同步发电机自励装置的残压起励方式研究

2016-10-14吕敬高高立夫

船电技术 2016年10期

吕敬高，高立夫

同步发电机自励装置的残压起励方式研究

吕敬高，高立夫

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭410111）

在传统同步发电机自励装置残压起励原理的基础上，设计了一种残压起励控制器。在发电机输出电压大于3.5 V时，使发电机迅速建压，最终进入发电机的稳定励磁调节状态，维持发电机输出电压的稳定。文中介绍了残压起励控制器电源和控制部分电路的原理，并进行了模拟试验，试验结果表明了该残压起励控制器有效性。

残压起励升压电路励磁调节

0 引言

同步发电机励磁自励装置无外接励电源，其励磁电源一般取自发电机端的输出电压。在发电机低转速时，发电机输出电压为发电机的剩磁电压（即残压），一般在13～20 V之间，此时只能靠发电机的残压来为发电机提供励磁电流。为了达到发电机建压时间的要求，必须保证在发电机低剩磁电压时能够为发电机提供足够的励磁电流，使得发电机迅速建压，从而形成闭反馈，通过发电机端电压反馈迅速增加励磁电流，从而满足建压时间的要求[1]。

传统的同步发电机励磁自励装置在残压起励阶段大多采用两个整流桥的结构[2]，如图1所示，开关K1的初始状态为闭合，在发电机残压阶段，发电机的残压通过K1将整流桥1的输出作为全部的励磁电流，使得发电机迅速建压，当发电机电压建立到一定程度，使得励磁控制器开始工作时，通过开关K1将整流桥1的输出切除，同时通过励磁控制器对整流桥2的输出进行调节，为发电机提供稳定的励磁电流，从而达到调节发电机电压的目的，满足发电机的建压时间要求。

然而当发电机剩磁电压较低时，通过整流桥1输出的励磁电流过小，不足以满足发电机建压的要求，则有可能建压失败，或难以建立电压，使得发电机的输出电压一直维持在残压状态，此时则需要通过额外的装置或手段来加强励磁电流，进而增加了系统的成本，且降低了系统的可靠性[2]。

本文根据传统同步发电机励磁自励装置残压起励的原理，设计了一种残压起励控制器，该控制器在发电机极低残压情况下（大于2.6 V），可以使发电机迅速建压，且可集成在励磁控制器中，相比于传统的自励励磁控制系统，可以省去一个整流桥装置，简化励磁系统的结构，提高系统可靠性，降低系统成本。

图1 传统同步发电机残压起励过程框图

1 残压起励控制器的设计与分析

残压起励控制器的原理框图如图2所示。发电机输出电压经过整流桥整流之后分为两路，一路进入励磁控制器中的残压起励控制部分，另一种作为DC/DC模块的输入电源。当发电机在低转速，残压较低时，通过残压起励控制器给励磁控制器提供工作电源和主励磁电源，当发电机电压升高至DC/DC模块电源工作时，残压起励控制器将工作电源切换至DC/DC模块上，从而进入正常的励磁调节模式，为发电机提供稳定的励磁电流。残压起励控制器主要分为电源和控制电路两个主要部分。

1.1残压起励电源电路

残压起励电源如图3所示。电路中的切换电路1和切换电路2的初始状态为接通状态，当发电机输出交流电压大于2.6 V（对应直流输出为3.5 V）时，通过升压电路将电压稳定在8.7～9.1 V之间，作为发电机的励磁电源和5 V电源模块的输入，使得5 V电源模块输出稳定的5 V电源，作为发电机全压起励时的驱动电源；当发电机电压输出交流电压大于7.8 V（对应直流输出为10.5 V）时，此时通过二极管D3切断8.7～9.1 V电源，使励磁电源切换至10.5 V电源部分，同时20 V模块电源开始工作，输出稳定的20 V直流，作为15 V电源模块的输入，使其输出稳定的15 V，作为励磁控制器的工作电源，同时触发切换电路2切断升压电路，从而切除5 V电源，使得励磁控制器开始进入励磁调节模式。由于20 V电源模块的输入范围有限（小于75 V），随着发电机输出电压的升高，DC/DC模块电源开始工作（输入范围为36～432 V），当DC/DC模块电源输出24 V时，触发切换电路1切断20 V电源，使得励磁控制器的工作电源完全由DC/DC模块电源提供，从而保证系统的稳定运行。由于20 V电源模块在输入为10.5 V即开始工作，因此在DC/DC模块输出24 V，切换电路1可实现电源的无缝切换。而切换电路2动作时刻，则有可能造成电源丢失的暂态，但只要电源丢失时间很短，对于发电机系统来讲，对发电机输出电压的影响可以忽略。

图2 残压起励控制原理框图

图3 残压起励电源电路框图

1.2 残压起励控制电路

残压起励控制电路的原理框图如图4所示。残压起励控制电路的主要为主电路中的功率MOS管提供相应的PWM驱动信号，从而调节发电机的励磁电流。

图4 残压起励主电路

残压起励控制电路的工作原理如下：当发电机的残压在2.6～7.8 V之间时，只有5 V电源有效，此时5 V电源通过使能电路为MOS管提供一个恒高的驱动电压信号，使得MOS管全通，发电机输出电压经过升压后全部用于励磁绕组（全压励磁模式），此时励磁调节电路不工作，且励磁调节使能电路禁止励磁调节电路输出；当发电机残压大于7.8 V时，15 V电源开始工作，从而使得励磁调节电路开始根据发电机的反馈电压输出相应占空比的PWM驱动信号（励磁调节模式），此时励磁调节使能电路有效，使能PWM输出，同时使能电路禁止5 V电源输出（切断5 V电源），从而实现通过调节MOS管的开通和关断时间来调节励磁电流的目的。图4中的二极管D1和D2用于防止两路驱动信号的相互影响和电流的倒灌。

2 模拟实验分析

2.1模拟实验电路

本文研究的是励磁控制器中的残压起励电路部分，故采用模拟实验的方法对该部分电路的功能进行验证。模拟实验电路框图如图5所示。其中0～48 V可调直流电源1用于模拟发电机输出电压在2.6～28 V之间（对应直流电压为3.5～24 V）时残压起励控制电路的工作过程；0～48 V可调直流电源2用于模拟发电机输出电压大于28 V之后，残压起励控制电路的工作过程。实验平台实物如图6所示。

图5 残压起励模拟实验电路框图

图6 实验平台

2.2模拟实验结果分析

图7为全压起励模式切换至励磁调节模式时刻的实验波形。即图3中的切换电路2动作时刻的波形，其中通道1（黄色）为0～48 V可调直流电源1的输出波形，通道2（蓝色）为升压电路输出波形，通道3（紫红色）为PWM驱动波形，通道4（绿色）为15 V电源模块输出，时间为200 μs/格。

从图7中可以看出，在切换点时刻之前，直流输入电压约为10 V（1号波形）左右，此时PWM输出驱动信号为5 V的高电平信号（3号波形），电源模块输出为0 V（4号波形），升压电路输出约为8.7 V左右（2号波形）。当直流输入电压的升高至约10.5 V时，15 V电源模块工作输出15 V，并触发切换电路2动作，导致升压电路输出关断（2号），关断时间约为500 μs左右。升压电压电路关断后，5 V电源模块开始关断，PWM驱动波形由原来的5 V高电平变成PWM脉冲，驱动波形切换时间约为500 μs左右（3号波形），等效为励磁电流断开约500 μs时间，对于发电机电压来讲，影响不大。

图7 全压起励模式切换至励磁调节模式时刻的实验波形

图8为控制电源切换至DC/DC模块供电时刻的实验波形。即图3中的切换电路1动作时刻的波形，其中1号波形为20 V电源模块的输出波形，2号波形为0～48 V可调直流电源2的输出波形，3号波形为PWM驱动波形，4号波形为15 V电源模块输出波形，时间为200 μs/格。

图8 控制电源切换至DC/DC模块供电时刻的实验波形

从图8中可以看出，0～48 V可调直流电源2的输出电压达到24 V（2号波形），等效为DC/DC模块开始工作时）左右时，切换电路1开始工作，将20 V电源模块的输入切断（1号波形），从而完全将控制电源转至DC/DC模块电源上，进入正常工作。从图中可以看出，在电源切换点时刻，PWM输出电压波形完全不受影响，说明这种切换电路正确性和有效性。

3 结束语

本文在传统同步发电机自励装置残压起励原理的基础上，设计了一种残压起励控制器，对其控制器的内部原理进行了分析，利用两个切换电路实现了发电机在残压大于2.6 V时使得发电机开始建压，之后通过起励电路使发电机迅速建压，同时去掉了一组整流桥，简化了励磁系统的结构。对该残压起励控制器电路进行了模拟实验，实验表明了残压起励控制器的正确性、有效性和可行性。