一种交流发电机调压装置及方法与流程

本发明涉及交流电机电压控制技术领域，尤其适用于一种全自动无刷、有刷交流发电机调压装置及方法。

背景技术：
电力发电机组作为一种电力电源被广泛应用工厂、矿山、商场、医院、大厦、野外作业、轮船等，电力发电机组以发动机为动力带动同步发电机(即电球)发电，把动能转化为电能的一种设备。电压调节器装置是发电机的重要部分，它对保证供电质量具有关键作用。目前，国内交流发电机所配套使用的电压调节器均使用模拟的控制方式实现，其采用电压平均值检测方法，即检测交流电压波形的峰峰值，当电压波形发生畸变时，峰峰值电压不能真实反映电压波形变化的曲线和电压波形面积有效电压值。所以模拟调压器会发生检测不准确，导致发电机输出电压控制不准确；另其起励性能差、存在温漂现象、其对电路工艺要求高、调试不方便、保护功能少等缺点；另外，随着科学技术的发展，大量非线性负载出现(比如LED灯、USP电源、变频设备等)，模拟的控制方法更难以满足负载对交流发电机输出电压要求平稳的要求。而国外有厂家开发了模拟+数字的混合型的电压控制器，稳态负载情况下其性能相对优于国内生产模拟方式的电压调节器，但是在发电机突加减载时模拟控制部份起快速反应，所以在波形畸变严重时仍会出现电压检测不准确，另其技术控制复杂、价格昂贵、体积大、励磁方式必须是它励方式发电机，而且工作电源需用永磁发电机供电。如外国专利公开号CN102150357A，发明名称为调节交流发电机的激励的方法和装置，一种混合式电压调节控制交流发电机产生的交流电的三个相位的电压。数字电压调节器为每个相位产生RMS电压的平均值，并根据交流电的电压与频率比率产生误差值。RMS电压平均命令进行修改。被修改的电压命令由对交流发电机输出电压进行整流的模拟电压调节器处理，该输出电压然后在一段时间内被用来修改电压命令，以产生调节电压命令，该调节电压命令决定了被应用来激励交流发电机的电流电平。这样降低了该电压调节器的起励能性能，而且控制速度一般，抗干扰性能不强。

技术实现要素：
本发明为了解决上述问题提供了一种响应速度快、控制准确、控制结构简单，起励性能好、抗干扰能力强的交流发电机调压装置及方法。为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种交流发电机调压装置，包括数字电压调节器和交流发电机，所述数字电压调节器连接有交流发电机，所述交流发电机包括励磁机构和定子线圈，所述励磁机构还包括励磁线圈、电枢线圈、整流电路和主励磁线圈，所述数字电压调节器还包括开关电源、微处理器、滤波电路和过流检测电路，所述微处理器又连接有USB端口、CAN总线、显示窗口和键盘输入，所述数字电压调节器还包括PWM信号隔离电路、自动激励电路和IGBT功率放大管，所述滤波电路分别并联连接到自动激励电路、IGBT功率放大管和开关电源，所述微处理器还连接有微调端口和调差端口。所述的调差端口可以让用户外接电流互感能够轻松实现无功自动分配功能，实现两台或两台以上的发电机并联运行调节和并网运行；所述的调压端口可以通过软件设置外接开关量和电位器(可调电阻)的方式对交流发电机输出电压进行微调控制；所述的USB端口可以用于与PC机通讯(PC机指个人电脑)，使用设置软件通过PC机设定交流发电机输出的电压、频率拐点、低频斜度、启动限压、升压时间、过压保护、过励磁电流保护、瞬态过励磁电流、电压下垂、电流CT变比、PID值、开机液晶屏显示LOGO更改等,方便用户现场根据实际需求对参数进行修改，也方便OEM厂商更改自主的品牌LOGO信息；所述CAN总线是用户外接模块通过此端口可实现远程的通讯读取参数或控制交流发电机的输出电压。为了得到发电机的输出电压量，所述微处理器连接有电压隔离转换电路，所述电压隔离转换电路通过电源连接线连接有三相交流输出电压。所述的电压隔离转换电路将三相电压相位通过大阻值电阻降压和运算放大器，使得微处理器与交流发电机输出的高电压相当处于隔离状态，来保证控制元器件的安全。为了有效的保证微处理器的可靠性能，所述微处理器连接到PWM信号隔离电路，所述PWM信号隔离电路连接到放大电路，所述放大电路连到IGBT功率放大管，这样使得低压控制信号与被控的高压信号完全隔离。为了提高微处理器的处理速度及计算出精准的数据，所述微处理器采用高精度模数转换的高速单片机，所述微处理器将三相交流电压、频率模拟信号转换为数字三相电压、频率数据，并通过软件方式精确计算出三相电压实时真有效值,所述的三相电压实时真有效值能真实反映电压波形面积有效电压值，再结合数字PID计算各项所需的电参数，并完成对各参数进行处理和控制。而且微处理器内置固态储存工具，能够储存相关数据。此种储存工具在突然断电情况下能够正常保存用户数据，重新供电后，自动恢复原先设定参数。为了能够自动建立一个稳定的激励电源，所述自动激励电路包括功率放大电路和稳压电路，所述自动激励电路能在交流发电机剩磁电压极低的情况下建立数字电压调节器所需的启动电源。同时，满足多种类型交流发电机的使用。为了方便对整流器供电，所述滤波电路连接有整流器，所述整流器通过电源连接线到定子线圈。一种交流发电机调压方法，包括电压控制方式和自动激励方法，其步骤如下：a.通过检测三相交流电压实时真有效值的平均值和设定的数字电压命令进行比较产并产生数字电压误差值，数字电压误差值通过数学算法和数字PID算法产生数字电压调整命令；所述数字电压调整命令量化为脉冲宽度调制PWM信号并通过PWM信号隔离电路和IGBT功率放大管来控制交流发电机的励磁机构的磁场电流，交流发电机的输出交流电压响应于磁场电流的大小；b.通过自动激励电路与IGBT功率放大管并联控制交流发电机励磁电流，在交流发电机电压开始建压时，由自动激励电路的功率放大电路向交流发电机励磁线圈输入电流；c.在初步电压建立后，由自动激励电路的稳压电路进行限压控制，开关电源向微处理器提供所需的工作电源，微处理器开始工作，数字电压调整命令控制IGBT功率放大管，交流发电机的输出电压将上升到所指定的电压；当交流发电机的输出电压(即定子线圈向数字电压调节器提供的电源电压)超过稳压电路限定值时，自动激励电路退出工作；所述数字电压命令来源于设定的期望电压值、微调端口输入的信号、调差端口输入的信号；所述期望电压值是通过键盘输入方式输入或采用USB端口通讯方式通过设置软件输入所得；所述微调端口输入信号是来改变数字电压命令的其中一个信号，通过微处理器A/D端口，将微调端口输入的直流电压信号或脉冲信号转换成数字信号来改变数字电压命令；所述调差端口输入的信号是来改变数字电压命令的其中一个信号,通过微处理器A/D端口，将微调端口输入的交流电流信号转换成数字信号来改变数字电压命令。为了进一步方便数字电压调节器进行参数设置，所述采用USB端口通讯方式通过设置软件可对数字电压调节器进行系统参数设置，并利用PC主机的USB端口向数字电压调节器提供5V的工作电源，即数字电压调节器在没有工作的时候，用PC机也能对其进行读取和设定参数。本发明的有效果是：采用高精度模数转换的高速单片机作为核心器件，通过对交流发电机三相电压相位检测采用实时真有效值的算法、结合全数字PID算法方式进行设计的数字电压调节器，其适合多种不同电源输入和不同功率的发电机，而且设有发电机过电压报警、励磁线圈过流、检测线断路保护等功能。同时，具有控制准确、响应速度快、起励性能好、抗干扰能力强、使用安全、操作方便、调节精度高和输出电压稳定。附图说明图1为本发明所述的交流发电机调压装置的电路连接图；图2为本发明所述的自动激励电路的电路图；图3为本发明所述的微处理器的结构示意图；图4为本发明所述的交流发电机加载或减载的真实电压波形图。图5为本发明所述的整个装置的结构示意图。图中：1-数字电压调节器、101-电压隔离转换电路、102-显示窗口、103-PWM信号隔离电路、104-放大电路、105-IGBT功率放大管、106-过流检测电路、107-自动激励电路、1071-功率放大电路、1072-稳压电路、108-开关电源、109-滤波电路、110-整流器、111-微处理器、1111-三相电压相位真有效值数字电压检测器、1112-比例积分微分(PID)控制数字电路、112-键盘输入、113-USB端口、114-CAN总线、115-微调端口、116-调差端口、2-交流发电机、21-励磁机构、211-转子主轴、212-励磁线圈、213-转子、214-电枢线圈、215-整流电路、216-主励磁线圈、22-定子线圈、3-电源连接线、АВС-三相交流输出电压、4-发动机。具体实施方式下面结合附图对本发明所述的交流发电机调压装置作进一步详细说明：如图1、2、3、4、5所示：本发明所述的一种交流发电机调压装置，包括数字电压调节器1和交流发电机2，所述的数字电压调节器1连接有交流发电机2，所述的交流发电机2包括励磁机构21和定子线圈22，所述的励磁机构21还包括励磁线圈212、电枢线圈214、整流电路215和主励磁线圈216，所述的数字电压调节器1包括开关电源108、微处理器111、滤波电路109和过流检测电路106。所述的滤波电路109连接有整流器110，而且整流器110通过电源连接线3连接定子线圈22其中两相的中间抽头。为了得到交流发电机2的输出电压量，所述的微处理器111连接有电压隔离转换电路101，所述的电压隔离转换电路101通过电源连接线3连接有三相交流输出电压АВС。而且电压隔离转换电路101将三相电压通过大阻值电阻降压和运算放大器，使得微处理器111与交流发电机2输出的高电压相当处于隔离状态，从而也保证控制元器件的安全。而且微处理器111连接到PWM信号隔离电路103，同时，PWM信号隔离电路103连接到放大电路104，且放大电路104连到IGBT功率放大管105，这样使得低压控制信号与被控的高压信号完全隔离，提高微处理器111可靠性。所述的微处理器111采用的是高精度模数转换的高速单片机，所述微处理器将三相交流电压相位、频率模拟信号转换为数字三相电压、频率数据，并通过软件方式精确计算出三相电压实时真有效值，结合全数字PID计算各项所需的电参数，并完成对各参数进行处理和控制。同时，微处理器111又连接有USB端口113、CAN总线114、显示窗口102和键盘输入112。所述的数字电压调节器1还包括PWM信号隔离电路103、自动激励电路107和IGBT功率放大管105，同时，滤波电路109分别并联连接到自动激励电路107、IGBT功率放大管105和开关电源108。所述的自动激励电路107包括功率放大电路1071和稳压电路1072，同时，自动激励电路107在交流发电机2剩磁电压极低的情况下建立数字电压调节器1所需的启动电源。同时，满足多种类型交流发电机2的使用。所述的微处理器111还连接有微调端口115和调差端口116。所述的调差端口116可以让用户外接电流互感能够轻松实现无功自动分配功能，实现两台或两台以上的发电机并联运行调节和并网运行；所述的微调端口115可以通过软件设置外接开关量和电位器(可调电阻)的方式对交流发电机2输出电压进行微调控制；所述的USB端口113可以用于与PC机通讯(PC机指个人电脑)，使用设置软件通过PC机设定交流发电机2输出的电压、频率拐点、低频斜度、启动限压、升压时间、过压保护、过励磁电流保护、瞬态过励磁电流、电压下垂、电流CT变比、PID值、开机LOGO更改等,方便用户现场根据实际需求对参数进行修改，也方便OEM厂商更改自主的品牌LOGO信息；所述CAN总线114是用户外接模块通过此端口可实现远程的通讯读取或控制交流发电机2的输出参数。一种交流发电机调压方法，包括电压控制方式和自动激励方法，其步骤如下：a.通过检测三相交流电压实时真有效值的平均值和设定的数字电压命令进行比较产并产生数字电压误差值，数字电压误差值通过数学算法和数字PID算法产生数字电压调整命令；所述的数字电压调整命令量化为脉冲宽度调制PWM信号并通过PWM信号隔离电路103和IGBT功率放大管105来控制交流发电机2的励磁机构21的磁场电流，交流发电机2的输出交流电压响应于磁场电流的大小；b.通过自动激励电路107与IGBT功率放大管105并联控制交流发电机2励磁线圈212的电流，在交流发电机2电压开始建压时，由自动激励电路107向交流发电机2励磁线圈212输入电流；c.在初步电压建立后，由自动激励电路107的稳压电路1072进行限压控制，开关电源108向微处理器111提供所需的工作电源，微处理器111开始工作，数字电压调整命令控制IGBT功率放大管105，交流发电机2的输出电压将上升到所指定的电压；当交流发电机2的输出电压(即定子绕圈22向数字电压调节器1提供的电源电压)超过稳压电路限定值时，自动激励电路107退出工作；为了方便数字电压调节器1进行参数设置，所述的电压调整命令来源于设定的期望电压值、微调端口115输入的信号、调差端口116输入的信号；所述的期望电压值是通过键盘输入112方式输入或采用USB端口113通讯方式通过设置软件输入所得；所述的微调端口115输入信号是来改变数字电压命令的其中一个信号，通过微处理器111A/D端口，将微调端口115输入的直流电压信号或脉冲信号转换成数字信号来改变数字电压命令；所述的调差端口116输入发电机输出的电流信号是来改变数字电压命令的其中一个信号,通过微处理器111A/D端口，将微调端口115输入的交流电流信号转换成数字信号来改变数字电压命令。为了进一步方便数字电压调节器1进行参数设置，所述采用USB端口113通讯方式通过设置软件可对数字电压调节器1进行系统参数设置，并利用PC主机的USB端口向数字电压调节器1提供5V的工作电源，即数字电压调节器1在没有工作的时候，用PC机也能对其进行读取和设定参数。当发动机4带动转子213主轴211转动时，在交流发电机2输出产生的剩磁电压经整流电路215后变成直流电源经过滤波电路109后分成三路，第一路传输给开关电源108、第二路传输给IGBT功率放大管105,由于剩磁电压极低，开关电源电路108无法启动，微处理器111不能进入初化，因此，IGBT功率放大管105处于关断状态，其暂时不能向励磁机构21的励磁线圈212提供电流。同时，第三路传送给自动激励电路107。此时，Q6为导通状态，Q6发射极电约等于其集电极电压(相差0.7V左右)Q6集电极与R5、R6、R7相连，Q6集电极的电压极低，稳压Z1处于反限压状态，Q7处于关断状态，在Q7的集电极产生一个同Q6发射极同等电位的触发电压VSS，触发电压VSS连接到Q2基极，只要Q2基极电压超过2.1V(每个晶体三极管的触发导压降约为0.7V)时，大功率三极管Q4导通，则剩磁电压产生的直流电流流入励磁机构21的励磁线圈212，交流发电机2输出端电压即随着增大，整流器110后的直流电压也随着增大；当直流电压增大到24V左右时，稳压管Z1开始工作，Q7导通，VSS触发电压拉为零电位，Q2、Q3、Q4被关断，则流入交流发电机2中的励磁线圈212电流被关断，交流发电机2输出电压开始降低，整流器110后的直流电压也随着降低，当降到低于24V时，稳压Z1又处于反限压状态，Q6处于又关断状态VSS电压升高又开始触发Q2、Q3、Q4三极管导通，如此循环工作，即交流发电机2输出会被控制在一个稳定的电压值，并且此稳定的电压值经整流器110和滤波电路109后足以激发开关电源108工作。开关电源108激发成功后将向数字电压调节器1提供系统工作电源，微处理器111将进入初始化；当初始化完成后，比例积分微分(PID)控制数字电路1112进行PID运算和控制输出PWM信号，PWM信号经过PWM信号隔离电路103和放大电路104后，驱动IGBT功率放大管105，同时，IGBT功率放大管105开始工作，并且控制其向励磁机构21的励磁线圈212流入电流，同时，交流发电机2的输出端电压将随着升高至期望电压值。R2与稳压管Z4串接在一起，R3与三极管Q5的基极连接在一起，Q5的发射极与三极管Q6的基极连接在一起与线R4接直流电压的负极(地)，在直流电压上升到47V时，稳压管Z2开始工作，Q5导通，Q6关断,稳压电路1072和大功率三极管Q4被关断，交流发电机2的励磁机构21的磁场强度由微处理器111来控制IGBT功率放大管105来实现，同时，R5电阻的作用是防止稳压电路被关断后触发电压VSS悬浮而触发Q2、Q3、Q4工作。如图4所示：交流发电机2带负载后其电压波形并非理想的正弦波，在加载或减载中会出现波形畸变，尤其是在非线性负载加减载时波形畸变会更加明显，波形畸变在任意时刻都可能发生，而且加、减载时它的周期也会生瞬时相应的变化。