多台发电机的功率分配控制

众所周知船舶电网不同于岸上电网，船舶电网容量小，并且船用负载多为电动机类的电感性负载，所以他们的功率很大，有时可以和发电进的容量相比较，有时又会负载消耗非常小，所以他们的波动非常大，故我们需要对发电机系统进行控制以达到对船舶电量的合理利用。

当外界的负载变化时我们需要调节发电机端的电压，而发电机端电压可以通过调节发电机的频率f和其磁通来实现，但是当频率变化时会改变发电机输出交流电的电压。所以我们通过采用改变磁通的办法来实现发电机端电压的变化。

一实验原理

本次作业我主要采用数字式励磁调节器根据外界的负载对发电机进行励磁调节。以实现发电机端电压的稳定以及在发电机并联运行时能够合理的分配无功功率。

本次以两个发电机为例子进行设计，其也可以推广到多个电机并联运行的情况。

此次设计主要用到IGBT来控制励磁，发电机的电压和电流则通过电压互感器和电流互感器采集分两路传送到单片机，一路传送到单片机的AD端，经过转化在单片机内部程序计算其电压电流大小，进而得到有功功率和无功功率，另一路通过电压比较器转化为方波输入到单片机得到其发电机的交流电压和电流频率。然后根据转化的各项数据决定电机发电量的增加还是减少，其信息转化为增磁还是减磁的信号送到单片机由单片机通过自身的捕获比较单元生成PWM波来控制IGBT开关的开停，进而来控制电机的励磁。两个电机各由一个单片机控制，两个单片机之间通过CAN来进行通信。

另外本次作业设计中IGBT的驱动模块和缓冲电路以及栅极保护电路的模块不进行讨论。

发电机根据实际负载的大小决定是否并机运行，其开机停机信号以数字量送到单片机的内部，另外电动机的启动方式采用外接蓄电池的他励启动，本次忽略电机的启动失败的情况。其他故障报警也忽略。

其总的控制原理图如图1所示

二各个模块电路介绍

本次作业的设计单片机主要采用我们实验室常用英飞凌16位单片机XC2267，因为英飞凌是基于汽车和工业控制的单片机，能够适应恶劣的工作环境。并且片上资源比较丰富，自身带的捕获比较单元CCU6也是专门针对无刷电机的控制，故本次以英飞凌XC2267为控制芯片。

1.励磁主回路电路设计

励磁主回路是为同步发电机励磁绕组提供励磁电流的，其中包括发电机励磁绕组、励磁变压器、三相整流桥、滤波电容、IGBT、起励电路、励磁绕组过压保护电路。其简化电路图如图2所示

图2 励磁主电路

其工作原理是，励磁变压器将发电机端的交流电经过励磁变压器进行电变换，再经过整流和滤波为主电路部分提供能量来源。IGBT 的集电极一发射极和发电机励磁绕组串联在主电路中。通过改变PWM 波的占空比（通过英飞凌XC2267的捕获比较单元）来调节IGBT 的导通时间，进而可以达到调节加在励磁绕组上电压的目的。与励磁绕组并联的续流二极管D2起到在IGBT 关断期间给励磁绕组续流，二极管与励磁绕组形成回路，让励磁绕组中有持续的电流流过，非线性电阻组成保护电路，延时开关Kl 和二极管D4和蓄电池组成起励电路

2.IGBT 电路设计

发电机的励磁控制本次采用IGBT ，由于其不仅具有MOS 管的高输入阻抗，驱动功率小，开关速度快，还具有双极性器件的饱和压降低得有点，故本次用它来作为励磁的控制开关，其等效电路图如图1所示

图

3

G

当在栅极G和发射极C之间加上合适的正电压时其MOS管导通，则NPN的集电极和基极之间导通，当栅极和发射极之间电压为0V时则其器件截至。IGBT 和MOS管一样是电压控制型器件，故其消耗功率非常小。

3.起励电路设计

其起励电路的电路原理图如下图2所示

图4 起励电路

起励回路如图所示。电路板上留有蓄电池接口，用于发电机起动时将蓄电池接入主电路。开关K1选用延时断开开关，时间根据实际情况自己设置.因为通常当定时时间到达后，开关Kl自动断开。这时机端电压己经足够使励磁控制系统工作起来。二极管D1的作用是，避免在起励过程中，随之主回路电压的升高，电流倒灌蓄电池。其中的非线性电阻在电压比较小时呈现高阻状态，当电压变大时其电阻迅速减小，使自身通过大电流，从而对励磁线圈起到保护作用。

4.电源模块设计

本次设计电源模块考虑到需要的电压比较广，本次电源采用来自发电机两端电源，采用三端稳压器来转换电压。其电路如图5所示。

图5 电源模块设计

系统电源取自发电机的线电压，经过带正负抽头变压器的变换，转换成峰值为-25V到+25V的正弦交流电，再经过整流桥整流和电容滤波及7805、7815、7915、7820这些三端稳压器的稳压最终为整个电路提供巧+5V，+20V，+l5V，-15V电压。由于英飞凌AD支持+5V电压，故本次设计没有外加DC-DC的+5V转3.3V的电路。其电路如图5所示

5.数字量输入设计

本次设计的数字量输入主要包括启动、停机、增磁和减磁的输入，其电路图如图6所示

图6 数字量输入电路

由于当电机启动时要用蓄电池来进行励磁，并且当一台电动机进行卸载时其不能立即停下，只能通过减磁来慢慢卸载，同理对于发电机并机时同样需要慢慢增磁，并且通过CAN通信实现两台电机的频率一致，故本次设计了启动，停止，增磁和减磁按钮来实现上述操作。其中当启动按钮按下时通过单片机通知蓄电池进行起始励磁的准备，同样当负载减少时，一台电机需要卸载时，按下停止按钮，通知单片机要进行卸载，进而通过减磁按钮来逐渐实现减磁卸载。在电动机运行期间通过单片机得到的各个参数来决定增磁还是减磁，通过相应按钮控制单片机的相应模块运行，进而达到增磁和减磁的目的。

6.通讯模块

当两台电机之间并机运行时要相互之间通信以实现功率的合理分配和频率的协调一致。而在数据通信时我们的选择有并行和串行通信，对于并行通讯其传输速度快，但是需要线多，在远距离传输时比较不经济，故本次采用CAN通信，一方面因为平常对CAN接触的比较多，对其协议有一定的了解，另一方面英飞凌XC2267自身带有multiCAN模块，便于进行CAN的通信。其电路图如图7所示

图7 CAN通讯电路图

三软件流程