探讨如何解决处理某直流取力发电系统浪涌电压超问题

2020-09-16 274 上传者：管理员

摘要：本文介绍了某直流取力发电系统浪涌电压产生的机理，浪涌电压超调带来的安全隐患，并提出了解决方法以及试验验证结果。

关键词：
发电与发电系统
安全隐患
浪涌电压
直流取力发电系统
超调
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1、概述

近年来，随着可移动式自成体系多功能车辆逐渐增多，车载用电设备也在增加，传统模式一般采用外挂发电机组给设备供电，但是外挂机组一般要包含发动机、发电机、控制系统等一整套设备，占用车辆上装空间的同时，也带来一些其它问题。所以常常采用底盘下面挂取力的方式来解决，考虑到在某些工况下行车过程中需要保温、空调需要工作或其它检测设备需要电源，工频发电系统存在同步发电机发电频率和转速的定比例关系[1]，如公式（1):

式中：

f：发电频率

n：同步发电机转速

p：同步发电机极对数

而作为动力源的底盘发动机在行进过程中转速是不断变化的，无法满足定频使用，交流发电系统无法定频，所以采用直流取力发电系统。

2、直流取力发电系统存在的问题

该直流取力发电系统额定功率20kW，额定电压DC490V，转速范围1500r/min～6000r/min，要求在全转速范围内纹波电压不超过±25V；功率突变10kW时浪涌电压不高于80V，而实际测试过程中负载突加10kW时电压为414V，突卸10kW时电压为6000V，在系统试验的过程中，多次出现高压直流接触器因过压而损坏，同时鉴于用电设备的多样化，为防止该浪涌电压的超调造成其它设备故障，需对此浪涌电压超调进行控制。

图1突加10kW负载电压波形

图2突卸10kW负载电压波形

3、直流取力发电系统浪涌电压超调解决方法

3.1浪涌电压的原理

该直流取力发电系统主要有发电机、传动轴、发电机控制器等组成，发电机采用爪极式结构，发出的交流电源经不可控整流，然后滤波得到稳定的直流电源，这种结构相对简单，经济型比较好，所以电压是通过控制整流桥前端（即发电机）交流电压来达到控制直流电压的目的。

发电机的电压控制是通过一个电压调节板来实现的，电压调节板控制发电机的励磁线圈F1，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，不可控整流的输出电压也随之升高，反之发电机电压就降低，不可控整流后的直流电压降低。电压控制系统框图如图3。

图3电压控制系统图

其中RZ1为发电机励磁绕组，RZ2为发电机电枢绕组，L1、L2、L3为电压反馈回路。电压调节板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。电压采样值与调压板内部预设的电压基准值在PID调节及脉宽调制环节进行比较，根据两者差值大小输出占空比可调的PWM波形[2]，将其作为输出控制环节达林顿管的控制信号，达林顿管与发电机励磁绕组串联，通过控制达林顿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会升高，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，体现在不可控整流后输出就是浪涌电压。

3.2抑制浪涌电压超调的方法

根据发电机的调压原理分析，首先发电机在负载突然减小时电枢电流减小，发动机输出功率降低转速上升，发电机电枢反应降低，气隙磁场增强，在发动机转速升高和发电机气隙磁场增强的情况下发电机端电压升高，电压调节板检测到发电机电压高于额定电压，减小励磁功率输出，发电机磁场减小，发电机电压下跌，经过不断动态调整，发电机电压最终稳定在额定值。浪涌电压超调的是负载突变而发电机励磁调整的滞后性造成的，这是一个能量变化过程，通过调节发电机电压调节板的PID可以进行调整，但是通过观察突卸负载时的波形，如图2。从图2可知上升沿较陡峭，上升时间仅为70ms，根据实际调整情况，电压调节板的调节能力有限，无法达到降低浪涌电压的目的。

经过原理性分析，浪涌超调是发电机在突卸较大负载瞬时出现的，如果在检测到负载突卸（电压突升）的同时，增加一个小功率补偿，然后在电压恢复到一定值时把补偿负载切除，就能将发电机多余的能量泄放掉，发电机浪涌超调就能得解决。

3.3试验情况

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。控制流程如下：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530V（考虑到电压波动，所以设定为530V投入）→投入负载为突加过程用来抑制电压上升→400ms时间后负载释放（为考虑经济性和体积，泄放负载3kW设定为短时工作制，且加装有温度开关，防止温度过高）→突卸此小负载→电压增加（不超过规定值）。

经过计算和试验验证泄放负载选择3kW既能保证泄放功率，同时保证了泄放电路本身释放时电压也不超标，试验结果如图4，增加泄放模块后，取力发电系统在突卸10kW负载时浪涌电压能控制在62V，满足系统要求。研制的泄放模块如图5。

图4加泄放模块后突卸10kW负载试验结果

图5泄放模块工程样板图

4、结论

该直流取力发电系统通过增加泄放单元，能够有效解决大功率负载突卸带来的电压超调，避免浪涌保护和用电设备的过压烧毁。

参考文献：

[1]中小型电机设计手册[M].北京:机械工业出版社.1994

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社.2000.

吴东建,李沛霖,杨淑霞.某直流取力发电系统浪涌电压超调解决方法[J].移动电源与车辆,2020(03):50-53.