多臺發(fā)電機的功率分配控制

眾所周知船舶電網(wǎng)不同于岸上電網(wǎng)，船舶電網(wǎng)容量小，并且船用負(fù)載多為電動機類的電感性負(fù)載，所以他們的功率很大，有時可以和發(fā)電進(jìn)的容量相比較，有時又會負(fù)載消耗非常小，所以他們的波動非常大，故我們需要對發(fā)電機系統(tǒng)進(jìn)行控制以達(dá)到對船舶電量的合理利用。當(dāng)外界的負(fù)載變化時我們需要調(diào)節(jié)發(fā)電機端的電壓，而發(fā)電機端電壓可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的頻率f和其磁通來實現(xiàn)，但是當(dāng)頻率變化時會改變發(fā)電機輸出交流電的電壓。所以我們通過采用改變磁通的辦法來實現(xiàn)發(fā)電機端電壓的變化。一實驗原理本次作業(yè)我主要采用數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)外界的負(fù)載對發(fā)電機進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)。以實現(xiàn)發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定以及在發(fā)電機并聯(lián)運行時能夠合理的分配無功功率。本次以兩個發(fā)電機為例子進(jìn)行設(shè)計，其也可以推廣到多個電機并聯(lián)運行的情況。此次設(shè)計主要用到IGBT來控制勵磁，發(fā)電機的電壓和電流則通過電壓互感器和電流互感器采集分兩路傳送到單片機，一路傳送到單片機的AD端，經(jīng)過轉(zhuǎn)化在單片機內(nèi)部程序計算其電壓電流大小，進(jìn)而得到有功功率和無功功率，另一路通過電壓比較器轉(zhuǎn)化為方波輸入到單片機得到其發(fā)電機的交流電壓和電流頻率。然后根據(jù)轉(zhuǎn)化的各項數(shù)據(jù)決定電機發(fā)電量的增加還是減少，其信息轉(zhuǎn)化為增磁還是減磁的信號送到單片機由單片機通過自身的捕獲比較單元生成PWM波來控制IGBT開關(guān)的開停，進(jìn)而來控制電機的勵磁。兩個電機各由一個單片機控制，兩個單片機之間通過CAN來進(jìn)行通信。另外本次作業(yè)設(shè)計中IGBT的驅(qū)動模塊和緩沖電路以及柵極保護(hù)電路的模塊不進(jìn)行討論。發(fā)電機根據(jù)實際負(fù)載的大小決定是否并機運行，其開機停機信號以數(shù)字量送到單片機的內(nèi)部，另外電動機的啟動方式采用外接蓄電池的他勵啟動，本次忽略電機的啟動失敗的情況。其他故障報警也忽略。其總的控制原理圖如圖1所示

本次作業(yè)的設(shè)計單片機主要采用我們實驗室常用英飛凌16位單片機XC2267，因為英飛凌是基于汽車和工業(yè)控制的單片機，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。并且片上資源比較豐富，自身帶的捕獲比較單元CCU6也是專門針對無刷電機的控制，故本次以英飛凌XC2267為控制芯片。1.勵磁主回路電路設(shè)計勵磁主回路是為同步發(fā)電機勵磁繞組提供勵磁電流的，其中包括發(fā)電機勵磁繞組、勵磁變壓器、三相整流橋、濾波電容、IGBT、起勵電路、勵磁繞組過壓保護(hù)電路。其簡化電路圖如圖2所示

圖2勵磁主電路其工作原理是，勵磁變壓器將發(fā)電機端的交流電經(jīng)過勵磁變壓器進(jìn)行電變換，再經(jīng)過整流和濾波為主電路部分提供能量來源。IGBT的集電極一發(fā)射極和發(fā)電機勵磁繞組串聯(lián)在主電路中。通過改變PWM波的占空比（通過英飛凌XC2267的捕獲比較單元）來調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通時間，進(jìn)而可以達(dá)到調(diào)節(jié)加在勵磁繞組上電壓的目的。與勵磁繞組并聯(lián)的續(xù)流二極管D2起到在IGBT關(guān)斷期間給勵磁繞組續(xù)流，二極管與勵磁繞組形成回路，讓勵磁繞組中有持續(xù)的電流流過，非線性電阻組成保護(hù)電路，延時開關(guān)KI和二極管D4和蓄電池組成起勵電路2.IGBT電路設(shè)計發(fā)電機的勵磁控制本次采用IGBT，由于其不僅具有MOS管的高輸入阻抗,驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，還具有雙極性器件的飽和壓降低得有點，故本次用它來作為勵磁的控制開關(guān)，其等效電路圖如圖1所示C圖3當(dāng)在柵極G和發(fā)射極C之間加上合適的正電壓時其MOS管導(dǎo)通，則NPN的集電極和基極之間導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極之間電壓為0V時則其器件截至。IGBT和MOS管一樣是電壓控制型器件，故其消耗功率非常小。起勵電路設(shè)計其起勵電路的電路原理圖如下圖2所示圖4起勵電路起勵回路如圖所示。電路板上留有蓄電池接口，用于發(fā)電機起動時將蓄電池接入主電路。開關(guān)K1選用延時斷開開關(guān)，時間根據(jù)實際情況自己設(shè)置.因為通常當(dāng)定時時間到達(dá)后，開關(guān)Kl自動斷開。這時機端電壓己經(jīng)足夠使勵磁控制系統(tǒng)工作起來。二極管D1的作用是，避免在起勵過程中，隨之主回路電壓的升高，電流倒灌蓄電池。其中的非線性電阻在電壓比較小時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，當(dāng)電壓變大時其電阻迅速減小，使自身通過大電流，從而對勵磁線圈起到保護(hù)作用。電源模塊設(shè)計本次設(shè)計電源模塊考慮到需要的電壓比較廣，本次電源采用來自發(fā)電機兩端電源，采用三端穩(wěn)壓器來轉(zhuǎn)換電壓。其電路如圖5所示。

圖5電源模塊設(shè)計系統(tǒng)電源取自發(fā)電機的線電壓，經(jīng)過帶正負(fù)抽頭變壓器的變換，轉(zhuǎn)換成峰值為-25V到+25V的正弦交流電，再經(jīng)過整流橋整流和電容濾波及7805、7815、7915、7820這些三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓最終為整個電路提供巧+5V,+20V,+15V,-15V電壓。由于英飛凌AD支持+5V電壓,故本次設(shè)計沒有外加DC-DC的+5V轉(zhuǎn)3.3V的電路。其電路如圖5所示數(shù)字量輸入設(shè)計本次設(shè)計的數(shù)字量輸入主要包括啟動、停機、增磁和減磁的輸入,其電路圖如圖6所示停機I=1.3二.一71.1咅動U3■LFES-增槪US停機I=1.3二.一71.1咅動U3■LFES-增槪USTLFE?7S圖6數(shù)字量輸入電路由于當(dāng)電機啟動時要用蓄電池來進(jìn)行勵磁，并且當(dāng)一臺電動機進(jìn)行卸載時其不能立即停下，只能通過減磁來慢慢卸載，同理對于發(fā)電機并機時同樣需要慢慢增磁，并且通過CAN通信實現(xiàn)兩臺電機的頻率一致，故本次設(shè)計了啟動，停止，增磁和減磁按鈕來實現(xiàn)上述操作。其中當(dāng)啟動按鈕按下時通過單片機通知蓄電池進(jìn)行起始勵磁的準(zhǔn)備，同樣當(dāng)負(fù)載減少時，一臺電機需要卸載時，按下停止按鈕，通知單片機要進(jìn)行卸載，進(jìn)而通過減磁按鈕來逐漸實現(xiàn)減磁卸載。在電動機運行期間通過單片機得到的各個參數(shù)來決定增磁還是減磁，通過相應(yīng)按鈕控制單片機的相應(yīng)模塊運行，進(jìn)而達(dá)到增磁和減磁的目的。通訊模塊當(dāng)兩臺電機之間并機運行時要相互之間通信以實現(xiàn)功率的合理分配和頻率的協(xié)調(diào)一致。而在數(shù)據(jù)通信時我們的選擇有并行和串行通信，對于并行通訊其傳輸速度快，但是需要線多，在遠(yuǎn)距