一种永磁发电机的复合励磁控制系统

技术领域

本发明属于机电控制技术领域，涉及一种永磁发电机的复合励磁控制系统。

背景技术

永磁发电机无需励磁系统，具有结构简单、体积小、重量轻、功率密度高、可靠性强等众多优点。但永磁发电机的输出电压不能够动态调节，带不同负载时，发电机输出电压波动较大。

为了解决永磁发电机输出电压波动的问题，提出了多种发电机结构和混合励磁的方案。在众多方案中，有的机械结构和励磁回路复杂，可靠性和维修性较差；有的励磁回路简单，但没有对输出电压进行实时采样和反馈，输出电压波动任然较大，控制精度较差。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种永磁发电机的复合励磁控制系统，本发明所要解决的技术问题是如何对永磁电机进行励磁控制。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种永磁发电机的复合励磁控制系统，其特征在于，包括发电机主体、定子调压电路、励磁机和转子调压电路，所述发电机主体包括发电机定子绕组、发电机永磁体和发电机辅助励磁绕组，所述励磁机包括励磁机定子绕组和励磁机转子绕组，所述转子调压电路固定在转子上；所述发电机定子绕组输出工频交流电供负载和定子调压电路用；

所述定子调压电路包括保险丝、二极管一、二极管二、降压电阻一、降压电阻二、降压电阻三、全控型开关管一、MCU控制电路一和辅助源电路一；

所述转子调压电路包括三相整流桥、降压电阻四、降压电阻五、降压电阻六、全控型开关管二、全控型开关管三、全控型开关管四、全控型开关管五、MCU控制电路二和辅助源电路二；

所述定子调压电路的输入端连接单相发电机的输出或三相发电机三相输出中的一相，经保险丝和二极管半波整流为脉动直流，所述定子调压电路的信号输入端和信号输出端均接励磁机定子绕组，当全控型开关管一接通时，定子调压电路为励磁机定子绕组提供电流；当全控型开关管一关闭时，励磁机定子绕组中的电感经二极管二续流；

MCU控制电路一对经降压电阻一和降压电阻二降压的发电机电压进行采样，MCU控制电路一将发电机电压与参考值进行比较，并获得差值，经MCU控制电路一进行PID运算后，调节全控型开关管一的占空比，进而控制励磁机定子绕组的电流；

辅助源电路一对输入电压进行处理，获得MCU控制电路一所需要的直流电压(3.3V，5V和15V直流电压)；

MCU控制电路一对励磁机定子绕组中的电流进行采样，通过电流采样确保励磁机定子绕组工作在正常状态下，当励磁电流大于设定的保护值时，切断励磁机定子绕组中的电流；

定子调压电路对发电机的输出电压进行采样，并根据输出电压与设定值的偏差调节励磁机的电流以调整励磁机的磁场强度；

励磁机转子绕组输出的交流电经不可控整流后得到平滑的直流电压，形成为转子调压电路供电的直流电源一；

转子调压电路读取直流电源一的电压值，所述电压值包括发电机辅助励磁绕组的励磁方向和励磁强度；

定子调压电路从发电机定子绕组的电压中获取励磁所需要的能量，同时获取当前发电机的电压值，MCU控制电路一将当前输出电压值与设定值进行比较；

发电机定子绕组输出电压高于设定值时，降低供给励磁机定子绕组的电流；发电机定子绕组输出电压低于设定值时，增加供给励磁机定子绕组的电流；

定子调压电路会限制输出电流的最大值和最小值，以保证励磁机转子绕组的输出电压在合理范围内；

励磁机定子绕组电流的变化将改变励磁机转子绕组的输出电压，该电压除了为励磁机转子绕组提供能量外，还包含励磁强度和励磁向；

励磁机转子绕组输出的三相交流电经三相整流桥进行整流后变为直流电源二，直流电源二经辅助源电路二获得MCU控制电路二所需直流电压，所述直流电源二同时为转子调压电路的输入提供励磁能量、励磁方向和励磁强度信息；

MCU控制电路二对经降压电阻四和降压电阻五降压的励磁机转子电压进行采样，MCU控制电路二计算励磁机电压和参考值的偏差；偏差为正时，对发电机励磁系统进行灭磁，偏差的绝对值越大，灭磁强度越大；偏差为负时，对发电机励磁系统进行增磁，偏差的绝对值越大，增磁强度越大；

由全控型开关管二、全控型开关管三、全控型开关管四和全控型开关管五组成的H桥驱动电路的两个输出端接发电机辅助励磁绕组；增磁控制时，全控型开关管五常开，全控型开关管三常闭，全控型开关管二和全控型开关管四互补导通；MCU控制电路二对偏差的绝对值进行PID运算后，调节全控型开关管二的占空比，全控型开关管二的占空比越大，增磁强度越大；

灭磁控制时，全控型开关管四常开，全控型开关管二常闭，全控型开关管三和全控型开关管五互补导通。MCU控制电路二对偏差的绝对值进行PID运算后，调节全控型开关管三的占空比，全控型开关管三的占空比越大，灭磁强度越大；

MCU控制电路二对发电机辅助励磁绕组的电流进行采样，通过电流采样确保发电机辅助励磁绕组工作在正常状态下，当励磁电流大于设定的保护值时，切断励磁电流输出；

转子调压电路将励磁机转子绕组的输出电压进行不可控整流变为直流电压，通过AD转换器对该直流电压进行采样，获取励磁的方向和励磁的强度信息；通过控制H桥驱动电路的导通通道，改变施加到发电机辅助励磁绕组的电流强度和电流流动的方向；通过控制励磁电流的大小和方向，改变发电机的总体磁场强度，进而调整发电机的输出电压大小。

附图说明

图1是本复合励磁控制系统的结构框图。

图2是定子调压电路的电路原理图。

图3是转子调压电路的电路原理图。

图中，1、发电机定子绕组；2、发电机永磁体；3、发电机辅助励磁绕组；4、励磁机定子绕组；5、励磁机转子绕组；6、定子调压电路；7、转子调压电路；F1、保险丝；D1、二极管一；D2、二极管二；D3、三相整流桥；R1、降压电阻一；R2、降压电阻二； R3、降压电阻三；R4、降压电阻四；R5、降压电阻五；R6、降压电阻六；Q1、全控型开关管一；Q2、全控型开关管二；Q3、全控型开关管三；Q4、全控型开关管四；Q5、全控型开关管五；W1、 MCU控制电路一；L1、辅助源电路一；W2、MCU控制电路二；L2、辅助源电路二。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、图2和图3所示，包括发电机主体、定子调压电路6、励磁机和转子调压电路7，发电机主体包括发电机定子绕组1、发电机永磁体2和发电机辅助励磁绕组3，励磁机包括励磁机定子绕组4和励磁机转子绕组5，转子调压电路7固定在转子上；发电机定子绕组1输出工频交流电供负载和定子调压电路6用；

定子调压电路6包括保险丝F1、二极管一D1、二极管二D2、降压电阻一R1、降压电阻二R2、降压电阻三R3、全控型开关管一Q1、MCU控制电路一W1和辅助源电路一L1；

转子调压电路7包括三相整流桥D3、降压电阻四R4、降压电阻五R5、降压电阻六R6、全控型开关管二Q2、全控型开关管三 Q3、全控型开关管四Q4、全控型开关管五Q5、MCU控制电路二W2 和辅助源电路二L2；

定子调压电路6的输入端连接单相发电机的输出或三相发电机三相输出中的一相，经保险丝F1和二极管半波整流为脉动直流，定子调压电路6的信号输入端和信号输出端均接励磁机定子绕组4，当全控型开关管一Q1接通时，定子调压电路6为励磁机定子绕组提供电流；当全控型开关管一Q1关闭时，励磁机定子绕组中的电感经二极管二D2续流；

MCU控制电路一W1对经降压电阻一R1和降压电阻二R2降压的发电机电压进行采样，MCU控制电路一W1将发电机电压与参考值进行比较，并获得差值，经MCU控制电路一W1进行PID运算后，调节全控型开关管一Q1的占空比，进而控制励磁机定子绕组4 的电流；

辅助源电路一L1对输入电压进行处理，获得MCU控制电路一 W1所需要的直流电压；

MCU控制电路一W1对励磁机定子绕组4中的电流进行采样，通过电流采样确保励磁机定子绕组4工作在正常状态下，当励磁电流大于设定的保护值时，切断励磁机定子绕组4中的电流；

定子调压电路6对发电机的输出电压进行采样，并根据输出电压与设定值的偏差调节励磁机的电流以调整励磁机的磁场强度；

励磁机转子绕组5输出的交流电经不可控整流后得到平滑的直流电压，形成为转子调压电路7供电的直流电源一；

转子调压电路7读取直流电源一的电压值，电压值包括发电机辅助励磁绕组的励磁方向和励磁强度；

定子调压电路6从发电机定子绕组1的电压中获取励磁所需要的能量，同时获取当前发电机的电压值，MCU控制电路一将当前输出电压值与设定值进行比较；

主发电机输出电压高于设定值时，降低供给励磁机定子绕组 4的电流；主发电机输出电压低于设定值时，增加供给励磁机定子绕组4的电流；

定子调压电路6会限制输出电流的最大值和最小值，以保证励磁机转子绕组5的输出电压在合理范围内；

励磁机定子绕组4电流的变化将改变励磁机转子绕组5的输出电压，该电压除了为励磁机转子绕组5提供能量外，还包含励磁强度和励磁向；

励磁机转子绕组输出的三相交流电经三相整流桥D3进行整流后变为直流电源二，直流电源二经辅助源电路二L2获得MCU 控制电路二W2所需直流电压(3.3V，5V和15V直流电压)，直流电源二同时为转子调压电路7的输入提供励磁能量、励磁方向和励磁强度信息；

MCU控制电路二W2对经降压电阻四R4和降压电阻五R5降压的励磁机转子电压进行采样，MCU控制电路二W2计算励磁机电压和参考值的偏差；偏差为正时，对发电机励磁系统进行灭磁，偏差的绝对值越大，灭磁强度越大；偏差为负时，对发电机励磁系统进行增磁，偏差的绝对值越大，增磁强度越大；

由全控型开关管二Q2、全控型开关管三Q3、全控型开关管四Q4和全控型开关管五Q5组成的H桥驱动电路的两个输出端接发电机辅助励磁绕组3；增磁控制时，全控型开关管五Q5常开，全控型开关管三Q3常闭，全控型开关管二Q2和全控型开关管四Q4 互补导通；MCU控制电路二W2对偏差的绝对值进行PID运算后，调节全控型开关管二Q2的占空比，全控型开关管二Q2的占空比越大，增磁强度越大；

灭磁控制时，全控型开关管四Q4常开，全控型开关管二Q2 常闭，全控型开关管三Q3和全控型开关管五Q5互补导通。MCU 控制电路二W2对偏差的绝对值进行PID运算后，调节全控型开关管三Q3的占空比，全控型开关管三Q3的占空比越大，灭磁强度越大；

MCU控制电路二W2对发电机辅助励磁绕组电流进行采样，通过电流采样确保发电机辅助励磁绕组3工作在正常状态下，当励磁电流大于设定的保护值时，切断励磁电流输出；

转子调压电路7将励磁机转子绕组5的输出电压进行不可控整流变为直流电压，通过AD转换器对该直流电压进行采样，获取励磁的方向和励磁的强度信息；通过控制H桥驱动电路的导通通道，改变施加到发电机辅助励磁绕组3的电流强度和电流流动的方向；通过控制励磁电流的大小和方向，改变发电机的总体磁场强度，进而调整发电机的输出电压大小。

定子调压电路对发电机的输出电压进行采样后，确定发电机辅助励磁绕组的回路增磁或灭磁，以及增磁或灭磁的强度。定子调压电路将信号转换为励磁机定子绕组的电流，该电流不紧提供励磁需要的能量，还通过电流大小携带发电机辅助励磁绕组的励磁大小和方向信息。

转子调压电路对励磁机转子绕组输出电压进行整流，该直流电提供励磁所需的能量。同时对该电压进行采样，从电压值中获得定子调压电路携带的励磁强度和励磁方向信息。

转子调压电路对励磁机转子线圈电压进行解析，获得发电机辅助励磁线圈的励磁强度和励磁方向信息，并通过电路控制励磁电流的大小和方向，达到控制发电机输出电压的目的。

未详尽的图中的电路符号为本领域常识，如G1、G2、G3、G4 均为地线，N1和N2为接地线，V1和V2为H桥驱动电路的输出端， A、B、C分别为励磁机转子绕组输出的三相交流电的三个接线端。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。