同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)裝置的殘壓起勵(lì)方式研究

呂敬高，高立夫

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同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)裝置的殘壓起勵(lì)方式研究

呂敬高，高立夫

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

在傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)裝置殘壓起勵(lì)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種殘壓起勵(lì)控制器。在發(fā)電機(jī)輸出電壓大于3.5 V時(shí)，使發(fā)電機(jī)迅速建壓，最終進(jìn)入發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定勵(lì)磁調(diào)節(jié)狀態(tài)，維持發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定。文中介紹了殘壓起勵(lì)控制器電源和控制部分電路的原理，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明了該殘壓起勵(lì)控制器有效性。

殘壓起勵(lì) 升壓電路 勵(lì)磁調(diào)節(jié)

0 引言

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自勵(lì)裝置無外接勵(lì)電源，其勵(lì)磁電源一般取自發(fā)電機(jī)端的輸出電壓。在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓為發(fā)電機(jī)的剩磁電壓（即殘壓），一般在13～20 V之間，此時(shí)只能靠發(fā)電機(jī)的殘壓來為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。為了達(dá)到發(fā)電機(jī)建壓時(shí)間的要求，必須保證在發(fā)電機(jī)低剩磁電壓時(shí)能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)提供足夠的勵(lì)磁電流，使得發(fā)電機(jī)迅速建壓，從而形成閉反饋，通過發(fā)電機(jī)端電壓反饋迅速增加勵(lì)磁電流，從而滿足建壓時(shí)間的要求[1]。

傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自勵(lì)裝置在殘壓起勵(lì)階段大多采用兩個(gè)整流橋的結(jié)構(gòu)[2]，如圖1所示，開關(guān)K1的初始狀態(tài)為閉合，在發(fā)電機(jī)殘壓階段，發(fā)電機(jī)的殘壓通過K1將整流橋1的輸出作為全部的勵(lì)磁電流，使得發(fā)電機(jī)迅速建壓，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓建立到一定程度，使得勵(lì)磁控制器開始工作時(shí)，通過開關(guān)K1將整流橋1的輸出切除，同時(shí)通過勵(lì)磁控制器對(duì)整流橋2的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，為發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的目的，滿足發(fā)電機(jī)的建壓時(shí)間要求。

然而當(dāng)發(fā)電機(jī)剩磁電壓較低時(shí)，通過整流橋1輸出的勵(lì)磁電流過小，不足以滿足發(fā)電機(jī)建壓的要求，則有可能建壓失敗，或難以建立電壓，使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓一直維持在殘壓狀態(tài)，此時(shí)則需要通過額外的裝置或手段來加強(qiáng)勵(lì)磁電流，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的成本，且降低了系統(tǒng)的可靠性[2]。

本文根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自勵(lì)裝置殘壓起勵(lì)的原理，設(shè)計(jì)了一種殘壓起勵(lì)控制器，該控制器在發(fā)電機(jī)極低殘壓情況下（大于2.6 V），可以使發(fā)電機(jī)迅速建壓，且可集成在勵(lì)磁控制器中，相比于傳統(tǒng)的自勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，可以省去一個(gè)整流橋裝置，簡化勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。

圖1 傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)殘壓起勵(lì)過程框圖

1 殘壓起勵(lì)控制器的設(shè)計(jì)與分析

殘壓起勵(lì)控制器的原理框圖如圖2所示。發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過整流橋整流之后分為兩路，一路進(jìn)入勵(lì)磁控制器中的殘壓起勵(lì)控制部分，另一種作為DC/DC模塊的輸入電源。當(dāng)發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速，殘壓較低時(shí)，通過殘壓起勵(lì)控制器給勵(lì)磁控制器提供工作電源和主勵(lì)磁電源，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓升高至DC/DC模塊電源工作時(shí)，殘壓起勵(lì)控制器將工作電源切換至DC/DC模塊上，從而進(jìn)入正常的勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式，為發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流。殘壓起勵(lì)控制器主要分為電源和控制電路兩個(gè)主要部分。

1.1殘壓起勵(lì)電源電路

殘壓起勵(lì)電源如圖3所示。電路中的切換電路1和切換電路2的初始狀態(tài)為接通狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出交流電壓大于2.6 V（對(duì)應(yīng)直流輸出為3.5 V）時(shí)，通過升壓電路將電壓穩(wěn)定在8.7～9.1 V之間，作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源和5 V電源模塊的輸入，使得5 V電源模塊輸出穩(wěn)定的5 V電源，作為發(fā)電機(jī)全壓起勵(lì)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電源；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓輸出交流電壓大于7.8 V（對(duì)應(yīng)直流輸出為10.5 V）時(shí)，此時(shí)通過二極管D3切斷8.7～9.1 V電源，使勵(lì)磁電源切換至10.5 V電源部分，同時(shí)20 V模塊電源開始工作，輸出穩(wěn)定的20 V直流，作為15 V電源模塊的輸入，使其輸出穩(wěn)定的15 V，作為勵(lì)磁控制器的工作電源，同時(shí)觸發(fā)切換電路2切斷升壓電路，從而切除5 V電源，使得勵(lì)磁控制器開始進(jìn)入勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式。由于20 V電源模塊的輸入范圍有限（小于75 V），隨著發(fā)電機(jī)輸出電壓的升高，DC/DC模塊電源開始工作（輸入范圍為36～432 V），當(dāng)DC/DC模塊電源輸出24 V時(shí)，觸發(fā)切換電路1切斷20 V電源，使得勵(lì)磁控制器的工作電源完全由DC/DC模塊電源提供，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于20 V電源模塊在輸入為10.5 V即開始工作，因此在DC/DC模塊輸出24 V，切換電路1可實(shí)現(xiàn)電源的無縫切換。而切換電路2動(dòng)作時(shí)刻，則有可能造成電源丟失的暫態(tài)，但只要電源丟失時(shí)間很短，對(duì)于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來講，對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響可以忽略。

圖2 殘壓起勵(lì)控制原理框圖

圖3 殘壓起勵(lì)電源電路框圖

1.2 殘壓起勵(lì)控制電路

殘壓起勵(lì)控制電路的原理框圖如圖4所示。殘壓起勵(lì)控制電路的主要為主電路中的功率MOS管提供相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。

圖4 殘壓起勵(lì)主電路

殘壓起勵(lì)控制電路的工作原理如下：當(dāng)發(fā)電機(jī)的殘壓在2.6～7.8 V之間時(shí)，只有5 V電源有效，此時(shí)5 V電源通過使能電路為MOS管提供一個(gè)恒高的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，使得MOS管全通，發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過升壓后全部用于勵(lì)磁繞組（全壓勵(lì)磁模式），此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路不工作，且勵(lì)磁調(diào)節(jié)使能電路禁止勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路輸出；當(dāng)發(fā)電機(jī)殘壓大于7.8 V時(shí)，15 V電源開始工作，從而使得勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的反饋電壓輸出相應(yīng)占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)（勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式），此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)使能電路有效，使能PWM輸出，同時(shí)使能電路禁止5 V電源輸出（切斷5 V電源），從而實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)MOS管的開通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的目的。圖4中的二極管D1和D2用于防止兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相互影響和電流的倒灌。

2 模擬實(shí)驗(yàn)分析

2.1模擬實(shí)驗(yàn)電路

本文研究的是勵(lì)磁控制器中的殘壓起勵(lì)電路部分，故采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)該部分電路的功能進(jìn)行驗(yàn)證。模擬實(shí)驗(yàn)電路框圖如圖5所示。其中0～48 V可調(diào)直流電源1用于模擬發(fā)電機(jī)輸出電壓在2.6～28 V之間（對(duì)應(yīng)直流電壓為3.5～24 V）時(shí)殘壓起勵(lì)控制電路的工作過程；0～48 V可調(diào)直流電源2用于模擬發(fā)電機(jī)輸出電壓大于28 V之后，殘壓起勵(lì)控制電路的工作過程。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖6所示。

圖5 殘壓起勵(lì)模擬實(shí)驗(yàn)電路框圖

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為全壓起勵(lì)模式切換至勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)波形。即圖3中的切換電路2動(dòng)作時(shí)刻的波形，其中通道1（黃色）為0～48 V可調(diào)直流電源1的輸出波形，通道2（藍(lán)色）為升壓電路輸出波形，通道3（紫紅色）為PWM驅(qū)動(dòng)波形，通道4（綠色）為15 V電源模塊輸出，時(shí)間為200 μs/格。

從圖7中可以看出，在切換點(diǎn)時(shí)刻之前，直流輸入電壓約為10 V（1號(hào)波形）左右，此時(shí)PWM輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為5 V的高電平信號(hào)（3號(hào)波形），電源模塊輸出為0 V（4號(hào)波形），升壓電路輸出約為8.7 V左右（2號(hào)波形）。當(dāng)直流輸入電壓的升高至約10.5 V時(shí)，15 V電源模塊工作輸出15 V，并觸發(fā)切換電路2動(dòng)作，導(dǎo)致升壓電路輸出關(guān)斷（2號(hào)），關(guān)斷時(shí)間約為500 μs左右。升壓電壓電路關(guān)斷后，5 V電源模塊開始關(guān)斷，PWM驅(qū)動(dòng)波形由原來的5 V高電平變成PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)波形切換時(shí)間約為500 μs左右（3號(hào)波形），等效為勵(lì)磁電流斷開約500 μs時(shí)間，對(duì)于發(fā)電機(jī)電壓來講，影響不大。

圖7 全壓起勵(lì)模式切換至勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)波形

圖8為控制電源切換至DC/DC模塊供電時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)波形。即圖3中的切換電路1動(dòng)作時(shí)刻的波形，其中1號(hào)波形為20 V電源模塊的輸出波形，2號(hào)波形為0～48 V可調(diào)直流電源2的輸出波形，3號(hào)波形為PWM驅(qū)動(dòng)波形，4號(hào)波形為15 V電源模塊輸出波形，時(shí)間為200 μs/格。

圖8 控制電源切換至DC/DC模塊供電時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)波形

從圖8中可以看出，0～48 V可調(diào)直流電源2的輸出電壓達(dá)到24 V（2號(hào)波形），等效為DC/DC模塊開始工作時(shí)）左右時(shí)，切換電路1開始工作，將20 V電源模塊的輸入切斷（1號(hào)波形），從而完全將控制電源轉(zhuǎn)至DC/DC模塊電源上，進(jìn)入正常工作。從圖中可以看出，在電源切換點(diǎn)時(shí)刻，PWM輸出電壓波形完全不受影響，說明這種切換電路正確性和有效性。

3 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)裝置殘壓起勵(lì)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種殘壓起勵(lì)控制器，對(duì)其控制器的內(nèi)部原理進(jìn)行了分析，利用兩個(gè)切換電路實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)在殘壓大于2.6 V時(shí)使得發(fā)電機(jī)開始建壓，之后通過起勵(lì)電路使發(fā)電機(jī)迅速建壓，同時(shí)去掉了一組整流橋，簡化了勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)該殘壓起勵(lì)控制器電路進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明了殘壓起勵(lì)控制器的正確性、有效性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

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Research of Residual Voltage Exciting Mode of Synchro Generator with Self Excitation Device

Gao Lifu, Liu Yiqiang, Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan , China)

exciting;

TM341

A

1003-4862（2016）10-0068-03

2016-05-18

呂敬高（1976-），男，工程師。研究方向：電機(jī)。