劉皓喆，卜飛飛，許海軍，黃文新

(南京航空航天大學(xué)，南京 211106)

0 引 言

異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為直流發(fā)電系統(tǒng)的一種選擇。但傳統(tǒng)異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，有功功率與無(wú)功功率均經(jīng)過(guò)功率變換器，這就造成了功率變換器容量大和體積大等缺點(diǎn)[1-2]。雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的首次提出，將該發(fā)電機(jī)定子繞組分為控制繞組與功率繞組，使得功率變換器中只流過(guò)無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)了功能分開[3-4]，可輸出高品質(zhì)電能。針對(duì)雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，馬偉明院士開展了許多富有成果性研究[5-6]，其應(yīng)用背景為艦船電源系統(tǒng)，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定。南京航空航天大學(xué)的研究人員以風(fēng)力發(fā)電和航空電源為背景，研究了變速運(yùn)行條件下的雙定子繞組感應(yīng)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)[7-8]。多相電機(jī)具有功率密度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已在船舶推進(jìn)和風(fēng)力發(fā)電等多種場(chǎng)合得到應(yīng)用[9-10]。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，可靠的硬件平臺(tái)是其安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。無(wú)論是對(duì)于雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)還是多相電機(jī)所構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)而言，其硬件平臺(tái)均不同于普通三相電機(jī)的硬件平臺(tái)。對(duì)于雙定子繞組感應(yīng)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)，其定子上的控制繞組與功率繞組分別流過(guò)無(wú)功功率與有功功率，因此控制繞組接功率變換器，通過(guò)控制變換器的無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制。這樣設(shè)計(jì)可使電機(jī)的有功功率與無(wú)功功率分開，只有無(wú)功功率從變換器中流過(guò)，從而減小了變換器的容量[11]。多相電機(jī)因其定子相數(shù)多，所用的功率變換器也隨之采用多相結(jié)構(gòu)。

本文研究一種五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)綜合考慮雙繞組電機(jī)與多相電機(jī)的特點(diǎn)，構(gòu)建一套硬件可靠，穩(wěn)定性高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)介紹

五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為該系統(tǒng)的發(fā)電單元，其定子繞組分為控制繞組和功率繞組?？刂评@組與五相靜勵(lì)磁變換器(以下簡(jiǎn)稱SEC)連接，用來(lái)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁無(wú)功；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來(lái)輸出直流電能。由西門子M440變頻器驅(qū)動(dòng)的三相感應(yīng)電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，以TMS320F28335型DSP為控制器構(gòu)成的控制電路及智能功率模塊(以下簡(jiǎn)稱IPM)驅(qū)動(dòng)電路配合外圍AD采樣調(diào)理電路、故障保護(hù)電路，組成一套高性能的五相雙定子繞組感應(yīng)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)。為獲得較好的控制性能，根據(jù)五相雙定子繞組的特點(diǎn)，采用控制繞組磁場(chǎng)定向的控制策略，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行帶載下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其穩(wěn)態(tài)性能。

圖1 五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)框圖

1.1 五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)

該系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)為五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)采用2對(duì)極，額定功率為5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。其轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單堅(jiān)固；定子繞組按照功能不同分為控制繞組和功率繞組。兩套繞組相數(shù)均為五相，且極對(duì)數(shù)相同，它們不存在電氣連接，僅共用同一個(gè)氣隙磁場(chǎng)。其中，控制繞組與五相SEC連接，用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來(lái)輸出直流電能，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下輸出的額定直流電壓為270 V。

1.2 五相SEC

該系統(tǒng)中五相SEC由小功率輔助電源、二極管、控制繞組側(cè)直流母線電容以及五相全橋變換器組成。小功率輔助電源僅在發(fā)電機(jī)建壓過(guò)程中提供初始勵(lì)磁電壓，發(fā)電機(jī)輸出直流電壓逐漸升高超過(guò)輔助電源的電壓，二極管反向關(guān)斷，輔助電源脫離系統(tǒng)。

五相SEC由2個(gè)三相IPM組成。IPM的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。由于開關(guān)頻率較高，為避免驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部電路與IPM外部電路之間相互影響，采用HCPL4504高速光電耦合器進(jìn)行弱電信號(hào)與強(qiáng)電信號(hào)之間的電氣隔離。光耦原邊并聯(lián)了一個(gè)2N3904三極管與外圍電阻配合，用于放大PWM信號(hào)，提高其驅(qū)動(dòng)能力。PWM故障信號(hào)檢測(cè)電路由光電耦合器PC817與外圍電阻配合構(gòu)成。PWM故障信號(hào)經(jīng)過(guò)PC817隔離，送至CPLD。

圖2 IPM驅(qū)動(dòng)電路

控制繞組側(cè)直流母線電容在母線電壓波動(dòng)時(shí)起到了緩沖作用，選取容值時(shí)因考慮控制繞組側(cè)母線電壓的波動(dòng)量，參考文獻(xiàn)[12]中的電容選取方法，本系統(tǒng)中的母線電容選取2 200 μF/450 V。

1.3 功率側(cè)直流輸出

發(fā)電機(jī)的功率繞組經(jīng)過(guò)五相不控整流橋整流，輸出270 V直流電壓。仍以文獻(xiàn)[12]中的電容選取方法，在功率測(cè)直流母線上并聯(lián)2個(gè)2 200 μF的直流母線電容。相比于三相整流，五相整流有更小的電壓紋波，更易于輸出高品質(zhì)電能。以14.5 Ω的功率電阻模擬直流負(fù)載。將2個(gè)三相整流模塊構(gòu)成的五相不控整流單元。其功率側(cè)直流母排電路如圖3所示。

圖3 直流母排電路

1.4 AD采樣調(diào)理電路

AD采樣調(diào)理電路主要對(duì)該系統(tǒng)中所要監(jiān)測(cè)與控制的電壓電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)理及濾波，使檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)不僅包括直流母線電壓、直流母線電流等直流信號(hào)，還包括發(fā)電機(jī)控制繞組四相相電流等交流信號(hào)。

圖4為該系統(tǒng)的AD采樣調(diào)理電路圖。采用VSM025A型電壓霍爾傳感器對(duì)各電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；采用CSM100LTA型電流傳感器對(duì)各電流信號(hào)進(jìn)行采樣。檢測(cè)到的強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為毫安級(jí)電流信號(hào)iin，通過(guò)采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)uin。由TL084構(gòu)成的電壓跟隨器，其主要功能是提高信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，減小后級(jí)干擾。電壓跟隨器的輸出送入由MC33172及外圍電阻構(gòu)成的AD調(diào)理電路。由于交流信號(hào)圍繞0上下變化，而DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊只能承受0～3 V的電壓信號(hào)，因此檢測(cè)信號(hào)需進(jìn)行電平抬升。取參考電壓uref=5 V，則AD調(diào)理電路的輸出電壓uo：

圖4 AD采樣調(diào)理電路

(1)

通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5，使檢測(cè)信號(hào)的0對(duì)應(yīng)AD調(diào)理電路輸出的1.5 V。AD調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)由R6與C1構(gòu)成的濾波電路進(jìn)行濾波后，輸入至DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊。在輸出級(jí)加入了二極管保護(hù)電路，防止AD調(diào)理電路的輸出信號(hào)超出DSP中AD轉(zhuǎn)換模塊的承受范圍。

1.5 故障保護(hù)電路

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障或異常時(shí)，有可能產(chǎn)生電壓飆升或電流沖擊，若電流與電壓超出IPM的承受范圍，會(huì)導(dǎo)致IPM損壞甚至整個(gè)系統(tǒng)的損壞。因此，故障保護(hù)電路是十分必要的。

該系統(tǒng)所需要的保護(hù)主要有控制繞組側(cè)與功率繞組側(cè)直流電壓過(guò)壓保護(hù)，控制繞組A相,B相,C相,D相相電流過(guò)流保護(hù)，直流輸出電流過(guò)流保護(hù)以及IPM信號(hào)故障保護(hù)。

前面已提到，對(duì)于IPM信號(hào)故障保護(hù)，IPM內(nèi)部產(chǎn)生的故障信號(hào)通過(guò)光耦隔離直接送入CPLD中進(jìn)行處理。對(duì)于過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，將電壓、電流檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，送入CPLD中進(jìn)行處理。由于控制繞組A相,B相,C相,D相相電流的采樣信號(hào)為交流信號(hào)，因此首先應(yīng)將交流信號(hào)整流轉(zhuǎn)化為絕對(duì)值。該系統(tǒng)的絕對(duì)值故障保護(hù)電路如圖5所示。交流信號(hào)首先通過(guò)由TL084和2個(gè)1N4148二極管以及外圍電阻配合構(gòu)成的絕對(duì)值電路，輸出的絕對(duì)值信號(hào)通過(guò)R5與C1構(gòu)成的濾波器，送入由LM293與外圍電阻配合構(gòu)成的比較器中與設(shè)定值進(jìn)行比較，并通過(guò)PC817光耦隔離，輸出保護(hù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)R11與C2構(gòu)成的濾波電路，送入CPLD中進(jìn)行處理，而直流檢測(cè)信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路，直接送至比較器與設(shè)定值比較。

圖5 絕對(duì)值故障保護(hù)電路

2 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性與正確性，構(gòu)建了該系統(tǒng)的硬件實(shí)物平臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件實(shí)物如圖6所示。發(fā)電機(jī)的控制方法采用控制繞組磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，圖7給出了控制策略圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件實(shí)物圖

圖7 控制策略圖

該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率5 kW情況下，控制繞組A相電壓波形有較好的正弦度。圖8(b)為功率側(cè)經(jīng)五相整流橋整流輸出的直流母線與負(fù)載電流波形。母線電壓穩(wěn)定在270 V左右，直流負(fù)載電流約為21 A。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高。

(a) 控制繞組A相電壓

(b) 直流輸出電壓和負(fù)載電流

圖8穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)以及控制方法的特殊性，在對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，將發(fā)電機(jī)的控制繞組連接五相功率變換器，用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁無(wú)功；將功率繞組連接五相整流橋，用來(lái)輸出直流功率。采用TMS320F28335型DSP作為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)270 V直流發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性高，該硬件系統(tǒng)將對(duì)五相雙定子繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流發(fā)電系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

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