携行发电机组交交变频单元的设计

0 引言

就发电机组的小型化问题，已经有生产厂家采用国外先进的汽油机作为发电机组的原动机和工频发电机来组成发电机组，但工频发电机组体积的缩小与重量的降低，受自身的特点和生产技术的制约，1 kW 的工频发电机组重量一般在20 kg以上，显然机组的重量仍然显得较重。携行发电机组主要是采用高速的内燃机和中频永磁发电机达到了小型化的目的，这也必将导致发电机的输出频率不是工频，而通用设备大都是以工频交流电作为输入电源，所以有必要研制一种装置来实现交交变频的功能。

1 携行发电机组的系统组成

携行发电机组由高速汽油发动机、永磁中频发电机和交交变频单元三部分组成，其系统组成如图1所示。交交变频单元作为携行发电机组的功率输出单元，其作用是将中频发电机输出的频率不稳定的中频交流电进行频率变换，转换为稳频稳压的工频正弦交流电，以满足携行设备对供电的需求。

2 交交变频单元主电路的原理与设计

2.1 主电路的工作原理

携行发电机组交交变频单元由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，晶闸管关断是通过电源交流电压的自然换相来实现的，P 组和N 组都是相控整流电路，其结构如图2 所示[1]。P组工作时，负载电流i0 为正;N 组工作时，i0 为负;两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电;改变切换频率，就可改变输出交流电的频率;改变变流电路的控制角琢，就可以改变交流输出电压幅值。为使输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对琢角进行调制，如图3 所示，在半个周期内让P 组琢角按正弦规律从90毅减到0毅或某个值，然后再增加到90毅，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，而后再减到零，如图3中虚线所示。另外半个周期可以通过对变流器的N组进行同样的控制得到[2]。

2.2 主电路的设计

携行发电机组交交变频单元主电路设计包括：功率开关管的选择、功率器件保护电路的设计以及输出滤波电路的设计等三个部分。主电路由正反两组桥臂各由6 个晶闸管构成，根据设计要求晶闸管的额定电压应该选择为800 V，额定通态电流选为15 A。晶闸管器件的电压和电流过载能力极差，尤其是耐压能力，瞬时的过压就会造成器件永久性的损坏，为了使器件能长期可靠地运行，必须针对过压和过电流发生的原因采取保护措施。交交变频单元的输出含有大量谐波，这样会对负载产生不利影响，交交变频单元的交流输出必须接交流滤波器，使输出电压波形中的谐波含量降低，波形接近标准正弦波，输出滤波电感选为40 mH，输出滤波电容选择耐压450 V，8 滋F 的电解电容。

3 交交变频单元的控制策略及其实现

3.1 交交变频单元的控制策略

为了使交交变频单元平均输出电压是正弦

波，必须对晶闸管的控制角琢进行调制，由于交交变频电路是作为工频电源使用，输出频率较低，因此选用余弦交点法。余弦交点法对晶闸管触发脉冲的控制是按照下面的原则进行的，即使得变频电路输出电压的瞬时值最接近于理论正弦电压的瞬时值。把所要求的输出频率和相应幅值的给定波形和电源同频率的余弦同步波相比较，两者的交点就是余弦交点法交交变频电路的触发时刻[3]。

由于利用单片机直接对琢角进行计算是较费时的，为了减少由于计算而引起的延时，可采用查表法。只要在存储器中存放一个正弦函数表和一个反余弦函数表，根据需要的输出频率和电压调制系数，实时进行查表，查出相应的琢值(延时常数)，送给脉冲形成电路去触发相应的晶闸管。

3.2 控制电路的硬件设计

控制电路的功能是为交交变频单元中的晶闸管提供驱动脉冲，同时为整机提供控制信号[4]。由于电机组的发动机频率特性较差，导致其组成的发电机组电气性能，尤其是频率特性难以满足要求，所以在控制电路中要采用电压闭环反馈，以此来保证输出电压的频率在发动机转速波动时依然保持较好的稳定性。控制电路包括同步信号产生电路、输出过零检测电路、过流保护电路、电压反馈电路和单片机控制系统，控制电路的总体设计如图4所示。

3.3 控制电路的软件设计

采用PIC16F877 单片机的控制系统主程序要完成的主要功能有：参数初始化、起始同步脉冲的捕捉、移相控制角琢的计算并把琢转化为定时时间、输出正反组的判断、触发脉冲的输出等。

PIC16F877 单片机的软件编程采用主程序不断循环，在中断程序中完成各种控制。图5 为主程序的流程图[5]。

4 携行发电机组交交变频单元实验

经过大量的调试工作，交交变频单元的输出基本上达到了设计要求。在实验过程中，我们记录了交交变频单元工作时的实验波形。

图6 为输入线电压及其同步脉冲实验波形，

图中的正弦波为三相输入的线电压Uab 的实验波形，其有效值为226 V，频率为400 Hz。图中的方波为三相输入的线电压Uab的同步信号，该信号是由三相输入的线电压经过同步电路后产生的，当输入线电压为正半周时，同步电路输出为高电平;当输入线电压为负半周时，同步电路输出为低电平。通过对输入线电压及其同步脉冲实验波形的对比可以发现：同步脉冲的实验波形和输入线电压波形实现了很好的同步关系，该同步波送入单片机可以为触发控制脉冲的产生提供参考。

图7 所示的实验波形是在输入为400 Hz 时主电路中一个晶闸管桥臂的驱动脉冲实验波形。

观察该实验波形可以发现，在一个工频周期(0.02 s)内，该晶闸管有4 个触发脉冲，并且这4 个触发脉冲集中在半个周期之内。通过该波形还可以发现这4 个触发脉冲的触发时刻并不是均匀分布的，而是第一个和最后一个脉冲相对靠后，中间两个脉冲相对提前的，这主要是因为各个脉冲的触发脉冲是按照余弦交点法的原理产生的。

通过电能变换单元进行的实验可得输出电压波形如图8 所示。输出电压幅值为220 V，频率为50 Hz。从一个输出工频周期的波形可以清楚地看出：输入为320 Hz 时(图8 a)，对于一路线电压，在半个输出电压周期内约由3 个波段拼接出来，那么对于六路输入线电压在半个输出电压周期内约由18个波段拼接出来;同理可以得到当输入为400 Hz 时(图8 b)，半个输出电压周期约由22 个波段拼接出来;当输入为480 Hz 时(图8 c)，半个输出电压周期约由27 个波段拼接出来。通过输出电压实验波形的对比可以发现，输入频率越高，输出电压波形拼接的段数越多，输出波形的正弦性也就越好。

5 结语

携行发电机组的设计思路和结构形式打破了工频发电机组的传统供电模式，充分发挥高速中频发电机组体积小，重量轻的优势，采用中频发电机与交交变频单元为一体的机电一体化技术，极大地减小发电机组的体积、重量，可满足山地、野外等特殊环境的要求。