CN103311918A - 基于变频油机的直流发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于变频油机的直流发电系统，包括蓄电池和直流母线，蓄电池连接到直流母线，还包括变频油机、中频直流永磁发电机、负载检测器和油机变频控制器；变频油机机械连接到中频直流永磁发电机，中频直流永磁发电机的直流输出端连接到直流母线，负载检测器的输入端连接到直流母线，负载检测器的输出端连接到油机变频控制器的输入端，油机变频控制器的输出端连接到变频油机的控制端。本系统通过调节变频油机的转速来调节发电机的输出电压，并最终达到调节蓄电池组充电电流及负载电流的目的。由于油机工作在变频状态，重载时高速转动，轻载时低速运行，可大幅提高系统效率，提高系统燃油消耗率，降低整体排放，达到绿色环保节能的目的。

Description

基于变频油机的直流发电系统

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体地讲是一种基于变频油机的直流发电系统。

背景技术

由于很多通信基站地处偏远，无市电供应，因而一般采用柴油发电机组供电。目前全球包括中东、北非、东南亚和我国西部地区有大约50万个基站采用柴油发电机组供电。这些采用传统技术的柴油发电机组的最大问题是能耗和排放较高，不符合现代节能减排的世界潮流。

传统柴油发电机组结构如图1所示，定频油机带动交流发电机输出交流电压后，经AC/DC功率整流模块变换为48V直流电压供电池充电及负载使用。由于电能经多次变换且油机定速工作，发电系统效率低、成本高，且系统可靠性低。

近来又有方案利用输出48V的励磁式直流低压发电机对蓄电池组直接充电来达到降低系统成本的效果，但此方案仍然使用传统的励磁式发电机，需要励磁绕组通过励磁电流产生励磁磁场。而励磁电流需消耗额外的励磁功率，这降低了发电机的效率，其发电效率一般低于85%。此外由于传统低频励磁发电机工作在工频50Hz，因而发电机的体积、重量较大。并且在这种方案中，系统定频工作，油机无法变频调速，因而系统油耗大，排放高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于变频油机的直流发电系统，以解决现有发电系统中，油机无法变频工作而效率低、油耗大、排放高的问题。

实现本发明的技术方案如下：一种基于变频油机的直流发电系统，包括蓄电池和直流母线，蓄电池连接到直流母线，还包括变频油机、中频直流永磁发电机、负载检测器和油机变频控制器；变频油机机械连接到中频直流永磁发电机，中频直流永磁发电机的直流输出端连接到直流母线，负载检测器的输入端连接到直流母线，负载检测器的输出端连接到油机变频控制器的输入端，油机变频控制器的输出端连接到变频油机的控制端。

中频直流永磁发电机包括中频永磁发电机和三相斩波电路；三相斩波电路包括三个桥臂的斩波电路和直流输出正极、直流输出负极，每个桥臂的斩波电路由一个交流输入端和第一晶闸管、第二晶闸管构成，第一晶闸管的阳极连接到交流输入端，第二晶闸管的阴极连接到交流输入端，第一晶闸管的阴极连接到所述直流输出正极，第二晶闸管的阳极连接到所述直流输出负极；所述中频永磁发电机的三条火线（A、B、C）分别连接到三相斩波电路的交流输入端（a、b、c），所述三相斩波电路的直流输出正极、直流输出负极构成所述中频直流永磁发电机的直流输出端。

油机变频控制器包括模拟量输入模块、单片机、模拟量输出模块和发动机转速控制器，模拟量输入模块和模拟量输出模块分别连接到所述单片机；模拟量输入模块的输入端构成所述油机变频控制器的输入端，模拟量输出模块的输出端连接到发动机转速控制器的输入端，发动机转速控制器的输出端构成所述油机变频控制器的输出端。

本技术方案中，变频油机指在工作中转速可变的汽油发动机或柴油发动机。变频油机的转速与其频率的关系为：n=60f。上式中，n为发动机的转速（转/分钟），每分钟60秒，f为发动机频率（赫兹）。

发电系统的工作模式如下：

1、变频油机带动中频直流永磁发电机输出直流电压直接给蓄电池组及负载供电。

2、当负载增大时，根据发电机的负载特性，其输出电压将下降。负载检测器检测到此电压下降后，反馈此负载状态给油机变频控制器，控制变频油机提高转速，增大输入功率，以提高发电机输出电压，并提供更大的充电电流给蓄电池组。

3、当负载降低时，基于相同的原理，发电机输出电压上升，负载检测器同样反馈此负载状态给油机变频控制器，控制变频油机降低转速，减少输入功率、同时降低直流电机输出电压，并减小充电电流。

4、变频油机在空载时工作在最低转速，满载时工作于最高转速。

本系统通过调节变频油机的转速来调节发电机的输出电压，并最终达到调节蓄电池组充电电流及负载电流的目的。由于油机工作在变频状态，即重载时高速转动，轻载时低速运行，故可大大提高系统效率，提高系统燃油消耗率，降低整体排放，达到绿色环保节能的目的。本系统采用48V直流中频永磁发电机，这种中频永磁发电机采用永磁励磁材料，不需励磁绕组, 不需消耗额外的励磁功率；永磁发电机不需联轴器、轴承、轴等部件，减少了磨损与损耗。因而本系统中使用的永磁发电机效率较传统励磁发电机高5%左右。由于发电机工作在中频400Hz左右，较传统50Hz励磁电机频率高，因而发电机体积小、重量同比减轻30%左右。本系统使用直流发电机，取消了传统的交流发电系统所需的AC/DC开关电源整流模块，将直流发电机电压直接供给电池组及负载，提高系统效率，降低了系统成本，同时更全面消除了原开关电源整流模块带来的高频噪声。本系统可广泛应用于通信基站、军用发电机组和移动灯塔等，可大幅降低燃油消耗、排放污染和维护费用，具备较高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是传统的交流定频发电机组的结构示意图。

图2是直流变频发电系统的结构示意图。

图3是中频永磁直流发电机的电原理图。

图4是油机变频控制器的结构示意图。

图5是直流发电机在负载变化下的输出电压特性曲线。

图6是直流发电机在转速变化下的输出电压特性曲线。

具体实施方式

如图2所示，变频油机通过轴承或连接盘与中频永磁直流发电机机械连接；油机转动后通过机械力带动发电机转动；因而油机将燃料转化为动能并传至发电机。发电机根据法拉第电磁感应原理在转动中切割磁力线，产生电压电流，其功能为转化动能为电能。发电机的出线端子和蓄电池组的正负极电气相连，对蓄电池组充电。油机变频控制器的输入信号为表示负载电压和负载电流的电压检测信号。检测负载电流方法是：在负载端加入霍尔传感器，霍尔传感器可以检测负载电流信号并感应出一个比例变换的电压信号，将此电压信号反馈即可检测负载电流大小；而负载电压大小则可通过电阻分压直接检测。油机变频控制器的输出信号为电压信号，和变频油机的油门控制相连，通过改变输出电压信号大小改变变频油机的油门大小，以改变变频油机的燃油量多少，从而改变油机的转速。

如图3，中频直流永磁发电机包含中频永磁发电机和三相斩波电路，可直接输出直流电压。通常在直流发电机中都含有50Hz的低频电压纹波，这种低频的电压纹波需大容量的电容等储能器件，或后接DC/DC开关电源方可消除。而本方案的发电机工作在中频400Hz，因而可以大大降低电压纹波，减少滤波电容的使用。三相斩波电路通常工作在全通状态下，相当于三相全桥整流电路，不产生任何开关噪音；当负载突降，发电机输出电压上升并超过限定电压时，斩波电路工作缩小每相的导通时间，因此可迅速降低输出电压至额定值。蓄电池组具有对中频电压纹波天然的抑制作用，消除此中频电压纹波，输出平滑的直流电压。同时由于铅酸蓄电池组在充电时中频的脉动电压和电流有益于电池充电效率和提高电池寿命，采用直流发电机和蓄电池的组合有利于系统的工作。

油机变频控制器如图4所示，其工作过程是：当检测到传感器信号输入的烟雾、水侵、电池温度、环境温度、环境湿度等信号后，可通过RS485总线或TCP/IP口与外部监控PC通信以反馈现场状态。油机变频控制器通过负载检测器得到负载检测信号（发电机电压电流，电池电压电流信号等）后，将此检测信号输入单片机处理。单片机由此负载检测信号对比发动机的功率曲线，计算得出发动机应该运行的转速，将此转速信号输出至发动机转速控制器，供其调节发动机转速。例如：假设变频油机在转速为1500rpm时额定输出功率6KW，3000rpm下额定输出功率12KW。对于48V的直流负载，当负载电流为100A时，负载功率为4.8KW，假设系统效率为80%，则需要4.8KW/80%=6KW的输入功率；同样负载电流为200A时，负载功率为9.6KW，假设系统效率为80%，则需要9.6KW/80%=12KW的输入功率。当单片机检测到负载电流为100A（48V）时，通过计算发现此时发动机的输出功率至少为6KW，油机对应转速为1500rpm，就输出相应电压信号通知油机变频控制器将油机转速调整为1500rpm。同样当负载电流增大到200A（48V）时单片机计算得到此时所需发动机转速为3000rpm，故输出相应电压信号通知油机变频控制器将油机转速调整为3000rpm。其中，发动机转速控制器选用上海允一电控的ESC9800转速控制器。为保证必要的节油、节能效果，可以设置发动机空载转速到满载转速的变速范围为20%，如图5所示；同时为匹配此变频范围，通过对发电机的优化设计及合理选择永磁磁性材料，设置发电机空载到满载的电压降也为20%左右，如图6所示。

Claims (6)

1.一种基于变频油机的直流发电系统，包括蓄电池和直流母线，蓄电池连接到直流母线，其特征在于，还包括变频油机、中频直流永磁发电机、负载检测器和油机变频控制器；变频油机机械连接到中频直流永磁发电机，中频直流永磁发电机的直流输出端连接到直流母线，负载检测器的输入端连接到直流母线，负载检测器的输出端连接到油机变频控制器的输入端，油机变频控制器的输出端连接到变频油机的控制端。

2.根据权利要求1所述的基于变频油机的直流发电系统，其特征在于，所述中频直流永磁发电机包括中频永磁发电机和三相斩波电路；三相斩波电路包括三个桥臂的斩波电路和直流输出正极、直流输出负极，每个桥臂的斩波电路由一个交流输入端和第一晶闸管、第二晶闸管构成，第一晶闸管的阳极连接到交流输入端，第二晶闸管的阴极连接到交流输入端，第一晶闸管的阴极连接到所述直流输出正极，第二晶闸管的阳极连接到所述直流输出负极；所述中频永磁发电机的三条火线（A、B、C）分别连接到三相斩波电路的交流输入端（a、b、c），所述三相斩波电路的直流输出正极、直流输出负极构成所述中频直流永磁发电机的直流输出端。

3.根据权利要求1所述的基于变频油机的直流发电系统，其特征在于，所述油机变频控制器包括模拟量输入模块、单片机、模拟量输出模块和发动机转速控制器，模拟量输入模块和模拟量输出模块分别连接到所述单片机；模拟量输入模块的输入端构成所述油机变频控制器的输入端，模拟量输出模块的输出端连接到发动机转速控制器的输入端，发动机转速控制器的输出端构成所述油机变频控制器的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于变频油机的直流发电系统，其特征在于，所述发动机转速控制器的型号为ESC9800。

5.根据权利要求1至4所述的任意一种基于变频油机的直流发电系统，其特征在于，所述变频油机为变频汽油发动机。

6.根据权利要求1至4所述的任意一种基于变频油机的直流发电系统，其特征在于，所述变频油机为变频柴油发动机。

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