攜行發(fā)電機組交交變頻單元的設計

0 引言

就發(fā)電機組的小型化問(wèn)題，已經(jīng)有生產(chǎn)廠(chǎng)家采用國外先進(jìn)的汽油機作為發(fā)電機組的原動(dòng)機和工頻發(fā)電機來(lái)組成發(fā)電機組，但工頻發(fā)電機組體積的縮小與重量的降低，受自身的特點(diǎn)和生產(chǎn)技術(shù)的制約，1 kW 的工頻發(fā)電機組重量一般在20 kg以上，顯然機組的重量仍然顯得較重。攜行發(fā)電機組主要是采用高速的內燃機和中頻永磁發(fā)電機達到了小型化的目的，這也必將導致發(fā)電機的輸出頻率不是工頻，而通用設備大都是以工頻交流電作為輸入電源，所以有必要研制一種裝置來(lái)實(shí)現交交變頻的功能。

1 攜行發(fā)電機組的系統組成

攜行發(fā)電機組由高速汽油發(fā)動(dòng)機、永磁中頻發(fā)電機和交交變頻單元三部分組成，其系統組成如圖1所示。交交變頻單元作為攜行發(fā)電機組的功率輸出單元，其作用是將中頻發(fā)電機輸出的頻率不穩定的中頻交流電進(jìn)行頻率變換，轉換為穩頻穩壓的工頻正弦交流電，以滿(mǎn)足攜行設備對供電的需求。

2 交交變頻單元主電路的原理與設計

2.1 主電路的工作原理

攜行發(fā)電機組交交變頻單元由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構成，晶閘管關(guān)斷是通過(guò)電源交流電壓的自然換相來(lái)實(shí)現的，P 組和N 組都是相控整流電路，其結構如圖2 所示[1]。P組工作時(shí)，負載電流i0 為正;N 組工作時(shí)，i0 為負;兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電;改變切換頻率，就可改變輸出交流電的頻率;改變變流電路的控制角琢，就可以改變交流輸出電壓幅值。為使輸出電壓波形接近正弦波，可按正弦規律對琢角進(jìn)行調制，如圖3 所示，在半個(gè)周期內讓P 組琢角按正弦規律從90毅減到0毅或某個(gè)值，然后再增加到90毅，每個(gè)控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規律從零增至最高，而后再減到零，如圖3中虛線(xiàn)所示。另外半個(gè)周期可以通過(guò)對變流器的N組進(jìn)行同樣的控制得到[2]。

2.2 主電路的設計

攜行發(fā)電機組交交變頻單元主電路設計包括：功率開(kāi)關(guān)管的選擇、功率器件保護電路的設計以及輸出濾波電路的設計等三個(gè)部分。主電路由正反兩組橋臂各由6 個(gè)晶閘管構成，根據設計要求晶閘管的額定電壓應該選擇為800 V，額定通態(tài)電流選為15 A。晶閘管器件的電壓和電流過(guò)載能力極差，尤其是耐壓能力，瞬時(shí)的過(guò)壓就會(huì )造成器件永久性的損壞，為了使器件能長(cháng)期可靠地運行，必須針對過(guò)壓和過(guò)電流發(fā)生的原因采取保護措施。交交變頻單元的輸出含有大量諧波，這樣會(huì )對負載產(chǎn)生不利影響，交交變頻單元的交流輸出必須接交流濾波器，使輸出電壓波形中的諧波含量降低，波形接近標準正弦波，輸出濾波電感選為40 mH，輸出濾波電容選擇耐壓450 V，8 滋F 的電解電容。

3 交交變頻單元的控制策略及其實(shí)現

3.1 交交變頻單元的控制策略

為了使交交變頻單元平均輸出電壓是正弦

波，必須對晶閘管的控制角琢進(jìn)行調制，由于交交變頻電路是作為工頻電源使用，輸出頻率較低，因此選用余弦交點(diǎn)法。余弦交點(diǎn)法對晶閘管觸發(fā)脈沖的控制是按照下面的原則進(jìn)行的，即使得變頻電路輸出電壓的瞬時(shí)值最接近于理論正弦電壓的瞬時(shí)值。把所要求的輸出頻率和相應幅值的給定波形和電源同頻率的余弦同步波相比較，兩者的交點(diǎn)就是余弦交點(diǎn)法交交變頻電路的觸發(fā)時(shí)刻[3]。

由于利用單片機直接對琢角進(jìn)行計算是較費時(shí)的，為了減少由于計算而引起的延時(shí)，可采用查表法。只要在存儲器中存放一個(gè)正弦函數表和一個(gè)反余弦函數表，根據需要的輸出頻率和電壓調制系數，實(shí)時(shí)進(jìn)行查表，查出相應的琢值(延時(shí)常數)，送給脈沖形成電路去觸發(fā)相應的晶閘管。

3.2 控制電路的硬件設計

控制電路的功能是為交交變頻單元中的晶閘管提供驅動(dòng)脈沖，同時(shí)為整機提供控制信號[4]。由于電機組的發(fā)動(dòng)機頻率特性較差，導致其組成的發(fā)電機組電氣性能，尤其是頻率特性難以滿(mǎn)足要求，所以在控制電路中要采用電壓閉環(huán)反饋，以此來(lái)保證輸出電壓的頻率在發(fā)動(dòng)機轉速波動(dòng)時(shí)依然保持較好的穩定性?？刂齐娐钒ㄍ叫盘柈a(chǎn)生電路、輸出過(guò)零檢測電路、過(guò)流保護電路、電壓反饋電路和單片機控制系統，控制電路的總體設計如圖4所示。

3.3 控制電路的軟件設計

采用PIC16F877 單片機的控制系統主程序要完成的主要功能有：參數初始化、起始同步脈沖的捕捉、移相控制角琢的計算并把琢轉化為定時(shí)時(shí)間、輸出正反組的判斷、觸發(fā)脈沖的輸出等。

PIC16F877 單片機的軟件編程采用主程序不斷循環(huán)，在中斷程序中完成各種控制。圖5 為主程序的流程圖[5]。

4 攜行發(fā)電機組交交變頻單元實(shí)驗

經(jīng)過(guò)大量的調試工作，交交變頻單元的輸出基本上達到了設計要求。在實(shí)驗過(guò)程中，我們記錄了交交變頻單元工作時(shí)的實(shí)驗波形。

圖6 為輸入線(xiàn)電壓及其同步脈沖實(shí)驗波形，

圖中的正弦波為三相輸入的線(xiàn)電壓Uab 的實(shí)驗波形，其有效值為226 V，頻率為400 Hz。圖中的方波為三相輸入的線(xiàn)電壓Uab的同步信號，該信號是由三相輸入的線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)同步電路后產(chǎn)生的，當輸入線(xiàn)電壓為正半周時(shí)，同步電路輸出為高電平;當輸入線(xiàn)電壓為負半周時(shí)，同步電路輸出為低電平。通過(guò)對輸入線(xiàn)電壓及其同步脈沖實(shí)驗波形的對比可以發(fā)現：同步脈沖的實(shí)驗波形和輸入線(xiàn)電壓波形實(shí)現了很好的同步關(guān)系，該同步波送入單片機可以為觸發(fā)控制脈沖的產(chǎn)生提供參考。

圖7 所示的實(shí)驗波形是在輸入為400 Hz 時(shí)主電路中一個(gè)晶閘管橋臂的驅動(dòng)脈沖實(shí)驗波形。

觀(guān)察該實(shí)驗波形可以發(fā)現，在一個(gè)工頻周期(0.02 s)內，該晶閘管有4 個(gè)觸發(fā)脈沖，并且這4 個(gè)觸發(fā)脈沖集中在半個(gè)周期之內。通過(guò)該波形還可以發(fā)現這4 個(gè)觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻并不是均勻分布的，而是第一個(gè)和最后一個(gè)脈沖相對靠后，中間兩個(gè)脈沖相對提前的，這主要是因為各個(gè)脈沖的觸發(fā)脈沖是按照余弦交點(diǎn)法的原理產(chǎn)生的。

通過(guò)電能變換單元進(jìn)行的實(shí)驗可得輸出電壓波形如圖8 所示。輸出電壓幅值為220 V，頻率為50 Hz。從一個(gè)輸出工頻周期的波形可以清楚地看出：輸入為320 Hz 時(shí)(圖8 a)，對于一路線(xiàn)電壓，在半個(gè)輸出電壓周期內約由3 個(gè)波段拼接出來(lái)，那么對于六路輸入線(xiàn)電壓在半個(gè)輸出電壓周期內約由18個(gè)波段拼接出來(lái);同理可以得到當輸入為400 Hz 時(shí)(圖8 b)，半個(gè)輸出電壓周期約由22 個(gè)波段拼接出來(lái);當輸入為480 Hz 時(shí)(圖8 c)，半個(gè)輸出電壓周期約由27 個(gè)波段拼接出來(lái)。通過(guò)輸出電壓實(shí)驗波形的對比可以發(fā)現，輸入頻率越高，輸出電壓波形拼接的段數越多，輸出波形的正弦性也就越好。

5 結語(yǔ)

攜行發(fā)電機組的設計思路和結構形式打破了工頻發(fā)電機組的傳統供電模式，充分發(fā)揮高速中頻發(fā)電機組體積小，重量輕的優(yōu)勢，采用中頻發(fā)電機與交交變頻單元為一體的機電一體化技術(shù)，極大地減小發(fā)電機組的體積、重量，可滿(mǎn)足山地、野外等特殊環(huán)境的要求。