CN104079064B - 一种自备电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自备电源系统，包括柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、自备电源分系统控制器和电网充电器，所述柴油机中频发电机组输出端连接高压储能发电机，所述高压储能发电机输出端连接高压充电器，所述高压充电器输出端连接电力电子变换器，所述电力电子变换器输出端连接电网充电器，所述柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、电网充电器分别于自备电源分系统控制器相连接，自备电源系统由机组供电或者由电网供电。本发明体积小、重量小、信号可靠，能满足电源系统要求。

Description

一种自备电源系统

技术领域

本发明涉及一种供电用电源系统，具体涉及一种自备电源系统。

背景技术

电源系统要为的灯泵钕玻璃主激光器提供一个高达80kJ量级的泵浦能量；同时又要10Hz重频工作，这就要求电源系统几分种内储存90个脉冲所需的能量，并可在几十秒的时间内提供2-3MW峰值功率，以满足脉冲串工作方式的需求。

这样，利用传统的供电及储能方式，如：发动机+发电机供电及分子电容器储能等方式，带来的问题是，体积重量太大，不能满足电源系统的要求。

用高速旋转的大质量、大尺寸的旋转体来完成储能的机械储能器方案，即高压储能发电机方案。其基本方式是：

a、利用激光工作的周期性，在激光不发射时，提升电机转子的转动速度；而转子是个大质量、大尺寸的具有很大转动惯量的旋转体(机械储能器)，随着转速的提高，就存储了很大的动能，即靠高速旋转实现了惯性储能；

b、在激光发射时，所需功率＞发动机能提供的稳定功率，高速转子的速度就不能维持了；高速转子储存的旋转动能就下降，而下降的动能刚好能弥补发动机功率的不足；也就是说：靠高速转子储存的旋转动能(12000-8000转)的释放+发动机提供的稳定功率来维持激光器一个发射周期所需的功率，从而实现以较小功率的发动机来实现了系统高峰值功率的需求；

c、周而复始，在激光不发射时，电机转子的转动速度又得到提升； 在激光发射时，高速转子储存的旋转动能又得以释放，这样有效地解决了储能带来的体积重量的问题。

但带来的问题是：因为转动部分的惯量太大，发动机无法直接带动高压电机。这样大的静止状态下的转动惯量会把发动机闷熄火，也就是说发动机根本转不起来，所以如何驱动高压电机是非常关键的。此外，大惯量转子的高速旋转，大惯量转子带来的动平衡问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种体积小、重量小能满足电源系统要求的自备电源系统。

为实现上述目的，本发明设计的自备电源系统，包括柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、自备电源分系统控制器和电网充电器，所述柴油机中频发电机组输出端连接高压储能发电机，所述高压储能发电机输出端连接高压充电器，所述高压充电器输出端连接电力电子变换器，所述电力电子变换器输出端连接电网充电器，所述柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、电网充电器分别于自备电源分系统控制器相连接，自备电源系统由机组供电或者由电网供电。

在上述技术方案中，所述柴油机中频发电机组包括中频发电机主体和励磁模块，所述励磁模块包括带电网滤波的整流器，所述带电网滤波的整流器的输入端与所述中频发电机主体的输出端连接，所述带电网滤波的整流器的输出端连接高频逆变器的输入端，所述高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，所述高频变压器的二次侧绕组连接第二整流器的输入端，所述第二整流器的输出端连接所述中频发电机主体的励磁绕组，所述第二整流器的输出端还连接有控制器，所述控制器的输入端接收控制指令和电流指令，所述控制器输出端连接所述高频逆变器。

在上述技术方案中，所述拖动电动机高压储能发电机包括高压储能发电机主体和高压储能发电机励磁装置，该励磁装置为带高频变压器隔离的AC-DC-AC-DC变换装置，包括带电网滤波的不控整流器，所述带电网滤波的不控整流器两端并联连接有滤波电容，所述带电网滤波的不控整流器的输出端连接有高频逆变器，所述高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，高频变压器的二次侧绕组连接有整流器，整流器的输出电流反馈至控制器，所述控制器将整流器的输出电流反馈值与设定的电流指令值比较，调节高频逆变器的脉冲宽度，实现电流的闭环控制，使输出电流跟随设定电流指令。

在上述技术方案中，所述高压充电器包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，所述高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；所述制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，所述三相不控整流桥与所述高压充电器主电路之间连接有真空继电器；所述励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，所述电流传感器用于检测励磁回路电流，所述励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；所述高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，所述高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当达到的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

在上述技术方案中，所述电力电子变换器包括AC/DC整流器，所述AC/DC整流器的输出端连接有DC/DC24V变换器，当所述AC/DC整流器的输入端连接中频发电机输出的三相220V交流电时，AC/DC整流器为AC/DC三相整流器，所述AC/DC三相整流器输出端还连接有DC/AC单相220V变换器和励磁装置；当所述AC/DC整流器的输入端连接中频发电机输出的三相四线380V交流电时，AC/DC整流器为AC/DC中的A相整流器，所述AC/DC三相整流器输出端还连接有AC-DC-AC-DC电网充电器。

在上述技术方案中，所述自备电源分系统控制器包括作为主处理器的DSP和作为协处理器的FPGA，所述DSP和FPGA之间通过地址总线和数据总线进行通信，所述DSP通过SPI串口通信端口外接EEPROM，所述DSP通过总线连接有外扩SRAM，所述DSP还设置有扩展端口和仿真接口，所述DSP分别通过总线及驱动连接有CAN1和CAN2，所述DSP连接有A/D检测模块和PWM，所述FPGA外接有拨码按钮、指示灯、发光二极管、激光电源、继电器驱动、液晶屏和键盘，所述FPGA通过总线与上位PC机进行I/O通信。

在上述技术方案中，所述电网充电器主要由高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒组成，其特征在于：所述高压充电器主电路包括不控整流和IGCT开关，发电机发出三相中频交流电经过三相不控整流得到纹波较小的直流，通过并联连接在中频交流电输出端的二极管D1、电容C1，以及电阻R1构成的DC-link阻容吸收电路环节防止内部过电压，所述二极管D1和电容C1串联，所述电阻R1的一端连接在二极管D1和电容C1之间的支路上，控制串联的IGCT的开通与关断给电容器C进行脉冲充电，每次脉冲储存在电容器C中的能量经放电负载释放完毕后再由电源变换电路重新充电至设定的电压。

本发明自备电源分系统可以在机组供电方式和电网供电方式下工作。在机组供电方式下，自备电源输出24VDC/2.5kW直流和单相220V/50Hz/10kW交流电源，提供整个车载系统工作的全部辅助电源。发射强激光前，自备电源的高压发电机(最高转速可达12000转/分)通过高压充电器为激光器电源的电容储能器充电，其最高充电电压5kV，最大充电功率约2.5MW，发射指令到达后，激光器电源即可为主激光器提供80KJ的泵浦能量，其工作频率为10Hz，单一工作循环最大充电脉冲个数90个。

在电网供电方式下，柴油机系统完全不工作，车载系统的全部电源均来自电网三相交流电源，其中一部分输出到电力电子变换器组，经变换后输出24VDC/1.5kW直流电源，提供整个车载系统工作的全部辅助电源，同时还供给电网充电器以实现对相同电容储能器组的充电，充电时间小于60s，此时电网电源的供电总容量约为50kW。在电网供电模式下，十管电源系统只能进行单脉冲激光发射。

本发明解决了机械传动、液压传动等设计系统所采用传动方式许多很难克服的问题，采用特种高压脉冲发电机国内首次研制成功高储能、大功率感应子特种高压脉冲发电机，并将其成功应用到激光自备电源系统，特别是其具有高储能、适应高转速的突出特点。

本发明还具有以下优点：

a、拖动用调速电机采用高速开关磁阻电动机，解决了高速、大功率、宽调速、速度变化率极大的恶劣工况下的拖动电机问题。

b、一体化真空封装的高速电动机-发电机机组，解决了高速发电机与拖动电动机不同轴、联轴器、风磨损耗大的这三个问题。同时能缩小机组的体积、重量。

c、充电回路各参数的一体化设计及优化，充电回路各参数含：电机电势（受电机转速、电机励磁影响）、电机瞬态放电内电抗、高压充电器特性、线路阻抗、负载（电容储能器）。一体化设计及优化解决了充电时间及充电波形达到重频充电的要求。

d、电机瞬态放电内电抗参数的分析及电机绕组的设计，提高了放电电流的幅值，解决了重频放电的时间要求问题。

e、高速、大惯量电机的机械设计及结构设计，解决了高速大惯量电机的轴承选用，高强度转子材料的选用及热处理，保证了高速的实现。

f、脉冲式励磁控制解决了电机励磁铁耗大、使整体效率低及电机温升过高的问题。

g、高速柴油发电机机组进一步缩小了自备电源体积。

h、充电电路拓扑结构采用半控整流桥，现采用半控整流桥直接接入，进一步缩小高压充电器体积、减轻重量。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明的柴油机中频发电机组结构框图；

图3为本发明的高压储能发电机结构框图；

图4为本发明的高压充电器结构框图；

图5为本发明的电力电子变换器结构框图；

图6为本发明的自备电源分系统控制器结构框图；

图7为本发明的电网充电器结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的自备电源系统，包括柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、自备电源分系统控制器和电网充电器，柴油机中频发电机组输出端连接高压储能发电机，高压储能发电机输出端连接高压充电器，高压充电器输出端连接电力电子变换器，电力电子变换器输出端连接电网充电器，柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、电网充电器分别于自备电源分系统控制器相连接，自备电源系统由机组供电或者由电网供电。

如图2所示，柴油机中频发电机组包括中频发电机主体和励磁模块，励磁模块包括带电网滤波的整流器，带电网滤波的整流器的输入端与中频发电机主体的输出端连接，带电网滤波的整流器的输出端连接高频逆变器的输入端，高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，高频变压器的二次侧绕组连接第二整流器的输入端，第二整流器的输出端连接中频发电机主体的励磁绕组，第二整流器的输出端还连接有控制器，控制器的输入端接收控制指令和电流指令，控制器输出端连接高频逆变器。

如图3所示，拖动电动机高压储能发电机包括高压储能发电机主体和高压储能发电机励磁装置，该励磁装置为带高频变压器隔离的AC-DC-AC-DC变换装置，包括带电网滤波的不控整流器，带电网滤波的不控整流器两端并联连接有滤波电容，带电网滤波的不控整流器的输出端连接有高频逆变器，高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，高频变压器的二次侧绕组连接有整流器，整流器的输出电流反馈至控制器，控制器将整流器的输出电流反馈值与设定的电流指令值比较，调节高频逆变器的脉冲宽度，实现电流的闭环控制，使输出电流跟随设定电流指令。

如图4所示，高压充电器包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，其输入端连接三相交流电，其输出端连接有负载电容；制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，三相不控整流桥与高压充电器主电路之间连接有真空继电器；励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，电流传感器用于检测励磁回路电流，励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当达到的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

如图5所示，电力电子变换器包括AC/DC整流器，AC/DC整流器的输出端连接有DC/DC24V变换器，当AC/DC整流器的输入端连接中频发电机输出的三相220V交流电时，AC/DC整流器为AC/DC三相整流器，AC/DC三相整流器输出端还连接有DC/AC单相220V变换器和励磁装置；当AC/DC整流器的输入端连接中频发电机输出的三相四线380V交流电时，AC/DC整流器为AC/DC中的A相整流器，AC/DC三相整流器输出端还连接有AC-DC-AC-DC电网充电器。

如图6所示，自备电源分系统控制器包括作为主处理器的DSP和作为协处理器的FPGA，DSP和FPGA之间通过地址总线和数据总线进行通信，DSP通过SPI串口通信端口外接EEPROM，DSP通过总线连接有外扩SRAM，DSP还设置有扩展端口和仿真接口，DSP分别通过总线及驱动连接有CAN1和CAN2，DSP连接有A/D检测模块和PWM，FPGA外接有拨码按钮、指示灯、发光二极管、激光电源、继电器驱动、液晶屏和键盘，FPGA通过总线与上位PC机进行I/O通信。

如图7所示，电网充电器主要由高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒组成，高压充电器主电路包括不控整流和IGCT开关，发电机发出三相中频交流电经过三相不控整流得到纹波较小的直流，通过并联连接在中频交流电输出端的二极管D1、电容C1，以及电阻R1构成的DC-link阻容吸收电路环节防止内部过电压，二极管D1和电容C1串联，电阻R1的一端连接在二极管D1和电容C1之间的支路上，控制串联的IGCT的开通与关断给电容器C进行脉冲充电，每次脉冲储存在电容器C中的能量经放电负载释放完毕后再由电源变换电路重新充电至设定的电压。

自备电源系统中既有高压大电流装置，又有低压小电流的控制装置，因此，在进行电磁兼容性设计时，采用高压与低压隔离的实际，即在控制中，均采用分层设计，高压电路在下层，控制电路在上层，同时两层之间以铁板隔离，使得强电的电磁干扰不影响到弱电的控制电路。如开关磁阻控制器中即采用分层形式，高压充电器考虑到高压大电流问题，将控制器与主电路相分离。

同时，充分的考虑布线设计与接地技术。机箱壳体尽量采用金属材料加工，并做好屏蔽设计，并且接大地。布线时考虑到易受干扰的线路尽量短，且远离大的干扰源。如开关磁阻控制器中的IGBT驱动线，走线一般选择最近路径。交流、直流强电都要经过滤波环节。

自备电源分系统控制器核心控制板设计通常采用四层板设计，将电源层、底层分离，增强整个控制板的抗干扰能力。控制信号采用24V传输，发送端与接收端均采用光耦隔离技术，防止外界干扰引入控制板。在信号的输入和输出端口都加有滤波电容，增强信号的可靠性。同时，为避免控制信号在长线传输时开关的电流尖峰干扰，在输出端都接有反并联的二极管，以吸收在开关过程中的续流电流，保证信号的可靠性。

Claims (6)

1.一种自备电源系统，其特征在于：包括柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、自备电源分系统控制器和电网充电器，所述柴油机中频发电机组输出端连接高压储能发电机，所述高压储能发电机输出端连接高压充电器，所述高压充电器输出端连接电力电子变换器，所述电力电子变换器输出端连接电网充电器，所述柴油机中频发电机组、高压储能发电机、高压充电器、电力电子变换器、电网充电器分别与自备电源分系统控制器相连接，自备电源系统由柴油机中频发电机组供电或者由电网供电；所述高压充电器包括高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒，所述高压充电器主电路包括半控整流桥和晶闸管组件，高压充电器输入端连接三相交流电，高压充电器输出端连接有负载电容；所述制动模块包括三相不控整流桥和IGBT，所述三相不控整流桥与所述高压充电器主电路之间连接有真空继电器；所述励磁控制模块包括励磁回路、电流传感器和短路触点，所述电流传感器用于检测励磁回路电流，所述励磁回路电流的输出端连接高压充电器控制盒；所述高压充电器控制盒包括高压充电器控制板、高压充电器本地操作板和控制板用电源，所述高压充电器控制板包括电源控制器和电流检测模块，电流检测模块检测励磁回路电流，并与设定的励磁电流相比较，当励磁回路电流达到设定的励磁电流时，向电源控制器发出励磁已建立信号，电流检测模块检测励磁回路电流判定励磁是否故障，若故障则接通短路触点，高电流检测模块检测高压充电器主电路，若发生晶闸管触发故障，则接通短路触点切断励磁回路；高压充电器本地操作板为人机接口，用于调节、控制、查阅高压充电器状态。

2.根据权利要求1所述的自备电源系统，其特征在于：所述柴油机中频发电机组包括中频发电机主体和励磁模块，所述励磁模块包括带电网滤波的整流器，所述带电网滤波的整流器的输入端与所述中频发电机主体的输出端连接，所述带电网滤波的整流器的输出端连接高频逆变器的输入端，所述高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，所述高频变压器的二次侧绕组连接第二整流器的输入端，所述第二整流器的输出端连接所述中频发电机主体的励磁绕组，所述第二整流器的输出端还连接有第一控制器，所述第一控制器输入端接收控制指令和电流指令，所述第一控制器输出端连接所述高频逆变器。

3.根据权利要求1所述的自备电源系统，其特征在于：所述高压储能发电机包括高压储能发电机主体和高压储能发电机励磁装置，该励磁装置为带高频变压器隔离的AC-DC-AC-DC变换装置，包括带电网滤波的不控整流器，所述带电网滤波的不控整流器两端并联连接有滤波电容，所述带电网滤波的不控整流器的输出端连接有高频逆变器，所述高频逆变器的输出端连接高频变压器的一次侧绕组，高频变压器的二次侧绕组连接有整流器，整流器的输出电流反馈至控第二控制器，所述第二控制器将整流器的输出电流反馈值与设定的电流指令值比较，调节高频逆变器的脉冲宽度，实现电流的闭环控制，使输出电流跟随设定电流指令。

4.根据权利要求1所述的自备电源系统，其特征在于：所述电力电子变换器包括AC/DC整流器，所述AC/DC整流器的输出端连接有DC/DC24V变换器，当所述AC/DC整流器的输入端连接柴油中频发电机组输出的三相220V交流电时，AC/DC整流器为AC/DC三相整流器，所述AC/DC三相整流器输出端还连接有DC/AC单相220V变换器和励磁装置；当所述AC/DC整流器的输入端连接柴油机中频发电机组输出的三相四线380V交流电时，AC/DC整流器为A相整流器，所述AC/DC三相整流器输出端还连接有AC-DC-AC-DC电网充电器。

5.根据权利要求1所述的自备电源系统，其特征在于：所述自备电源分系统控制器包括作为主处理器的DSP和作为协处理器的FPGA，所述DSP和FPGA之间通过地址总线和数据总线进行通信，所述DSP通过SPI串口通信端口外接EEPROM，所述DSP通过总线连接有外扩SRAM，所述DSP还设置有扩展端口和仿真接口，所述DSP通过总线及驱动后，分别连接CAN1和CAN2，所述DSP连接有A/D检测模块和PWM，所述FPGA外接有拨码按钮、指示灯、发光二极管、激光电源、继电器驱动、液晶屏和键盘，所述FPGA通过总线与上位PC机进行I/O通信。

6.根据权利要求1所述的自备电源系统，其特征在于：所述电网充电器主要由高压充电器主电路、制动模块、励磁控制模块和高压充电器控制盒组成，所述电网充电器的高压充电器主电路包括三相不控整流和IGCT开关，柴油中频发电机组发出三相中频交流电经过三相不控整流得到纹波较小的直流，通过并联连接在三相中频交流电输出端的二极管D1、电容C1，以及电阻R1构成的DC-link阻容吸收电路环节防止内部过电压，所述二极管D1和电容C1串联，所述电阻R1的一端连接在二极管D1和电容C1之间的支路上，控制串联的IGCT开关的开通与关断给电容器C进行脉冲充电，每次脉冲储存在电容器C中的能量经放电负载释放完毕后再由电源变换电路重新充电至设定的电压。