五相雙定子繞組感應直流發電系統實驗平臺

劉皓喆，卜飛飛，許海軍，黃文新

(南京航空航天大學，南京 211106)

0 引 言

異步電機因其結構簡單、成本低等優點，已成為直流發電系統的一種選擇。但傳統異步電機發電系統中，有功功率與無功功率均經過功率變換器，這就造成了功率變換器容量大和體積大等缺點[1-2]。雙定子繞組感應發電機的首次提出，將該發電機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無功功率，實現了功能分開[3-4]，可輸出高品質電能。針對雙定子繞組感應發電機發電系統，馬偉明院士開展了許多富有成果性研究[5-6]，其應用背景為艦船電源系統，原動機轉速基本恒定。南京航空航天大學的研究人員以風力發電和航空電源為背景，研究了變速運行條件下的雙定子繞組感應電機發電系統[7-8]。多相電機具有功率密度高、可靠性高等優點，已在船舶推進和風力發電等多種場合得到應用[9-10]。

對于一個系統而言，可靠的硬件平臺是其安全穩定運行的保障。無論是對于雙定子繞組感應發電機還是多相電機所構成的發電系統而言，其硬件平臺均不同于普通三相電機的硬件平臺。對于雙定子繞組感應電機直流發電系統，其定子上的控制繞組與功率繞組分別流過無功功率與有功功率，因此控制繞組接功率變換器，通過控制變換器的無功功率來實現對發電機的控制。這樣設計可使電機的有功功率與無功功率分開，只有無功功率從變換器中流過，從而減小了變換器的容量[11]。多相電機因其定子相數多，所用的功率變換器也隨之采用多相結構。

本文研究一種五相雙定子繞組感應發電機直流發電系統的實驗平臺設計與實現。通過綜合考慮雙繞組電機與多相電機的特點，構建一套硬件可靠，穩定性高的實驗平臺。

1 系統介紹

五相雙定子繞組感應發電機直流發電系統的結構如圖1所示。五相雙定子繞組感應發電機作為該系統的發電單元，其定子繞組分為控制繞組和功率繞組。控制繞組與五相靜勵磁變換器(以下簡稱SEC)連接，用來控制發電機勵磁無功；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來輸出直流電能。由西門子M440變頻器驅動的三相感應電機作為原動機，以TMS320F28335型DSP為控制器構成的控制電路及智能功率模塊(以下簡稱IPM)驅動電路配合外圍AD采樣調理電路、故障保護電路，組成一套高性能的五相雙定子繞組感應電機直流發電系統。為獲得較好的控制性能，根據五相雙定子繞組的特點，采用控制繞組磁場定向的控制策略，并對該系統進行帶載下的穩態實驗，驗證其穩態性能。

圖1 五相雙定子繞組感應發電機直流發電系統框圖

1.1 五相雙定子繞組感應發電機

該系統中的發電機為五相雙定子繞組感應發電機。該發電機采用2對極，額定功率為5 kW，額定轉速為1 500 r/min。其轉子采用籠型結構，簡單堅固；定子繞組按照功能不同分為控制繞組和功率繞組。兩套繞組相數均為五相，且極對數相同，它們不存在電氣連接，僅共用同一個氣隙磁場。其中，控制繞組與五相SEC連接，用來調節發電機無功功率；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來輸出直流電能，在1 500 r/min轉速下輸出的額定直流電壓為270 V。

1.2 五相SEC

該系統中五相SEC由小功率輔助電源、二極管、控制繞組側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電機建壓過程中提供初始勵磁電壓，發電機輸出直流電壓逐漸升高超過輔助電源的電壓，二極管反向關斷，輔助電源脫離系統。

五相SEC由2個三相IPM組成。IPM的驅動電路如圖2所示。由于開關頻率較高，為避免驅動電路內部電路與IPM外部電路之間相互影響，采用HCPL4504高速光電耦合器進行弱電信號與強電信號之間的電氣隔離。光耦原邊并聯了一個2N3904三極管與外圍電阻配合，用于放大PWM信號，提高其驅動能力。PWM故障信號檢測電路由光電耦合器PC817與外圍電阻配合構成。PWM故障信號經過PC817隔離，送至CPLD。

圖2 IPM驅動電路

控制繞組側直流母線電容在母線電壓波動時起到了緩沖作用，選取容值時因考慮控制繞組側母線電壓的波動量，參考文獻[12]中的電容選取方法，本系統中的母線電容選取2 200 μF/450 V。

1.3 功率側直流輸出

發電機的功率繞組經過五相不控整流橋整流，輸出270 V直流電壓。仍以文獻[12]中的電容選取方法，在功率測直流母線上并聯2個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，更易于輸出高品質電能。以14.5 Ω的功率電阻模擬直流負載。將2個三相整流模塊構成的五相不控整流單元。其功率側直流母排電路如圖3所示。

圖3 直流母排電路

1.4 AD采樣調理電路

AD采樣調理電路主要對該系統中所要監測與控制的電壓電流信號進行檢測、調理及濾波，使檢測信號轉換為電壓信號送入DSP的AD轉換模塊，最后轉換為數字量。該系統的檢測信號不僅包括直流母線電壓、直流母線電流等直流信號，還包括發電機控制繞組四相相電流等交流信號。

圖4為該系統的AD采樣調理電路圖。采用VSM025A型電壓霍爾傳感器對各電壓信號進行采樣；采用CSM100LTA型電流傳感器對各電流信號進行采樣。檢測到的強電信號通過傳感器轉換為毫安級電流信號iin，通過采樣電阻R1轉換成電壓信號uin。由TL084構成的電壓跟隨器，其主要功能是提高信號驅動能力，減小后級干擾。電壓跟隨器的輸出送入由MC33172及外圍電阻構成的AD調理電路。由于交流信號圍繞0上下變化，而DSP的AD轉換模塊只能承受0～3 V的電壓信號，因此檢測信號需進行電平抬升。取參考電壓uref=5 V，則AD調理電路的輸出電壓uo：

圖4 AD采樣調理電路

(1)

通過調節可調電阻R5，使檢測信號的0對應AD調理電路輸出的1.5 V。AD調理電路輸出的電壓信號經過由R6與C1構成的濾波電路進行濾波后，輸入至DSP的AD轉換模塊。在輸出級加入了二極管保護電路，防止AD調理電路的輸出信號超出DSP中AD轉換模塊的承受范圍。

1.5 故障保護電路

當系統運行出現故障或異常時，有可能產生電壓飆升或電流沖擊，若電流與電壓超出IPM的承受范圍，會導致IPM損壞甚至整個系統的損壞。因此，故障保護電路是十分必要的。

該系統所需要的保護主要有控制繞組側與功率繞組側直流電壓過壓保護，控制繞組A相,B相,C相,D相相電流過流保護，直流輸出電流過流保護以及IPM信號故障保護。

前面已提到，對于IPM信號故障保護，IPM內部產生的故障信號通過光耦隔離直接送入CPLD中進行處理。對于過壓和過流保護，將電壓、電流檢測值與設定值進行比較，產生保護信號，送入CPLD中進行處理。由于控制繞組A相,B相,C相,D相相電流的采樣信號為交流信號，因此首先應將交流信號整流轉化為絕對值。該系統的絕對值故障保護電路如圖5所示。交流信號首先通過由TL084和2個1N4148二極管以及外圍電阻配合構成的絕對值電路，輸出的絕對值信號通過R5與C1構成的濾波器，送入由LM293與外圍電阻配合構成的比較器中與設定值進行比較，并通過PC817光耦隔離，輸出保護信號，經過R11與C2構成的濾波電路，送入CPLD中進行處理，而直流檢測信號不需要經過絕對值電路，直接送至比較器與設定值比較。

圖5 絕對值故障保護電路

2 實 驗

為驗證該系統實驗平臺設計的合理性與正確性，構建了該系統的硬件實物平臺，并進行了相關實驗研究。該系統的實驗平臺硬件實物如圖6所示。發電機的控制方法采用控制繞組磁場定向的矢量控制方法，圖7給出了控制策略圖。

圖6 實驗平臺硬件實物圖

圖7 控制策略圖

該系統的穩態實驗結果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，發電機在額定轉速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)為功率側經五相整流橋整流輸出的直流母線與負載電流波形。母線電壓穩定在270 V左右，直流負載電流約為21 A。實驗結果表明該系統穩定性好，可靠性高。

(a) 控制繞組A相電壓

(b) 直流輸出電壓和負載電流

圖8穩態實驗結果

3 結 語

本文研究了一種五相雙定子繞組感應發電機直流發電系統實驗平臺的設計與實現。根據發電機結構以及控制方法的特殊性，在對系統實驗平臺設計時，將發電機的控制繞組連接五相功率變換器，用來調節發電機勵磁無功；將功率繞組連接五相整流橋，用來輸出直流功率。采用TMS320F28335型DSP作為控制芯片，設計了一套五相雙定子繞組感應發電機270 V直流發電系統的實驗平臺。實驗結果表明，該系統的實驗平臺能夠穩定運行，可靠性高，該硬件系統將對五相雙定子繞組感應發電機直流發電系統的研究奠定了基礎。

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