车载发电系统恒频恒压控制电路设计与实验

2015-05-06朱诗顺朱道伟赵姝帆

军事交通学院学报 2015年8期

朱诗顺，吴磊，朱道伟，杨钢，赵姝帆，喻剑

(1.军事交通学院军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院研究生管理大队，天津300161)

车载发电机系统可为行进中的装备供电，其永磁发电机的驱动力来自于取力器。由于车辆变速范围大，因此发电机输出的电压很不稳定，为此设计了DC/DC变换电路和DC/AC逆变电路，将发电机输出的变频电压转换为恒频恒压，以便用电设备使用。

1 车载发电系统基本结构与原理

车载恒频恒压轴带发电系统［1］主要由取力器、永磁同步发电机、整流器、控制电路(DC/DC升压变换电路、DC/AC逆变电路)及配电柜等组成(如图1所示)。工作过程中，取力器从车辆底盘取出部分动力，带动稀土永磁发电机发电，将机械能转化为电能，发电机输出变频变压的交流电源，再经控制电路变换为恒频恒压的三相交流电供给负载使用。

图1 恒频恒压轴带发电系统结构及工作原理

2 恒频恒压控制电路设计与分析

在车载发电系统中，同步发电机由汽车发动机经变速器和取力器驱动，由于汽车变速范围很大，因此，发电机输出电压及其频率的变化幅度也很大。为了满足用电设备使用要求，须将输出的交变电源电压变换为恒频恒压，为此需进行升压和降压处理。由于交流电的升降变换较难实现，因此，需要将整流电路输出的直流电，经过升压或降压变换，得到电压恒定的标准直流电后，再进行逆变处理，得到恒频恒压的三相交流电。

2.1 DC/DC变换电路设计与分析

一般升降压电路中均有电容电感等原件，可以设计一种集成度较高的DC/DC变换器，拓扑结构如图2所示。

图2 DC/DC拓扑结构

该DC/DC变换器为前后级串联结构，由于主开关管T1、T2控制端不共地，若要采用PWM实现变换控制存在一定困难，因此，在变换电路中增加了辅助开关管 T3。T1、T3共地，T2、T3为同步开关，如此便实现了两路控制信号的共地。其中，称T3为降压斩波开关，T1为升压斩波主开关，T2为降压斩波主开关。

当T1截止，T3以PWM方式工作，变换器处于降压工作模式。此时，变换器与降压变换器相比仅仅多了一个二极管D2，而这一个二极管的加入对降压变换器的工作无任何影响。因此，处于降压工作模式的变换器等效于降压变换器，相应的电压变换关系为

式中:Ui为输入电压，V;Uo为输出电压，V;α为T2的占空比。

当T3全导通，T1以PWM方式工作，变换器处于升压工作模式。此时，变换器与升压变换器相比多了一个全导通的开关管T2和一个二极管D1，而这两个器件的加入对升压变换器的工作无影响。因此，处于升压工作模式的变换器等效于升压变换器，相应的电压变换关系为

式中:Ui为输入电压，V;Uo为输出电压，V;β为T1的占空比。

该DC/DC变换器仅有一个储能元件即电感L。根据工作性质可知，L必须能适应升降压两种不同的工作模式，为该DC/DC变换器的关键元件。考虑临界工作状态，假设输入电压变化范围为Umin～Umax，当Ui=Umax时，变换器处于降压模式;Ui=Umin时，变换器处于升压模式。所以，根据公式(1)、(2)，可以得到T2的最小占空比 αmin和T1的最大占空比βmax。通过分别计算这两个工作状态的电感量，取其中较大者作为L的设计参数，则能同时满足两种工作模式的要求。

2.2 DC/AC逆变电路设计与分析

恒定的直流电经过DC/AC变换，即可得到电压和频率恒定的交流电，供给车载用电设备使用。逆变部分选用半桥型SPWM控制方式。与传统逆变电路相比，设计电路静止变频电源的功率器件采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，具有很高的可靠性和完善的保护功能，并且在单项输出上增设了滤波器模块，进一步提高了电路的可靠性，其电路拓扑结构如图3所示。

2.2.1 半桥变换器参数计算

输入额定电压Ud，单相负载功率P取n倍的过载能力，电源效率取η，则

图3 DC/AC逆变电路拓扑结构

负载电流:

2.2.2 交流输出滤波器的参数计算

滤波器输入输出电压的传递函数:

LC滤波器的截止频率:

其值必须远小于SPWM电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率，即

式中:f1为基波频率，Hz;fmin为最低次谐波频率，Hz。

3 仿真实验分析

为对逆变输出性能进行分析，建立整个发电系统仿真模型，对整个系统进行仿真。由于采用的是稀土永磁发电机，所以仿真系统应模拟车载发电系统加装到车辆后的日常工作情况［2］。仿真软件采用Matlab/Simulink。整个仿真系统分为永磁发电机模块、整流模块、逆变模块和自动变载模块(如图4所示)。系统额定输出功率为12 kW，发电机转速变化范围为800～2 800 r/min，输出线电压为单相AC 400 V，频率为50 Hz。

图4 仿真系统顶层模块示意

(1)采用负载渐变方式，即发电系统工作稳定后，按25%、50%、75%、100%的顺序逐渐加至满载，再按相反顺序减至空载。将仿真时间设置为4.5 s。此时，仿真过程中发电机转速随时间变化曲线如图5所示，相应的系统输出电压波形如图6所示，系统输出频率波形如图7所示。

图5 负载渐变时发电机转速变化曲线

图6 负载渐变时系统输出电压波动曲线

图7 负载渐变时系统输出频率波动曲线

(2)采用负载突变方式，即发电系统工作稳定后突然加满载，再突然减至空载。将仿真时间设置为1.5 s。此时，仿真过程中发电机转速随时间变化曲线如图8所示，相应的系统输出电压波形如图9所示，系统输出频率波形如图10所示。

图8 负载突变时发电机转速变化曲线

图9 负载突变时系统输出电压波动曲线

从图6、9中可以看出，仿真开始时电压波动较大，最低电压为228.2 V，最高电压为233.4 V，变化范围达到5.2V，但迅速稳定下来，时间在0.21 s。在实际使用中，这个阶段表示发电机系统刚开始工作，而用电设备在发电系统稳定后才能接入，所以可以不做考虑。从图7、10可以看出，在加减负载时，频率变化只有1～2个尖峰，而且变化幅度很小，只有0.03 Hz，这说明发电系统可以很好地将频率稳定在50 Hz。

图10 负载突变时系统输出频率波动曲线

4 整流变换模块台架实验

将发电机转速控制在800～2 800 r/min的范围内，以800 r/min为起点，以100 r/min为步长，用万用表对发电机从最低转速到最高转速的各个转速点的发电电压进行测量(逆变电路以前部分)。所得发电机输出电压及整流变换后电源输出电压见表1。可以看出，发电机在800～2 800 r/min范围内工作时，整流电源直流输出可以稳定在520～540 V，能够满足行车发电系统的逆变模块对整流电源的要求。