一种可从变转速输入获得稳定输出的大功率电源装置的制作方法

本发明涉及一种可从变转速输入获得稳定输出的大功率电源装置，属于大功率电源技术领域。

背景技术：

目前国内外军用特种车辆主要采用柴油发动机，其发动机正常工作转速变化范围为650～2500转/分钟，低速与高速转速比达1：4；在车辆行驶过程中发动机工作转速变化范围很大，如采用直接驱动发电机供电，则必须通过某种技术途径以实现稳定的电压、频率及功率输出，目前，常用的几种车载发电技术解决方案如下：

(1)机械传动驻车取力发电方案——由底盘发动机通过取力器直接驱动发电机供电。该方案调速困难、不易布置安装，一般只适于停车发电使用，使发动机转速固定在某一定值，无法实现行车发电的使用要求；

(2)液压传动行车取力发电方案——采用液压泵－马达系统作为发动机与发电机连接的恒速调节装置。其主要工作原理为：从发动机取力器输出驱动变排量液压泵，变排量泵输出高压油通过液压调节机构驱动定排量液压马达，马达输出再带动负载发电机发电。通过调节变排量泵的斜盘可改变泵的排量，从而改变输出到液压马达的高压油流量，从而调节发电机输入转速。

(3)“混合励磁发电机+逆变电源”行车取力发电方案——即在发电机主磁场为永磁磁场的前提下，通过附加的电励磁磁场对主磁场强度进行增减调节，达到拓宽发电机对输入转速变化的适应能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可从变转速输入获得稳定输出的大功率电源装置，提高车载供电电源的可靠性和经济性。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种可从变转速输入获得稳定输出的大功率电源装置，包括发电机和逆变器；

发电机提供直流电，经逆变器转换为交流电输出供电；

逆变器包括输入滤波电路、ipm功率模块、输出滤波电路、采样信号板以及主控制板；输入滤波电路对发电机提供的直流电进行滤波，ipm功率模块将直流电斩波为spwm波，通过输出滤波电路滤波后输出，采样信号板采集输出的电压有效值并发送给主控制板，主控制板根据电压幅值调整spwm波的脉宽。

优选的，还包括继电器控制板和电源板，电源板用于为输入滤波电路、ipm功率模块、输出滤波电路、采样信号板以及主控制板供电，电源板为低压电先上电，继电器控制板控制高压电后上电。

优选的，继电器控制板控制高压电包括ipm功率模块中的高压输出、输入滤波电路、输出滤波电路上电。

优选的，主控制板根据采集的输出的电压有效值，外环采用pi控制，电压瞬时值内环采用不完全微分的pid控制。

优选的，主控制板控制的传递函数为：

uo(s)＝{[(uref(s)-uo(s)·k1)·(kp1+kp1/t11s)·sinwt-uo(s)·k2]·[kp2+kp2/t12s+kp2tdss/(1+tms)]·ka·kb-uo(s)}/sc(sl+r)-i0/sc

其中uref(s)为采集的输出的电压uo(s)的有效值，k1为电压内环瞬时值反馈系数，kp1为电压外环有效值比例系数，t11为电压外环有效值积分时间常数，w为角速度，k2为电压外环有效值反馈系数，kp2为电压内环瞬时值比例系数，t12为电压内环瞬时值积分时间常数，tds为电压内环瞬时值微分时间常数，tm为惯性环节时间常数，ka为pwm环节等效比例系数，kb为变压器等效比例系数，l输出滤波电感值，c为输出滤波电容值，r为负载电阻值，i0为负载电流。

优选的，发电机额定功率不小于15kw，额定电压为490v±49v。

优选的，发电机采用爪极无刷式发电机，采用h级绝缘，并采用真空压力浸渍工艺进行三防处理。

优选的，发电机在柴油机带动下旋转到规定转速，接通蓄电池，发电机他励建立电压，当发电机端电压高于蓄电池电压时，发电机转为自励。

优选的，当逆变器输出功率超过额定输出1.1倍时，主控制板输出告警信号，并延时切断逆变器的输出。

优选的，当输入的直流电低于400v时，主控制板控制进行欠压保护，当输入的直流电高于680v时主控制板控制进行过压保护，欠压保护和过压保护时，主控制板输出告相应警信号，并延时设定时间后切断逆变器的输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明将发电机发出的电压和频率不稳定的电力经输出电缆传递到变换电源，经过电源处理后输出具有稳定电压和频率的电力，确保车载供配电系统的可靠性和经济性。

(2)本发明的逆变电源获得较大的功率输出，满足宽输入转速范围

(3)本发明的电源装置结构简单，相比于液压传动行车取力发电方案可靠性高，体积更小巧。

附图说明

图1为本发明电源装置结构组成示意图；

图2为逆变器整机原理框图；

图3为逆变器主电路拓扑示意图；

图4为spwm波形示意图；

图5为逆变器双闭环控制传递函数框图。

具体实施方式

本发明由汽车发动机通过动力传递装置将动力传递到发电机的转子轴上带动发电机发电，发电机可在全转速范围内发出电力，发电机发出的电压和频率不稳定的电力经输出电缆传递到变换电源，经过电源处理后输出具有稳定电压和频率的电力。

结合图1本发明的大功率电源装置主要包括发电机和逆变器，发电机用于提供500v左右的直流电压，逆变器转换为交流电输出，发电机具有调压控制盒用于稳定发电机的输出电压，发电机的信号盒用于检测发电机输出电流值。

下面分别介绍：

1发电机

发电机采用爪极无刷式，结构简单，可靠性高。爪极转子的励磁回路存在形式与其它电机有本质的区别，爪极转子通电后激磁线圈产生轴向磁通，此磁通依靠爪极的旋转才转化为径向磁通，爪极转子的磁通分布是以立体状态变化的，其磁密的大小随着截面位置的变化而变化。

发电机采用合理短节距绕组，能有效地消除谐波，多组移相，全波整流输出。

绕组采用h级绝缘，并采用真空压力浸渍工艺，能达到“三防”要求，为发电机在恶劣环境中运行提供保障。

发电机在原动机带动下旋转到规定转速，接通蓄电池，发电机他励建立电压，当发电机端电压高于外接电源(蓄电池)电压时，发电机转为自励，发电机调压控制器由电压信号检测微分整形环节、电压给定环节、pid调节环节、pwm脉宽调制环节、输出控制环节、过电压和过电流短路保护环节及工作电源等组成。发电机的输出电压信号与运算放大器的基准电压进行比较，这样通过调节发电机励磁绕组上的电压通断比调节发电机励磁绕组的电流大小，从而控制发电机的电压稳定在额定值。

2逆变器

逆变器是本变速恒频发电系统实现频率稳定输出的核心，其主要功能是将发电机发出的高压直流电逆变成恒定频率输出的交流电。

2.1逆变器工作原理及描述

图2为逆变器整机原理框图，图3为主回路结构框图。此逆变结构同时兼容三相市电交流输入以及高压直流输入，也是为本变速恒频发电系统的主要特点之一。

如图2所示，逆变器包括输入滤波器、输入滤波电容板、ipm功率模块、输出滤波电路、采样信号板、继电器控制板、电源板和主控制板。

输入滤波器采用电感与输入滤波电容板共同对直流电进行滤波，ipm功率模块用于将直流电斩波为spwm波，通过输出滤波电路滤波后输出；采样信号板采集输出的电压幅值并发送给主控制板，当输出电压大于阈值则调小ipm功率模块的开通时间，使得spwm波的脉宽减小；当输出电压小于阈值则调大ipm功率模块的开通时间，使得spwm波的脉宽增大，实现pid控制。

电源模块开启后低压部分直接上电，继电器控制板高压部分上电，进而保证高压部分晚于低压部分上电。

如图3所示，主电路拓扑由输入滤波电感、三相整流桥、直流母线滤波电容、逆变桥及输出滤波器等结构组成(注：前级的不控整流部分不在产品内部)，三线交流电经前级整流滤波后得到直流母线电压。后级通过全桥逆变得到spwm波形，再经过输出滤波环节，得到恒定频率输出的交流电压。本拓扑具有结构简单，功能可靠，功率元器件少的特点。

2.2逆变器控制策略

ipm功率模块的工作原理以spwm调制策略为基础。spwm是指一系列幅值相等的脉冲，其宽度按正弦规律分布，如图4所示。根据面积等效原理，spwm波形和正弦波是等效的。

做为一种比较成熟的控制技术，spwm调制技术在逆变器及变频电源中得到了广泛的应用。

本逆变器中主控制板用来生成spwm脉冲，经数字闭环控制后得到相应的spwm波形，经驱动放大后驱动ipm模块，以实现对主回路功率器件的控制。

本设计方案选取了基于dsp的数字控制方式。硬件平台采用ti公司的tms320lf2407a定点数字信号处理芯片作为该逆变器的控制核心，其主要功能性能包括：

1、两个事件管理器eva和evb，每个包括：两个16位通用定时器和用于pwm控制8个16位脉宽调制通道。

2、10位a/d转换器——最小转换时间为375ns。可选择由两个事件管理器来触发两个8输入通道a/d转换器或一个16通道a/d转换器。

3、串行外设(spi)接口。

4、串行通信接口(sci)。

5、控制器局域网络(can)2.0模块。

6、高达40个可独立编程或复用的通用i/o引脚。

7、看门狗定时器。

本产品在软件设计中主要选取数字pid控制策略进行逆变器控制系统的闭环设计。其中电压有效值外环为pi控制，电压瞬时值内环采用不完全微分的pid控制。其传递函数框图如图5所示：

uo(s)＝{[(uref(s)-uo(s)·k1)·(kp1+kp1/t11s)·sinwt-uo(s)·k2]·[kp2+kp2/t12s+kp2tdss/(1+tms)]·ka·kb-uo(s)}/sc(sl+r)-i0/sc

其中采集的输出的电压uo(s)的有效值uref(s)，k1为电压内环瞬时值反馈系数，kp1为电压外环有效值比例系数，t11为电压外环有效值积分时间常数，w为角速度，k2为电压外环有效值反馈系数，kp2为电压内环瞬时值比例系数，t12为电压内环瞬时值积分时间常数，tds为电压内环瞬时值微分时间常数，tm为惯性环节时间常数，ka为pwm环节等效比例系数，kb为变压器等效比例系数，l输出滤波电感值，c为输出滤波电容值，r为负载电阻值，i0为负载电流，s为复变量，s为微分算子。

逆变器保护功能主要包括：

a)过热保护：具备过热保护及报警功能；

b)输出过载保护：当输出功率超过额定输出1.1倍时，系统告警，3分钟后断电保护；

c)输入过欠压保护：当输入直流母线电压(若为三相市电为整流滤波后电压)高于400v启动，启动后直流电压低于400v时，欠压保护；当输入电压高于680v时过压保护。输入过压、欠压保护后，系统会自动关闭，当输入直流电压再次满足启动要求时，启动成功；

d)告警指示：面板设有发电机超温告警指示，逆变器过热告警指示，逆变器输出过载告警指示，逆变器输出故障指示，正常工作指示。

3主要技术指标：

发电机额定功率：15kw；

额定电压：490v±49v；

转速范围：2000r/min～7500r/min；

瞬时最高工作转速：8000r/min；

产品的工作环境温度：(-40～+85)℃，风冷进风口温度不大于60℃；

逆变电源尺寸(宽×深×高mm)：不大于520×490×133；

逆变电源重量：小于30kg。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。