五相双绕组感应发电机励磁控制系统硬件设计与实现

潘子昊， 王思齐, 蒋志鹏, 张喆轩, 卜飞飞

(南京航空航天大学，江苏 南京 211106)



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五相双绕组感应发电机励磁控制系统硬件设计与实现

潘子昊， 王思齐, 蒋志鹏, 张喆轩, 卜飞飞

(南京航空航天大学，江苏 南京 211106)

本文研究了一种五相双绕组感应发电机励磁控制系统的硬件设计与实现方法。该发电机的转子为笼型，其定子上有两套五相绕组：一套是控制绕组，接有励磁变换器；另一套是功率绕组，经整流输出直流电能。励磁变换器由以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块为基础的主电路、驱动电路、数学信号处理电路、采样调理电路、保护电路等部分组成。励磁控制器向发电机提供所需的可变励磁无功，控制发电机励磁，从而实现对输出电压的控制。

双绕组感应发电机；五相；励磁控制；硬件设计

0 引言

风能分布广泛，是一种储量丰富、清洁的可再生能源，开发风能对改善能源结构和保护生态环境具有十分重要的意义。为促进风力发电的发展，世界各国政府都出台了相应的优惠政策[1]。我国风能资源丰富，大力发展风力发电是缓解我国电力资源紧张的有效途径之一[2]。由于风所携带的能量与风速的三次方成正比，风速的变化会引起风能的较大变化[3,4]，故对风力发电系统的要求有：转速变化范围大；整流后输出直流电压；无刷化，带有开关功率元件的变换器的容量小，以降低造价、减小体积及重量，规避大功率变换器设计的难题[5]。在现有的技术条件下，双馈感应发电机[6]和笼型感应发电动机能适应这样的需求。

笼型感应电机因其简单坚固、可靠性高、制造技术成熟等优点，在国民经济中占有重要的地位[7]。在普通单绕组笼型感应发电机构成的直流发电系统中，常采用笼型感应电机、电力电子变换器和负载三者并联的拓扑结构[8]。在这样的拓扑结构中，负载与电力电子变换器直接连接，发电机输出的电能会受到电力电子变换器高频开关信号的影响导致供电品质下降，从而限制了普通单绕组笼型感应电机在直流发电系统中的应用[9]。

1998年美国田纳西理工大学的专家首次提出了双绕组感应发电机的结构，该结构既继承普通单绕组笼型感应发电机的优点，又克服了其不足，引起广泛关注[10,11]。2003年至2009年海军工程大学的马伟明院士及其研究团队以舰船电源为应用背景对双绕组感应电机发电系统进行了卓有成效的研究[12-14]。2004年以来南京航空航天大学的研究人员对采用双绕组感应电机的宽风速运行风力发电技术进行了一系列的研究[15-18]。为进一步提高双绕组感应发电机系统的性能和功率密度，南京航空航天大学的研究人员将双绕组感应发电机和多相感应电机相结合，提出了一种双绕组五相感应电机发电系统，并对其优化设计、高性能控制进行了初步的探索[19]。众所周知，多相电机具有高可靠性和高功率密度的优点，尤其是与非正弦励磁技术相结合，可以充分利用铁心。本文以风力发电为背景，研究了一种五相双绕组感应电机励磁控制系统的硬件设计方法，该发电机系统具有高动静态性能和良好的供电品质，开发了一台5 kW实验样机，并通过实验对该励磁控制系统的性能进行了检测。

1 五相双绕组感应发电机系统介绍

该感应发电机采用笼型转子，定子上有两套五相绕组：一套是五相整距集中控制绕组，接有五相励磁变换器以调节励磁无功，保证负载变化时输出电压稳定；另一套为五相整距集中功率绕组，接有五相不控整流桥，输出直流电能。该发电系统的结构如图1所示。

图1 五相双绕组感应电机结构Fig.1 Schematic diagram of five phase double winding induction motor

双绕组感应发电机的优点在于控制绕组和功率绕组之间仅通过电机内的磁场耦合，在电气上没有直接的连接,两套绕组将有功和无功分开，工作相对独立，克服了单绕组发电机输出电能受到开关信号影响而下降的缺点，供电品质显著提高。另外，感应发电机的相数由三相扩大到五相后，可以通过非正弦励磁和容错控制进一步提高发电机的功率密度和可靠性。

2 励磁控制系统硬件设计

励磁控制器为发电机提供不同工作状态下所需的励磁无功。而要实现对励磁的控制，就需要知道发电系统中的状态信息，比如相电流、母线电压等。为此，设计一套完成励磁控制器软件和硬件，包括以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为基础的五相桥主电路、采样调理电路、驱动电路、故障保护电路、控制电路等部分。该励磁控制系统的结构如图2所示。

图2 励磁控制系统结构Fig.2 Schematic diagram of excitation control system

2.1 五相IGBT桥

五相IGBT桥中的每个桥臂都可以工作在导通与截止状态。在合适的控制策略下，通过控制这两种工作状态的快速切换可以改变控制绕组中的励磁电流实现发电机的励磁控制。该系统包含2个型号为PM100PLA060的三相IGBT智能功率模块(IPM)，另有辅助励磁电容，辅助电源等。该部分结构如图3所示。

图3 IGBT模块结构Fig.3 Schematic diagram of IGBT modular structure

由于电机采用五相绕组，故在硬件设计中采用了2个三相模块相结合的方式，利用其中的五相连接控制侧绕组，剩余一相作为备用，一方面是为了故障运行做准备，提高系统容错能力，另一方面也是因为三相IGBT模块应用较为广泛，技术也比较成熟。

2.2 采样调理电路

该控制系统采用反馈控制的方式，故需要检测母线电压、母线电流、四相电流(五相电流对称，检测四相即可)，通过这些物理量的变化来实现反馈控制。其中采样调理电路如图4所示。

图4 采样调理电路Fig.4 Sampling conditioning circuit

为了提高采样的精确度，该系统采用霍尔元件进行采样。调理电路将霍尔元件的副边电压转化到数字信号处理器所能处理的电压信号。

母线电压采样使用VSM025A的电压霍尔,该型号原边输入电流约10 mA，母线电压为270 V，故采用30 kΩ标称电阻。相电流采用CSM100LT电流霍尔采样,其最大副边电流为50 mA，相电流采样电路中R1取标称值82,通过R1将副边电流信号变成5 V以下的电压信号。VSM025A的最大副边电流为25 mA,则母线电压采样电路中R1取200 Ω。

霍尔传感器的副边电流信号iin通过采样电阻R1转换成电压信号uin，通过由TL084构成的电压跟随器输送至A/D调理电路。由于数字信号处理器(DSP)的A/D输入端只能接受0到3 V的电压信号，因此传感器输出的交流信号需经过电平抬升。通过MC33172构成的运放电路，取参考电压uref=5 V,则送入DSP的A/D输入端的电压信号uo为:

(1)

R6与C1组成低通滤波电路用于消除高于采样频率的高频噪声，提高采样系统的稳定性和精确度。其他电阻的阻值根据式(1)计算得到。

2.3 驱动电路

控制信号经过驱动电路的放大才能实现控制IGBT模块工作状态的功能。该电路由HCPL4504光电耦合器、2N3904三极管和相关电阻电容等组成，实现了脉宽调制技术(PWM)弱电信号与IGBT功率电路的电气隔离，以保证DSP控制系统的安全性。该驱动电路如图5所示。

图5 IPM驱动电路Fig.5 IPM drive circuit

当输入PWM端为高电平时，三极管Q1导通，光电耦合器初级截止，次级输出15 V加到IGBT门极，IGBT导通；当PWM端为低电平时，三极管Q1关断，光电耦合器初级导通，次级输出0 V，IGBT截止。其中Fo是IPM故障保护信号。

2.4 故障保护电路

为保证励磁变换器及整个发电系统可靠工作，励磁控制系统中需要设计故障保护电路，以免过大的电流或电压损坏试验平台。该系统的故障保护电路如图6所示。

图6 故障保护电路Fig.6 Protection circuit

保护电路由绝对值电路和比较电路构成，电压跟随器输出的电压信号经过由TL084运算放大器和2个1N4148二极管构成的绝对值电路进行整流，整流后的电压信号送入LM293构成的比较器，通过比较采样电压或者电流转化得到的信号电平与阈值电压比较来实现过压和过流信号检测。检测后得到的故障保护信号经过光电耦合器PC817产生作用。光电耦合器件使得信号电流和功率电流之间没有直接的电气连接，提高了系统的稳定性。R5与C1构成低通滤波器，用于消除高频信号干扰。

2.5 突加/突卸负载控制电路

为探究该励磁控制系统的动态特性，实验中有突加/突卸负载的动态特性测试。由于实验所用发电系统输出电压较高(270 V)，若采用机械开关进行负载的硬切换，在开关闭合或导通瞬间可能产生较大电流甚至电火花，存在安全隐患，故设计了突加/突卸负载的软开关，结构如图7所示。该部分电路也用到了IGBT模块,工作方式与五相IGBT桥类似。

图7 加卸负载控制电路Fig.7 Load/offload control circuit

3 实验

为验证该励磁控制器硬件系统的可行性与可靠性，在搭建的实验平台上进行了验证。实际电路如图8所示。

图8 励磁变换器实物Fig.8 Physical map of excitation converter

双五相绕组感应发电机的参数如下：额定转速1500 r/min，额定功率为5 kW，极对数为2，功率绕组与控制绕组的匝数比为2∶1，控制绕组电阻为0.19 Ω，功率绕组电阻为0.45 Ω，激磁电感为10.05 mH，直流母线电压为270 V。该发电系统采用控制绕组磁链定向的控制策略：功率侧整流输出电压和控制侧直流母线电压分别与各自参考电压进行比较，其误差信号经调节后得到控制绕组的等效d轴与q轴给定电流，再经坐标变换后得到控制绕组的各相给定电流。通过给定电流与实际电流的比较得到开关控制信号来改变控制绕组的励磁无功。

实验过程中先打开原动机拖动发电机，转速稳定后触发DSP，使系统进入闭环控制的工作状态完成建压过程。建压过程中的系统各参数波形如图9所示。

图9 建压过程Fig.9 Establishing voltage process

实验数据表明在该励磁系统的控制下，发电机建压平稳迅速，超调量小。稳态实验结果如图10所示。

图10 稳态运行Fig.10 Stable condition

当电机带额定5 kW负载时，电机控制绕组相电压波形为正弦波，输出电流约为21 A，直流母线电压稳定在270 V左右。实验结果表明该系统稳定性好。

4 结语

本文对应用于五相双绕组感应发电机的励磁控制系统的硬件设计与实现进行了研究，包括主电路、驱动电路、数学信号处理电路、采样调理电路、保护电路等。该励磁控制系统基于母线电压、相电流等状态参数，按照控制绕组磁链定向的控制策略来调节控制绕组中的励磁电流，实现发电机的励磁调节。通过样机实验结果证明了该励磁控制系统能够使感应发电机平稳起动，并具有良好的稳态运行特性，能够满足五相双绕组感应发电机励磁控制的需要。

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潘子昊

潘子昊(1996 —)，男，江苏苏州人，本科，电气工程及其自动化专业；

王思齐(1996 —)，男，山东青岛人，本科，电气工程及其自动化专业；

蒋志鹏(1996 —)，男，江苏苏州人，本科，电气工程及其自动化专业；

张喆轩(1997 —)，男，江苏苏州人，本科，电气工程及其自动化专业；

卜飞飞(1984 —)，男，博士，副教授，研究方向为航空电源、风力发电、电力电子与电力传动。

(编辑 刘晓燕)

Hardware Design and Realization of Excitation Control System forFive-phase Dual Stator Winding Induction Generator

PAN Zihao，WANG Siqi，JIANG Zhipeng，ZHANG Zhexuan，BU Feifei

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106, China)

This paper mainly studies the hardware design and realization of excitation control system on the five-phase dual stator winding induction generator. This generator has basket winding and there are two types of five-phase winding on its stator: one type is control winding that is connected with excitation converter; the other is power winding which can provide direct electrical power after rectification. Excitation converter consists main circuit based on IGBT modular, drive circuit, digital signal calculation circuit, sampling conditioning circuit, protection circuit and so on. Excitation controller provides generator with changeable excitation reactive power to control the excitation of generator, realizing the control of output voltage.

dual winding induction generator; five-phase; excitation control; hardware design

2016-12-29；

2017-03-01

国家自然科学基金青年基金项目(51507079)；中国博士后科学基金特别资助项目(2016T90454)；2016国家级大学生创新训练项目(2016CX00303)

TM346.2

A

2096-3203(2017)03-0017-05