整流充电发电机组励磁系统

阳习党 翟小飞 马伟明 胡 安 晏 明

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

目前蓄电池充电可以采用开关器件可控整流和二极管不控整流等两种方式，前者是固定交流电压，通过变流装置来调节直流侧电压以控制充电功率；后者是通过改变交流电源来调节充电功率[1-3]。采用发电机经不控整流的方式，由于交流电源不取自电网，从而减小了充电设备对电网的干扰和谐波污染，同时避免了电网故障导致充电过程终止的风险。

斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发电机，汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传递给工质，工质不直接参与燃烧。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功[4,5]。以斯特林发动机作为原动机的发电机系统为斯特林发电机组。斯特林发动机（称为原动机）采用固定间隔、定量补充燃料模式，在单位时间内输出固定的能量，因此其工作方式是恒功率输出，调节燃料补充速度可以控制原动机输出功率大小[6,7]。斯特林发动机在额定转速下工作效率最高、寿命最长，而其采用转速开环、恒功率输出的工作方式，需要发电机向负载输出相匹配的功率，才能使发电机组稳定在额定转速。

斯特林发电机组整流后带蓄电池构成的充电机组，由于发电机组恒功率输出，以及蓄电池电压在充电期间变化缓慢，可以近似认为是恒流充电方式，因此斯特林充电发电机系统具有较好的充电特性。通过调节发电机励磁电流，控制发电机向蓄电池充电功率 P1，使之与从原动机获得的输入机械功率P0相平衡，实现在不同的充电功率条件下，机组稳定在额定转速工作。

2 整流充电发电机组励磁控制系统设计

整流充电发电机组是以斯特林发动机作为原动机，主发电机输出经不控整流后向蓄电池负载充电。图1 为充电发电机组电气原理图。整流充电发电机组采用无刷励磁系统，励磁机为与主发电机同轴的转枢式三相发电机，其转子为电枢，定子为励磁绕组。励磁机电枢（转子）输出经旋转整流器后向主发电机励磁绕组（转子）供电[11-14]。励磁电源经过励磁功率放大器后向励磁机励磁绕组提供励磁电流，从而间接控制主发电机励磁电流大小。图1 中的测速电路和励磁电流调理电路，分别向数字式励磁控制器提供机组转速和励磁机励磁电流信号，数字式励磁控制器根据这两种信号进行闭环运算，产生励磁功率放大器PWM 控制脉冲，从而对励磁机励磁电流进行控制。

图1 充电发电机组电气原理图Fig.1 Schematic of the rectified charging generator

当原动机输出功率增加，励磁控制系统应增加励磁机励磁电流，提高主发电机向蓄电池充电功率，使发电机组输入功率和输出功率相匹配，保证发电机组稳定在额定转速。反之，当原动机输出功率减小，励磁控制系统应减小励磁机励磁电流，维持发电机组在额定转速。

2.1 励磁功率放大电路设计

连续改变励磁机励磁绕电压从而改变励磁电流是实现励磁系统的重要研究内容。文献[3]提到相控整流、文献[16]采用的H 桥电路拓扑以及文献[17]采用的Buck 电路拓扑均能作为励磁功率电路。根据充电发电机励磁容量较小的特点，本文选取只需单个可控器件的Buck 电路作为励磁功率电路，称为励磁功率放大器。励磁功率放大器主要作用是，在励磁控制器PWM 脉冲控制下，向励磁机励磁绕组提供连续可调的平均励磁电压，从而实现对励磁机励磁电流调节。励磁功率放大器电路原理如图2 所示，图3 为励磁功率放大电路的充电和续流工作状态。

图2 Buck 电路结构的励磁功率放大器电路Fig.2 Buck topology circuit of the excitation power amplifier

图3 励磁功率放大器充电和续流回路Fig.3 Charging and continuous-flow circuit of the excitation power amplifier

图2 中VT 为N 型MOSFET 功率器件，VD 为励磁绕组续流二极管，Re和Le分别为励磁机励磁绕组的电阻和电感，Ufd为励磁功率放大器直流供电电源。在PWM 脉冲控制下，开关器件VT 存在导通和关断状态，引起励磁功率主电路存在充电和续流两种模态。当开关器件VT 导通时，供电电源向励磁绕组供电，励磁电流增加，图3a 为其充电回路；当按VT 断开时，励磁绕组通过续流二极管VD 自然续流放电，励磁电流减小，图3b 为其续流回路。励磁绕组平均励磁电压Ufem与供电电源Ufd存在以下关系

式中 Dm——PWM 占空比。

改变Dm可以调节励磁绕组上的平均电压，从而调节励磁绕组电流大小。由于开关动作的影响，输出电流为直流电流基础上叠加与PWM 频率相同的纹波。图4 为输出励磁电流与PWM 信号波形。

图4 PWM 信号与输出励磁电流波形Fig.4 PWM signal and the waveforms of the excitation current

2.2 转速测量电路设计

实现对转速的准确测量是斯特林发电机组励磁系统的基本要求。受到机组体积限制，光电编码器和齿轮盘等测速方式会增加机组轴向长度，因此本文选用测频测速的方法。根据发电机极对数p 和测量出的交流电压频率f，由式（2）可计算发电机组转速n。

DSP 控制器采用定时器计数的方法，通过片上捕获电路（CAP 接口）可以方便地对方波周期进行测量。但是如果被测量方波周期很长，会导致DSP定时器计数溢出而出现错误，因此被测量方波频率应位于合理的范围。为了实现测频测速，本文采用图5 所示电路对交流电压信号进行整型和倍频处理。

图5 测频测速信号处理电路Fig.5 Signal processing circuit of the speed measurement

图5 中电压传感器将高压交流电压转变为电流信号Im，并经过测量电阻Rm转换为正弦电压信号Um，经过滞环比较电路环节后，该信号被整型为方波信号，通过倍频电路生成较高频率方波信号。该方波信号送到DSP 控制器的捕获引脚（CAP）进行周期测量，并根据周期反推出交流电压的频率和机组转速。根据图5 中的滞环比较电路原理，要求发电机交流电压不小于参考电压Vref所对应的交流电压Umin，否则不能产生方波信号，从而导致测频测速失败。

可见，建立大于Umin的交流电压并设置合理的倍频数值是该测速电路设计的关键。倍频数值通过分析在电路设计中容易实现，而低速阶段建立一定大小的端口电压，则是通过预励磁方法实现，这部分内容在2.3 小节中介绍。

2.3 稳速为目标的励磁控制策略设计

从前面叙述可知，保持恒速是斯特林发电机组的控制目标，因此励磁控制系统以机组转速n 为外环控制量；同时，为了减小励磁机环节的等效时间常数，本文采用易于测量的励磁机励磁电流作为内环控制量，以提高发电机组的动态响应速度[18-21]。因此，斯特林发电机组励磁控制采用了转速外环、励磁机励磁电流内环的双闭环控制策略，其励磁控制框图如图6 所示。

图6 发电机组励磁控制框图Fig.6 Control block of the excitation system

整流发电机无刷励磁系统包括了励磁机励磁绕组和主发电机两个惯性环节，励磁机励磁绕组的励磁电流惯性环节Ge(s)可以表示为式（3），主发电机电磁转矩惯性环节Gt(s)可以表示为式（4），发电机转速环节传递函数Gn(s)可以表示为式（5）所示。

式中 Ke，Te——励磁机励磁绕组的放大倍数和时间常数；

Kt，Tg——主发电机环节的放大倍数和时间常数；

Tm——原动机输入转矩；

Te——主发电机电磁转矩；

Jm——机组转动惯量。

从图 6 可以看出与普通反馈系统略有不同的是，转速偏差Δn 为实际转速n 减去转速参考nref，即Δn=n-nref。因为原动机增加输入功率导致转速n和Δn 均上升，Δn 增加引起转速PI 调节器输出Ife_cmd增加，在电流内环作用下励磁机励磁电流Ife随着Ife_cmd增加，从而增加发电机输出功率使机组达到功率平衡，维持转速不变。反之，原动机减小输入功率，励磁系统不断减小励磁机励磁电流以减小发电机输出功率，从而维持机组转速不变。

根据整流器单向导电特性以及蓄电池浮压的影响，本文将整流充电发电机组励磁调节过程分为两个阶段，其过程示意图如图7 所示。

图7 励磁调节过程示意图Fig.7 General view of the excitation regulation process

第一阶段：预励磁阶段。这个阶段主要是确保发电机组低速阶段的测频测速功能，并使发电机转速不断上升。该阶段主要特点是机组转速范围为0～1 200r/min 的低速区间，励磁调节采用转速开环、电流闭环的单内环控制方式。此阶段发电机端口电压U0既要大于Umin（见2.2 小节）以满足测频测速要求，又不能大于蓄电池电压Ud，而导致整流器通电，发电机带载，降低机组转速上升速率，甚至在此低速区达到功率平衡、转速稳定。此阶段发电机端口电压U0应满足式（6），即

式中，Umax为对应于蓄电池浮压Ud，使整流器处于临界导通时的交流电压。

从上述分析可知，此阶段机组处于空载状态且不断加速向额定转速靠近，根据发电机空载电压U0

通过控制励磁电流 Ife，可使发电机空载电压U0保持基本不变且满足式（6）。在图7 的0A 转速阶段，由于转速n 很低，采用较大的恒定励磁电流建立交流端口电压U0；在转速AB 阶段，随着转速n 不断升高，调节励磁机励磁电流不断下降，以保证发电机端口电压维持稳定。

第二阶段：转速闭环调节阶段。此阶段励磁调节从电流内环转化为转速外环和励磁机励磁电流内环的双闭环控制方式。在图7 转速BC 区间，由于PI 调节器对转速偏差Δn 的积分作用，转速PI 调节器输出不断减小直到饱和下限Ife_min。当转速n 超过设定值nref时，转速PI 调节器逐步退出饱和并进行稳速调节。

3 发电机组励磁系统试验

试验用发电机机组参数如下：

主发电机为同步发电机，额定功率Pe=100kW，极对数p=2，额定转速ne=1 800r/min，蓄电池初始电压Ud=475V。励磁机额定励磁电流Ifen=3.3A，励磁功率放大器直流侧电压为Ufd=24V(DC)。

根据发电机组励磁调节过程，预励磁阶段、进入额定转速阶段、恒功率充电阶段、发电机组输出功率增加阶段等四个主要状态的试验波形分别如图8～图11 所示。

图8 预励磁阶段发电机各物理量变化曲线Fig.8Waveforms of the variables in the pre-excitation stage

图9 进入额定转速区间，发电机各物理量变化曲线Fig.9Waveforms of the variables in the accessing to the rated speed stage

图10 机组100kW 恒功率输出时各物理量变化曲线Fig.10Waveforms of the variables in the 100kW constant output power stage

图11 机组输出功率从65kW 增加到80kW，各物理量变化曲线Fig.11Waveforms of the variables in the rising stage from 65kW to 80kW

（1）预励磁阶段。从图 8 可以看出，机组400r/min 以下时，励磁机励磁电流维持在1.8A 左右，直流侧充电电流为0A，发电机处于空载状态。转速超过400r/min 时，励磁机励磁电流不断下降，直流侧充电电流为0A，发电机保持空载状态。

（2）进入额定转速阶段。从图9 可以看出，在转速1 200r/min 到1 800r/min 区间内，转速PI 调节器输出其饱和下限值，励磁机励磁电流恒定为0.8A，直流侧充电电流为0A，发电机空载。转速超过1 800r/min 后，转速PI 调节器退出下限饱和进入线性区域，励磁电流不断上升，直流侧充电电流从零增加到10A 左右，发电机带载，机组转速从超调峰值回落到1 800r/min 左右并很快收敛，机组进入转速稳定状态。

（3）恒功率充电阶段。发电机向蓄电池输出100kW 左右电功率，发电机转速稳定在1 800r/min，直流侧电压为DC 492V，直流侧充电电流为204A，励磁机励磁电流稳定在2.8A 左右。可见发电机组进入稳定的恒功率充电状态。

（4）发电机组输出功率增加阶段。原动机输出功率从65kW 增加到80kW，相当于原动机向系统提供了一个不断增大的输入扰动。从图11 可以看出，励磁控制系统对该扰动进行有效抑制，转速仅出现小幅波动，励磁机励磁电流从 2.2A 上升到2.4A，直流侧电压从DC 488V 增加到DC 494V，直流侧充电电流电流从135A 上升到160A。发电机组从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，反映出系统良好的动态调节特性。

从图8～图11 所示的各物理量变化曲线可以看出，采用数字控制芯片DSP 构成的数字式励磁控制系统，实现了斯特林发电机组在额定转速条件下向蓄电池充电功能，并能在原动机输入功率变化时，实现稳定发电机组转速的目的。从下表显示的数据可以看出，发电机组在100kW 的恒功率充电条件下，发电机组转速波动为±1r/min；当原动机功率从65kW 增加到 80kW 时，发电机转速正向波动为+23r/min，转速负向波动为-6r/min。可见本文设计的励磁控制系统具有较好的稳态和动态调节特性。

表 发电机组励磁调节数据Tab. Data of the generator excitation regulation（单位：r/min）

4 结论

针对斯特林发电机组工作特点，采用DSP 芯片构成的数字式励磁控制系统，实现了转速外环、励磁机励磁电流内环的双闭环控制策略。采用测频测速方法可以获得准确的发电机组转速，且在低速区间采用预励磁方法解决了转速测量问题。根据发电机组稳态和动态试验，反映出励磁控制系统具有优良的稳态调速特性和较好的动态调节性能，实现了斯特林发电机组在恒速条件下向蓄电池充电的功能。

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