整流充電發電機組勵磁系統

陽習黨 翟小飛 馬偉明 胡 安 晏 明

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

目前蓄電池充電可以采用開關器件可控整流和二極管不控整流等兩種方式，前者是固定交流電壓，通過變流裝置來調節直流側電壓以控制充電功率；后者是通過改變交流電源來調節充電功率[1-3]。采用發電機經不控整流的方式，由于交流電源不取自電網，從而減小了充電設備對電網的干擾和諧波污染，同時避免了電網故障導致充電過程終止的風險。

斯特林發動機是一種外燃的閉式循環往復活塞式熱力發電機，汽缸一端為熱腔，另一端為冷腔。燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，通過加熱器傳遞給工質，工質不直接參與燃燒。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功[4,5]。以斯特林發動機作為原動機的發電機系統為斯特林發電機組。斯特林發動機（稱為原動機）采用固定間隔、定量補充燃料模式，在單位時間內輸出固定的能量，因此其工作方式是恒功率輸出，調節燃料補充速度可以控制原動機輸出功率大小[6,7]。斯特林發動機在額定轉速下工作效率最高、壽命最長，而其采用轉速開環、恒功率輸出的工作方式，需要發電機向負載輸出相匹配的功率，才能使發電機組穩定在額定轉速。

斯特林發電機組整流后帶蓄電池構成的充電機組，由于發電機組恒功率輸出，以及蓄電池電壓在充電期間變化緩慢，可以近似認為是恒流充電方式，因此斯特林充電發電機系統具有較好的充電特性。通過調節發電機勵磁電流，控制發電機向蓄電池充電功率 P1，使之與從原動機獲得的輸入機械功率P0相平衡，實現在不同的充電功率條件下，機組穩定在額定轉速工作。

2 整流充電發電機組勵磁控制系統設計

整流充電發電機組是以斯特林發動機作為原動機，主發電機輸出經不控整流后向蓄電池負載充電。圖1 為充電發電機組電氣原理圖。整流充電發電機組采用無刷勵磁系統，勵磁機為與主發電機同軸的轉樞式三相發電機，其轉子為電樞，定子為勵磁繞組。勵磁機電樞（轉子）輸出經旋轉整流器后向主發電機勵磁繞組（轉子）供電[11-14]。勵磁電源經過勵磁功率放大器后向勵磁機勵磁繞組提供勵磁電流，從而間接控制主發電機勵磁電流大小。圖1 中的測速電路和勵磁電流調理電路，分別向數字式勵磁控制器提供機組轉速和勵磁機勵磁電流信號，數字式勵磁控制器根據這兩種信號進行閉環運算，產生勵磁功率放大器PWM 控制脈沖，從而對勵磁機勵磁電流進行控制。

圖1 充電發電機組電氣原理圖Fig.1 Schematic of the rectified charging generator

當原動機輸出功率增加，勵磁控制系統應增加勵磁機勵磁電流，提高主發電機向蓄電池充電功率，使發電機組輸入功率和輸出功率相匹配，保證發電機組穩定在額定轉速。反之，當原動機輸出功率減小，勵磁控制系統應減小勵磁機勵磁電流，維持發電機組在額定轉速。

2.1 勵磁功率放大電路設計

連續改變勵磁機勵磁繞電壓從而改變勵磁電流是實現勵磁系統的重要研究內容。文獻[3]提到相控整流、文獻[16]采用的H 橋電路拓撲以及文獻[17]采用的Buck 電路拓撲均能作為勵磁功率電路。根據充電發電機勵磁容量較小的特點，本文選取只需單個可控器件的Buck 電路作為勵磁功率電路，稱為勵磁功率放大器。勵磁功率放大器主要作用是，在勵磁控制器PWM 脈沖控制下，向勵磁機勵磁繞組提供連續可調的平均勵磁電壓，從而實現對勵磁機勵磁電流調節。勵磁功率放大器電路原理如圖2 所示，圖3 為勵磁功率放大電路的充電和續流工作狀態。

圖2 Buck 電路結構的勵磁功率放大器電路Fig.2 Buck topology circuit of the excitation power amplifier

圖3 勵磁功率放大器充電和續流回路Fig.3 Charging and continuous-flow circuit of the excitation power amplifier

圖2 中VT 為N 型MOSFET 功率器件，VD 為勵磁繞組續流二極管，Re和Le分別為勵磁機勵磁繞組的電阻和電感，Ufd為勵磁功率放大器直流供電電源。在PWM 脈沖控制下，開關器件VT 存在導通和關斷狀態，引起勵磁功率主電路存在充電和續流兩種模態。當開關器件VT 導通時，供電電源向勵磁繞組供電，勵磁電流增加，圖3a 為其充電回路；當按VT 斷開時，勵磁繞組通過續流二極管VD 自然續流放電，勵磁電流減小，圖3b 為其續流回路。勵磁繞組平均勵磁電壓Ufem與供電電源Ufd存在以下關系

式中 Dm——PWM 占空比。

改變Dm可以調節勵磁繞組上的平均電壓，從而調節勵磁繞組電流大小。由于開關動作的影響，輸出電流為直流電流基礎上疊加與PWM 頻率相同的紋波。圖4 為輸出勵磁電流與PWM 信號波形。

圖4 PWM 信號與輸出勵磁電流波形Fig.4 PWM signal and the waveforms of the excitation current

2.2 轉速測量電路設計

實現對轉速的準確測量是斯特林發電機組勵磁系統的基本要求。受到機組體積限制，光電編碼器和齒輪盤等測速方式會增加機組軸向長度，因此本文選用測頻測速的方法。根據發電機極對數p 和測量出的交流電壓頻率f，由式（2）可計算發電機組轉速n。

DSP 控制器采用定時器計數的方法，通過片上捕獲電路（CAP 接口）可以方便地對方波周期進行測量。但是如果被測量方波周期很長，會導致DSP定時器計數溢出而出現錯誤，因此被測量方波頻率應位于合理的范圍。為了實現測頻測速，本文采用圖5 所示電路對交流電壓信號進行整型和倍頻處理。

圖5 測頻測速信號處理電路Fig.5 Signal processing circuit of the speed measurement

圖5 中電壓傳感器將高壓交流電壓轉變為電流信號Im，并經過測量電阻Rm轉換為正弦電壓信號Um，經過滯環比較電路環節后，該信號被整型為方波信號，通過倍頻電路生成較高頻率方波信號。該方波信號送到DSP 控制器的捕獲引腳（CAP）進行周期測量，并根據周期反推出交流電壓的頻率和機組轉速。根據圖5 中的滯環比較電路原理，要求發電機交流電壓不小于參考電壓Vref所對應的交流電壓Umin，否則不能產生方波信號，從而導致測頻測速失敗。

可見，建立大于Umin的交流電壓并設置合理的倍頻數值是該測速電路設計的關鍵。倍頻數值通過分析在電路設計中容易實現，而低速階段建立一定大小的端口電壓，則是通過預勵磁方法實現，這部分內容在2.3 小節中介紹。

2.3 穩速為目標的勵磁控制策略設計

從前面敘述可知，保持恒速是斯特林發電機組的控制目標，因此勵磁控制系統以機組轉速n 為外環控制量；同時，為了減小勵磁機環節的等效時間常數，本文采用易于測量的勵磁機勵磁電流作為內環控制量，以提高發電機組的動態響應速度[18-21]。因此，斯特林發電機組勵磁控制采用了轉速外環、勵磁機勵磁電流內環的雙閉環控制策略，其勵磁控制框圖如圖6 所示。

圖6 發電機組勵磁控制框圖Fig.6 Control block of the excitation system

整流發電機無刷勵磁系統包括了勵磁機勵磁繞組和主發電機兩個慣性環節，勵磁機勵磁繞組的勵磁電流慣性環節Ge(s)可以表示為式（3），主發電機電磁轉矩慣性環節Gt(s)可以表示為式（4），發電機轉速環節傳遞函數Gn(s)可以表示為式（5）所示。

式中 Ke，Te——勵磁機勵磁繞組的放大倍數和時間常數；

Kt，Tg——主發電機環節的放大倍數和時間常數；

Tm——原動機輸入轉矩；

Te——主發電機電磁轉矩；

Jm——機組轉動慣量。

從圖 6 可以看出與普通反饋系統略有不同的是，轉速偏差Δn 為實際轉速n 減去轉速參考nref，即Δn=n-nref。因為原動機增加輸入功率導致轉速n和Δn 均上升，Δn 增加引起轉速PI 調節器輸出Ife_cmd增加，在電流內環作用下勵磁機勵磁電流Ife隨著Ife_cmd增加，從而增加發電機輸出功率使機組達到功率平衡，維持轉速不變。反之，原動機減小輸入功率，勵磁系統不斷減小勵磁機勵磁電流以減小發電機輸出功率，從而維持機組轉速不變。

根據整流器單向導電特性以及蓄電池浮壓的影響，本文將整流充電發電機組勵磁調節過程分為兩個階段，其過程示意圖如圖7 所示。

圖7 勵磁調節過程示意圖Fig.7 General view of the excitation regulation process

第一階段：預勵磁階段。這個階段主要是確保發電機組低速階段的測頻測速功能，并使發電機轉速不斷上升。該階段主要特點是機組轉速范圍為0～1 200r/min 的低速區間，勵磁調節采用轉速開環、電流閉環的單內環控制方式。此階段發電機端口電壓U0既要大于Umin（見2.2 小節）以滿足測頻測速要求，又不能大于蓄電池電壓Ud，而導致整流器通電，發電機帶載，降低機組轉速上升速率，甚至在此低速區達到功率平衡、轉速穩定。此階段發電機端口電壓U0應滿足式（6），即

式中，Umax為對應于蓄電池浮壓Ud，使整流器處于臨界導通時的交流電壓。

從上述分析可知，此階段機組處于空載狀態且不斷加速向額定轉速靠近，根據發電機空載電壓U0

通過控制勵磁電流 Ife，可使發電機空載電壓U0保持基本不變且滿足式（6）。在圖7 的0A 轉速階段，由于轉速n 很低，采用較大的恒定勵磁電流建立交流端口電壓U0；在轉速AB 階段，隨著轉速n 不斷升高，調節勵磁機勵磁電流不斷下降，以保證發電機端口電壓維持穩定。

第二階段：轉速閉環調節階段。此階段勵磁調節從電流內環轉化為轉速外環和勵磁機勵磁電流內環的雙閉環控制方式。在圖7 轉速BC 區間，由于PI 調節器對轉速偏差Δn 的積分作用，轉速PI 調節器輸出不斷減小直到飽和下限Ife_min。當轉速n 超過設定值nref時，轉速PI 調節器逐步退出飽和并進行穩速調節。

3 發電機組勵磁系統試驗

試驗用發電機機組參數如下：

主發電機為同步發電機，額定功率Pe=100kW，極對數p=2，額定轉速ne=1 800r/min，蓄電池初始電壓Ud=475V。勵磁機額定勵磁電流Ifen=3.3A，勵磁功率放大器直流側電壓為Ufd=24V(DC)。

根據發電機組勵磁調節過程，預勵磁階段、進入額定轉速階段、恒功率充電階段、發電機組輸出功率增加階段等四個主要狀態的試驗波形分別如圖8～圖11 所示。

圖8 預勵磁階段發電機各物理量變化曲線Fig.8Waveforms of the variables in the pre-excitation stage

圖9 進入額定轉速區間，發電機各物理量變化曲線Fig.9Waveforms of the variables in the accessing to the rated speed stage

圖10 機組100kW 恒功率輸出時各物理量變化曲線Fig.10Waveforms of the variables in the 100kW constant output power stage

圖11 機組輸出功率從65kW 增加到80kW，各物理量變化曲線Fig.11Waveforms of the variables in the rising stage from 65kW to 80kW

（1）預勵磁階段。從圖 8 可以看出，機組400r/min 以下時，勵磁機勵磁電流維持在1.8A 左右，直流側充電電流為0A，發電機處于空載狀態。轉速超過400r/min 時，勵磁機勵磁電流不斷下降，直流側充電電流為0A，發電機保持空載狀態。

（2）進入額定轉速階段。從圖9 可以看出，在轉速1 200r/min 到1 800r/min 區間內，轉速PI 調節器輸出其飽和下限值，勵磁機勵磁電流恒定為0.8A，直流側充電電流為0A，發電機空載。轉速超過1 800r/min 后，轉速PI 調節器退出下限飽和進入線性區域，勵磁電流不斷上升，直流側充電電流從零增加到10A 左右，發電機帶載，機組轉速從超調峰值回落到1 800r/min 左右并很快收斂，機組進入轉速穩定狀態。

（3）恒功率充電階段。發電機向蓄電池輸出100kW 左右電功率，發電機轉速穩定在1 800r/min，直流側電壓為DC 492V，直流側充電電流為204A，勵磁機勵磁電流穩定在2.8A 左右。可見發電機組進入穩定的恒功率充電狀態。

（4）發電機組輸出功率增加階段。原動機輸出功率從65kW 增加到80kW，相當于原動機向系統提供了一個不斷增大的輸入擾動。從圖11 可以看出，勵磁控制系統對該擾動進行有效抑制，轉速僅出現小幅波動，勵磁機勵磁電流從 2.2A 上升到2.4A，直流側電壓從DC 488V 增加到DC 494V，直流側充電電流電流從135A 上升到160A。發電機組從一個穩定狀態過渡到另一個穩定狀態，反映出系統良好的動態調節特性。

從圖8～圖11 所示的各物理量變化曲線可以看出，采用數字控制芯片DSP 構成的數字式勵磁控制系統，實現了斯特林發電機組在額定轉速條件下向蓄電池充電功能，并能在原動機輸入功率變化時，實現穩定發電機組轉速的目的。從下表顯示的數據可以看出，發電機組在100kW 的恒功率充電條件下，發電機組轉速波動為±1r/min；當原動機功率從65kW 增加到 80kW 時，發電機轉速正向波動為+23r/min，轉速負向波動為-6r/min。可見本文設計的勵磁控制系統具有較好的穩態和動態調節特性。

表 發電機組勵磁調節數據Tab. Data of the generator excitation regulation（單位：r/min）

4 結論

針對斯特林發電機組工作特點，采用DSP 芯片構成的數字式勵磁控制系統，實現了轉速外環、勵磁機勵磁電流內環的雙閉環控制策略。采用測頻測速方法可以獲得準確的發電機組轉速，且在低速區間采用預勵磁方法解決了轉速測量問題。根據發電機組穩態和動態試驗，反映出勵磁控制系統具有優良的穩態調速特性和較好的動態調節性能，實現了斯特林發電機組在恒速條件下向蓄電池充電的功能。

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