CN101510747A - 一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构及控制方法，该船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构包括接触器、升压变压器、整流回馈单元、直流补偿单元、逆变单元、操作面板、励磁控制器、AB相电压传感器、CA相电压传感器、BC相电压传感器；基于该控制系统结构的控制方法，可以实现船用无刷双馈轴带发电机的起励、恒压控制、恒频控制、欠压保护和过压保护。

Description

一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构及控制方法

技术领域

本发明属于发电机自动控制技术领域，具体地说，是一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的控制系统结构及控制方法。

背景技术

目前，船舶上广泛采用单独的柴油机组发电，每年消耗大量的轻质柴油，如果能充分利用船舶主发动机进行轴带发电，则可以大大节约能源和费用。但船舶主发动机的转速在航行中是经常变化的，需要发电机及控制系统具备变速稳压、恒频发电的能力。如何解决船舶主发动机进行轴带发电这一技术难题，本领域的技术人员提出了各种解决方案，但收效甚微，其根本原因在于，船用柴油机无刷双馈轴带发电机是一种利用以重油作为燃料的船用柴油机轴带的发电机，无刷双馈电机结构从理论上应不同于传统结构，因此发明人提出了解决船舶主发动机轴带发电的基本思路是：其转子上有两端短路的感应绕组，定子上有两套三相绕组：功率绕组和控制绕组。功率绕组的输出即作为无刷双馈发电机的主功率输出给船舶供电。控制绕组的目的是建立和调节励磁电流。当柴油机转速和发电机的电气负载变化时，为保持发电机输出电压和频率的稳定，必须实时调节控制绕组电流。

围绕上述将背景技术，在已公布的专利文献中，发明人尚未检索出有涉及船用柴油机轴带无刷双馈发电机控制系统的内容。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构，第二个目的是控制船用柴油机无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构的方法，上述目的使船用柴油机无刷双馈轴带发电机在船舶主柴油机的轴转速变化的工况下实现自行起励发电并具有稳压恒频的能力，在无刷双馈发电机运行中的自然同步转速点附近采用偏频控制策略使发电机负载特性平滑过渡并具有一定的带负载能力。这种新型控制系统使船用柴油机无刷双馈轴带发电机运行效率高、节能、稳定好、可靠性高。

为实现本发明的目的，本发明提出如下的船用无刷双馈轴带发电机控制系统结构的技术方案是：一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构，船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构连接于一个无刷双馈轴带发电机的功率绕组、控制绕组、旋转编码器、船舶电站、船舶220V蓄电池组之间，其特征在于：所述的船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构由接触器、升压变压器、整流回馈单元、直流补偿单元、逆变单元、操作面板、励磁控制器、AB相电压传感器、CA相电压传感器、BC相电压传感器组成。

所述接触器的输入端与轴带发电机的三相功率绕组相连，接触器的输出端与船舶电站相连；升压变压器的输入端与轴带发电机的三相功率绕组相连，升压变压器的输出端与整流回馈单元的交流输入端相连；整流回馈单元和逆变单元的直流输入端相连；直流补偿单元的输入端和直流220V蓄电池组相连，直流补偿单元的输出端和逆变单元的直流输入端相连；逆变单元的三相交流输出端和轴带发电机的控制绕组相连；励磁控制器的输入端连接操作面板、AB相电压传感器、CA相电压传感器、BC相电压传感器、轴带发电机的旋转编码器，励磁控制器的输出端连接接触器、直流补偿单元和逆变单元。

本发明升压变压器、整流回馈单元、直流补偿单元和逆变单元为发电机控制绕组提供励磁电流，发电机功率绕组通过三相升压变压器接到整流回馈单元的交流端，整流回馈单元的直流端、直流补偿单元的输出端和逆变单元的直流端共同连接在直流母线上，船上的220V蓄电池组接到直流补偿单元的输入端，逆变单元的交流输出端连接到轴带无刷双馈发电机的控制绕组上。

本发明旋转编码器与发电机轴直连，其信号输出端接入励磁控制器，电压霍尔传感器检测发电机功率绕组输出电压，其信号输出端接入励磁控制器。操作面板与励磁控制器相连，提供操作指令。

本发明上述升压变压器和整流回馈单元使直流母线电压保持在逆变单元可以正常工作的范围内，当发电机输出电压较低时，升压变压器能提高直流母线电压、当发电机转速较高，能量反馈到直流母线，使直流母线电压升高时，整流回馈单元能够把直流母线能量回馈到发电机输出端，使直流母线电压保持稳定。

本发明上述逆变单元把直流母线上的直流电逆变为三相交流电供给发电机的控制绕组，三相交流电的电压幅值、频率和相序根据励磁控制器的控制指令信号变化。

本发明上述直流补偿单元的输入端为船舶上的直流220V蓄电池组，输出端接到直流母线上。当发电机起励时，直流补偿单元提供起励所需的能量；在发电机正常工作时，直流补偿单元内的电容储能模块用于补偿直流母线电压的瞬间下降。

本发明上述励磁控制器根据旋转编码器和电压霍尔传感器的反馈信号，控制接触器、直流补偿单元，以及逆变单元的输出电压幅值、频率和相序，实现在不同的轮船柴油机转速和负载变化下对无刷双馈轴带发电机的起励和恒频稳压控制。

为了实现本发明的第二个目的，控制船用柴油机无刷双馈轴带发电机控制系统结构的方法如下：

1)起励方法：无刷双馈轴带发电机在船用柴油机轴带低速牵引下进行起励发电时，励磁控制器断开接触器，使得发电机功率绕组与电气负载断开，船上的直流220V蓄电池组经过直流补偿单元和逆变单元为发电机的控制绕组提供励磁电流，实现起励，当发电机空载输出电压稳定后，励磁控制器闭合接触器，接入电气负载，此时直流母线电压高于直流补偿单元的输出电压，直流补偿单元自动切除，此时励磁控制系统用轴带发电机所发出的电对轴带发电机进行励磁，起励过程完成；

2)恒频方法：励磁控制器根据旋转编码器对应的发电机转速，实时调节逆变单元的输出电压频率，使发电机输出交流电频率保持在50Hz。逆变单元的输出电压频率正比于发电机实际转速和自然同步点转速的差。当发电机转速高于自然同步点转速时，励磁控制器控制逆变单元输出正相序；当发电机转速低于自然同步点转速时，励磁控制器控制逆变单元输出反相序；当发电机转速在自然同步点转速时，为使发电机输出交流电频率保持在50Hz，逆变单元的输出频率应为0Hz，而这会给逆变单元带来较大的损耗，所以励磁控制器控制逆变单元输出1Hz，通过偏频减少逆变单元损耗；

3)恒压方法：励磁控制器根据电压传感器对应的发电机输出电压值和当前励磁电流频率，实时调节逆变单元的输出电压幅值，使发电机功率绕组的输出交流电有效值保持在400V；

4)欠压保护方法：当负载突加造成直流母线电压过低时，直流补偿单元的输出电压高于直流母线电压，直流补偿单元自动切入，使逆变单元保持正常工作状态，同时，励磁控制器控制逆变单元提高输出电压幅值，使发电机输出电压升高到正常设定值，此时直流母线电压也相应升高，当直流母线电压高于直流补偿单元的输出电压时，直流补偿单元自动切除；

5)过压保护方法：当船用柴油机轴带高速牵引无刷双馈轴带发电机，直流母线电压值高于整流回馈单元的回馈开启电压值时，整流回馈单元自动将直流母线电容储存剩余能量释放回馈给无刷双馈轴带发电机输出端，使直流母线电压不会过高以至于逆变单元不能正常工作。

本发明的优越性和技术效果在于：提供一种用于船用柴油机轴带无刷双馈发电机控制系统结构和控制方法，使船用柴油机轴带无刷双馈发电机在船舶主柴油机的轴转速变化的工况下实现自行起励发电并具有恒压恒频的能力，在无刷双馈发电机运行中的换相转速点附近采用偏频控制策略使发电机负载特性平滑过渡并具有一定的带负载能力。这种新型控制系统结构和方法使船用柴油机轴带无刷双馈发电机运行效率高、节能、稳定好、可靠性高。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图

图2为励磁控制器的结构示意图

图3为直流补偿单元的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步详细的说明。

在图1中，船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构1连接于一个无刷双馈轴带发电机15的功率绕组15、控制绕组16、旋转编码器17、船舶电站12、船舶220V蓄电池组13之间。其特点是：该船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构1包括接触器2、升压变压器3、整流回馈单元4、直流补偿单元5、逆变单元6、操作面板7、励磁控制器8、AB相电压传感器9、CA相电压传感器10、BC相电压传感器11。其中：

接触器2的输入端与轴带发电机14的三相功率绕组15相连，接触器2的输出端与船舶电站12相连；升压变压器3的输入端与轴带发电机14的三相功率绕组15相连，升压变压器3的输出端与整流回馈单元4的交流输入端相连；整流回馈单元4和逆变单元6的直流输入端相连；直流补偿单元5的输入端和直流220V蓄电池组13相连，直流补偿单元5的输出端和逆变单元6的直流输入端相连；逆变单元6的三相交流输出端和轴带发电机14的控制绕组16相连；励磁控制器8的输入端连接操作面板7、AB相电压传感器9、CA相电压传感器10、BC相电压传感器11、轴带发电机16的旋转编码器17，励磁控制器8的输出端连接接触器2、直流补偿单元5和逆变单元6。

接触器2的作用是确保轴带发电机14在起励过程中，功率绕组15与船舶电站12断开，只有起励过程完成，轴带发电机14的功率绕组15的输出电压稳定后，才能闭合接触器2，轴带发电机14给船舶电站12供电。

升压变压器3的作用是在保持轴带发电机14的功率绕组15的输出电压为额定电压400V的同时，提高整流回馈单元4的输入电压，有利于保持直流母线电压的稳定。升压变压器3可采用自耦变压器形式实现。

整流回馈单元4的作用是实现电能在轴带发电机14的功率绕组15和直流母线间的双向流动。整流回馈单元可以把三相交流电整流成直流电供给直流母线，进而通过逆变单元6提供给轴带发电机14的控制绕组16，当控制绕组16也向外发电时，整流回馈单元4工作在回馈模式，控制绕组16产生的电能经过逆变单元6、整流回馈单元4、升压变压器3回馈到功率绕组15的三相输出端。

直流补偿单元5的作用是为轴带发电机15提供起励电源并在运行过程中保证直流母线的稳定。

逆变单元6的作用是把直流母线电压逆变成幅值、频率、相序可调的三相交流电压并输出到轴带发电机14的三相控制绕组16。

操作面板7的作用是提供轴带发电机励磁控制系统1的启动和停止信号，励磁控制器8接收到该信号后实现相关的控制。

励磁控制器8的作用是通过控制接触器2、直流补偿单元5和逆变单元6，实现轴带发电机14的起励、恒压和恒频控制。

三个电压传感器9、10、11的作用是为励磁控制器8提供轴带发电机14的输出电压瞬时测量值，该传感器可选用霍尔传感器形式。

在图2中，励磁控制器8连接于操作面板7、AB相电压传感器9、CA相电压传感器10、BC相电压传感器11、编码器17、接触器2、直流补偿单元5和逆变单元6之间。其特点是：该励磁控制器8包括起励控制模块81、恒压控制模块82和恒频控制模块83。其中：

起励控制模块81的输入端与操作面板7的输出端相连，起励控制模块81的输出端和接触器2、直流补偿单元5、恒压控制模块82、恒频控制模块83的输入端相连；AB相电压传感器9、CA相电压传感器10、BC相电压传感器11的输出端和恒压控制模块82的输入端相连；编码器17的输出端和恒频控制模块83的输入端相连；恒压控制模块82、恒频控制模块83的输出端和逆变单元6的输入端相连。

起励控制模块81的作用是实现轴带发电机14的起励过程，当收到操作面板的启动信号后，起励控制模块81首先要断开接触器2，同时控制直流补偿单元为直流母线充电，然后通过恒压控制模块82和恒频控制模块83，控制逆变单元6逐步提高励磁电压，使轴带发电机14的功率绕组15输出电压达到稳定的400V，此时起励控制模块81闭合接触器2，轴带发电机14可以给船舶电站12供电。在起励过程中，直流补偿单元5的输出电压高于整流回馈单元4的输出电压，励磁能量来自直流220V蓄电池13，当起励过程完成后，整流回馈单元4的输出电压高于直流补偿单元5的输出电压，直流补偿单元5不再输出电流，励磁能量来自轴带发电机14的功率绕组15。

恒压控制模块82的作用是保证轴带发电机14的功率绕组15输出电压稳定在额定值400V，瞬间波动小于正负10％。恒压控制模块通过比较三相电压传感器9、10、11的测量值和额定400V之间的差值，调整逆变单元6的输出电压幅值，来保持功率绕组15输出电压稳定。

恒频控制模块83的作用是保证轴带发电机14的功率绕组15输出频率稳定在额定值50Hz，频率偏差小于0.1Hz。恒频控制模块通过比较编码器17检测到的轴带发电机14实际转速和自然同步点转速的差值，调整逆变单元6的输出电压频率，来保持功率绕组15输出频率稳定。

在图3中，直流补偿单元5连接于直流220V蓄电池13、整流回馈单元4、逆变单元6和励磁控制器8之间。其特点是：该直流补偿单元5包括升压斩波电源51、电容储能模块52和充电控制模块53。其中：

升压斩波电源51的输入端连接到直流220V蓄电池13的输出端；电容储能模块52的输入端连接到升压斩波电源51的输出端；充电控制模块53的输入端与电容储能模块52的输出端、励磁控制器8的输出端相连；充电控制模块53的输出端与整流回馈单元4的输出端、逆变单元6的输入端相连。

升压斩波电源51的作用是把蓄电池组13的220V直流电，升压到可直接供逆变单元6工作的400V以上直流电。电容储能模块是为直流母线提供尖峰功率，当轴带发电机14的功率绕组15输出电压下降时，会导致直流母线电压下降，电容储能模块可迅速为直流母线提供能量，保持直流母线电压稳定。充电控制模块的作用是在轴带发电机14起励时避免产生对逆变单元6内部的电容直接充电导致的瞬时大电流。

Claims (3)

1.一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构，它连接于一个无刷双馈轴带发电机的功率绕组、控制绕组、旋转编码器、船舶电站、船舶220V蓄电池组之间，其特征在于：所述的船用无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构由接触器、升压变压器、整流回馈单元、直流补偿单元、逆变单元、操作面板、励磁控制器、AB相电压传感器、CA相电压传感器、BC相电压传感器组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于船用柴油机无刷双馈轴带发电机的励磁控制系统结构，其特征在于：所述接触器的输入端与轴带发电机的三相功率绕组相连，接触器的输出端与船舶电站相连；升压变压器的输入端与轴带发电机的三相功率绕组相连，升压变压器的输出端与整流回馈单元的交流输入端相连；整流回馈单元和逆变单元的直流输入端相连；直流补偿单元的输入端和直流220V蓄电池组相连，直流补偿单元的输出端和逆变单元的直流输入端相连；逆变单元的三相交流输出端和轴带发电机的控制绕组相连；励磁控制器的输入端连接操作面板、AB相电压传感器、CA相电压传感器、BC相电压传感器、轴带发电机的旋转编码器，励磁控制器的输出端连接接触器、直流补偿单元和逆变单元。

3.一种控制权利要求1所述船用柴油机无刷双馈轴带发电机励磁控制系统结构的方法，其特征在于：

1)起励方法：无刷双馈轴带发电机在船用柴油机轴带低速牵引下进行起励发电时，励磁控制器断开接触器，使得发电机功率绕组与电气负载断开，船上的直流220V蓄电池组经过直流补偿单元和逆变单元为发电机的控制绕组提供励磁电流，实现起励，当发电机空载输出电压稳定后，励磁控制器闭合接触器，接入电气负载，此时直流母线电压高于直流补偿单元的输出电压，直流补偿单元自动切除，此时励磁控制系统用轴带发电机所发出的电对轴带发电机进行励磁，起励过程完成；

2)恒频方法：励磁控制器根据旋转编码器对应的发电机转速，实时调节逆变单元的输出电压频率，使发电机输出交流电频率保持在50Hz，逆变单元的输出电压频率正比于发电机实际转速和自然同步点转速的差，当发电机转速高于自然同步点转速时，励磁控制器控制逆变单元输出正相序；当发电机转速低于自然同步点转速时，励磁控制器控制逆变单元输出反相序；当发电机转速在自然同步点转速时，为使发电机输出交流电频率保持在50Hz，逆变单元的输出频率应为0Hz，而这会给逆变单元带来较大的损耗，所以励磁控制器控制逆变单元输出1Hz，通过偏频减少逆变单元损耗；

3)恒压方法：励磁控制器根据电压传感器对应的发电机输出电压值和当前励磁电流频率，实时调节逆变单元的输出电压幅值，使发电机功率绕组的输出交流电有效值保持在400V；

4)欠压保护方法：当负载突加造成直流母线电压过低时，直流补偿单元的输出电压高于直流母线电压，直流补偿单元自动切入，使逆变单元保持正常工作状态，同时，励磁控制器控制逆变单元提高输出电压幅值，使发电机输出电压升高到正常设定值，此时直流母线电压也相应升高，当直流母线电压高于直流补偿单元的输出电压时，直流补偿单元自动切除；

5)过压保护方法：当船用柴油机轴带高速牵引无刷双馈轴带发电机，直流母线电压值高于整流回馈单元的回馈开启电压值时，整流回馈单元自动将直流母线电容储存剩余能量释放回馈给无刷双馈轴带发电机输出端，使直流母线电压不会过高以至于逆变单元不能正常工作。

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