極管(7)、第 五整流二極管(8)、第六整流二極管(9)負(fù)極均連接到限壓保護(hù)電路0 的電壓信號(hào)輸入 Vin端和直流穩(wěn)壓電源電路06)的電壓輸入Vin端，直流穩(wěn)壓電源電路Q6)的電壓輸出 +5V端連接到單片計(jì)算機(jī)電路07)的電源+5V端、高邊電流檢測(cè)電路08)的電源+5V端 和溫度補(bǔ)償電路(30)的電源+5V端，直流穩(wěn)壓電源電路06)的GND端連接到公共地線，第 一整流二極管(1)、第二整流二極管O)、第三整流二極管(3)的負(fù)極均連接到第一濾波電 容器(10)正極，第一濾波電容器(10)負(fù)極和第一單向可控硅G)、第二單向可控硅(5)、第 三單向可控硅(6)的陽(yáng)極均連接到公共地線，第一單向可控硅G)、第二單向可控硅(5)、第 三單向可控硅(6)的控制極均連接到限壓保護(hù)電路0 的控制信號(hào)輸出Contr端，限壓保 護(hù)電路05)的GND端連接到公共地線，第一濾波電容器(10)正極連接到半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān) 器件(11)的S極和第一偏置電阻(12) —端，第一偏置電阻(12)另一端連接到半導(dǎo)體功率 開(kāi)關(guān)器件(11)的G極和第二偏置電阻(13) —端，第二偏置電阻(13)另一端連接到驅(qū)動(dòng)三 極管04)的集電極，驅(qū)動(dòng)三極管04)的發(fā)射極連接到公共地線，驅(qū)動(dòng)三極管04)的基極 連接到單片計(jì)算機(jī)電路(XT)的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出IPWM端和第三偏置電阻—端，第三 偏置電阻03)另一端連接到公共地線，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件(11)的D極連接到續(xù)流二極 管(14)負(fù)極和濾波電感(1 一端，濾波電感(1 另一端連接到第二濾波電容器(31) — 端、高邊電流采樣電阻(16) —端和高邊電流檢測(cè)電路08)的電壓信號(hào)輸入mi端，高邊電 流采樣電阻(16)另一端連接到高邊電流檢測(cè)電路08)的電壓信號(hào)輸入IN2端、電壓采樣 第一電阻00) —端、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路09)的電壓輸入Vin端、單向二極管(32) —端，反 向保護(hù)二極管(3 另一端連接第一輸出端子(17)，電壓采樣第一電阻00)另一端連接到 單片計(jì)算機(jī)電路(XT)的模擬信號(hào)輸入2ADC端和電壓采樣第二電阻—端，第二濾波電 容器(31) —端和電壓采樣第二電阻另一端連接到公共地線，高邊電流檢測(cè)電路08) 的模擬信號(hào)輸出Iout端連接到單片計(jì)算機(jī)電路07)的模擬信號(hào)輸入端IADC端，溫度補(bǔ) 償電路(30)的溫度信號(hào)輸出Temp端連接到單片計(jì)算機(jī)電路(JT)的模擬信號(hào)輸入端4ADC 端，單片計(jì)算機(jī)電路、2 )的GND端、高邊電流檢測(cè)電路08)的GND端、溫度補(bǔ)償電路(30)的GND端和限壓電路05)的GND端均連接到公共地線，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路Q9)的脈沖調(diào) 制信號(hào)輸入PWMin端連接到單片計(jì)算機(jī)電路07)的脈沖調(diào)制信號(hào)輸出2PWM端，負(fù)載穩(wěn)壓 輸出電路09)的輸出電壓反饋信號(hào)輸出i^out端連接到單片計(jì)算機(jī)電路(XT)的模擬信號(hào) 輸入端5ADC端，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路09)的RB端連接到低邊電流采樣電阻02) —端和單 片計(jì)算機(jī)電路咖的模擬信號(hào)輸入端3ADC端，低邊電流采樣電阻02)另一端連接到公共 地線，負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路的電壓輸出Vout端連接到第二輸出端子(18)，第三輸出端子(19) 連接到公共地線。
專利摘要一種采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓裝置，穩(wěn)壓裝置包括全波半控橋式整流器整流、脈沖寬度調(diào)制電壓調(diào)整電路、輸出電壓濾波電路、輸出電壓采樣電路、限壓保護(hù)電路25、直流穩(wěn)壓電源電路26、單片計(jì)算機(jī)電路27、高邊電流檢測(cè)電路28、負(fù)載穩(wěn)壓輸出電路29和溫度補(bǔ)償電路30。穩(wěn)壓裝置采用計(jì)算機(jī)控制，脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，克服了現(xiàn)在普遍采用的三相半控可控硅橋式整流電路穩(wěn)壓方式在大電流的使用條件下存在的可控硅功率損耗大、溫升高、沒(méi)有過(guò)電流和短路保護(hù)功能、不能按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲線對(duì)蓄電池充電、也不能進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P9/48GK201846298SQ201020194690
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者張振峰, 楊金輝, 胡海洋 申請(qǐng)人:衡陽(yáng)中微科技開(kāi)發(fā)有限公司