一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统及其控制方法，属于发电系统控制技术领域。

背景技术：

无刷直流发电系统在混合动力汽车车载发电系统中具有重要应用价值，传统汽车中的发电机通常采用爪极电机，需要电刷和滑环，可靠性较低，维护性差，爪极电机漏磁严重，效率低，无法满足混合动力汽车大容量、高品质用电需求。永磁同步电机发电系统中的永磁同步电机效率和功率密度高，但是其永磁体价格昂贵，制造成本高，且需外接可控整流单元，控制方法相对复杂。混合励磁电机给混合动力汽车车载发电系统提供了新的方案，仅需要调节励磁电流即可实现调压，系统结构与控制较为简单，而由于存在永磁体，相比于电励磁电机，功率密度和效率较高。授权发明专利zl200610166268.8公开了《汽车混合动力系统用的爪极电机》，在传统汽车爪极电机转子的两爪极之间增加永磁体，从而构成混合励磁爪极电机，增强了气隙磁密，提高了效率，然而转子漏磁严重的问题并没有得到有效解决。无刷直流发电系统也是先进飞机直流电源系统重要基础，目前大多数飞机无刷直流发电系统采用电磁式无刷同步电机，虽然实现了无刷化，气隙磁场调节容易，但是结构复杂，旋转整流管的存在降低了可靠性。混合励磁电机无刷直流发电系统具有功率密度高等优势，具备限制短路电流的优势，但是串联磁路与并联磁路的传统混合励磁电机由于永磁磁路与电励磁磁路具有耦合特性，导致调压性能不高。控制器与电机分离的结构导致交流传输线路电磁干扰大，控制器与电机均需要独立冷却系统，体积重量大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统及其控制方法，解决电励磁双凸极电机功率密度低、励磁源要引入独立的励磁机，永磁同步电机调磁困难、需要可控整流单元的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统，包括集成在同一壳体内的并列式混合励磁无刷直流发电机和发电机控制器；其中，所述并列式混合励磁无刷直流发电机包括第一整流滤波单元、转子同轴连接的永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分；所述发电机控制器包括励磁主电路、发电控制单元、励磁电流传感器、母线电流传感器、母线电压传感器、相电压传感器、主接触器，所述励磁主电路包括励磁继电器、第二整流滤波单元和斩波电路；

永磁同步电机部分的定子槽内嵌绕有第一电枢绕组、第二电枢绕组，电励磁双凸极电机部分的定子槽内嵌绕有电枢绕组、励磁绕组，第一电枢绕组的一端采用星形接法连接，另一端与电枢绕组的一端连接，电枢绕组的另一端与第一整流滤波单元的输入端连接，第一整流滤波单元的输出端与主接触器的输入端连接，第二电枢绕组的一端采用星形接法连接，另一端与励磁继电器的输入端连接，励磁继电器的输出端连接第二整流单元的输入端，第二整流单元的输出端连接斩波电路的输入端，斩波电路的输出端连接励磁绕组；励磁电流传感器、母线电流传感器、母线电压传感器、相电压传感器分别与发电控制单元连接，发电控制单元还与励磁继电器、斩波电路的控制端、主接触器连接。

作为本发明系统的一种优选方案，所述永磁同步电机的定子槽内绕制有第一电枢绕组、第二电枢绕组，具体绕制方式有两种：第一种，永磁同步电机的每个定子槽都分为槽顶区和槽底区，第一电枢绕组绕制在每个定子槽的槽顶区，第二电枢绕组绕制在每个定子槽的槽底区；第二种，永磁同步电机的定子槽在圆周方向分为主功率区和励磁区两个扇区，第一电枢绕组绕制在主功率区，第二电枢绕组绕制在励磁区。

作为本发明系统的一种优选方案，所述永磁同步电机的极对数与电励磁双凸极电机转子极数保持一致。

作为本发明系统的一种优选方案，所述永磁同步电机为转子永磁同步电机。

一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统的控制方法，通过主接触器与励磁继电器实现协调控制，系统接收到起动信号后，运行自检程序，当自检完成后，发电控制单元通过相电压传感器检测永磁同步电机第二电枢绕组相电压，根据该相电压得到并列式混合励磁无刷直流发电机转速，判断该转速是否在系统工作要求的转速范围内，当并列式混合励磁无刷直流发电机转速在系统工作要求的转速范围内，闭合励磁继电器，发电机控制器开始进行发电控制，当发电控制单元检测到母线电压在系统工作要求的电压范围内后，闭合主接触器，实时进行发电控制，此时系统正常运行；在系统正常运行的过程中，同时检测停机信号和进行系统预测保护，若系统接收到停机信号，则先切断主接触器，后切断励磁继电器；若系统未接收到停机信号，则继续进行发电控制；若系统预测保护动作，则先切断主接触器，后切断励磁继电器；若系统预测保护未动作，则实时进行系统预测保护。

作为本发明控制方法的一种优选方案，所述发电控制具体过程如下：

将母线电压给定值与发电控制单元检测到的母线电压反馈值的差值进行pi调节，生成励磁电流给定；检测并列式混合励磁无刷直流发电机工作转速和母线电流，工作转速与母线电流经过励磁电流-并列式混合励磁无刷直流发电机工作转速、母线电流关系环节，生成励磁电流前馈信号；将励磁电流给定、励磁电流前馈信号和发电控制单元检测到的励磁电流反馈值输入到比较环节，经过pi调节，生成控制斩波电路的占空比信号。

作为本发明控制方法的一种优选方案，所述系统预测保护具体过程如下：

将k时刻发电控制单元检测到的并列式混合励磁无刷直流发电机转速、励磁电流进行预测算法，求出在一个主接触器作动时间单元内电压的上升量，与该时刻发电控制单元检测到的母线电压求和，生成在一个主接触器作动时间单元后的k+1时刻，并列式混合励磁无刷直流发电机的母线电压预测值，若并列式混合励磁无刷直流发电机的母线电压预测值超过系统工作要求的电压范围上限，则系统在k时刻时提前进行保护动作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明永磁同步电机部分有两套电枢绕组，既作为并列式混合励磁无刷直流发电机主功率源使用，也作为励磁源使用，双绕组互相独立，结构紧凑且调节灵活。

2、本发明并列式混合励磁无刷直流发电机和发电机控制器集成在同一个壳体内，整流滤波单元利用电机机壳和端盖进行散热，省去了独立的散热器，提高了系统的功率密度。

3、本发明励磁功率来源于独立的一套电枢绕组，不提取发电系统的输出功率，提高了发电系统的效率和系统的响应速度。

4、本发明并列式混合励磁无刷直流发电机转速检测来源于永磁电机第二电枢绕组的相电压，转速检测不受励磁电流的影响，且不影响主电路的功率。

5、本发明预测电压保护有效防止由于接触器机械动作时间过长导致的母线电压超出系统正常工作的范围，损害用电设备。

附图说明

图1是本发明双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统的结构图。

图2是本发明双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统的截面示意图。

图3是本发明永磁同步电机结构示意图，其中，(a)为永磁同步电机部分定子每个槽均分为槽顶区和槽底区的方案，(b)为永磁同步电机部分定子槽在圆周方向分为主功率区和励磁区的方案。

图4是本发明电励磁双凸极电机结构示意图。

图5是本发明发电机控制器的控制原理图。

图6是本发明双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统的控制方法原理图。

其中，1—转轴，2—永磁体，3—永磁同步电机第一电枢绕组，4—电励磁双凸极电机电枢绕组，5—电励磁双凸极电机励磁绕组，6—永磁同步电机第二电枢绕组，7-1—永磁同步电机部分定子，7-2—电励磁双凸极电机部分定子，8-1—永磁同步电机部分转子，8-2—电励磁双凸极电机部分转子，9—壳体，10—轴承，11-1—前端盖，11-2—中端板，11-3—后端盖，12—第一整流滤波单元，13—主接触器，14—发电控制单元与励磁主电路，15—槽顶区，16—槽底区，17—励磁区，18—主功率区，19—槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统，包括并列式混合励磁无刷直流发电机和发电机控制器。所述并列式混合励磁无刷直流发电机，包括并列式混合励磁电机以及与并列式混合励磁电机三相电枢绕组交流输出端连接的第一整流滤波单元。所述并列式混合励磁电机，包括转子同轴连接的永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分。所述永磁同步电机部分定子上有两套电枢绕组，分别是永磁同步电机第一电枢绕组和永磁同步电机第二电枢绕组。所述电励磁双凸极电机部分定子上有两套绕组，分别是电励磁双凸极电机电枢绕组和电励磁双凸极电机励磁绕组。永磁同步电机第一电枢绕组的一端采用星形接法连接，永磁同步电机第一电枢绕组的输出端与电励磁双凸极电机电枢绕组的输入端连接，电励磁双凸极电机电枢绕组的输出端与第一整流滤波单元的输入端连接。永磁同步电机第二电枢绕组的一端采用星形接法连接，永磁同步电机第二电枢绕组的输出端与励磁继电器的输入端连接。励磁继电器的输出端与电励磁双凸极电机励磁绕组连接。所述发电机控制器包括：励磁主电路、发电控制单元、励磁电流传感器、母线电流传感器、母线电压传感器、永磁同步电机第二电枢绕组相电压传感器、主接触器。所述励磁主电路包括励磁继电器、第二整流滤波单元和斩波电路。励磁电流传感器的输入端接励磁绕组的输出，母线电流传感器、母线电压传感器的输入端均接第一整流滤波单元的输出，永磁同步电机第二电枢绕组相电压传感器的输入端接永磁同步电机第二电枢绕组的输出，励磁电流传感器、母线电流传感器、母线电压传感器和永磁同步电机第二电枢绕组相电压传感器的输出端，均分别与发电控制单元连接。发电控制单元分别与励磁主电路中的励磁继电器、斩波电路的控制端及主接触器连接，并对其进行控制。发电机控制器连接外部蓄电池，发电机控制器与外部数据总线相互通信。

其一个实施例的结构图如图1所示，永磁同步电机有永磁同步电机第一电枢绕组wa1和永磁同步电机第二电枢绕组wa2，永磁同步电机第一电枢绕组wa1和永磁同步电机第二电枢绕组wa2的一端均采用星形连接方法；电励磁双凸极电机，每个定子槽内均嵌绕电励磁双凸极电机励磁绕组wf和电励磁双凸极电机电枢绕组wa。永磁同步电机第一电枢绕组wa1的输出端与电励磁双凸极电机电枢绕组wa的输入端连接，电励磁双凸极电机电枢绕组wa的输出端连接由d1～d6和滤波电容c1组成的第一整流滤波单元，构成并列式混合励磁无刷直流发电机主功率电路部分，输出直流电；永磁同步电机第二电枢绕组wa2的输出端通过励磁主电路与电励磁双凸极电机励磁绕组wf连接，提供励磁绕组所需的励磁电流。如图1所示，励磁主电路包括励磁继电器、整流电路d7～d12、滤波电容c2，以及由功率开关管t1、t2、t3、t4和续流二极管d13、d14、d15、d16组成的斩波电路，斩波电路的输出端与电励磁双凸极电机励磁绕组wf的输入端连接。励磁电流传感器hif，母线电流传感器hidc，母线电压传感器hudc和永磁同步电机第二电枢绕组相电压传感器hu分别与发电控制单元连接。发电机控制器连接外部蓄电池，发电机控制器与外部数据总线相互通信。

本发明的并列式混合励磁无刷直流发电机和发电机控制器集成在一个电机壳体中，第一整流滤波单元和发电机控制器布置在端板上。本发明的并列式混合励磁电机可以在电励磁双凸极电机部分定子外圆均布三个槽19，永磁同步电机第二电枢绕组wa2的输出端分别从槽19中穿过，与端板上的励磁主电路的输入端连接。也可以在永磁同步电机部分定子外圆均布三个槽19，电励磁双凸极电机励磁绕组wf的输入端和输出端合并从槽中穿过，与端板上的励磁主电路的输出端连接。

其实施例的截面示意图如图2所示，并列式混合励磁无刷直流发电机和发电机控制器安装在同一壳体9内，并列式混合励磁电机与第一整流滤波单元12、主接触器13、发电控制单元与励磁主电路14之间有中端板11-2分隔。其中并列式混合励磁电机永磁同步电机部分和电励磁双凸极电机部分转子同轴连接，并列式混合励磁电机位于壳体9中的前端盖11-1与中端板11-2之间的空间。并列式混合励磁电机在电励磁双凸极电机部分定子7-2外圆均布三个槽19，永磁同步电机第二电枢绕组wa2的输出端分别从槽19中穿过，与后端盖11-3上的励磁主电路的输入端连接。第一整流滤波单元12、主接触器13、发电控制单元与励磁主电路14位于壳体9中的中端板11-2与后端盖11-3之间的空间，第一整流滤波单元12布置于中端板上，发电控制单元与励磁主电路14布置于后端盖上。

本发明的并列式混合励磁电机中包括永磁同步电机部分，永磁同步电机部分定子7-1上有两套电枢绕组，分别是永磁同步电机第一电枢绕组wa1和永磁同步电机第二电枢绕组wa2。永磁同步电机第一电枢绕组wa1提供并列式混合励磁无刷直流发电机主功率，永磁同步电机第二电枢绕组wa2提供电励磁双凸极电机的励磁功率，简化了系统结构。本发明的并列式混合励磁电机中永磁同步电机部分两套电枢绕组的区域划分，可以采用径向划分槽顶区15和槽底区16的方式，也可以采用在圆周划分励磁区17和主功率区18的方式。

图3的(a)为24槽20极永磁同步电机采用径向划分槽顶区15和槽底区16的方式放置永磁同步电机两套电枢绕组的示意图，其中槽顶区15放置永磁同步电机第一电枢绕组3，槽底区16放置永磁同步电机第二电枢绕组6；图3的(b)为24槽20极永磁同步电机采用圆周方向划分励磁区17和主功率区18的方式放置永磁同步电机两套电枢绕组的示意图，其中主功率区17放置永磁同步电机第一电枢绕组3，励磁区18放置永磁同步电机第二电枢绕组6。

图4为电励磁双凸极电机结构示意图，在圆周方向均布三个槽19，包括电励磁双凸极电机部分定子7-2和电励磁双凸极电机部分转子8-2，电励磁双凸极电机部分定子7-2上有电励磁双凸极电机电枢绕组4和电励磁双凸极电机励磁绕组5。

发电机控制器如图1所示，包括励磁主电路、发电控制单元、以及分别与发电控制单元中励磁电流检测调理单元连接的励磁电流传感器hif、与母线电流检测调理单元连接的母线电流传感器hidc、与母线电压检测调理单元连接的母线电压传感器hudc、与转速检测调理单元连接的永磁电机第二电枢绕组相电压传感器hu。励磁电流传感器hif设置于电励磁双凸极电机部分励磁绕组wf的一端，母线电流传感器hidc设置于并列式混合励磁无刷直流发电机的输出端，母线电压传感器hudc设置于并列式混合励磁无刷直流发电机的输出端，转速传感器设置于永磁电机第二电枢绕组的输出端。发电控制单元分别与励磁继电器、主接触器、斩波电路t1～t4的控制端连接，并对其进行控制。

发电机控制器的控制原理如图5所示，发电控制单元通过励磁电流检测调理单元、母线电流检测调理单元、母线电压检测调理单元和转速检测调理单元，得到励磁电流if、母线电流idc、母线电压udc和并列式混合励磁无刷直流发电机的转速n，根据这些信号发电控制单元输出pwm脉宽调制波，经过驱动隔离放大电路，控制励磁主电路中功率开关管t1～t4的通断，从而控制励磁电流if的大小；根据母线电压udc的信号，发电控制单元控制主接触器的通断，从而对直流母线上的负载起保护作用。

系统接收数据总线的起动信号，完成自检程序，发电控制单元通过检测永磁电机第二电枢绕组相电压，从而得到并列式混合励磁无刷直流发电机转速，等待并列式混合励磁无刷直流发电机转速达到系统工作要求的转速范围内，闭合励磁继电器，发电机控制器进行发电控制，发电控制单元检测到母线电压在系统工作要求的电压范围内后，闭合主接触器，实时进行发电控制，此时系统正常运行。

在系统正常运行的过程中，同时检测数据总线的停机信号和进行系统预测保护。若系统接收到数据总线的停机信号，则先切断主接触器，后切断励磁继电器；若系统未接收到数据总线的停机信号，则进行发电控制。若系统预测保护动作，则先切断主接触器，后切断励磁继电器；若系统预测保护未动作，则实时进行系统预测保护。

本发明的一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统采用励磁电流反馈、励磁电流前馈和母线电压限制相结合的调节控制方法，如图6所示，通过母线电压检测得到母线电压实际值udc，通过母线电流检测得到母线电流实际值idc，通过转速检测得到并列式混合励磁无刷直流发电机转速实际值n；并列式混合励磁无刷直流发电机转速实际值n与母线电流实际值idc经过励磁电流-并列式混合励磁无刷直流发电机工作转速、母线电流关系环节，生成励磁电流前馈信号if_ff。将母线电压给定值udcref与发电控制单元检测到的母线电压反馈值udc的差值进行pi调节，生成励磁电流给定ifref；将励磁电流给定ifref、励磁电流前馈信号if_ff和发电控制单元检测到的励磁电流值反馈if输入到比较环节，经过pi调节，生成控制斩波电路的占空比信号d。

本发明的一种双绕组混合励磁无刷直流集成发电系统采用预测母线电压保护的保护方法，将k时刻发电控制单元检测到的并列式混合励磁无刷直流发电机转速n、励磁电流if进行预测算法f(n,if)，求出在一个主接触器作动时间单元内电压的上升量δu＝f(n,if)，与该时刻发电控制单元检测到的母线电压u(k)求和，生成在一个主接触器作动时间单元后的k+1时刻，并列式混合励磁无刷直流发电机的母线电压预测值u(k+1)＝u(k)+δu，若并列式混合励磁无刷直流发电机的母线电压预测值u(k+1)超过系统工作要求的合理范围udcmax，则系统在这k时刻母线电压未超过系统工作要求的合理范围udcmax时提前进行保护动作。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。