五相双定子绕组感应直流发电系统实验平台

刘皓喆，卜飞飞，许海军，黄文新

(南京航空航天大学，南京 211106)

0 引 言

异步电机因其结构简单、成本低等优点，已成为直流发电系统的一种选择。但传统异步电机发电系统中，有功功率与无功功率均经过功率变换器，这就造成了功率变换器容量大和体积大等缺点[1-2]。双定子绕组感应发电机的首次提出，将该发电机定子绕组分为控制绕组与功率绕组，使得功率变换器中只流过无功功率，实现了功能分开[3-4]，可输出高品质电能。针对双定子绕组感应发电机发电系统，马伟明院士开展了许多富有成果性研究[5-6]，其应用背景为舰船电源系统，原动机转速基本恒定。南京航空航天大学的研究人员以风力发电和航空电源为背景，研究了变速运行条件下的双定子绕组感应电机发电系统[7-8]。多相电机具有功率密度高、可靠性高等优点，已在船舶推进和风力发电等多种场合得到应用[9-10]。

对于一个系统而言，可靠的硬件平台是其安全稳定运行的保障。无论是对于双定子绕组感应发电机还是多相电机所构成的发电系统而言，其硬件平台均不同于普通三相电机的硬件平台。对于双定子绕组感应电机直流发电系统，其定子上的控制绕组与功率绕组分别流过无功功率与有功功率，因此控制绕组接功率变换器，通过控制变换器的无功功率来实现对发电机的控制。这样设计可使电机的有功功率与无功功率分开，只有无功功率从变换器中流过，从而减小了变换器的容量[11]。多相电机因其定子相数多，所用的功率变换器也随之采用多相结构。

本文研究一种五相双定子绕组感应发电机直流发电系统的实验平台设计与实现。通过综合考虑双绕组电机与多相电机的特点，构建一套硬件可靠，稳定性高的实验平台。

1 系统介绍

五相双定子绕组感应发电机直流发电系统的结构如图1所示。五相双定子绕组感应发电机作为该系统的发电单元，其定子绕组分为控制绕组和功率绕组。控制绕组与五相静励磁变换器(以下简称SEC)连接，用来控制发电机励磁无功；功率绕组与五相不控整流桥连接，用来输出直流电能。由西门子M440变频器驱动的三相感应电机作为原动机，以TMS320F28335型DSP为控制器构成的控制电路及智能功率模块(以下简称IPM)驱动电路配合外围AD采样调理电路、故障保护电路，组成一套高性能的五相双定子绕组感应电机直流发电系统。为获得较好的控制性能，根据五相双定子绕组的特点，采用控制绕组磁场定向的控制策略，并对该系统进行带载下的稳态实验，验证其稳态性能。

图1 五相双定子绕组感应发电机直流发电系统框图

1.1 五相双定子绕组感应发电机

该系统中的发电机为五相双定子绕组感应发电机。该发电机采用2对极，额定功率为5 kW，额定转速为1 500 r/min。其转子采用笼型结构，简单坚固；定子绕组按照功能不同分为控制绕组和功率绕组。两套绕组相数均为五相，且极对数相同，它们不存在电气连接，仅共用同一个气隙磁场。其中，控制绕组与五相SEC连接，用来调节发电机无功功率；功率绕组与五相不控整流桥连接，用来输出直流电能，在1 500 r/min转速下输出的额定直流电压为270 V。

1.2 五相SEC

该系统中五相SEC由小功率辅助电源、二极管、控制绕组侧直流母线电容以及五相全桥变换器组成。小功率辅助电源仅在发电机建压过程中提供初始励磁电压，发电机输出直流电压逐渐升高超过辅助电源的电压，二极管反向关断，辅助电源脱离系统。

五相SEC由2个三相IPM组成。IPM的驱动电路如图2所示。由于开关频率较高，为避免驱动电路内部电路与IPM外部电路之间相互影响，采用HCPL4504高速光电耦合器进行弱电信号与强电信号之间的电气隔离。光耦原边并联了一个2N3904三极管与外围电阻配合，用于放大PWM信号，提高其驱动能力。PWM故障信号检测电路由光电耦合器PC817与外围电阻配合构成。PWM故障信号经过PC817隔离，送至CPLD。

图2 IPM驱动电路

控制绕组侧直流母线电容在母线电压波动时起到了缓冲作用，选取容值时因考虑控制绕组侧母线电压的波动量，参考文献[12]中的电容选取方法，本系统中的母线电容选取2 200 μF/450 V。

1.3 功率侧直流输出

发电机的功率绕组经过五相不控整流桥整流，输出270 V直流电压。仍以文献[12]中的电容选取方法，在功率测直流母线上并联2个2 200 μF的直流母线电容。相比于三相整流，五相整流有更小的电压纹波，更易于输出高品质电能。以14.5 Ω的功率电阻模拟直流负载。将2个三相整流模块构成的五相不控整流单元。其功率侧直流母排电路如图3所示。

图3 直流母排电路

1.4 AD采样调理电路

AD采样调理电路主要对该系统中所要监测与控制的电压电流信号进行检测、调理及滤波，使检测信号转换为电压信号送入DSP的AD转换模块，最后转换为数字量。该系统的检测信号不仅包括直流母线电压、直流母线电流等直流信号，还包括发电机控制绕组四相相电流等交流信号。

图4为该系统的AD采样调理电路图。采用VSM025A型电压霍尔传感器对各电压信号进行采样；采用CSM100LTA型电流传感器对各电流信号进行采样。检测到的强电信号通过传感器转换为毫安级电流信号iin，通过采样电阻R1转换成电压信号uin。由TL084构成的电压跟随器，其主要功能是提高信号驱动能力，减小后级干扰。电压跟随器的输出送入由MC33172及外围电阻构成的AD调理电路。由于交流信号围绕0上下变化，而DSP的AD转换模块只能承受0～3 V的电压信号，因此检测信号需进行电平抬升。取参考电压uref=5 V，则AD调理电路的输出电压uo：

图4 AD采样调理电路

(1)

通过调节可调电阻R5，使检测信号的0对应AD调理电路输出的1.5 V。AD调理电路输出的电压信号经过由R6与C1构成的滤波电路进行滤波后，输入至DSP的AD转换模块。在输出级加入了二极管保护电路，防止AD调理电路的输出信号超出DSP中AD转换模块的承受范围。

1.5 故障保护电路

当系统运行出现故障或异常时，有可能产生电压飙升或电流冲击，若电流与电压超出IPM的承受范围，会导致IPM损坏甚至整个系统的损坏。因此，故障保护电路是十分必要的。

该系统所需要的保护主要有控制绕组侧与功率绕组侧直流电压过压保护，控制绕组A相,B相,C相,D相相电流过流保护，直流输出电流过流保护以及IPM信号故障保护。

前面已提到，对于IPM信号故障保护，IPM内部产生的故障信号通过光耦隔离直接送入CPLD中进行处理。对于过压和过流保护，将电压、电流检测值与设定值进行比较，产生保护信号，送入CPLD中进行处理。由于控制绕组A相,B相,C相,D相相电流的采样信号为交流信号，因此首先应将交流信号整流转化为绝对值。该系统的绝对值故障保护电路如图5所示。交流信号首先通过由TL084和2个1N4148二极管以及外围电阻配合构成的绝对值电路，输出的绝对值信号通过R5与C1构成的滤波器，送入由LM293与外围电阻配合构成的比较器中与设定值进行比较，并通过PC817光耦隔离，输出保护信号，经过R11与C2构成的滤波电路，送入CPLD中进行处理，而直流检测信号不需要经过绝对值电路，直接送至比较器与设定值比较。

图5 绝对值故障保护电路

2 实 验

为验证该系统实验平台设计的合理性与正确性，构建了该系统的硬件实物平台，并进行了相关实验研究。该系统的实验平台硬件实物如图6所示。发电机的控制方法采用控制绕组磁场定向的矢量控制方法，图7给出了控制策略图。

图6 实验平台硬件实物图

图7 控制策略图

该系统的稳态实验结果如图8所示。从图8(a)可以看出，发电机在额定转速1 500 r/min，额定功率5 kW情况下，控制绕组A相电压波形有较好的正弦度。图8(b)为功率侧经五相整流桥整流输出的直流母线与负载电流波形。母线电压稳定在270 V左右，直流负载电流约为21 A。实验结果表明该系统稳定性好，可靠性高。

(a) 控制绕组A相电压

(b) 直流输出电压和负载电流

图8稳态实验结果

3 结 语

本文研究了一种五相双定子绕组感应发电机直流发电系统实验平台的设计与实现。根据发电机结构以及控制方法的特殊性，在对系统实验平台设计时，将发电机的控制绕组连接五相功率变换器，用来调节发电机励磁无功；将功率绕组连接五相整流桥，用来输出直流功率。采用TMS320F28335型DSP作为控制芯片，设计了一套五相双定子绕组感应发电机270 V直流发电系统的实验平台。实验结果表明，该系统的实验平台能够稳定运行，可靠性高，该硬件系统将对五相双定子绕组感应发电机直流发电系统的研究奠定了基础。

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