论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了直流发电机组瞬态电压产生的机理并提出了抑制措施。
关键词：直流发电机组 瞬态电压 抑制
1 概述
随着新能源车辆技术的发展，军用新能源车辆也在逐渐进步，大功率高压锂电池组的广泛应用也催生了高压内燃发电机组的发展，某型号车用500V锂电池组容量达160AH，为了提高车辆续航能力，适应野外使用自充电功能，车辆配备了一套60kW 直流发电机组用于锂电池组的充电和车辆其它直流用电设备的供电，增加车辆行程。
2 该机组存在的问题
该60kW发电机组的额定参数如表1。在使用的过程中，在负载突变的情况下，突卸负载瞬态电压如图1，超过所要求的值。
2.1 发电机的结构和电压调节器工作原理
该系统直流发电机组所用发电机为交流发电机，外加不可控整流然后滤波得到的直流电源，这种结构相对简单，经济型比较好。发电机的电压控制是通过一个模拟式电压调节器（AVR）来完成的，电压控制器控制发电机的励磁线圈，励磁线圈电流大小决定了发电机磁场的强弱，励磁电流增大，发电机的磁场就增强，发电机电压就升高，反之发电机电压就降低。 发电机电气原理如图2。
图2中F1为发电机励磁绕组， F2为发电机电枢绕组，Z+、Z-为抽头整流后的励磁电源，L1、L2、L3为电压反馈回路。电压调节器工作原理为电压调节器为一个闭环控制系统，包含检测单元、基准单元、比例放大单元和励磁控制单元，如图3.
電压采样值Ugf与调压器内部预设的电压基准值Ugd在PID调节及脉宽调制环节进行比较，根据两者差值大小输出两路占空比可调的PWM波形。将这两路波形作为输出控制环节MOS管的控制信号，MOS管与发电机励磁绕组串联，通过控制MOS管的开通与关断就可以控制励磁电流的大小，从而调节发电机输出电压的大小，形成闭环回路控制。发电机在带负载的情况下，因为电枢反应的去磁作用，发电机在带负载增加的过程中电压有下跌趋向，此时电压调节板就会增加励磁从而保证发电机电压稳定在额定值，当负载减小时，电枢反应减小，发电机电压在较大的励磁功率下回升高，此时电压调节板会减小励磁输出，发电机电压恢复在额定值，由于电压的调节总是根据电压的变化来进行的，这就造成了调节的滞后性，发电机在工作过程中负载突变就会造成发电机电压的升高或降低，也就是暂态过程。发电机负载突变造成的电压变化在GJB235A-97《军用交流移动电站通用规范》和GJB 5785-2006 《军用内燃发电机组通用规范》均有相关规定，一般不超过额定电压的±20%，因为在用电系统中，某些电压敏感器件在发电机电压变化过程中可能会误动作甚至烧毁，且理想化的情况下，暂态过程尽可能短，暂态过程中电压变化幅值尽可能小，对系统冲击也小。
2.2 瞬态电压的优化
分析了发电机工作原理，暂态电压升高的原因是负载突变，而发电机励磁功率的滞后性造成的，这是一个能量变化过程，可以通过调节发电机电压调节板的PID来进行调整，但是通过观察发电机突卸负载时的波形，鉴于以上原因，电机电压调节器的调节能力有限，所以我们采取了另外一种模式，经过分析，发电机在突卸负载的瞬时是输出功率减少的突变，发电机本身具备大功率输出能力，而负载变小，如果能检测到负载的同时，增加一个补偿负载以对实际减少有一个补偿，然后在一定时间内再卸掉此负载，适当延长发电机的瞬态时间， 将发电机多余的能量泄放掉，发电机瞬态电压超调就能得到很好解决。
3 结论验证
利用发电机突卸负载时电压的升高信号来作为泄放电路投切的依据，模式如下：负载减小→发电机电压上升→控制电路检测到电压高于设定值520V（考虑到电压波动设定为520V投入）→投入负载为突加过程用来抑制电压上升→400ms（为考虑经济性和体积，泄放负载设定为短时工作制，需防止温度过高）时间后负载释放→在突卸此小负载→电压增加（不超过规定值），这里我们根据实际测试结果选择了30kW泄放负载，一方面保证了50%额定功率负载突卸时电压不超标，同时保证了泄放电路本身释放时电压也不能超标。增加泄放模块后，发电机组50%负载（30kW）突卸电压能控制在62V，满足系统要求。
参考文献：
[1] 汤蕴璆，史 乃.电机学[M].北京：机械工业出版社.2002.
关键词：直流发电机组 瞬态电压 抑制
1 概述
随着新能源车辆技术的发展，军用新能源车辆也在逐渐进步，大功率高压锂电池组的广泛应用也催生了高压内燃发电机组的发展，某型号车用500V锂电池组容量达160AH，为了提高车辆续航能力，适应野外使用自充电功能，车辆配备了一套60kW 直流发电机组用于锂电池组的充电和车辆其它直流用电设备的供电，增加车辆行程。
2 该机组存在的问题
该60kW发电机组的额定参数如表1。在使用的过程中，在负载突变的情况下，突卸负载瞬态电压如图1，超过所要求的值。
2.1 发电机的结构和电压调节器工作原理
该系统直流发电机组所用发电机为交流发电机，外加不可控整流然后滤波得到的直流电源，这种结构相对简单，经济型比较好。发电机的电压控制是通过一个模拟式电压调节器（AVR）来完成的，电压控制器控制发电机的励磁线圈，励磁线圈电流大小决定了发电机磁场的强弱，励磁电流增大，发电机的磁场就增强，发电机电压就升高，反之发电机电压就降低。 发电机电气原理如图2。
图2中F1为发电机励磁绕组， F2为发电机电枢绕组，Z+、Z-为抽头整流后的励磁电源，L1、L2、L3为电压反馈回路。电压调节器工作原理为电压调节器为一个闭环控制系统，包含检测单元、基准单元、比例放大单元和励磁控制单元，如图3.
電压采样值Ugf与调压器内部预设的电压基准值Ugd在PID调节及脉宽调制环节进行比较，根据两者差值大小输出两路占空比可调的PWM波形。将这两路波形作为输出控制环节MOS管的控制信号，MOS管与发电机励磁绕组串联，通过控制MOS管的开通与关断就可以控制励磁电流的大小，从而调节发电机输出电压的大小，形成闭环回路控制。发电机在带负载的情况下，因为电枢反应的去磁作用，发电机在带负载增加的过程中电压有下跌趋向，此时电压调节板就会增加励磁从而保证发电机电压稳定在额定值，当负载减小时，电枢反应减小，发电机电压在较大的励磁功率下回升高，此时电压调节板会减小励磁输出，发电机电压恢复在额定值，由于电压的调节总是根据电压的变化来进行的，这就造成了调节的滞后性，发电机在工作过程中负载突变就会造成发电机电压的升高或降低，也就是暂态过程。发电机负载突变造成的电压变化在GJB235A-97《军用交流移动电站通用规范》和GJB 5785-2006 《军用内燃发电机组通用规范》均有相关规定，一般不超过额定电压的±20%，因为在用电系统中，某些电压敏感器件在发电机电压变化过程中可能会误动作甚至烧毁，且理想化的情况下，暂态过程尽可能短，暂态过程中电压变化幅值尽可能小，对系统冲击也小。
2.2 瞬态电压的优化
分析了发电机工作原理，暂态电压升高的原因是负载突变，而发电机励磁功率的滞后性造成的，这是一个能量变化过程，可以通过调节发电机电压调节板的PID来进行调整，但是通过观察发电机突卸负载时的波形，鉴于以上原因，电机电压调节器的调节能力有限，所以我们采取了另外一种模式，经过分析，发电机在突卸负载的瞬时是输出功率减少的突变，发电机本身具备大功率输出能力，而负载变小，如果能检测到负载的同时，增加一个补偿负载以对实际减少有一个补偿，然后在一定时间内再卸掉此负载，适当延长发电机的瞬态时间， 将发电机多余的能量泄放掉，发电机瞬态电压超调就能得到很好解决。
3 结论验证
利用发电机突卸负载时电压的升高信号来作为泄放电路投切的依据，模式如下：负载减小→发电机电压上升→控制电路检测到电压高于设定值520V（考虑到电压波动设定为520V投入）→投入负载为突加过程用来抑制电压上升→400ms（为考虑经济性和体积，泄放负载设定为短时工作制，需防止温度过高）时间后负载释放→在突卸此小负载→电压增加（不超过规定值），这里我们根据实际测试结果选择了30kW泄放负载，一方面保证了50%额定功率负载突卸时电压不超标，同时保证了泄放电路本身释放时电压也不能超标。增加泄放模块后，发电机组50%负载（30kW）突卸电压能控制在62V，满足系统要求。
参考文献：
[1] 汤蕴璆，史 乃.电机学[M].北京：机械工业出版社.2002.