攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元的設(shè)計

0 引言

就發(fā)電機(jī)組的小型化問題，已經(jīng)有生產(chǎn)廠家采用國外先進(jìn)的汽油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)和工頻發(fā)電機(jī)來組成發(fā)電機(jī)組，但工頻發(fā)電機(jī)組體積的縮小與重量的降低，受自身的特點和生產(chǎn)技術(shù)的制約，1 kW 的工頻發(fā)電機(jī)組重量一般在20 kg以上，顯然機(jī)組的重量仍然顯得較重。攜行發(fā)電機(jī)組主要是采用高速的內(nèi)燃機(jī)和中頻永磁發(fā)電機(jī)達(dá)到了小型化的目的，這也必將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出頻率不是工頻，而通用設(shè)備大都是以工頻交流電作為輸入電源，所以有必要研制一種裝置來實現(xiàn)交交變頻的功能。

1 攜行發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成

攜行發(fā)電機(jī)組由高速汽油發(fā)動機(jī)、永磁中頻發(fā)電機(jī)和交交變頻單元三部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。交交變頻單元作為攜行發(fā)電機(jī)組的功率輸出單元，其作用是將中頻發(fā)電機(jī)輸出的頻率不穩(wěn)定的中頻交流電進(jìn)行頻率變換，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)頻穩(wěn)壓的工頻正弦交流電，以滿足攜行設(shè)備對供電的需求。

2 交交變頻單元主電路的原理與設(shè)計

2.1 主電路的工作原理

攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，晶閘管關(guān)斷是通過電源交流電壓的自然換相來實現(xiàn)的，P 組和N 組都是相控整流電路，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。P組工作時，負(fù)載電流i0 為正;N 組工作時，i0 為負(fù);兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電;改變切換頻率，就可改變輸出交流電的頻率;改變變流電路的控制角琢，就可以改變交流輸出電壓幅值。為使輸出電壓波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對琢角進(jìn)行調(diào)制，如圖3 所示，在半個周期內(nèi)讓P 組琢角按正弦規(guī)律從90毅減到0毅或某個值，然后再增加到90毅，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，而后再減到零，如圖3中虛線所示。另外半個周期可以通過對變流器的N組進(jìn)行同樣的控制得到[2]。

2.2 主電路的設(shè)計

攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元主電路設(shè)計包括：功率開關(guān)管的選擇、功率器件保護(hù)電路的設(shè)計以及輸出濾波電路的設(shè)計等三個部分。主電路由正反兩組橋臂各由6 個晶閘管構(gòu)成，根據(jù)設(shè)計要求晶閘管的額定電壓應(yīng)該選擇為800 V，額定通態(tài)電流選為15 A。晶閘管器件的電壓和電流過載能力極差，尤其是耐壓能力，瞬時的過壓就會造成器件永久性的損壞，為了使器件能長期可靠地運(yùn)行，必須針對過壓和過電流發(fā)生的原因采取保護(hù)措施。交交變頻單元的輸出含有大量諧波，這樣會對負(fù)載產(chǎn)生不利影響，交交變頻單元的交流輸出必須接交流濾波器，使輸出電壓波形中的諧波含量降低，波形接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸出濾波電感選為40 mH，輸出濾波電容選擇耐壓450 V，8 滋F 的電解電容。

3 交交變頻單元的控制策略及其實現(xiàn)

3.1 交交變頻單元的控制策略

為了使交交變頻單元平均輸出電壓是正弦

波，必須對晶閘管的控制角琢進(jìn)行調(diào)制，由于交交變頻電路是作為工頻電源使用，輸出頻率較低，因此選用余弦交點法。余弦交點法對晶閘管觸發(fā)脈沖的控制是按照下面的原則進(jìn)行的，即使得變頻電路輸出電壓的瞬時值最接近于理論正弦電壓的瞬時值。把所要求的輸出頻率和相應(yīng)幅值的給定波形和電源同頻率的余弦同步波相比較，兩者的交點就是余弦交點法交交變頻電路的觸發(fā)時刻[3]。

由于利用單片機(jī)直接對琢角進(jìn)行計算是較費(fèi)時的，為了減少由于計算而引起的延時，可采用查表法。只要在存儲器中存放一個正弦函數(shù)表和一個反余弦函數(shù)表，根據(jù)需要的輸出頻率和電壓調(diào)制系數(shù)，實時進(jìn)行查表，查出相應(yīng)的琢值(延時常數(shù))，送給脈沖形成電路去觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。

3.2 控制電路的硬件設(shè)計

控制電路的功能是為交交變頻單元中的晶閘管提供驅(qū)動脈沖，同時為整機(jī)提供控制信號[4]。由于電機(jī)組的發(fā)動機(jī)頻率特性較差，導(dǎo)致其組成的發(fā)電機(jī)組電氣性能，尤其是頻率特性難以滿足要求，所以在控制電路中要采用電壓閉環(huán)反饋，以此來保證輸出電壓的頻率在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動時依然保持較好的穩(wěn)定性?？刂齐娐钒ㄍ叫盘柈a(chǎn)生電路、輸出過零檢測電路、過流保護(hù)電路、電壓反饋電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制電路的總體設(shè)計如圖4所示。

3.3 控制電路的軟件設(shè)計

采用PIC16F877 單片機(jī)的控制系統(tǒng)主程序要完成的主要功能有：參數(shù)初始化、起始同步脈沖的捕捉、移相控制角琢的計算并把琢轉(zhuǎn)化為定時時間、輸出正反組的判斷、觸發(fā)脈沖的輸出等。

PIC16F877 單片機(jī)的軟件編程采用主程序不斷循環(huán)，在中斷程序中完成各種控制。圖5 為主程序的流程圖[5]。

4 攜行發(fā)電機(jī)組交交變頻單元實驗

經(jīng)過大量的調(diào)試工作，交交變頻單元的輸出基本上達(dá)到了設(shè)計要求。在實驗過程中，我們記錄了交交變頻單元工作時的實驗波形。

圖6 為輸入線電壓及其同步脈沖實驗波形，

圖中的正弦波為三相輸入的線電壓Uab 的實驗波形，其有效值為226 V，頻率為400 Hz。圖中的方波為三相輸入的線電壓Uab的同步信號，該信號是由三相輸入的線電壓經(jīng)過同步電路后產(chǎn)生的，當(dāng)輸入線電壓為正半周時，同步電路輸出為高電平;當(dāng)輸入線電壓為負(fù)半周時，同步電路輸出為低電平。通過對輸入線電壓及其同步脈沖實驗波形的對比可以發(fā)現(xiàn)：同步脈沖的實驗波形和輸入線電壓波形實現(xiàn)了很好的同步關(guān)系，該同步波送入單片機(jī)可以為觸發(fā)控制脈沖的產(chǎn)生提供參考。

圖7 所示的實驗波形是在輸入為400 Hz 時主電路中一個晶閘管橋臂的驅(qū)動脈沖實驗波形。

觀察該實驗波形可以發(fā)現(xiàn)，在一個工頻周期(0.02 s)內(nèi)，該晶閘管有4 個觸發(fā)脈沖，并且這4 個觸發(fā)脈沖集中在半個周期之內(nèi)。通過該波形還可以發(fā)現(xiàn)這4 個觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時刻并不是均勻分布的，而是第一個和最后一個脈沖相對靠后，中間兩個脈沖相對提前的，這主要是因為各個脈沖的觸發(fā)脈沖是按照余弦交點法的原理產(chǎn)生的。

通過電能變換單元進(jìn)行的實驗可得輸出電壓波形如圖8 所示。輸出電壓幅值為220 V，頻率為50 Hz。從一個輸出工頻周期的波形可以清楚地看出：輸入為320 Hz 時(圖8 a)，對于一路線電壓，在半個輸出電壓周期內(nèi)約由3 個波段拼接出來，那么對于六路輸入線電壓在半個輸出電壓周期內(nèi)約由18個波段拼接出來;同理可以得到當(dāng)輸入為400 Hz 時(圖8 b)，半個輸出電壓周期約由22 個波段拼接出來;當(dāng)輸入為480 Hz 時(圖8 c)，半個輸出電壓周期約由27 個波段拼接出來。通過輸出電壓實驗波形的對比可以發(fā)現(xiàn)，輸入頻率越高，輸出電壓波形拼接的段數(shù)越多，輸出波形的正弦性也就越好。

5 結(jié)語

攜行發(fā)電機(jī)組的設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)形式打破了工頻發(fā)電機(jī)組的傳統(tǒng)供電模式，充分發(fā)揮高速中頻發(fā)電機(jī)組體積小，重量輕的優(yōu)勢，采用中頻發(fā)電機(jī)與交交變頻單元為一體的機(jī)電一體化技術(shù)，極大地減小發(fā)電機(jī)組的體積、重量，可滿足山地、野外等特殊環(huán)境的要求。