同步發電機自勵裝置的殘壓起勵方式研究

呂敬高，高立夫

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同步發電機自勵裝置的殘壓起勵方式研究

呂敬高，高立夫

（海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南湘潭410111）

在傳統同步發電機自勵裝置殘壓起勵原理的基礎上，設計了一種殘壓起勵控制器。在發電機輸出電壓大于3.5 V時，使發電機迅速建壓，最終進入發電機的穩定勵磁調節狀態，維持發電機輸出電壓的穩定。文中介紹了殘壓起勵控制器電源和控制部分電路的原理，并進行了模擬試驗，試驗結果表明了該殘壓起勵控制器有效性。

殘壓起勵 升壓電路 勵磁調節

0 引言

同步發電機勵磁自勵裝置無外接勵電源，其勵磁電源一般取自發電機端的輸出電壓。在發電機低轉速時，發電機輸出電壓為發電機的剩磁電壓（即殘壓），一般在13～20 V之間，此時只能靠發電機的殘壓來為發電機提供勵磁電流。為了達到發電機建壓時間的要求，必須保證在發電機低剩磁電壓時能夠為發電機提供足夠的勵磁電流，使得發電機迅速建壓，從而形成閉反饋，通過發電機端電壓反饋迅速增加勵磁電流，從而滿足建壓時間的要求[1]。

傳統的同步發電機勵磁自勵裝置在殘壓起勵階段大多采用兩個整流橋的結構[2]，如圖1所示，開關K1的初始狀態為閉合，在發電機殘壓階段，發電機的殘壓通過K1將整流橋1的輸出作為全部的勵磁電流，使得發電機迅速建壓，當發電機電壓建立到一定程度，使得勵磁控制器開始工作時，通過開關K1將整流橋1的輸出切除，同時通過勵磁控制器對整流橋2的輸出進行調節，為發電機提供穩定的勵磁電流，從而達到調節發電機電壓的目的，滿足發電機的建壓時間要求。

然而當發電機剩磁電壓較低時，通過整流橋1輸出的勵磁電流過小，不足以滿足發電機建壓的要求，則有可能建壓失敗，或難以建立電壓，使得發電機的輸出電壓一直維持在殘壓狀態，此時則需要通過額外的裝置或手段來加強勵磁電流，進而增加了系統的成本，且降低了系統的可靠性[2]。

本文根據傳統同步發電機勵磁自勵裝置殘壓起勵的原理，設計了一種殘壓起勵控制器，該控制器在發電機極低殘壓情況下（大于2.6 V），可以使發電機迅速建壓，且可集成在勵磁控制器中，相比于傳統的自勵勵磁控制系統，可以省去一個整流橋裝置，簡化勵磁系統的結構，提高系統可靠性，降低系統成本。

圖1 傳統同步發電機殘壓起勵過程框圖

1 殘壓起勵控制器的設計與分析

殘壓起勵控制器的原理框圖如圖2所示。發電機輸出電壓經過整流橋整流之后分為兩路，一路進入勵磁控制器中的殘壓起勵控制部分，另一種作為DC/DC模塊的輸入電源。當發電機在低轉速，殘壓較低時，通過殘壓起勵控制器給勵磁控制器提供工作電源和主勵磁電源，當發電機電壓升高至DC/DC模塊電源工作時，殘壓起勵控制器將工作電源切換至DC/DC模塊上，從而進入正常的勵磁調節模式，為發電機提供穩定的勵磁電流。殘壓起勵控制器主要分為電源和控制電路兩個主要部分。

1.1殘壓起勵電源電路

殘壓起勵電源如圖3所示。電路中的切換電路1和切換電路2的初始狀態為接通狀態，當發電機輸出交流電壓大于2.6 V（對應直流輸出為3.5 V）時，通過升壓電路將電壓穩定在8.7～9.1 V之間，作為發電機的勵磁電源和5 V電源模塊的輸入，使得5 V電源模塊輸出穩定的5 V電源，作為發電機全壓起勵時的驅動電源；當發電機電壓輸出交流電壓大于7.8 V（對應直流輸出為10.5 V）時，此時通過二極管D3切斷8.7～9.1 V電源，使勵磁電源切換至10.5 V電源部分，同時20 V模塊電源開始工作，輸出穩定的20 V直流，作為15 V電源模塊的輸入，使其輸出穩定的15 V，作為勵磁控制器的工作電源，同時觸發切換電路2切斷升壓電路，從而切除5 V電源，使得勵磁控制器開始進入勵磁調節模式。由于20 V電源模塊的輸入范圍有限（小于75 V），隨著發電機輸出電壓的升高，DC/DC模塊電源開始工作（輸入范圍為36～432 V），當DC/DC模塊電源輸出24 V時，觸發切換電路1切斷20 V電源，使得勵磁控制器的工作電源完全由DC/DC模塊電源提供，從而保證系統的穩定運行。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可實現電源的無縫切換。而切換電路2動作時刻，則有可能造成電源丟失的暫態，但只要電源丟失時間很短，對于發電機系統來講，對發電機輸出電壓的影響可以忽略。

圖2 殘壓起勵控制原理框圖

圖3 殘壓起勵電源電路框圖

1.2 殘壓起勵控制電路

殘壓起勵控制電路的原理框圖如圖4所示。殘壓起勵控制電路的主要為主電路中的功率MOS管提供相應的PWM驅動信號，從而調節發電機的勵磁電流。

圖4 殘壓起勵主電路

殘壓起勵控制電路的工作原理如下：當發電機的殘壓在2.6～7.8 V之間時，只有5 V電源有效，此時5 V電源通過使能電路為MOS管提供一個恒高的驅動電壓信號，使得MOS管全通，發電機輸出電壓經過升壓后全部用于勵磁繞組（全壓勵磁模式），此時勵磁調節電路不工作，且勵磁調節使能電路禁止勵磁調節電路輸出；當發電機殘壓大于7.8 V時，15 V電源開始工作，從而使得勵磁調節電路開始根據發電機的反饋電壓輸出相應占空比的PWM驅動信號（勵磁調節模式），此時勵磁調節使能電路有效，使能PWM輸出，同時使能電路禁止5 V電源輸出（切斷5 V電源），從而實現通過調節MOS管的開通和關斷時間來調節勵磁電流的目的。圖4中的二極管D1和D2用于防止兩路驅動信號的相互影響和電流的倒灌。

2 模擬實驗分析

2.1模擬實驗電路

本文研究的是勵磁控制器中的殘壓起勵電路部分，故采用模擬實驗的方法對該部分電路的功能進行驗證。模擬實驗電路框圖如圖5所示。其中0～48 V可調直流電源1用于模擬發電機輸出電壓在2.6～28 V之間（對應直流電壓為3.5～24 V）時殘壓起勵控制電路的工作過程；0～48 V可調直流電源2用于模擬發電機輸出電壓大于28 V之后，殘壓起勵控制電路的工作過程。實驗平臺實物如圖6所示。

圖5 殘壓起勵模擬實驗電路框圖

圖6 實驗平臺

2.2模擬實驗結果分析

圖7為全壓起勵模式切換至勵磁調節模式時刻的實驗波形。即圖3中的切換電路2動作時刻的波形，其中通道1（黃色）為0～48 V可調直流電源1的輸出波形，通道2（藍色）為升壓電路輸出波形，通道3（紫紅色）為PWM驅動波形，通道4（綠色）為15 V電源模塊輸出，時間為200 μs/格。

從圖7中可以看出，在切換點時刻之前，直流輸入電壓約為10 V（1號波形）左右，此時PWM輸出驅動信號為5 V的高電平信號（3號波形），電源模塊輸出為0 V（4號波形），升壓電路輸出約為8.7 V左右（2號波形）。當直流輸入電壓的升高至約10.5 V時，15 V電源模塊工作輸出15 V，并觸發切換電路2動作，導致升壓電路輸出關斷（2號），關斷時間約為500 μs左右。升壓電壓電路關斷后，5 V電源模塊開始關斷，PWM驅動波形由原來的5 V高電平變成PWM脈沖，驅動波形切換時間約為500 μs左右（3號波形），等效為勵磁電流斷開約500 μs時間，對于發電機電壓來講，影響不大。

圖7 全壓起勵模式切換至勵磁調節模式時刻的實驗波形

圖8為控制電源切換至DC/DC模塊供電時刻的實驗波形。即圖3中的切換電路1動作時刻的波形，其中1號波形為20 V電源模塊的輸出波形，2號波形為0～48 V可調直流電源2的輸出波形，3號波形為PWM驅動波形，4號波形為15 V電源模塊輸出波形，時間為200 μs/格。

圖8 控制電源切換至DC/DC模塊供電時刻的實驗波形

從圖8中可以看出，0～48 V可調直流電源2的輸出電壓達到24 V（2號波形），等效為DC/DC模塊開始工作時）左右時，切換電路1開始工作，將20 V電源模塊的輸入切斷（1號波形），從而完全將控制電源轉至DC/DC模塊電源上，進入正常工作。從圖中可以看出，在電源切換點時刻，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 結束語

本文在傳統同步發電機自勵裝置殘壓起勵原理的基礎上，設計了一種殘壓起勵控制器，對其控制器的內部原理進行了分析，利用兩個切換電路實現了發電機在殘壓大于2.6 V時使得發電機開始建壓，之后通過起勵電路使發電機迅速建壓，同時去掉了一組整流橋，簡化了勵磁系統的結構。對該殘壓起勵控制器電路進行了模擬實驗，實驗表明了殘壓起勵控制器的正確性、有效性和可行性。

參考文獻：

[1] 張興望. 發電機殘壓起勵的研究與實現[J]. 電機電器技術, 2003,(02).

[2] 魏全浩. 自勵動力制動裝置中的常見問題[J]. 電機技術, 2004,(01).

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。