基于單管igbt的三級無刷發電機電源控制裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置及方法，包括最小系統、控制電路、電源單元、電源模塊、副勵磁機、主勵磁機、發電機、第一電壓測量變壓器、第二電壓測量變壓器、第三電壓測量變壓器、第一電流互感器、第二電流互感器、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、給定電壓電路、起勵繼電器、滅磁繼電器、IGBT驅動電路、模擬量輸入電路、鎖相環倍頻電路、開關量輸入光電隔離模塊和開關量輸出光電隔離模塊；采用單管IGBT作為功率開關元件可有效的減小開關損耗，提高反映速度，可靠性高，以控制器為主要控制單元對三級式同步發電機精確控制，通過與上位機通訊對系統進行監控，快速、方便地進行故障診斷和維修。
【專利說明】基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電氣工程【技術領域】，具體涉及一種基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]勵磁控制是三級無刷發電機電源控制裝置的核心部分，良好的勵磁控制裝置不僅可以保證整個電源控制裝置運行的安全性和可靠性，而且能提高電源控制裝置的經濟性。傳統的勵磁控制采用可控硅相控勵磁方式，而這種勵磁方式存在驅動電路復雜、所需電源功率大、功率因數小、換相時形成較大的過電壓、需要復雜而準確的同步電路等缺點。
[0003]隨著電力電子器件的飛速發展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)得到了廣泛應用，因此，出現了基于PWM技術的開關式斬控勵磁方式的勵磁控制,與傳統的可控娃相控勵磁方式相比，開關式斬控勵磁方式所需電源功率要小、功率因數要高、降低了勵磁回路的過電壓水平并且不需要同步電路。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置及方法。
[0005]本發明的技術方案是:一種基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置包括:最小系統、控制電路、電源單元、電源模塊、副勵磁機、主勵磁機、發電機、第一電壓測量變壓器、第二電壓測量變壓器、第三電壓測量變壓器、第一電流互感器、第二電流互感器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、給定電壓電路、起勵繼電器、滅磁繼電器、IGBT驅動電路、模擬量輸入電路、鎖相環倍頻電路、開關量輸入光電隔尚模塊、開關量輸出光電隔尚模。
[0006]所述最小系統包括控制器。
[0007]所述控制電路包括以單管IGBT為功率單元的降壓式DC/DC斬波電路、壓敏電阻器、三相不可控整流橋-濾波電路、緩沖電路、滅磁電路、LC電路和勵磁接通繼電器。
[0008]所述控制電路中壓敏電阻器接在副勵磁機的三相輸出端上，副勵磁機的三相輸出端與三相不可控整流橋-濾波電路的三相輸入端相連，三相不可控整流橋-濾波電路的輸出端分別與降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端、緩沖電路的輸入端和降壓式DC/DC斬波電路中二極管的正向導通端相連；降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端、基級端、發射極端均與IGBT驅動電路的輸出端相連；緩沖電路的輸入端與降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端相連，緩沖電路的輸出端與降壓式DC/DC斬波電路的輸出端相連；降壓式DC/DC斬波電路的輸出端與滅磁電路的輸入端相連,滅磁電路的輸出端與LC電路的輸入端相連，LC電路的一個輸出端與勵磁接通繼電器的輸入端相連，勵磁接通繼電器的輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，主勵磁機的另一輸入端與LC電路的另一輸出端相連。
[0009]整個裝置的連接為: 電源單元的輸出端分別與電源模塊的輸入端、控制器的電源輸入端相連；副勵磁機的三相輸出端分別與三相不可控整流橋-濾波電路的三相輸入端、第一電壓測量變壓器輸入端相連，第一電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；勵磁接通繼電器的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端相連，勵磁接通繼電器的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端之間接有霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器；起勵繼電器的輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，LC電路的一個輸出端與主勵磁機的另一個輸入端相連；起勵繼電器的輸出端與滅磁繼電器的輸入端相連；主勵磁機的輸出端與發電機的輸入端相連；發電機的三相輸出端分別與第二電壓測量變壓器的輸入端、第一電流互感器的輸入端相連，第二電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；第三電壓測量變壓器的輸入端、第二電流互感器的輸入端均連接電網，第三電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；鎖相環倍頻電路的輸出端與控制器的捕獲口輸入端相連；模擬量輸入電路的輸入端分別與第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端、第一電流互感器輸出端、第二電流互感器輸出端、給定電壓電路輸出端、霍爾電壓傳感器輸出端、霍爾電流傳感器輸出端相連；模擬量輸入電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連；IGBT驅動電路的輸入端分別與電源模塊的輸出端、控制器的PWM輸出端及降壓式DC/DC斬波電路的輸出端相連；IGBT驅動電路的輸出端分別與降壓式DC/DC斬波電路的輸入端、控制器的過流報警輸入端相連；開關量輸入光電隔離模塊的輸出端與控制器的通用輸入輸出模塊的輸入端相連，開關量輸出光電隔離模塊的輸入端與控制器的通用輸入輸出模塊的輸出端相連。
[0010]所述控制器通過串口通信轉換模塊與上位機相連；所述串口通信轉換模塊包括電源供電模塊、電源轉換模塊、第一電平轉換器、光電隔離器、RS-485收發器、第二電平轉換器；所述電源供電模塊的輸出端與電源轉換模塊的輸入端相連，電源轉換模塊的輸出端與控制器的輸入端相連；第一電平轉換器、RS-485收發器和第二電平轉換器均接在電源供電模塊的輸出端；控制器與第二電平轉換器相連，第二電平轉換器與RS-485收發器相連，RS-485收發器與光電隔離器相連，光電隔離器與第一電平轉換器相連，第一電平轉換器與上位機相連。
[0011]所述控制器連接有CAN通信模塊；所述CAN通信模塊包括電壓轉換單元、光電隔離單元、CAN總線插口、CAN收發器；所述控制器與電壓轉換單元相連，電壓轉換單元與光電隔離單元相連，光電隔離單元與CAN收發器相連，CAN收發器與CAN總線插口相連。
[0012]所述第一電壓測量變壓器輸出端、第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端均通過整形電路分別連接至鎖相環倍頻電路的輸入端和控制器的輸入端。
[0013]所述模擬量輸入電路包括交流采樣電路和直流采樣電路；所述交流采樣電路為三級放大器構成的放大電路，直流采樣電路為兩級放大器構成的放大電路；所述交流采樣電路的輸入端分別與第二電壓測量變壓器的輸出端、第三電壓測量變壓器的輸出端、第一電流互感器的輸出端、第二電流互感器的輸出端、給定電壓電路的輸出端相連，交流采樣電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連；直流米樣電路的輸入端分別與霍爾電壓傳感器的輸出端、霍爾電流傳感器的輸出端相連，直流米樣電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連。
[0014]所述壓敏電阻器用于吸收高次諧波引起的過電壓。[0015]所述緩沖電路用于控制降壓式DC/DC斬波電路的單管IGBT在開關過程中過電壓過的大小和過電流的大小。
[0016]采用基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置進行三級無刷發電機電源控制的方法，包括如下步驟:
步驟1:電源單元給控制器和電源模塊供電，控制器開始工作。
[0017]步驟2:副勵磁機輸出三相交流電壓信號經第一電壓測量變壓器降壓后輸入給整形電路，整形后的交流電壓信號輸入到控制器的捕獲口檢測副勵磁機的頻率值，同時，經整形后的交流電壓信號經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖。
[0018]步驟3:控制器實時檢測副勵磁機的電壓信號并進行頻率分析，當發電機轉速達到額定值，開關量輸出光電隔離模塊輸出起勵控制信號，該信號經放大后輸入給起勵繼電器。
[0019]步驟4:起勵繼電器接通，此時，由副勵磁機輸出的信號經控制電路輸出為主勵磁機提供勵磁電流，主勵磁機輸出的三相交流電經主勵磁機內部的旋轉整流器整流后給發電機提供勵磁電流，同時，控制電路輸出的勵磁電流和勵磁電壓分別經霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器傳至模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的信號輸入到控制器的AD轉換模塊進行AD轉換，從而實現對勵磁電流和勵磁電壓的穩定調節和過勵磁限制。
[0020]步驟5:發電機輸出的電壓經第二電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，發電機輸出的電流經第一電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成發電機輸出電壓和輸出電流的檢測，同時，發電機輸出電壓經第二電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到控制器，控制器利用該電壓信號檢測出發電機的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖。
[0021]步驟6:電網輸出的電壓經第三電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，電網輸出的電流經第二電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成電網輸出電壓和輸出電流的檢測，同時，電網輸出的電壓信號經第三電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到控制器，控制器利用該電壓信號檢測出電網的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖。
[0022]步驟7:控制器將采集的發電機輸出的電壓信號與電網輸出的電壓信號進行比較和PID運算，輸出PWM脈沖，該脈沖經IGBT驅動電路驅動后輸出給控制電路，調節控制電路中單管IGBT開關的通斷,使發電機輸出的電壓與電網輸出的電壓一致，發出并網信號，發電機斷路器的輔助接點閉合，完成并網。
[0023]步驟8:發電機與電網并網后，控制器根據給定電壓電路中的給定電壓值和對發電機輸出電壓值的差額來調整PWM占空比，PWM信號經IGBT驅動電路驅動后輸入到控制電路，控制單管IGBT的導通或關斷，從而控制副勵磁機輸出的勵磁電流的大小。
[0024]步驟9:當發電機的輸出電壓增到或降到非安全電壓范圍、頻率低于或超過非安全頻率范圍、發電機的饋線出現故障、絕緣電阻小或者控制裝置本身出現故障時，報警系統發出報警信號，控制裝置根據報警信號斷開發電機勵磁、斷開電網接觸器或啟動匯流條轉換裝置，以保證匯流條的不間斷供電。
[0025]有益效果:
(I)采用單管IGBT作為功率開關元件，可以有效地減小開關損耗，提高反映速度，可靠性高，驅動電路簡單。
[0026]( 2)以控制器為主要控制單元，實現對三級式同步發電機精確控制。通過與上位機的通訊可以對系統進行監控，能夠快速、方便地進行故障診斷和維修。本裝置可用于實際工程中，既保障供電可靠性又便于產品更新換代。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明【具體實施方式】的單管IGBT三級無刷發電機電源控制裝置的硬件結構框圖；
圖2是本發明【具體實施方式】的控制電路的電路圖；
圖3是本發明【具體實施方式】的串口通信轉換模塊結構框圖；
圖4是本發明【具體實施方式】的串口通信轉換模塊原理圖；
圖5是本發明【具體實施方式】的CAN通訊模塊電路圖；
圖6是本發明【具體實施方式】的模擬量輸入電路的交流采樣電路圖；
圖7是本發明【具體實施方式】的模擬量輸入電路的直流采樣電路圖；
圖8是本發明【具體實施方式】的電源控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0029]本實施方式的基于單管IGBT三級無刷發電機電源控制裝置的硬件結構如圖1所示，包括最小系統、控制電路、27V電源單元、20V電源模塊、IGBT驅動電路、模擬量輸入電路、整形電路、鎖相環倍頻電路、CAN通信模塊、上位機、串□通信轉換模塊、開關量輸入光電隔離模塊、開關量輸出光電隔離模塊、副勵磁機、主勵磁機、發電機、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、給定電壓電路、起勵繼電器、滅磁繼電器、第一電壓測量變壓器、第二電壓測量變壓器、第三電壓測量變壓器、第一電流互感器和第二電流互感器。
[0030]最小系統包括DSP控制器、±5V電源模塊和3.3V/1.8V電源芯片。
[0031]整個裝置的連接為:27V電源單元的輸出端分別與20V電源模塊的輸入端、±5V電源模塊的輸入端相連，士5V電源模塊的輸出端與3.3V/1.8V電源芯片的輸入端相連，
3.3V/1.8V電源芯片的輸出端與DSP控制器的電源輸入端相連；副勵磁機的三相輸出端分別與第一電壓測量變壓器的輸入端、控制電路中三相不可控整流橋-濾波電路3的三相輸入端相連，第一電壓測量變壓器的輸出端經整形電路分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、DSP控制器的CAPl輸入端相連；控制電路的勵磁接通繼電器7的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端相連，控制電路的勵磁接通繼電器7的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端之間接有霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器；起勵繼電器的一個輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，主勵磁機的一個輸入端與LC電路6的一個輸出端相連；起勵繼電器的輸出端與滅磁繼電器的輸入端相連；主勵磁機的輸出端與發電機的輸入端相連；發電機的輸出端分別與第二電壓測量變壓器的輸入端、第一電流互感器的輸入端相連，第二電壓測量變壓器的輸出端經整形電路分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、DSP控制器的CAPl輸入端相連；電網的輸出端分別與第三電壓測量變壓器的輸入端、第二電流互感器的輸入端相連，第三電壓測量變壓器的輸出端經整形電路分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、DSP控制器的CAPl輸入端相連；鎖相環倍頻電路的輸出端與DSP控制器的XINT2 口相連；模擬量輸入電路的輸入端分別與第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端、第一電流互感器輸出端、第二電流互感器輸出端、給定電壓電路輸出端、霍爾電壓傳感器輸出端、霍爾電流傳感器輸出端相連；模擬量輸入電路的輸出端與DSP控制器的AD轉換模塊相連；IGBT驅動電路的輸入端分別與20V電源模塊的輸出端、DSP控制器的PWM輸出端、控制電路的降壓式DC/DC斬波電路I的輸出端相連；IGBT驅動電路的輸出端分別與控制電路額降壓式DC/DC斬波電路I的輸入端、DSP控制器的過流報警輸入端相連；開關量輸入光電隔離模塊的輸出端與DSP控制器的通用輸入輸出模塊的輸入端相連，通用輸入輸出模塊的輸出端與開關量輸出光電隔離模塊的輸入端相連；上位機通過串口通信轉換模塊與DSP控制器的SCI串口相連；CAN通信模塊的輸入/輸出端與DSP控制器的CAN輸出/輸入端相連。
[0032]DSP型號選擇TMS320F2812，3.3V/1.8V電源芯片選用的型號為TPS767D318，霍爾電壓傳感器選用的型號為LV28-P，霍爾電流傳感選用的型號為LA28-NP，第一電流互感器和第二電流互感器選用的型號均為TA1905-04，自制第一電壓測量變壓器、第二電壓測量變壓器和第三電壓測量變壓器的原邊與副邊的變比均為22:1，開關量輸入光電隔離模塊選用的型號為TLP521,開光量輸出光電隔離模塊選用的型號為HCPL3120,起勵繼電器和滅磁繼電器選用的型號均為3TF51。
[0033]控制電路如圖2所示，包括以單管IGBT(Ql)為功率單元的降壓式DC/DC斬波電路
1、壓敏電阻器2、三相不可控整流橋-濾波電路3、緩沖電路4、滅磁電路5、LC電路6和勵磁接通繼電器7 ;其中壓敏電阻器2接在副勵磁機的三相輸出端，副勵磁機的三相輸出端與三相不可控整流橋-濾波電路3的三相輸入端相連，三相不可控整流橋-濾波電路3的輸出端分別與降壓式DC/DC斬波電路I的輸入端、緩沖電路4的輸入端、降壓式DC/DC斬波電路I中二極管D的正向導通端相連；降壓式DC/DC斬波電路I的單管IGBT(Ql)的集電極端、基級端、發射極端均接在IGBT驅動電路的輸出端；緩沖電路4的輸出端與降壓式DC/DC斬波電路I的單管IGBT(Ql)的發射極端相連；降壓式DC/DC斬波電路I的輸出端與滅磁電路5的輸入端相連，滅磁電路5的輸出端與LC電路6的輸入端相連，LC電路6的一個輸出端與勵磁接通繼電器7的輸入端相連，勵磁接通繼電器7的輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，主勵磁機的另一個輸入端與LC電路的另一個輸出端相連。其中壓敏電阻器2是吸收高次諧波引起的過電壓；緩沖電路4是控制降壓式DC/DC斬波電路I的單管IGBT(Ql)在開關過程中過電壓的大小和過電流的大小；滅磁電路5是當需要滅磁時，勵磁繞組中的電流可以通過電阻Ra快速釋放，然后使勵磁接通繼電器7斷開，防止誤動作激磁，保障安全。
[0034]串口通信轉換模塊結構如圖3所示，由于上位機的COM通信接口是RS-232標準串行接口，其最大傳輸距離不超過15米，最高速率為20kb/s，并且RS-232是為只用一對收發設備通信而設計的，所以只適合本地設備間的通信。為了彌補RS-232通信距離短、速率低的缺點，本實施方式采用串口通信轉換模塊與上位機進行通信。該串口通信轉換模塊包括5V電源供電模塊、3.3V電源轉換模塊、第一電平轉換器、光電隔離器、RS-485收發器、第二電平轉換器；其中5V電源供電模塊的輸出端與3.3V電源轉換模塊的輸入端相連,第一電平轉換器、RS-485收發器、第二電平轉換器均接在5V電源供電模塊的輸出端上，3.3V電源轉換模塊的輸出端與DSP控制器的輸入端相連；DSP控制器與第二電平轉換器相連，第二電平轉換器與RS-485收發器相連，RS-485收發器與光電隔離器相連，光電隔離器與第一電平轉換器相連，第一電平轉換器與上位機相連。
[0035]具體工作方式為:上位機插口輸出的信號經過第一電平轉換器進行電平轉換，再經過光電隔離器送到RS-485收發器中，RS-485收發器輸出的信號經過第二電平轉換器進行電平轉換后輸入到DSP控制器的SCI 口 ；DSP控制器的SCI 口輸出端輸出的信號經過第二電平轉換器進行電平轉換，再經過光電隔離器送到RS-485收發器中，RS-485收發器輸出的信號經過第一電平轉換器進行電平轉換后輸入到上位機插口。第一電平轉換器和第二電平轉換器均選用型號為MAX232芯片，RS-485收發器選用型號為MAX485芯片，光電隔離器選用型號為6N136芯片。
[0036]串口通信轉換模塊原理如圖4所示，其中Ul的8、13、14腳分別與上位機插口 DB9的3、7、2針相連，Ul的11腳與U2的6腳相連，Ul的12腳與U3的2腳相連，Ul的9腳與U4的2腳相連，U2的2腳與U5的I腳相連，U3的6腳分別與U5的2、3腳相連，U4的6腳與U5的4腳相連，U5的6、7腳分別與U6的8、14腳相連，U6的9、11腳分別與DSP控制器的91、92腳相連。其具體工作方式為:上位機的插口 DB9的2針輸出的信號經Ul進行電平轉換，再經過U2送到U5中，U5的7腳輸出的信號再經過U6進行電平轉換后由11腳輸入到DSP控制器的92腳；DSP控制器的92腳輸出的信號經U6進行電平轉換后由8腳輸入到U5的6腳，然后由U5的4腳輸出給U4經過光電隔離送到電平轉換芯片Ul的9腳，轉換后的電平由8腳輸出到上位機插口 DB9的3針。Ul、U6為MAX232電平轉換芯片用于在接收和發送數據時轉換電平，U2、U3、U4為光電隔離芯片6N136，其目的是消除共模電壓的影響，U5為RS-485收發器MAX485芯片。
[0037]CAN通信模塊電路如圖5所示，包括電壓轉換單元8、光電隔離單元9、CAN總線插口 10、CAN收發器11 ;其中電壓轉換單元8包括第一電壓轉換器、第二電壓轉換器、第三電壓轉換器和第四電壓轉換器，光電隔離單兀9包括光電隔離器Ql和光電隔離器Q2 ；DSP控制器的87腳經電壓轉換單元8的第一電壓轉換器和第二電壓轉換器與光電隔離單元9的光電隔離器Q2的3腳相連，光電隔離單元9的光電隔離器Ql的6腳經電壓轉換單元8的第四電壓轉換器、第三電壓轉換器和電阻Rl與DSP控制器89腳相連，光電隔離單元9的光電隔離器Ql的3腳與CAN收發器11中Q3的4腳相連，光電隔離單元9的光電隔離器Q2的輸出端6腳與CAN收發器11中Q3的I腳相連，CAN收發器11中Q3的8腳經電阻R4與CAN總線插口 10的3針相連，CAN收發器11中Q3的6、7腳分別與CAN總線插口 10的2、7針相連。
[0038]具體工作方式為:DSP控制器的87腳輸出的信號先經過電壓轉換單元8的第一電壓轉換器和第二電壓轉換器進行電壓轉換，再經過光電隔離單元9的光電隔離器Q2隔離后由6腳輸出到CAN收發器11中Q3的I腳，CAN收發器11中Q3的6腳和7腳輸出差動信號到CAN總線插口 10的2針和7針；CAN總線插口 10輸出差動信號到CAN收發器11中Q3的輸入端6腳和7腳,CAN收發器11中Q3的4腳輸出的信號給光電隔離單兀9的光電隔離器Ql的3腳，然后再經過電隔離單元9的光電隔離器Ql的6腳輸入給電壓轉換單元8的第四電壓轉換器、第三電壓轉換器進行電壓轉換，然后將轉換后的電壓信號輸入到DSP控制器的89腳。第一電壓轉換器、第二電壓轉換器、第三電壓轉換器和第四電壓轉換器均選用型號為LVX14芯片，其作用是順利完成5V/3.3V的轉換；光電隔離器Ql和光電隔離器Q2均選用型號為6N137芯片，其作用是提高抗干擾能力；CAN收發器Q3選用的型號為PCA82C250，其作用是增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾(RFI)實現熱防護。
[0039]模擬量輸入電路包括12路交流采樣電路和3路直流采樣電路。其中交流采樣電路和直流采樣電路中的放大器AMP1A、AMP IB, AMP1C、AMP ID, AMPlE型號的均選用LM124芯片。
[0040]交流采樣電路如圖6所示，具體為三級放大器構成的放大電路，包括第一射極跟隨放大電路12、第一反相比例放大電路13、反相加法電路14 ;第一射極跟隨放大電路12由第一級放大器AMPlA構成，其作用是提高輸入阻抗和帶負載能力；第一反相比例放大電路13由第二級放大器AMPlB構成，其作用是通過可調電阻RA5調節放大倍數使信號電壓在-1.5^+1.5V之內 ，反相加法電路14由第三級放大器AMPlC構成，在AMPlC的輸入端增加一個偏移電壓輸入電路，通過調節可調電阻RA7的阻值，使得最終輸出電壓的變化范圍為(T3V之間。
[0041]第一射極跟隨放大電路12的AMPlA的輸入端3腳分別與第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端、第一電流互感器輸出端、第二電流電流互感器輸出端和給定電壓電流輸出端相連，第一射極跟隨放大電路12的AMPlA的輸入端2腳與其輸出端I腳相連，第一射極跟隨放大電路12的AMPlA的輸出端I腳通過電阻RA3與第一反相比例放大電路13的AMPlB的輸入端6腳相連，第一反相比例放大電路13的AMPlB的輸入端6腳與其輸出端7腳之間有電容、可調電阻的并聯電路，第一反相比例放大電路13的AMPlB的輸出端7腳通過電阻RA9與反相加法電路14的AMPlC的輸入端9腳相連，反相加法電路14的AMPlC的輸入端9腳與反相加法電路14的AMPlC的輸出端8腳之間有電容、電阻的并聯電路，反相加法電路14的AMPlC的輸出端8腳通過電阻RA12與DSP控制器的AD轉換模塊相連。
[0042]直流采樣電路如圖7所示，具體為兩級放大器構成的放大電路，包括第二射極跟隨放大電路15、第二反相比例放大電路16 ;第一射極跟隨放大電路15由第一級放大器AMPlD構成，其作用是提高輸入阻抗和帶負載能力；第二反相比例放大電路16由第二級放大器AMPlE構成，其作用是通過調節可調電阻RA18的阻值，使得最終輸出的直流電壓在(T3V之間。
[0043]第二射極跟隨放大電路15的AMPlD的輸入端I腳通過電阻RA15分別與霍爾電流傳感器的輸出端和霍爾電壓傳感器的輸出端相連，第二射極跟隨放大電路15的AMPlD的輸入端2腳與其輸出端3腳相連，第二射極跟隨放大電路15的AMPlD的輸出端3腳通過電阻RA16與第二反相比例放大電路16的AMPlE的輸入端6腳相連，AMPlE的輸入端的6腳與其輸出端的7腳之間有電容、可調電阻的并聯電路，第二反相比例放大電路16的AMPlE的輸出端7腳通過電阻RA19與DSP的AD轉換模塊連。
[0044]本實施方式的流程如圖8所示，采用上述基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置進行發電機電源控制的方法，具體按如下步驟進行: 步驟1:27V電源單元給DSP控制器和20V電源模塊供電，DSP控制器開始工作。
[0045]步驟2:副勵磁機輸出三相交流電壓信號經第一電壓測量變壓器降壓后輸入給整形電路，整形后的交流電壓信號輸入到DSP控制器的CAPl 口檢測副勵磁機的頻率值，同時，經整形后的交流電壓信號經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到DSP控制器，為AD采樣提供觸發脈沖。
[0046]步驟3 =DSP控制器實時檢測副勵磁機的電壓信號并進行頻率分析，當頻率達到800Hz時，由頻率與轉速的關系式可知，此時發電機轉速達到額定值3000r/min，開關量輸出光電隔離模塊輸出起勵控制信號，該信號經放大后輸入給起勵繼電器。
[0047]步驟4、起勵繼電器接通，此時，由副勵磁機輸出的信號經控制電路輸出為主勵磁機提供勵磁電流，主勵磁機輸出的三相交流電經主勵磁機內部的旋轉整流器整流后給發電機提供勵磁電流，同時，控制電路輸出的勵磁電流和勵磁電壓分別經霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器傳至模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的信號輸入到DSP控制器的AD轉換模塊進行AD轉換，從而實現對勵磁電流和勵磁電壓的穩定調節和過勵磁限制。
[0048]步驟5:發電機輸出的電壓經第二電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，發電機輸出的電流經第一電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至DSP控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成發電機輸出電壓和輸出電流的檢測，同時,發電機輸出電壓經第二電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到DSP控制器CAPl 口，DSP控制器利用該電壓信號檢測出發電機的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到DSP控制器，為AD采樣提供觸發脈沖。
[0049]步驟6:電網輸出的電壓經第三電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，電網輸出的電流經第二電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至DSP控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成電網輸出電壓和輸出電流的檢測，同時，電網輸出的電壓信號經第三電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到DSP控制器CAPl 口，DSP控制器利用該電壓信號檢測出電網的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到DSP控制器，為AD采樣提供觸發脈沖；
步驟7:DSP控制器將采集的發電機輸出的電壓信號與電網輸出的電壓信號進行比較和PID運算，輸出PWM脈沖，該脈沖經IGBT驅動電路驅動后輸出給控制電路，調節控制電路中單管IGBT(Ql)開關的通斷,使發電機輸出的電壓與電網輸出的電壓一致,發出并網信號，發電機斷路器的輔助接點閉合，完成并網。
[0050]步驟8:發電機與電網并網后，DSP制器根據給定電壓電路中的給定電壓值和對發電機輸出電壓值的差額來調整PWM占空比，PWM信號經IGBT驅動電路驅動后輸入到控制電路，控制單管IGBT(Ql)的導通和關斷，從而控制副勵磁機輸出的勵磁電流的大小。
[0051]步驟9:當發電機的輸出電壓增到非安全電壓范圍220V-230V或電壓降到非安全電壓范圍175V-185V、頻率低于非安全頻率范圍372Hz-380Hz或超過非安全頻率范圍420Hz-428Hz、發電機的饋線出現故障、絕緣電阻小或者控制裝置本身出現故障時，報警系統發出報警信號，控制裝置根據報警信號斷開發電機勵磁、斷開匯流條接觸器或啟動匯流條轉換裝置，以保證匯流條的不間斷供電。
【權利要求】
1.一種基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:包括最小系統、控制電路、電源單元、電源模塊、副勵磁機、主勵磁機、發電機、第一電壓測量變壓器、第二電壓測量變壓器、第三電壓測量變壓器、第一電流互感器、第二電流互感器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、給定電壓電路、起勵繼電器、滅磁繼電器、IGBT驅動電路、模擬量輸入電路、鎖相環倍頻電路、開關量輸入光電隔尚模塊、開關量輸出光電隔尚模塊； 所述最小系統包括控制器； 所述控制電路包括以單管IGBT為功率單元的降壓式DC/DC斬波電路、壓敏電阻器、三相不可控整流橋-濾波電路、緩沖電路、滅磁電路、LC電路和勵磁接通繼電器； 所述控制電路中壓敏電阻器接在副勵磁機的三相輸出端上，副勵磁機的三相輸出端與三相不可控整流橋-濾波電路的三相輸入端相連，三相不可控整流橋-濾波電路的輸出端分別與降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端、緩沖電路的輸入端和降壓式DC/DC斬波電路中二極管的正向導通端相連；降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端、基級端、發射極端均與IGBT驅動電路的輸出端相連；緩沖電路的輸入端與降壓式DC/DC斬波電路中單管IGBT的集電極端相連，緩沖電路的輸出端與降壓式DC/DC斬波電路的輸出端相連；降壓式DC/DC斬波電路的輸出端與滅磁電路的輸入端相連,滅磁電路的輸出端與LC電路的輸入端相連，LC電路的一個輸出端與勵磁接通繼電器的輸入端相連，勵磁接通繼電器的輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，主勵磁機的另一輸入端與LC電路的另一輸出端相連； 整個裝置的連接為:電源單元的輸出端分別與電源模塊的輸入端、控制器的電源輸入端相連；副勵磁機的三相輸出 端分別與三相不可控整流橋-濾波電路的三相輸入端、第一電壓測量變壓器輸入端相連，第一電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；勵磁接通繼電器的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端相連，勵磁接通繼電器的一個輸出端與起勵繼電器的輸入端之間接有霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器；起勵繼電器的輸出端與主勵磁機的一個輸入端相連，LC電路的一個輸出端與主勵磁機的另一個輸入端相連；起勵繼電器的輸出端與滅磁繼電器的輸入端相連；主勵磁機的輸出端與發電機的輸入端相連；發電機的三相輸出端分別與第二電壓測量變壓器的輸入端、第一電流互感器的輸入端相連，第二電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；第三電壓測量變壓器的輸入端、第二電流互感器的輸入端均連接電網，第三電壓測量變壓器的輸出端分別與鎖相環倍頻電路的輸入端、控制器的輸入端相連；鎖相環倍頻電路的輸出端與控制器的捕獲口輸入端相連；模擬量輸入電路的輸入端分別與第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端、第一電流互感器輸出端、第二電流互感器輸出端、給定電壓電路輸出端、霍爾電壓傳感器輸出端、霍爾電流傳感器輸出端相連；模擬量輸入電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連；IGBT驅動電路的輸入端分別與電源模塊的輸出端、控制器的PWM輸出端及降壓式DC/DC斬波電路的輸出端相連；IGBT驅動電路的輸出端分別與降壓式DC/DC斬波電路的輸入端、控制器的過流報警輸入端相連；開關量輸入光電隔離模塊的輸出端與控制器的通用輸入輸出模塊的輸入端相連，開關量輸出光電隔離模塊的輸入端與控制器的通用輸入輸出模塊的輸出端相連。
2.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述控制器通過串口通信轉換模塊與上位機相連；所述串口通信轉換模塊包括電源供電模塊、電源轉換模塊、第一電平轉換器、光電隔離器、RS-485收發器、第二電平轉換器；所述電源供電模塊的輸出端與電源轉換模塊的輸入端相連，電源轉換模塊的輸出端與控制器的輸入端相連；第一電平轉換器、RS-485收發器和第二電平轉換器均接在電源供電模塊的輸出端；控制器與第二電平轉換器相連，第二電平轉換器與RS-485收發器相連，RS-485收發器與光電隔離器相連，光電隔離器與第一電平轉換器相連，第一電平轉換器與上位機相連。
3.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述控制器連接有CAN通信模塊；所述CAN通信模塊包括電壓轉換單元、光電隔離單元、CAN總線插口、CAN收發器；所述控制器與電壓轉換單元相連，電壓轉換單元與光電隔離單元相連，光電隔離單元與CAN收發器相連，CAN收發器與CAN總線插口相連。
4.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述第一電壓測量變壓器輸出端、第二電壓測量變壓器輸出端、第三電壓測量變壓器輸出端均通過整形電路分別連接至鎖相環倍頻電路的輸入端和控制器的輸入端。
5.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述模擬量輸入電路包括交流采樣電路和直流采樣電路；所述交流采樣電路為三級放大器構成的放大電路，直流采樣電路為兩級放大器構成的放大電路；所述交流采樣電路的輸入端分別與第二電壓測量變壓器的輸出端、第三電壓測量變壓器的輸出端、第一電流互感器的輸出端、第二電流互感器的輸出端、給定電壓電路的輸出端相連，交流采樣電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連；直流米樣電路的輸入端分別與霍爾電壓傳感器的輸出端、霍爾電流傳感器的輸出端相連，直流采樣電路的輸出端與控制器的AD轉換模塊相連。
6.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述壓敏電阻器用于吸收高次諧波引起的過電壓。
7.根據權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置，其特征在于:所述緩沖電路用于控制降壓式DC/DC斬波電路的單管IGBT在開關過程中過電壓過的大小和過電流的大小。
8.采用權利要求1所述的基于單管IGBT的三級無刷發電機電源控制裝置進行三級無刷發電機電源控制的方法，其特征在于:具體按如下步驟進行: 步驟1:電源單元給控制器和電源模塊供電，控制器開始工作； 步驟2:副勵磁機輸出三相交流電壓信號經第一電壓測量變壓器降壓后輸入給整形電路，整形后的交流電壓信號輸入到控制器的捕獲口檢測副勵磁機的頻率值，同時，經整形后的交流電壓信號經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖； 步驟3:控制器實時檢測副勵磁機的電壓信號并進行頻率分析，當發電機轉速達到額定值，開關量輸出光電隔離模塊輸出起勵控制信號，該信號經放大后輸入給起勵繼電器； 步驟4:起勵繼電器接通，此時，由副勵磁機輸出的信號經控制電路輸出為主勵磁機提供勵磁電流，主勵磁機輸出的三相交流電經主勵磁機內部的旋轉整流器整流后給發電機提供勵磁電流，同時，控制電路輸出的勵磁電流和勵磁電壓分別經霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器傳至模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的信號輸入到控制器的AD轉換模塊進行AD轉換，從而實現對勵磁電流和勵磁電壓的穩定調節和過勵磁限制； 步驟5:發電機輸出的電壓經 第二電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，發電機輸出的電流經第一電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成發電機輸出電壓和輸出電流的檢測，同時，發電機輸出電壓經第二電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到控制器，控制器利用該電壓信號檢測出發電機的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖； 步驟6:電網輸出的電壓經第三電壓測量變壓器衰減，衰減后的電壓信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，電網輸出的電流經第二電流互感器隔離，隔離后的電流信號輸入到模擬量輸入電路進行信號調理，調理后的電壓信號和電流信號均傳至控制器的AD轉換模塊進行AD轉換,從而完成電網輸出電壓和輸出電流的檢測，同時，電網輸出的電壓信號經第三電壓測量變壓器衰減后輸入給整形電路，整形后的電壓信號輸入到控制器，控制器利用該電壓信號檢測出電網的頻率值；整形后的電壓信號還經過鎖相環倍頻電路倍頻后輸入到控制器，為AD采樣提供觸發脈沖； 步驟7:控制器將采集的發電機輸出的電壓信號與電網輸出的電壓信號進行比較和PID運算，輸出PWM脈沖，該脈沖經IGBT驅動電路驅動后輸出給控制電路，調節控制電路中單管IGBT開關的通斷,使發電機輸出的電壓與電網輸出的電壓一致，發出并網信號，發電機斷路器的輔助接點閉合，完成并網； 步驟8:發電機與電網并網后，控制器根據給定電壓電路中的給定電壓值和對發電機輸出電壓值的差額來調整PWM占空比，PWM信號經IGBT驅動電路驅動后輸入到控制電路，控制單管IGBT的導通或關斷，從而控制副勵磁機輸出的勵磁電流的大小； 步驟9:當發電機的輸出電壓增到或降到非安全電壓范圍、頻率低于或超過非安全頻率范圍、發電機的饋線出現故障、絕緣電阻小或者控制裝置本身出現故障時，報警系統發出報警信號，控制裝置根據報警信號斷開發電機勵磁、斷開電網接觸器或啟動匯流條轉換裝置，以保證匯流條的不間斷供電。
【文檔編號】H02P9/30GK103746622SQ201410032328
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】楊東升, 張化光, 曲春普, 王迎春, 汪剛, 王寶新, 張智龍, 陳海軍 申請人:東北大學, 沈陽航天新光集團有限公司