劉皓喆，卜飛飛，許海軍，黃文新

(南京航空航天大學，南京 211106)

0 引 言

異步電機因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，已成為直流發(fā)電系統(tǒng)的一種選擇。但傳統(tǒng)異步電機發(fā)電系統(tǒng)中，有功功率與無功功率均經(jīng)過功率變換器，這就造成了功率變換器容量大和體積大等缺點[1-2]。雙定子繞組感應發(fā)電機的首次提出，將該發(fā)電機定子繞組分為控制繞組與功率繞組，使得功率變換器中只流過無功功率，實現(xiàn)了功能分開[3-4]，可輸出高品質(zhì)電能。針對雙定子繞組感應發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)，馬偉明院士開展了許多富有成果性研究[5-6]，其應用背景為艦船電源系統(tǒng)，原動機轉(zhuǎn)速基本恒定。南京航空航天大學的研究人員以風力發(fā)電和航空電源為背景，研究了變速運行條件下的雙定子繞組感應電機發(fā)電系統(tǒng)[7-8]。多相電機具有功率密度高、可靠性高等優(yōu)點，已在船舶推進和風力發(fā)電等多種場合得到應用[9-10]。

對于一個系統(tǒng)而言，可靠的硬件平臺是其安全穩(wěn)定運行的保障。無論是對于雙定子繞組感應發(fā)電機還是多相電機所構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)而言，其硬件平臺均不同于普通三相電機的硬件平臺。對于雙定子繞組感應電機直流發(fā)電系統(tǒng)，其定子上的控制繞組與功率繞組分別流過無功功率與有功功率，因此控制繞組接功率變換器，通過控制變換器的無功功率來實現(xiàn)對發(fā)電機的控制。這樣設(shè)計可使電機的有功功率與無功功率分開，只有無功功率從變換器中流過，從而減小了變換器的容量[11]。多相電機因其定子相數(shù)多，所用的功率變換器也隨之采用多相結(jié)構(gòu)。

本文研究一種五相雙定子繞組感應發(fā)電機直流發(fā)電系統(tǒng)的實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)。通過綜合考慮雙繞組電機與多相電機的特點，構(gòu)建一套硬件可靠，穩(wěn)定性高的實驗平臺。

1 系統(tǒng)介紹

五相雙定子繞組感應發(fā)電機直流發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。五相雙定子繞組感應發(fā)電機作為該系統(tǒng)的發(fā)電單元，其定子繞組分為控制繞組和功率繞組。控制繞組與五相靜勵磁變換器(以下簡稱SEC)連接，用來控制發(fā)電機勵磁無功；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來輸出直流電能。由西門子M440變頻器驅(qū)動的三相感應電機作為原動機，以TMS320F28335型DSP為控制器構(gòu)成的控制電路及智能功率模塊(以下簡稱IPM)驅(qū)動電路配合外圍AD采樣調(diào)理電路、故障保護電路，組成一套高性能的五相雙定子繞組感應電機直流發(fā)電系統(tǒng)。為獲得較好的控制性能，根據(jù)五相雙定子繞組的特點，采用控制繞組磁場定向的控制策略，并對該系統(tǒng)進行帶載下的穩(wěn)態(tài)實驗，驗證其穩(wěn)態(tài)性能。

圖1 五相雙定子繞組感應發(fā)電機直流發(fā)電系統(tǒng)框圖

1.1 五相雙定子繞組感應發(fā)電機

該系統(tǒng)中的發(fā)電機為五相雙定子繞組感應發(fā)電機。該發(fā)電機采用2對極，額定功率為5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。其轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，簡單堅固；定子繞組按照功能不同分為控制繞組和功率繞組。兩套繞組相數(shù)均為五相，且極對數(shù)相同，它們不存在電氣連接，僅共用同一個氣隙磁場。其中，控制繞組與五相SEC連接，用來調(diào)節(jié)發(fā)電機無功功率；功率繞組與五相不控整流橋連接，用來輸出直流電能，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下輸出的額定直流電壓為270 V。

1.2 五相SEC

該系統(tǒng)中五相SEC由小功率輔助電源、二極管、控制繞組側(cè)直流母線電容以及五相全橋變換器組成。小功率輔助電源僅在發(fā)電機建壓過程中提供初始勵磁電壓，發(fā)電機輸出直流電壓逐漸升高超過輔助電源的電壓，二極管反向關(guān)斷，輔助電源脫離系統(tǒng)。

五相SEC由2個三相IPM組成。IPM的驅(qū)動電路如圖2所示。由于開關(guān)頻率較高，為避免驅(qū)動電路內(nèi)部電路與IPM外部電路之間相互影響，采用HCPL4504高速光電耦合器進行弱電信號與強電信號之間的電氣隔離。光耦原邊并聯(lián)了一個2N3904三極管與外圍電阻配合，用于放大PWM信號，提高其驅(qū)動能力。PWM故障信號檢測電路由光電耦合器PC817與外圍電阻配合構(gòu)成。PWM故障信號經(jīng)過PC817隔離，送至CPLD。

圖2 IPM驅(qū)動電路

控制繞組側(cè)直流母線電容在母線電壓波動時起到了緩沖作用，選取容值時因考慮控制繞組側(cè)母線電壓的波動量，參考文獻[12]中的電容選取方法，本系統(tǒng)中的母線電容選取2 200 μF/450 V。

1.3 功率側(cè)直流輸出

發(fā)電機的功率繞組經(jīng)過五相不控整流橋整流，輸出270 V直流電壓。仍以文獻[12]中的電容選取方法，在功率測直流母線上并聯(lián)2個2 200 μF的直流母線電容。相比于三相整流，五相整流有更小的電壓紋波，更易于輸出高品質(zhì)電能。以14.5 Ω的功率電阻模擬直流負載。將2個三相整流模塊構(gòu)成的五相不控整流單元。其功率側(cè)直流母排電路如圖3所示。

圖3 直流母排電路

1.4 AD采樣調(diào)理電路

AD采樣調(diào)理電路主要對該系統(tǒng)中所要監(jiān)測與控制的電壓電流信號進行檢測、調(diào)理及濾波，使檢測信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該系統(tǒng)的檢測信號不僅包括直流母線電壓、直流母線電流等直流信號，還包括發(fā)電機控制繞組四相相電流等交流信號。

圖4為該系統(tǒng)的AD采樣調(diào)理電路圖。采用VSM025A型電壓霍爾傳感器對各電壓信號進行采樣；采用CSM100LTA型電流傳感器對各電流信號進行采樣。檢測到的強電信號通過傳感器轉(zhuǎn)換為毫安級電流信號iin，通過采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號uin。由TL084構(gòu)成的電壓跟隨器，其主要功能是提高信號驅(qū)動能力，減小后級干擾。電壓跟隨器的輸出送入由MC33172及外圍電阻構(gòu)成的AD調(diào)理電路。由于交流信號圍繞0上下變化，而DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊只能承受0～3 V的電壓信號，因此檢測信號需進行電平抬升。取參考電壓uref=5 V，則AD調(diào)理電路的輸出電壓uo：

圖4 AD采樣調(diào)理電路

(1)

通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5，使檢測信號的0對應AD調(diào)理電路輸出的1.5 V。AD調(diào)理電路輸出的電壓信號經(jīng)過由R6與C1構(gòu)成的濾波電路進行濾波后，輸入至DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊。在輸出級加入了二極管保護電路，防止AD調(diào)理電路的輸出信號超出DSP中AD轉(zhuǎn)換模塊的承受范圍。

1.5 故障保護電路

當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障或異常時，有可能產(chǎn)生電壓飆升或電流沖擊，若電流與電壓超出IPM的承受范圍，會導致IPM損壞甚至整個系統(tǒng)的損壞。因此，故障保護電路是十分必要的。

該系統(tǒng)所需要的保護主要有控制繞組側(cè)與功率繞組側(cè)直流電壓過壓保護，控制繞組A相,B相,C相,D相相電流過流保護，直流輸出電流過流保護以及IPM信號故障保護。

前面已提到，對于IPM信號故障保護，IPM內(nèi)部產(chǎn)生的故障信號通過光耦隔離直接送入CPLD中進行處理。對于過壓和過流保護，將電壓、電流檢測值與設(shè)定值進行比較，產(chǎn)生保護信號，送入CPLD中進行處理。由于控制繞組A相,B相,C相,D相相電流的采樣信號為交流信號，因此首先應將交流信號整流轉(zhuǎn)化為絕對值。該系統(tǒng)的絕對值故障保護電路如圖5所示。交流信號首先通過由TL084和2個1N4148二極管以及外圍電阻配合構(gòu)成的絕對值電路，輸出的絕對值信號通過R5與C1構(gòu)成的濾波器，送入由LM293與外圍電阻配合構(gòu)成的比較器中與設(shè)定值進行比較，并通過PC817光耦隔離，輸出保護信號，經(jīng)過R11與C2構(gòu)成的濾波電路，送入CPLD中進行處理，而直流檢測信號不需要經(jīng)過絕對值電路，直接送至比較器與設(shè)定值比較。

圖5 絕對值故障保護電路

2 實 驗

為驗證該系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計的合理性與正確性，構(gòu)建了該系統(tǒng)的硬件實物平臺，并進行了相關(guān)實驗研究。該系統(tǒng)的實驗平臺硬件實物如圖6所示。發(fā)電機的控制方法采用控制繞組磁場定向的矢量控制方法，圖7給出了控制策略圖。

圖6 實驗平臺硬件實物圖

圖7 控制策略圖

該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率5 kW情況下，控制繞組A相電壓波形有較好的正弦度。圖8(b)為功率側(cè)經(jīng)五相整流橋整流輸出的直流母線與負載電流波形。母線電壓穩(wěn)定在270 V左右，直流負載電流約為21 A。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高。

(a) 控制繞組A相電壓

(b) 直流輸出電壓和負載電流

圖8穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

3 結(jié) 語

本文研究了一種五相雙定子繞組感應發(fā)電機直流發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。根據(jù)發(fā)電機結(jié)構(gòu)以及控制方法的特殊性，在對系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計時，將發(fā)電機的控制繞組連接五相功率變換器，用來調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁無功；將功率繞組連接五相整流橋，用來輸出直流功率。采用TMS320F28335型DSP作為控制芯片，設(shè)計了一套五相雙定子繞組感應發(fā)電機270 V直流發(fā)電系統(tǒng)的實驗平臺。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的實驗平臺能夠穩(wěn)定運行，可靠性高，該硬件系統(tǒng)將對五相雙定子繞組感應發(fā)電機直流發(fā)電系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

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