專(zhuān)利名稱(chēng)：同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及其控制技術(shù)，它是采用一種新型的逆變式電源作為同步發(fā)電機(jī)的可調(diào)勵(lì)磁電源的勵(lì)磁系統(tǒng)，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)外同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)有交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)(包恬他勵(lì)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)即無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)和他勵(lì)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng))，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)(可控硅自并勵(lì)、自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng))及諧波勵(lì)磁系統(tǒng)，各種勵(lì)磁系統(tǒng)有其不同的特點(diǎn)。自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，其發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源直接由發(fā)電機(jī)端電壓獲得，經(jīng)過(guò)控制整流后，送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或機(jī)械接觸類(lèi)元件，但需要龐大勵(lì)磁變及功率單元，占地面積大，噪聲大，價(jià)格亦高；直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是采用同軸直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的勵(lì)磁電流，這是多年來(lái)同步發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)，至今中小型同步發(fā)電機(jī)仍有很多采用這種勵(lì)磁系統(tǒng)。這種勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)立的不受外系統(tǒng)干擾的勵(lì)磁電源，調(diào)節(jié)方便，設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用也比較少。但是，運(yùn)行時(shí)整流子與電刷之間火花嚴(yán)重，事故多，性能差，維護(hù)困難，換向器和電刷的維護(hù)工作量大，維護(hù)費(fèi)用高，檢修勵(lì)磁機(jī)時(shí)必須停主機(jī)。而且，隨著電力技術(shù)及系統(tǒng)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)的容量愈來(lái)愈大，要求勵(lì)磁功率也相應(yīng)增大，而大容量的直流勵(lì)磁機(jī)無(wú)論在換向問(wèn)題或電機(jī)的結(jié)構(gòu)上都受到限制，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不能滿足要求。因此，新發(fā)電機(jī)組直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不再采用，已采用的必須改造；交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，是用交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)整流供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。交流勵(lì)磁機(jī)也裝在發(fā)電機(jī)主軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。此勵(lì)磁方式屬他勵(lì)磁方式。交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)有他勵(lì)旋轉(zhuǎn)整流器和他勵(lì)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)兩種。他勵(lì)靜止的整流裝置，又稱(chēng)為他勵(lì)靜止勵(lì)磁，它由交流副勵(lì)磁機(jī)提供其勵(lì)磁電流。交流副勵(lì)磁機(jī)有永磁機(jī)和自勵(lì)恒壓裝置的交流發(fā)電機(jī)。靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中必須經(jīng)過(guò)滑環(huán)向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流?；h(huán)是一種轉(zhuǎn)動(dòng)接觸元件。大型發(fā)電機(jī)機(jī)組，其轉(zhuǎn)子電流大，滑環(huán)的數(shù)量多，運(yùn)行時(shí)必須防止滑環(huán)過(guò)熱。他勵(lì)旋轉(zhuǎn)整流器常稱(chēng)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)取消滑環(huán)使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)都無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)接觸的元件，因此近年來(lái)很多采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。但同抽交流勵(lì)磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器維修時(shí)仍然要仃機(jī)，運(yùn)行時(shí)噪音較大，交流電勢(shì)的諧波分量也較大。為了克服上述勵(lì)磁系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述勵(lì)磁系統(tǒng)的缺點(diǎn)，特別是直流電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)存在的問(wèn)題而發(fā)明的一種新型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源系統(tǒng)及其控制技術(shù)。本發(fā)明提供一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁控制系統(tǒng)，它由提供勵(lì)磁電源的主回路及完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控任務(wù)的控制回路組成。主回路由工頻交流整流、濾波單元、逆變單元、高頻交流變壓?jiǎn)卧⒍握?、濾波單元組成，主回路的直流輸出與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路相連，不用傳統(tǒng)的大型勵(lì)磁變壓器及大功率可控硅元件。本發(fā)明提供的控制回路完成數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算控制，參數(shù)給定、脈沖輸出、功率放大、狀態(tài)和參數(shù)顯示等監(jiān)控任務(wù)，包括采樣單元，主控制器單元，脈沖輸出與功率放大(驅(qū)動(dòng))單元。它能夠使勵(lì)磁裝置體積和重量降低，節(jié)能省材，效率提高，調(diào)節(jié)性能改善。由于采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖，可獲得較好的調(diào)節(jié)特性。因間歇振蕩的頻率低，脈沖寬度窄，空載損耗小，變壓器不易飽和。

圖1是本發(fā)明一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁控制回路結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明一種同步發(fā)電機(jī)的逆變式勵(lì)磁裝置電路圖；圖5是本發(fā)明一種同步發(fā)電機(jī)的逆變式勵(lì)磁裝置主控制器接線圖。圖中:I為交流電壓；2為工頻交流整流、濾波單元；3為直流電壓；4為逆變單元；5為高頻交流電壓A ;6為高頻交流電變壓；7為高頻交流電壓B ；8為整流、濾波單元；9為直流輸出電壓。 A為數(shù)據(jù)采集單元；B為主控制器單元；C為脈沖輸出和功率放大(即驅(qū)動(dòng))單元；E為主控制器還與上位機(jī)；F為人機(jī)對(duì)話；G為開(kāi)關(guān)量輸入；H為開(kāi)關(guān)量輸出；UF為發(fā)電機(jī)端電壓；UX為系統(tǒng)電壓；IF為發(fā)電機(jī)定子電流；IL為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。
具體實(shí)施方式下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:圖1、圖2所示為提供勵(lì)磁電源的主回路及完成信息采集、調(diào)節(jié)計(jì)算和監(jiān)控任務(wù)的控制回路，主回路它將工頻(50Hz)單相交流220V電壓或三相交流380V電壓，先經(jīng)整流器整流和濾波變成直流，再通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)電子元件(場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET或IGBT)進(jìn)行逆變處理，由開(kāi)關(guān)管逆變成100KHz(10萬(wàn)Hz)的高頻交流電，同時(shí)經(jīng)變壓器降至適合于勵(lì)磁用的幾十伏電壓，再經(jīng)二次整流和濾波將IOOKHz的高頻交流電流再次轉(zhuǎn)變成直流電流，供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。其變換順序?yàn)?工頻交流(經(jīng)整流濾波)一直流(經(jīng)逆變)一高頻交流(降壓、整流、濾波)—直流。即:AC — DC — AC — DC。如圖3、圖4、圖5所示勵(lì)磁輸出電流、功率的大小由逆變單元控制。逆變單元工作頻率高，因此功率元件選用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT管。MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管由于具有極高的開(kāi)關(guān)頻率，每秒鐘可開(kāi)關(guān)50萬(wàn)次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150°C (管芯)，而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，場(chǎng)效應(yīng)管作為逆變器的開(kāi)關(guān)器件，可以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本(使用高頻率變壓器以減小體積)。它是較好的開(kāi)關(guān)器件，適合在高頻電路中作開(kāi)關(guān)器件使用。但是場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流較小，一般在9A至20A左右，需采用多只并聯(lián)的形式來(lái)提高焊機(jī)電源的輸出電流，而且由于場(chǎng)效應(yīng)管其引腳的爬電距離(導(dǎo)電體到另一導(dǎo)電體間的表面距離)較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機(jī)器或危害人身安全；采用IGBT即雙極型絕緣效應(yīng)管，可以通過(guò)大電流(100A以上)，但其開(kāi)關(guān)頻率在20KHZ 30KHZ之間。由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率較場(chǎng)效應(yīng)管低，因此其變壓器、濾波、儲(chǔ)能電容、電抗器等電子器件都較場(chǎng)效應(yīng)管體積增大，技術(shù)參數(shù)也不同。IGBT外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。晶閘管(SCR)由于其開(kāi)關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，因此不用作高頻工作的逆變式勵(lì)磁控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電路。由于變壓器原繞組和副繞組電勢(shì)E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關(guān)系:E = 4.44FBSW,而繞組的端電壓U近似地等于E，即:U ^ E =
4.44FBSW,由上式可見(jiàn)，當(dāng)U、B —定時(shí)F提高，則S減小，W減少，使變壓器的重量和體積就可以大大減小。就能使整機(jī)的重量和體積顯著減小?？刂苹芈钒〝?shù)據(jù)采集單元A，主控制器單元B，脈沖輸出和功率放大單元C，其數(shù)據(jù)采集單元A與UF，UX, IF, IL等采樣量相連；其主控制器單元B —端與數(shù)據(jù)采集電路A相連，另一端與脈沖輸出和功率放大單元C相連，主控制器還與上位機(jī)E，人機(jī)對(duì)話F及開(kāi)關(guān)量輸入G、開(kāi)關(guān)量輸出H設(shè)備相聯(lián)；其脈沖輸出和功率放大單兀C與逆變單兀4相連。主控器單元B以單片機(jī)為核心，采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖；逆變單元4其功率元件以MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT管為核心，其直流輸出電流大小由逆變單元調(diào)節(jié)。主控制器單元B —端與數(shù)據(jù)采集電路A相聯(lián)，另一端與脈沖輸出和功率放大單元C相聯(lián)，主控制器還與上位機(jī)E，人機(jī)對(duì)話F及開(kāi)關(guān)量輸入G、開(kāi)關(guān)量輸出H設(shè)備相聯(lián)，主控器以單片機(jī)為核心。主回路由工頻交流整流、濾波單元、逆變單元、高頻交流變壓?jiǎn)卧?、二次整流、濾波單元組成，主回路的直流輸出與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路(LQ)相連，不用大型變壓器及大功率可控硅元件。逆變單元功率元件以MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT管為核心，工頻交流電源可由發(fā)電機(jī)端提供(自勵(lì))，也可由其它交流電源提供(他勵(lì))。本發(fā)明控制回路的主控制器以單片機(jī)為核心，采樣參數(shù)有勵(lì)磁電流，系統(tǒng)電壓，發(fā)電機(jī)電流，發(fā)電機(jī)電壓，勵(lì)磁電流， 勵(lì)磁電壓及有關(guān)開(kāi)關(guān)量信息等。采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖，其逆變頻率為100kHz。
權(quán)利要求
1.一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)，它由提供勵(lì)磁電源的主回路及完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控任務(wù)的控制回路組成，其特征在于:主回路由工頻交流整流、濾波單元(2)、逆變單元(4)、高頻交流變壓?jiǎn)卧?6)、二次整流、濾波單元(8)組成，主回路的直流輸出(9)與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路(LQ)相連，不用傳統(tǒng)的大型勵(lì)磁變壓器及大功率可控硅元件。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于:控制回路包括數(shù)據(jù)采集單元(A)，主控制器單元(B)，脈沖輸出和功率放大單元(C)，其數(shù)據(jù)采集單元(A)與現(xiàn)，^，正，幾等采樣量相連；其主控制器單元(B) —端與數(shù)據(jù)采集電路(A)相連，另一端與脈沖輸出和功率放大單元(C)相連，主控制器還與上位機(jī)(E)，人機(jī)對(duì)話(F)及開(kāi)關(guān)量輸入(G)、開(kāi)關(guān)量輸出(H)設(shè)備相聯(lián)；其脈沖輸出和功率放大單兀(C)與逆變單兀(4)相連。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)，其特征在于:主控器單元(B)以單片機(jī)為核心，采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖；逆變單元(4)其功率元件以MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT 管為核心，其直流輸出電流大小由逆變單元調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種同步發(fā)電機(jī)逆變式勵(lì)磁系統(tǒng)，它由主回路及控制回路組成。主回路是提供勵(lì)磁電源的電路，包括工頻電流整流濾波單元，逆變單元，高頻交流變壓?jiǎn)卧?、濾波單元；控制回路主要完成信息采集、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算控制、參數(shù)給定、脈沖輸出與放大、狀態(tài)和參數(shù)顯示等監(jiān)控任務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集單元，主控制器單元和脈沖功率放大(即驅(qū)動(dòng))單元，主控制器以單片機(jī)為核心，逆變單元以大功率開(kāi)關(guān)管(場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT管)為核心。本發(fā)明不用大型勵(lì)磁變壓器及大功率可控硅元件，具有節(jié)能省材，減少體積和重量，降低造價(jià)，提高效率，改善調(diào)節(jié)性能等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P9/30GK103095202SQ20111034059
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者戴樹(shù)梅, 施隆照, 章文裕 申請(qǐng)人:戴樹(shù)梅