一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置及方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置及方法。

背景技术：

野外作业时需要使用的移动电源或消防、应急救援、军用车载发电机，大量使用小型单相发电机为装备供电，目前的发展趋势是容量不断增大。现有电励磁单相发电机，容量大，性能好，但电励磁电机需要电励磁机构，增加了设备负担，而且效率不高。相比较，转子采用永磁体材料不仅能大大缩小机体，减轻质量，还能去除繁杂的电励磁机构，更省去了励磁损耗，同时，永磁材料的使用还可以增大气隙磁密，提高电机效率，因此中小功率的单相永磁同步发电机得到越来越多的应用。

但是，传统单相定子绕组的同步发电机本质上存在严重缺陷。发电机定子的单相绕组流过单相交流电流时产生的电枢反应磁动势为脉振磁动势，该脉振磁动势可以分解为正向旋转的正序磁动势和反向旋转的负序磁动势，其中负序磁场和转子的相对运动速度为两倍的同步速，会在转子励磁绕组或铁芯上产生两倍基频交变的电动势和电流，从而使转子产生脉振的磁场，转子脉振的磁场在定子绕组中产生一系列奇次谐波电动势和电流，使发电机负载输出电压正弦波形发生畸变。而且，负序气隙旋转磁场会和正向旋转的转子磁场相互作用产生两倍基频的交变电磁转矩，使电机产生振动和噪声，甚至影响发电机的安全稳定工作；另外负序磁场也会在转子上产生附加铁损，如果是转子是电励磁结构，还会在励磁绕组中产生两倍基频的交变电流，从而产生附加转子铜损，使发电机的温升升高和效率下降。

单相的电励磁发电机可以通过在转子上安装阻尼绕组减小负序电枢反应磁动势的影响，因此单相电励磁发电机的功率可以到两个兆瓦左右。而单相永磁发电机为了保证有较低的电压调整率，即带负载时电压更稳定，转子通常设计为表贴磁钢结构，转子磁极表面没有空间安装阻尼绕组。即便是转子采用内嵌式磁钢结构，因为阻尼导条发热会引起永磁体磁性能下降，使发电机的输出电压进一步降低。单相永磁同步发电机要提高容量，并且运行时的振动和噪声不影响发电机的稳定运行和输出性能，就需要找到合适的方式解决负序磁动势的影响。目前，有以下五种方法被广泛应用来减弱负序磁动势的影响：

1、采用合理的定子斜槽和定子正弦绕组或120度相带双层短距绕组；

2、适当的放大气隙，同时减小槽口与气隙的比值；

3、改变转子绕组参数、采用强阻尼绕组(全笼、半笼、1/4笼阻尼绕组)；

4、利用逆序磁场进行无刷励磁的电励磁单相同步发电机；

5、在永磁发电机的定子两相空间互差90度绕组中的一相串联电容后再并联向外输出单相电压。

措施1中采用正弦绕组斜槽技术后，发电机输出电势中奇次谐波分量被正弦绕组消除，而齿谐波又可被斜槽削去，使得最后的电势波形畸变率降低，得到大大改善。但是负序电枢反应磁动势对电机振动和噪声影响并没有根本上削弱。

措施2中适当地放大气隙，以增大气隙磁阻，可减小负序磁场磁密的大小。同时，放大气隙还可以减小槽口气隙的比值，从而减弱齿槽效应，削弱气隙磁密的齿谐波，有利于改善电枢绕组的电动势波形，但气隙长度改变余量受电机大小限制，效果有限，并且使电机的功率密度下降。

第3种方法中开设阻尼槽采用强阻尼把把负序磁场产生的不良影响降低到最小程度，强阻尼措施其实是借鉴了短路变压器通过副边绕组线圈电流产生的磁动势削弱负序磁场的方法，令阻尼绕组中的电阻远小于电抗，使绕组中电流落后其电动势近90度，从而产生与负序磁动势几乎完全相反的阻尼磁动势，抵消负序磁动势的影响，采用阻尼绕组来降低波形畸变率是最有效的方法之一。但是阻尼绕组中的电流会使转子发热严重，影响发电机的效率。

第4种方法的工作原理是利用单相同步发电机的逆序电枢反应磁场在转子q轴绕组中感应出的倍频电流，经旋转整流器整流后供d轴绕组自励。该励磁方式的优点是励磁线路简单，起励迅速，自励能力强，负载时电压波形好，能够自动补偿因负载的变化引起的输出电压变化，稳态电压调整率在3～5％。缺点是电容器的容量大，大致按每千瓦15微法递增，所以在电机容量较大时，电容器体积较大。另外发电机电压变化与转速关系密切，故对原动机的转速的波动率和调速率要求较高。

针对单相永磁发电机的第5种措施，在两相在空间互差90度绕组的一相串联电容然后并联运行，使两相绕组的电流幅值相等或接近相等，两相电流相差90度或接近相差90度，能够实现圆形或椭圆形磁场运行，完全或大部分削弱了负序磁场对发电机的影响，不但能够突破单相永磁发电机输出功率因负序磁场引起振动而有的限制，提高输出功率，并且还能够提高电机的功率密度。但是该发明并没有给出具体电容的选择及串入电容的控制方法。

以上的几种技术方案的前四种对于电励磁单相同步发电机比较实用，但对于单相永磁发电机，如果转子采用内嵌式结构，可以在转子铁芯上安装阻尼绕组削弱负序磁场，但是阻尼绕组的发热会使转子上的永磁材料磁性能下降甚至退磁，从而使发电机性能下降。另外对于内嵌式转子结构的永磁电机，由于凸极效应，输出电压随负载变化比较大，即电压调整率比较大，影响电压稳定，甚至无法供应某些对电压敏感的设备。但对于转子为表面磁钢结构的单相永磁同步发电机上述技术很难实现，因为转子在结构上没有安装阻尼绕组的位置。因此目前表面磁钢结构的单相永磁同步发电机输出功率能达到10个千瓦左右，功率继续增大后机械振动及其噪声严重影响了发电机的正常工作。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的在于克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种单相永磁同步发电机串电容运行的控制装置及方法，能够有效克服现有技术所存在的单相电机因产生脉振磁动势而造成发电机震动以及电压波形畸变严重、两相电枢绕组通电时产生椭圆度差的磁动势造成发电机震动以及发电效率低下、一定范围内变化的负载及功率因数下要求的理论最佳串联电容与实际市场供给的标称电容不同等缺陷。

为了实现上述技术方案，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置，包括：两个正交绕组和负载，与其中一个所述正交绕组相连的电容器C1、C2、C3，与所述电容器C1、C2、C3对应相连的用于控制电容器接入电路的双向晶闸管T1、T2、T3；

还包括：用于检测采集电路的电压、电流并滤去电路中谐波的电压—电流检测调理电路，用于把电压—电流检测调理电路采集的模拟信号转化为数字信号的A/D转换电路，用于接收数字信号并根据查表结果向外输出控制信号的单片机控制电路，用于接收单片机控制电路的输出信号并对晶闸管进行控制的晶闸管触发控制电路，所述晶闸管触发控制电路上设有用于检测晶闸管两端电压过零的过零检测电路；所述电压—电流检测调理电路内部设有用于从主电路获得电压电流信号的霍尔电压传感器、霍尔电流传感器，用于隔离电路并接入A/D转换电路的线性光耦合器，以及用于接入单片机外部中断端口的反相器；所述晶闸管触发控制电路内部设有电容器C1、C2、C3，双向晶闸管T1、T2、T3，霍尔电压传感器以及线性光耦合器。

根据本发明的一实施方式，所述A/D转换电路采用AD7656芯片。

根据本发明的一实施方式，所述单片机控制电路内部设有电容C4、C5、C6，电阻R1、R2，晶体振荡器X1以及单片机ATX89C51。

根据本发明的一实施方式，所述晶闸管触发控制电路对双向晶闸管T1、T2、T3采用过零投切。

根据本发明的一实施方式，所述ATX89C51的P1.2端口接入AD7656的输出DOUTA，所述ATX89C51的P1.3端口接入AD7656的BUSY，所述ATX89C51的P1.4～P2.6端口接入晶闸管触发控制电路内线性光耦合器的输出信号，所述ATX89C51的P2.1端口输出控制信号到AD7656的CONVSTA，所述ATX89C51的P2.2～P2.4端口输出控制信号控制晶闸管触发。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于单相永磁同步发电机串电容运行控制方法，至少包括以下步骤：

S1、电压—电流检测调理电路检测主电路电压、电流并将其转换成控制电路可接收的小电压、小电流，并输入A/D转换电路；

S2、A/D转换电路将接收到的连续的模拟信号转化为数字信号，并从输出端口输入单片机；

S3、单片机接收A/D转换电路转换后的电压、电流信号，并对功率因数角和功率进行计算，由电容查询表格查得所投切的电容，同时控制过零检测电路检测晶闸管两端电压；

S4、当晶闸管两端电压过零时，单片机通过晶闸管触发控制电路对晶闸管进行控制，实现对电容器C1、C2、C3的过零投切。

根据本发明的一实施方式，采用晶闸管投切的方式，实现变负载下电容器组组合的变化调节，计算实际工作电容的分析求解过程为：

将两相绕组电枢电流分解为正向旋转的正序和反向旋转的负序电流，定义正序磁动势与负序磁动势的模值的比值，即正序电流与负序电流的比值，作为评判标准，椭圆度；

取使椭圆度最小的电容为具体负载及功率因数要求下的理想最佳电容；取若干个代表负载及其最佳电容，将其分组；以各组内最佳电容与实际工作电容差值平方和大小来衡量每一组所选择的电容组合值与该分组内其余电容值的匹配程度；平方和最小的为所求的实际工作电容。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明所提供的一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置及方法采用单片机控制的方式，可以使单相发电机接入不同的负载时，都能接入合适的电容来消除负序磁动势；通过两相绕组输出单相合成电流，可以提升单相发电机的容量，同时增加的控制系统和绕组体积不大，也不对单相发电机的工作造成影响；采用串电容的方式，可使两相合成电流产生的磁动势为近圆形磁动势，现有的单相发电机运行时负序磁动势导致的振动，不仅仅会产生能耗，还会对电机的转轴造成损害，因此消除负序磁动势，可以增加电机的寿命，还能提高电机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置一实施方式的结构示意图；

图2为本发明电压—电流检测调理电路结构示意图；

图3为本发明A/D转换电路结构示意图；

图4为本发明单片机控制电路结构示意图；

图5为本发明晶闸管触发控制电路及过零检测电路结构示意图；

图6为本发明单片机查表控制电容投切的程序流程图。

附图标记说明如下：

1-霍尔电压传感器；2-霍尔电流传感器；3-线性光耦合器；4-反相器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1～6，图1为本发明所述一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置一实施方式的结构示意图，图2为本发明电压—电流检测调理电路结构示意图，图3为本发明A/D转换电路结构示意图，图4为本发明单片机控制电路结构示意图，图5为本发明晶闸管触发控制电路及过零检测电路结构示意图，图6为本发明单片机查表控制电容投切的程序流程图。

本发明所述一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置，包括：两个正交绕组和负载，与其中一个所述正交绕组相连的电容器C1、C2、C3，与所述电容器C1、C2、C3对应相连的用于控制电容器接入电路的双向晶闸管T1、T2、T3，还包括：用于检测采集电路的电压、电流并滤去电路中谐波的电压—电流检测调理电路，用于把电压—电流检测调理电路采集的模拟信号转化为数字信号的A/D转换电路，用于接收数字信号并根据查表结果向外输出控制信号的单片机控制电路，用于接收单片机控制电路的输出信号并对双向晶闸管进行控制的晶闸管触发控制电路，所述晶闸管触发控制电路上设有用于检测双向晶闸管两端电压过零的过零检测电路；所述电压—电流检测调理电路内部设有用于从主电路获得电压电流信号的霍尔电压传感器1、霍尔电流传感器2，用于隔离电路并接入A/D转换电路的线性光耦合器3，以及用于接入单片机外部中断端口的反相器4；晶闸管触发控制电路内部设有电容器C1、C2、C3，双向晶闸管T1、T2、T3，霍尔电压传感器1以及线性光耦合器3。

本发明中，所述的A/D转换电路采用AD7656芯片，单片机控制电路内部设有电容C4、C5、C6，电阻R1，R2，晶体振荡器X1以及单片机ATX89C51。所述晶闸管触发控制电路对双向晶闸管T1、T2、T3采用过零投切。所述ATX89C51的P1.2端口接入AD7656的输出DOUTA，ATX89C51的P1.3端口接入AD7656的BUSY，ATX89C51的P1.4～P2.6端口接入晶闸管触发控制电路内线性光耦合器3的输出信号，ATX89C51的P2.1端口输出控制信号到AD7656的CONVST A，ATX89C51的P2.2～P2.4端口输出控制信号控制晶闸管触发。

本发明所述一种基于单相永磁同步发电机串电容运行控制方法，包括以下步骤：

S1、电压—电流检测调理电路检测主电路电压、电流并将其转换成控制电路可接收的小电压、小电流，并输入A/D转换电路；

S2、所述A/D转换电路将接收到的连续的模拟信号转化为数字信号，并从输出端口输入单片机；

S3、单片机接收A/D转换电路转换后的电压、电流信号，并对功率因数角和功率进行计算，由电容查询表格查得所投切的电容，同时控制过零检测电路检测晶闸管两端电压；

S4、当晶闸管两端电压过零时，单片机通过晶闸管触发控制电路对晶闸管进行控制，实现对电容器C1、C2、C3的过零投切。

本发明中，采用三个实际电容器组并联，以适应不同负载下所对应的理论最佳电容值要求，并且采用晶闸管快速投切的方式，实现变负载下电容器组组合的变化调节。理论分析过程如下：

(1)构建数学模型，求解功率、功率因数和串联电容大小的映射关系，电枢反应的磁动势由电枢电流产生，电枢电流可同样分解为正序和负序电流。由器件得到绕组A的电流，绕组B的电流在固定电容器值的情况下可计算得到。两相电流分别为：I′A＝IAe^jα，I′B＝IBe^jβ，将两相电流分别分解为正序电流和负序电流：

β＝α+90°；

定义正序磁动势与负序磁动势的模值的比值，即正序电流与负序电流的比值，作为评判标准，椭圆度：

本发明中只取使椭圆度最小的电容为具体负载及功率因数要求下的理想最佳电容。利用MATLAB编程可得到，不同负载与最佳电容的确定关系。

(2)选取7*6个代表负载，主流负载及功率因数，及其对应的42个最佳电容值。将这些数据按电容从小到大的顺序排列并整理成表格。

(3)分组匹配和计算最佳电容值。假设三个实际工作电容(设为C1，C2，C3)，三个电容的投入和切出可实现七个电容组合，设从小到大排序为：C1，C2，C3，C1+C2，C1+C3，C2+C3，C1+C2+C3。为了让七个电容组合值更好地拟合42个理论最佳电容值，现将42个理论最佳电容值均分为7组。让相互存在线性约束关系的七个电容值组合依次替代七个等分组内的电容值，并求出在当前默认的分组情况下得到整体匹配效果最优的三个实际工作电容值C1，C2，C3。

(4)为了在已知组内元素个数及具体数据的情况下衡量其对应的电容组合值是否合适，采用各组内最佳电容与实际工作电容差值平方和大小来衡量每一组所选择的电容组合值与该分组内六个电容值的匹配程度。取42个最佳电容值构成一维矩阵Bc，取国家标称电容值构成一维矩阵C。从C中取三个电容C1i，C2i，C3i，列为第i种情况，得到三个电容的7个并联组合值C1i，C2i，C3i，C1i+C2i，C1i+C3i，C2i+C3i，C1i+C2i+C3i。

42个运行点的最佳电容与七个电容中最接近的值的差值的和Si：

采用matlab编程软件进行数值计算，找到最小的Si，此时的电容值即为选择的三个电容。

离线计算好后将不同功率、功率因数工况下的最佳电容值存在数据表中，以备实际控制时查表使用，节省在线计算时间。

理论分析及参数计算：取电动势En＝240V，电压Un＝230V，电机绕组的自阻抗Z1＝10+0.005jΩ，功率取0kw～15kw。编程计算得到选择的三个电容值分别为146pF，182pF，209pF。

采用标称电容：100pF，47pF并联，100pF，82pF并联，150pF，62pF并联。

将此表格输入单片机中，投切电容时的查询的电容查询表格。

单相发电机用4极24槽的A、B两相电枢绕组采用双层短距分布绕组，进一步削弱谐波磁场对感应电动势的影响。A、B两相绕组在空间上相差90°电角度。

电压—电流检测调理电路中在负载两端接入霍尔电压传感器1和霍尔电流传感器2，检测主电路电压、电流并将其转换成控制电路可接收的小电压、小电流，再经过线性光耦合器3隔离。线性光耦合器3输出一条支路经过反相器4输入单片机的外部中断端口一条支路输入模数转换芯片。

选用AD7656模数转换芯片作为单相发电机串电容控制电路的模数转化部分的核心。电压、电流信号由V1，V2端口同时输入，转换后由DOUTA端口串行输出。芯片将原本连续的模拟信号转化为最高16位的数字信号。模数转换芯片从输出端口输出的电压、电流数字信号输入单片机。

单片机控制电路中选择ATX89C51单片机作为晶闸管投切的主控制器。P1排线上的端口P1.2，P1.3作为信号的输入端，分别负责接收模数转换后的电压、电流信号和模数转换芯片的运行信号。P1.4～P1.6接口晶闸管的电压信号，进行过零检测，用于电容的安全投切。单片机的外部控制端口INT0和INT1端口接负载检测电路中的反相器4，输入负载电压、电流的过零信号，用于计算功率因数角。P2排线上的端口P2.0和P2.1作为信号的输出端，输出信号到模数转换芯片控制芯片的运行。P2.2～P2.4输出导通或断开信号到晶闸管触发控制电路。单片机程序中加入延时程序，延时投切，避免电路不稳定频繁投切。单片机和模数转换芯片采用同一个晶体振荡器产生的时钟信号。

晶闸管触发控制电路中输入单片机P2.2～P2.4端口的信号，控制双向晶闸管T1、T2、T3投切。霍尔电压互感器1检测晶闸管两端电压，经过线性光耦合器3和反相器4将过零信号输入单片机，控制过零投切。双向晶闸管T1、T2、T3通过三个大小为147pF，182pF，212pF的电容器组C1、C2、C3与绕组A相连构成回路。

综上所述，本发明所提供的一种单相永磁同步发电机串电容运行控制装置及控制方法采用单片机控制的方式，可以使单相发电机接入不同的负载时，都能接入合适的电容来消除负序磁动势；通过两相绕组输出单相合成电流，可以提升单相发电机的容量，同时增加的控制系统和绕组体积不大，也不对单相发电机的工作造成影响；采用串联电容的方式，可使两相合成电流产生的磁动势为近圆形磁动势，现有的单相发电机运行时负序磁动势导致的振动，不仅仅会产生能耗，还会对电机的转轴造成损害，因此消除负序磁动势，可以增加电机的寿命，还能提高电机的效率。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本文提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施例，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本文公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。本文所述的实施例说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。