朱詩(shī)順，吳 磊，朱道偉，楊 鋼，趙姝帆，喻 劍

(1.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

車載發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可為行進(jìn)中的裝備供電，其永磁發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于取力器。由于車輛變速范圍大，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓很不穩(wěn)定，為此設(shè)計(jì)了DC/DC變換電路和DC/AC逆變電路，將發(fā)電機(jī)輸出的變頻電壓轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓，以便用電設(shè)備使用。

1 車載發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理

車載恒頻恒壓軸帶發(fā)電系統(tǒng)［1］主要由取力器、永磁同步發(fā)電機(jī)、整流器、控制電路(DC/DC升壓變換電路、DC/AC逆變電路)及配電柜等組成(如圖1所示)。工作過(guò)程中，取力器從車輛底盤取出部分動(dòng)力，帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)輸出變頻變壓的交流電源，再經(jīng)控制電路變換為恒頻恒壓的三相交流電供給負(fù)載使用。

圖1 恒頻恒壓軸帶發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2 恒頻恒壓控制電路設(shè)計(jì)與分析

在車載發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速器和取力器驅(qū)動(dòng)，由于汽車變速范圍很大，因此，發(fā)電機(jī)輸出電壓及其頻率的變化幅度也很大。為了滿足用電設(shè)備使用要求，須將輸出的交變電源電壓變換為恒頻恒壓，為此需進(jìn)行升壓和降壓處理。由于交流電的升降變換較難實(shí)現(xiàn)，因此，需要將整流電路輸出的直流電，經(jīng)過(guò)升壓或降壓變換，得到電壓恒定的標(biāo)準(zhǔn)直流電后，再進(jìn)行逆變處理，得到恒頻恒壓的三相交流電。

2.1 DC/DC變換電路設(shè)計(jì)與分析

一般升降壓電路中均有電容電感等原件，可以設(shè)計(jì)一種集成度較高的DC/DC變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該DC/DC變換器為前后級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于主開關(guān)管T1、T2控制端不共地，若要采用PWM實(shí)現(xiàn)變換控制存在一定困難，因此，在變換電路中增加了輔助開關(guān)管 T3。T1、T3共地，T2、T3為同步開關(guān)，如此便實(shí)現(xiàn)了兩路控制信號(hào)的共地。其中，稱T3為降壓斬波開關(guān)，T1為升壓斬波主開關(guān)，T2為降壓斬波主開關(guān)。

當(dāng)T1截止，T3以PWM方式工作，變換器處于降壓工作模式。此時(shí)，變換器與降壓變換器相比僅僅多了一個(gè)二極管D2，而這一個(gè)二極管的加入對(duì)降壓變換器的工作無(wú)任何影響。因此，處于降壓工作模式的變換器等效于降壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為

式中:Ui為輸入電壓，V;Uo為輸出電壓，V;α為T2的占空比。

當(dāng)T3全導(dǎo)通，T1以PWM方式工作，變換器處于升壓工作模式。此時(shí)，變換器與升壓變換器相比多了一個(gè)全導(dǎo)通的開關(guān)管T2和一個(gè)二極管D1，而這兩個(gè)器件的加入對(duì)升壓變換器的工作無(wú)影響。因此，處于升壓工作模式的變換器等效于升壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為

式中:Ui為輸入電壓，V;Uo為輸出電壓，V;β為T1的占空比。

該DC/DC變換器僅有一個(gè)儲(chǔ)能元件即電感L。根據(jù)工作性質(zhì)可知，L必須能適應(yīng)升降壓兩種不同的工作模式，為該DC/DC變換器的關(guān)鍵元件。考慮臨界工作狀態(tài)，假設(shè)輸入電壓變化范圍為Umin～Umax，當(dāng)Ui=Umax時(shí)，變換器處于降壓模式;Ui=Umin時(shí)，變換器處于升壓模式。所以，根據(jù)公式(1)、(2)，可以得到T2的最小占空比 αmin和T1的最大占空比βmax。通過(guò)分別計(jì)算這兩個(gè)工作狀態(tài)的電感量，取其中較大者作為L(zhǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，則能同時(shí)滿足兩種工作模式的要求。

2.2 DC/AC逆變電路設(shè)計(jì)與分析

恒定的直流電經(jīng)過(guò)DC/AC變換，即可得到電壓和頻率恒定的交流電，供給車載用電設(shè)備使用。逆變部分選用半橋型SPWM控制方式。與傳統(tǒng)逆變電路相比，設(shè)計(jì)電路靜止變頻電源的功率器件采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，具有很高的可靠性和完善的保護(hù)功能，并且在單項(xiàng)輸出上增設(shè)了濾波器模塊，進(jìn)一步提高了電路的可靠性，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 半橋變換器參數(shù)計(jì)算

輸入額定電壓Ud，單相負(fù)載功率P取n倍的過(guò)載能力，電源效率取η，則

圖3 DC/AC逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

負(fù)載電流:

2.2.2 交流輸出濾波器的參數(shù)計(jì)算

濾波器輸入輸出電壓的傳遞函數(shù):

LC濾波器的截止頻率:

其值必須遠(yuǎn)小于SPWM電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波頻率，即

式中:f1為基波頻率，Hz;fmin為最低次諧波頻率，Hz。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為對(duì)逆變輸出性能進(jìn)行分析，建立整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。由于采用的是稀土永磁發(fā)電機(jī)，所以仿真系統(tǒng)應(yīng)模擬車載發(fā)電系統(tǒng)加裝到車輛后的日常工作情況［2］。仿真軟件采用Matlab/Simulink。整個(gè)仿真系統(tǒng)分為永磁發(fā)電機(jī)模塊、整流模塊、逆變模塊和自動(dòng)變載模塊(如圖4所示)。系統(tǒng)額定輸出功率為12 kW，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為800～2 800 r/min，輸出線電壓為單相AC 400 V，頻率為50 Hz。

圖4 仿真系統(tǒng)頂層模塊示意

(1)采用負(fù)載漸變方式，即發(fā)電系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，按25%、50%、75%、100%的順序逐漸加至滿載，再按相反順序減至空載。將仿真時(shí)間設(shè)置為4.5 s。此時(shí)，仿真過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，相應(yīng)的系統(tǒng)輸出電壓波形如圖6所示，系統(tǒng)輸出頻率波形如圖7所示。

圖5 負(fù)載漸變時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6 負(fù)載漸變時(shí)系統(tǒng)輸出電壓波動(dòng)曲線

圖7 負(fù)載漸變時(shí)系統(tǒng)輸出頻率波動(dòng)曲線

(2)采用負(fù)載突變方式，即發(fā)電系統(tǒng)工作穩(wěn)定后突然加滿載，再突然減至空載。將仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s。此時(shí)，仿真過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，相應(yīng)的系統(tǒng)輸出電壓波形如圖9所示，系統(tǒng)輸出頻率波形如圖10所示。

圖8 負(fù)載突變時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9 負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)輸出電壓波動(dòng)曲線

從圖6、9中可以看出，仿真開始時(shí)電壓波動(dòng)較大，最低電壓為228.2 V，最高電壓為233.4 V，變化范圍達(dá)到5.2V，但迅速穩(wěn)定下來(lái)，時(shí)間在0.21 s。在實(shí)際使用中，這個(gè)階段表示發(fā)電機(jī)系統(tǒng)剛開始工作，而用電設(shè)備在發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定后才能接入，所以可以不做考慮。從圖7、10可以看出，在加減負(fù)載時(shí)，頻率變化只有1～2個(gè)尖峰，而且變化幅度很小，只有0.03 Hz，這說(shuō)明發(fā)電系統(tǒng)可以很好地將頻率穩(wěn)定在50 Hz。

圖10 負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)輸出頻率波動(dòng)曲線

4 整流變換模塊臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在800～2 800 r/min的范圍內(nèi)，以800 r/min為起點(diǎn)，以100 r/min為步長(zhǎng)，用萬(wàn)用表對(duì)發(fā)電機(jī)從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的發(fā)電電壓進(jìn)行測(cè)量(逆變電路以前部分)。所得發(fā)電機(jī)輸出電壓及整流變換后電源輸出電壓見表1?？梢钥闯?，發(fā)電機(jī)在800～2 800 r/min范圍內(nèi)工作時(shí)，整流電源直流輸出可以穩(wěn)定在520～540 V，能夠滿足行車發(fā)電系統(tǒng)的逆變模塊對(duì)整流電源的要求。

表1 整流變換模塊實(shí)車輸出

表1(續(xù))

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于DC/DC和DC/AC技術(shù)的升降壓變換和電源逆變電路，解決了車輛變速情況下，發(fā)電機(jī)恒頻恒壓輸出問(wèn)題。

(2)設(shè)計(jì)了針對(duì)恒頻恒壓電路的仿真模型及整流變換模塊的實(shí)車實(shí)驗(yàn)。仿真分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)電路電壓浮動(dòng)僅為5.2 V，且能迅速平復(fù)，與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，達(dá)到了國(guó)家III類電站標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 楊春寶.汽車軸帶發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)與仿真［D］.天津:軍事交通學(xué)院，2009:1-8.

［2］ 朱詩(shī)順.后勤裝備車載式軸帶自發(fā)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.天津:軍事交通學(xué)院，2012:5-9.