攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元的設(shè)計(jì)

 0 引言

就發(fā)電機(jī)組的小型化問(wèn)題，已經(jīng)有生產(chǎn)廠家采用國(guó)外先進(jìn)的汽油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)和工頻發(fā)電機(jī)來(lái)組成發(fā)電機(jī)組，但工頻發(fā)電機(jī)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(jī)組重量一般在20 kg以上，顯然機(jī)組的重量仍然顯得較重。攜行發(fā)電機(jī)組主要是采用高速的內(nèi)燃機(jī)和中頻永磁發(fā)電機(jī)達(dá)到了小型化的目的，這也必將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出頻率不是工頻，而通用設(shè)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(xiàn)交交變頻的功能。

1 攜行發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成

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

2 交交變頻單元主電路的原理與設(shè)計(jì)

2.1 主電路的工作原理

攜行發(fā)電機(jī)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(gòu)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(xiàn)的，P 組和N 組都是相控整流電路，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。P組工作時(shí)，負(fù)載電流i0 為正;N 組工作時(shí)，i0 為負(fù);兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)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(guī)律對(duì)琢角進(jìn)行調(diào)制，如圖3 所示，在半個(gè)周期內(nèi)讓P 組琢角按正弦規(guī)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(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，而后再減到零，如圖3中虛線所示。另外半個(gè)周期可以通過(guò)對(duì)變流器的N組進(jìn)行同樣的控制得到[2]。

2.2 主電路的設(shè)計(jì)

攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元主電路設(shè)計(jì)包括：功率開(kāi)關(guān)管的選擇、功率器件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)以及輸出濾波電路的設(shè)計(jì)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(gòu)成，根據(jù)設(shè)計(jì)要求晶閘管的額定電壓應(yīng)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(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，必須針對(duì)過(guò)壓和過(guò)電流發(fā)生的原因采取保護(hù)措施。交交變頻單元的輸出含有大量諧波，這樣會(huì)對(duì)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)

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(duì)晶閘管的控制角琢進(jìn)行調(diào)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(duì)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(yīng)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(jī)直接對(duì)琢角進(jìn)行計(jì)算是較費(fèi)時(shí)的，為了減少由于計(jì)算而引起的延時(shí)，可采用查表法。只要在存儲(chǔ)器中存放一個(gè)正弦函數(shù)表和一個(gè)反余弦函數(shù)表，根據(jù)需要的輸出頻率和電壓調(diào)制系數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行查表，查出相應(yīng)的琢值(延時(shí)常數(shù))，送給脈沖形成電路去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。

3.2 控制電路的硬件設(shè)計(jì)

控制電路的功能是為交交變頻單元中的晶閘管提供驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)為整機(jī)提供控制信號(hào)[4]。由于電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)頻率特性較差，導(dǎo)致其組成的發(fā)電機(jī)組電氣性能，尤其是頻率特性難以滿足要求，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(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)依然保持較好的穩(wěn)定性?？刂齐娐钒ㄍ叫盘?hào)產(chǎn)生電路、輸出過(guò)零檢測(cè)電路、過(guò)流保護(hù)電路、電壓反饋電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制電路的總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.3 控制電路的軟件設(shè)計(jì)

采用PIC16F877 單片機(jī)的控制系統(tǒng)主程序要完成的主要功能有：參數(shù)初始化、起始同步脈沖的捕捉、移相控制角琢的計(jì)算并把琢轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)組交交變頻單元實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試工作，交交變頻單元的輸出基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們記錄了交交變頻單元工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。

圖6 為輸入線電壓及其同步脈沖實(shí)驗(yàn)波形，

圖中的正弦波為三相輸入的線電壓Uab 的實(shí)驗(yàn)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電壓Uab的同步信號(hào)，該信號(hào)是由三相輸入的線電壓經(jīng)過(guò)同步電路后產(chǎn)生的，當(dāng)輸入線電壓為正半周時(shí)，同步電路輸出為高電平;當(dāng)輸入線電壓為負(fù)半周時(shí)，同步電路輸出為低電平。通過(guò)對(duì)輸入線電壓及其同步脈沖實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：同步脈沖的實(shí)驗(yàn)波形和輸入線電壓波形實(shí)現(xiàn)了很好的同步關(guān)系，該同步波送入單片機(jī)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(yàn)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(qū)動(dòng)脈沖實(shí)驗(yàn)波形。

觀察該實(shí)驗(yàn)波形可以發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)工頻周期(0.02 s)內(nèi)，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(nèi)。通過(guò)該波形還可以發(fā)現(xiàn)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(duì)靠后，中間兩個(gè)脈沖相對(duì)提前的，這主要是因?yàn)楦鱾€(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(yàn)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(duì)于一路線電壓，在半個(gè)輸出電壓周期內(nèi)約由3 個(gè)波段拼接出來(lái)，那么對(duì)于六路輸入線電壓在半個(gè)輸出電壓周期內(nèi)約由18個(gè)波段拼接出來(lái);同理可以得到當(dāng)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(dāng)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(yàn)波形的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，輸入頻率越高，輸出電壓波形拼接的段數(shù)越多，輸出波形的正弦性也就越好。

5 結(jié)語(yǔ)

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