变频交流异步发电机电源控制系统和具有其的异步发电机.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010755011.6 (22)申请日 2020.07.31 (71)申请人 江苏华力易电科技有限公司 地址 213300 江苏省常州市溧阳市溧城镇 南环路26号4楼425、 427室 (72)发明人 李光伟 (74)专利代理机构 常州至善至诚专利代理事务 所(普通合伙) 32409 代理人 赵旭 (51)Int.Cl. H02P 9/30(2006.01) (54)发明名称 变频交流异步发电机电源控制系统和具有 其的异步发电机 (57)摘要 本发明公开了一种变频交流异步发。

2、电机电 源控制系统和具有其的异步发电机， 变频交流异 步发电机电源控制系统包括： 高速处理器， 能够 检测发电机转速和进行AD检测， 并能够快速运算 输出多路PWM脉冲； 转速传感器， 检测发电机转 速， 处理器运算后向异步电机定子绕组输出具有 预设转差率的三相正弦波励磁电压， 电磁转速N2 滞后转子转速N1； 光隔离驱动器， 驱动第一IGBT 模组对外部电机产生滞后转子转速的旋转磁场； DC/DC电源隔离模块， 在转子感应电压产生磁场 后， 切割定子线圈产生交流电压； SPWM光隔离驱 动； 第二IGBT模组， 将经过SPWM光隔离驱动隔离 后的载波对直流电压进行逆变。 该变频交流异步 发电。

3、机电源控制系统可以实现变频控制， 提高发 电机效率。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 111740661 A 2020.10.02 CN 111740661 A 1.一种变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 包括： 高速处理器， 所述高速处理器能够检测发电机转速和进行AD检测， 经过运算产生具有 预设转差率的三相SWPM载波并输出； 转速传感器， 所述转速传感器检测发电机转速， 经处理器运算后向异步电机定子绕组 输出具有所述预设转差率的三相正弦波励磁电压， 电磁转速N2滞后于转子转速N1； 光隔离驱动器， 所述光隔离驱动器驱动第一IGBT模组对外部电机产生滞后转子转速的 。

4、旋转磁场； DC/DC电源隔离模块， 所述DC/DC电源隔离模块给母线、 主机的工作电源和电机起励电 源供电， 在转子感应电压产生磁场后， 切割定子线圈产生交流电压； SPWM光隔离驱动， 所述SPWM光隔离驱动对在DC_BUS直流母线稳定后， 启动逆变SPWM载 波并输出的载波进行隔离； 第二IGBT模组， 将经过所述SPWM光隔离驱动隔离后的载波对直流电压进行逆变。 2.根据权利要求1所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 所述高速处 理器为DSP处理器或ARM处理器。 3.根据权利要求2所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 所述预设转 差率为3%-15%。 。

5、4.根据权利要求1所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 还包括： LC滤波电路， 所述LC滤波电路能够将滤波平滑后转成标准的正弦波电压。 5.根据权利要求4所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 还包括： 输出电压检测器， 所述输出电压检测器能够对经过所述LC滤波电路转化的正弦波电压 进行检测。 6.根据权利要求5所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 还包括： 输 出电流检测器， 所述输出电流检测器能够对所述正弦波电压进行检测。 7.根据权利要求1所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 所述高速处 理器、 所述转速传感器、 所述光隔离。

6、驱动器、 所述DC/DC电源隔离模块、 所述SPWM光隔离驱动 和所述第二IGBT模组装配在同一块电路板上。 8.根据权利要求7所述的变频交流异步发电机电源控制系统， 其特征在于， 还包括： 壳体， 所述壳体为铝合金外壳， 所述壳体上设有所述电路板； 散热片， 所述散热片设于所述壳体。 9.一种变频交流异步发电机， 其特征在于， 包括权利要求1-8中任一所述的变频交流异 步发电机电源控制系统。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111740661 A 2 变频交流异步发电机电源控制系统和具有其的异步发电机 技术领域 0001 本发明属于电力电子技术领域， 特别是采用车载原发动机作输出动力时， 。

7、发电机 转速大幅度变化， 通常从700RPM到6000RPM变化， 而且能够保证稳定输出电压和频率的一种 低失真度正弦波的变频交流异步发电机电源控制系统和具有其的异步发电机。 背景技术 0002 目前， 异步发电机都是工频发电机， 比如早期的风力发电机， 利用转速超前， 电网 频率滞后的方式励磁发电。 电力电子技术发展后， 也有用IGBT控制SPWM进行励磁发电， 然后 通过电感电容滤波后输出工频电能。 他们共同的特点频率低， 定频50HZ输出， 体积大， 笨重， 效率低。 如图1所示是新型励磁方式的异步发电机， 1是交流异步发电机， 2是用IGBT组成 SPWM励磁控制器， 3是交流输出LC。

8、滤波器， 输出三相工频电能。 0003 然而， 在采用舰船和汽车的原发动机来驱动发电机输出稳定的工频电源， 这种异 步发电机和同步发电机都无法满足需求了。 0004 因此， 人们迫切需要一种能够适应汽车动力和舰船动力， 输出高质量电源的一种 取力发电机。 发明内容 0005 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。 0006 为此， 本发明提供一种变频交流异步发电机电源控制系统和具有该控制系统的异 步发电机可以实现变频控制， 提高发动机效率。 0007 根据本发明第一方面实施例的变频交流异步发电机电源控制系统， 包括： 高速处 理器， 所述高速处理器能够检测发电机转速和AD检测， 经过。

9、运算产生具有预设转差率的三 相SWPM载波并输出； 转速传感器， 所述转速传感器检测发电机转速， 经处理器运算后向异步 电机定子绕组输出具有所述预设转差率的三相正弦波励磁电压， 电磁转速N2滞后于转子转 速N1； 光隔离驱动器， 所述光隔离驱动器驱动第一IGBT模组对外部电机产生滞后转子转速 的旋转磁场； DC/DC电源隔离模块， 所述DC/DC电源隔离模块给母线、 主机的工作电源和电机 起励电源供电， 在转子感应电压产生磁场后， 切割定子线圈产生交流电压； SPWM光隔离驱 动， 所述SPWM光隔离驱动对在DC_BUS直流母线稳定后， 启动逆变SPWM载波并输出的载波进 行隔离； 第二IGB。

10、T模组， 将经过所述SPWM光隔离驱动隔离后的载波对直流电压进行逆变。 0008 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统， 能够克服现有的异步发 电机在工作时， 需要保证输出固定的频率， 发动机工作在固定转速， 笨重体积大、 功率密度 低、 效率低的缺点， 根据本发明实施例的控制系统， 可以用转速范围大幅度变化比如汽车、 舰船等发动机输出做发动机驱动力的场合。 0009 根据本发明的一个实施例， 所述高速处理器为DSP处理器或ARM处理器。 0010 根据本发明的一个实施例， 所述预设转差率为3%-15%。 0011 根据本发明的一个实施例， 所述的变频交流异步发电机电源控制系统还包。

11、括： LC 说明书 1/6 页 3 CN 111740661 A 3 滤波电路， 所述LC滤波电路能够将滤波平滑后转成标准的正弦波电压。 0012 根据本发明的一个实施例， 所述的变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 输 出电压检测器， 所述输出电压检测器能够对经过所述LC滤波电路转化的正弦波电压进行检 测。 0013 根据本发明的一个实施例， 所述的变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 输 出电流检测器， 所述输出电流检测器能够对正弦波电压进行检测。 0014 根据本发明的一个实施例， 所述高速处理器、 所述转速传感器、 所述光隔离驱动 器、 所述DC/DC电源隔离模块、 所述SPWM光。

12、隔离驱动和所述第二IGBT模组装配在同一块电路 板上。 0015 根据本发明的一个实施例， 所述的变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 壳 体， 所述壳体为铝合金外壳， 所述壳体上设有所述电路板； 散热片， 所述散热片设于所述壳 体。 0016 根据本发明第二方面实施例的变频交流异步发电机， 包括上述任一实施例所述的 变频交流异步发电机电源控制系统。 0017 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中变 得明显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0018 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解， 其中： 图1。

13、是现有技术的同步发电机的系统图； 图2是根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统的电路系统图。 0019 图3是根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统的电路系统控制原 理图。 0020 附图标记： 鼠笼转子1； 定子2； 转速传感器3； 第一IGBT模组5； 电压隔离二极管6； 第一光隔离驱动器7； 第二光隔离驱动器9； 第二IGBT模组10； LC滤波电路11； 输出电压检测器13； 输出电流检测器14； 第一DC/DC电源隔离模块15； 第二DC/DC电源隔离模块16； 高速处理器18。 具体实施方式 0021 下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出，。

14、 其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 说明书 2/6 页 4 CN 111740661 A 4 0022 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽度” 、 “厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底”“内” 、“外” 、“顺时 针” 、“逆时针” 、“轴向” 、“径向” 、“周向” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或 位置关系，。

15、 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 此外， 限 定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。 在本发明的 描述中， 除非另有说明，“多个” 的含义是两个或两个以上。 0023 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可 以是机械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可。

16、以是 两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 0024 下面参考附图具体描述根据本发明第一方面实施例变频交流异步发电机电源控 制系统。 0025 如图2和图3所示， 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统， 包括： 高速处理器18、 转速传感器3、 第一光隔离驱动器7、 DC/DC电源隔离模块、 第二光隔离驱动器 9和第二IGBT模组10。 0026 具体而言， 高速处理器18能够检测发电机转速和进行AD检测， 经过运算产生具有 预设转差率的三相SWPM载波并输出， 转速传感器3检测发电机转速， 经处理器运算后向异步 电。

17、机定子绕组输出具有预设转差率的三相正弦波励磁电压， 电磁转速N2滞后于转子转速 N1， 第一光隔离驱动器7驱动第一IGBT模组5对外部电机产生滞后转子转速的旋转磁场， DC/ DC电源隔离模块给母线、 主机的工作电源和电机起励电源供电， 在转子感应电压产生磁场 后， 切割定子线圈产生交流电压， 第二光隔离驱动器9对在DC_BUS直流母线稳定后， 启动逆 变SPWM载波并输出的载波进行隔离， 将经过第二光隔离驱动器9隔离后的载波对直流电压 进行逆变。 0027 其中， DC/DC电源隔离模块包括第一DC/DC电源隔离模块15和第二DC/DC电源隔离 模块16， 为了保证系统可靠地工作， 主板的各。

18、部分的工作电源和电机起励电源采用第一DC/ DC电源隔离模块15、 第二DC/DC电源隔离模块16供电方式， 车载蓄电池与电源模块的输入端 相连， 通过DC/DC电源隔离模块把各组电压与各个工作部分相连， 各组电源的隔离电压达到 3000V以上， 避免互相干扰， 使其更安全可靠。 此外， 初始电压由第一DC/DC电源隔离模块15 通过电压隔离二极管6给母线供电。 0028 也就是说， 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统通过转速传感 器3能够输出预设转差率 （也成为异步率） 的三相正弦波驱动电压给异步电机定子绕组， 转 子感到电压后， 利用转子转速N1大于电磁转速N2,来实现异步电。

19、机发电， 精准转差自适应控 制， 可以稳定提高异步发电机15%的效率， 实现转速变化与发电机频率的变频控制。 0029 需要说明的是， 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统的控制原 理是根据电磁转速N2大于转子转速N1时是异步电动机， 转子转速N1大于电磁转速N2是异步 发电机的特点， 根据本发明实施例的控制系统能够输出滞后转子转速三相正弦波电压， 加 在定子2的线圈L1、 L2、 L3上， 使鼠笼转子1感应到电压， 形成磁场， 旋转切割定子线圈， 输出 说明书 3/6 页 5 CN 111740661 A 5 稳定的交流电压。 0030 根据本发明的一个实施例， 高速处理器18为。

20、DSP处理器或ARM处理器。 微电脑控制 器采用高性能DSP处理器 （或ARM处理器） ， 抗干扰能力强， 有高精度的A/D接口， 以及PWM模块 和CAN通讯功能， 可以很方便地使用其内部的硬件就可以产生多路SPWM波形和转速脉冲捕 捉控制， 使电路设计相当简化， 可靠性高， 便于大量推广和使用。 该系统采用高速DSP处理器 （或ARM处理器） 控制， 在主回路图2中， 由第一IGBT模组5的Q1-Q6组成对异步发电机的三相 旋转励磁控制， 采用SPWM,相位角互为120 的正弦波调制； 由第一IGBT模组5的D1-D6对电机 输出交流电压整流， 经过电容C1滤波后得到稳定的直流母线电压 （。

21、DC_BUS),由第二IGBT模 组10的Q7-Q10组成逆变H桥输出SPWM载波， 经过LC滤波电路11后输出稳定的220V/50HZ工频 电压。 输出的电压、 频率、 最大电流都是通过软件来控制， 在不改变硬件结构的情况下， 可以 很方便地将输出电压设定为220V/50Hz、 240V/60Hz、 120V/60Hz、 115V/400Hz等， 能够适应所 有用电设备的需求。 0031 DSP处理器的RPM端口检测到发电机转速， 运算产生一定转差率的三相SWPM载波由 1PWM1-1PWM6输出。 0032 可选地， 在软件设计上器件ID注册码锁定加密等技术， 能够更好地保护发明者的 利益。

22、。 0033 优选地， 预设转差率为3%-15%。 0034 在本发明的一些具体实施方式中， 变频交流异步发电机电源控制系统还包括： LC滤波电路11， LC滤波电路11能够将滤波平滑后转成标准的正弦波电压。 0035 进一步地， 变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 输出电压检测器， 输出电压 检测器能够对经过LC滤波电路转化的正弦波电压进行检测。 0036 可选地， 变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 输出电流检测器， 输出电流检 测器能够对正弦波电压进行检测。 0037 根据本发明的一个实施例， 高速处理器18、 转速传感器3、 第一光隔离驱动器7、 DC/ DC电源隔离模块、 第。

23、二光隔离驱动器9和第二IGBT模组10装配在同一块电路板上。 0038 进一步地， 变频交流异步发电机电源控制系统还包括： 壳体和散热， 壳体为铝合金 外壳， 壳体上设有电路板， 散热片安装在壳体中， 引出相关的接口端子。 0039 根据本发明实施例的变频交流异步发电机， 包括任一实施例的变频交流异步发电 机电源控制系统。 0040 总而言之， 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统至少具有以下 优点： （1） 通过转速传感器3， 检测电机转速， 经处理器运算后输出一定转差率 （也称为： 异步 率， 通常3%-15%） 的三相正弦波驱动电压给异步电机定子绕组， 转子感到电压后， 利用。

24、转子 转速N1大于电磁转速N2,来实现异步电机发电， 精准转差自适应控制， 可以稳定提高异步发 电机15%的效率， 实现转速变化与发电机频率的变频控制。 0041 （2） 电机的输出绕组也是励磁绕组， 通过控制SPWM的调制系数实现稳定的直流电 压(比如400V)输出， 没有额外的励磁绕和滑环， 电机不需要定期维护。 0042 （3） 根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统能够利用电机的输出 线圈作为电感与IGBT、 二极管、 电容组成升压斩波电路 （boost升压电路） ， 实现了电机输出 说明书 4/6 页 6 CN 111740661 A 6 电压低时也能够稳定母线直流电压。 。

25、比如： 当定子2的L1相输出正半周电压时， Q2通过PWM控 制导通L1蓄能， Q2截至后， L1通过D1、 C1放出能量， 实现升压， 控制Q2的脉宽比例实现直流母 线电压稳定。 同理： L2、 Q4、 D3、 C1； L3、 Q5、 D5、 C1组成另外两相的升压电路， 实现了电机在三 相输出电压只有十几伏都能够稳定母线电压的目的。 需要说明的是， 其中定子2的L1、 L2、 L3 是发电机的输出主绕组， 即三相线圈， 通常称的ABC绕组。 Q1-Q6是电力电子功率器件IGBT, 内部带的快速二极管D1-D6。 Q7-Q10是不带二极管的IGBT。 0043 （4） 通过转速传感器3， 跟。

26、踪转子转速 （电机的机械转速） 。 0044 运算处理器输出励磁转速 （改变SPWM调制波正弦波频率， PWM频率固定， 保持设定 转差率） 随其变化， 适应了转速在700RPM-6000RPM变化都能够发电的需求。 0045 （5） 同规格、 同转速的电机可以实现并联， 减小发电机体积， 安装使用方便灵活。 0046 （6） 采用逆变后级和LC滤波电路11实现高品质的各种需求电压输出， 由单片机控 制输出频率和电压， 容易通过软件设置改变电压和频率， 比如： 220V/50Hz、 240V/60Hz、 120V/60Hz、 115V/400Hz等。 0047 （7） 由于实现了变频控制， 可。

27、以把发电机设计成更多的极数， 提高功率密度、 减小 发电机体积和重量， 降低铁损和铜损， 提高发电机效率。 0048 下面详细说明根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统的工作流 程。 0049 在电路板上， DSP处理器的RPM端口检测到发电机转速， 就运算产生一定转差率的 三相SWPM载波由1PWM1-1PWM6输出， 再经第一光隔离驱动器7驱动第一IGBT模组5的Q1-Q6对 外部电机产生滞后转子转速的旋转磁场， 初始电压由第一DC/DC电源隔离模块15通过电压 隔离二极管6给母线供电， 转子感应电压产生磁场后， 切割定子2的L1、 L2、 L3产生交流电压， 电压逐渐上升， 经。

28、过D1-D6整流、 电容C1滤波后稳压成如400V的DC直流电压 （可根据输出需 求电压设定稳压值） ， AD4直流电压检测端口反馈DSP处理器， 控制三相SWPM载波调制度来实 现直流稳压。 电机输出电流检测器部分判定三相是否平衡， 发电机是否有工作正常。 0050 DC_BUS稳定之后， 启动逆变SPWM载波， 由2PWM1-2PWM4端口输出， 经过第二光隔离 驱动器9隔离后驱动第二IGBT模组10对400V进行逆变， 再由LC滤波电路11平滑滤波后转成 标准的正弦波电压， 输出电压检测器13对正弦波电压进行检测， 检测值送DSP处理器的AD5 端口与软件设定的输出电压值进行比较， 然后。

29、对SPWM载波的调制幅度进行控制， 当电压低 时增加调制幅度， 电压高时减小调制幅度， 以稳定输出的正弦波电压； 正弦波电压再经输出 电流检测器14后送到用户插座供负载使用， AD6端口将电流信号送往DSP处理器， 以便作输 出功率， 做过载、 过流、 短路判定， 启动相应的保护功能。 0051 原动机通过皮带或者轴把旋转动力传输给M异步电机 （包括鼠笼式异步电机盒盘 式异步电机） 。 0052 由于根据本发明实施例的变频交流异步发电机电源控制系统在不改变硬件结构 的情况下， 可以很方便地将输出电压设定为220V/50Hz、 240V/60Hz、 120V/60Hz、 115V/400Hz 等。

30、， 能够适应所有用电设备的需求等优点， 而根据本发明实施例的电机包括变频交流异步 发电机电源控制系统， 因此根据本发实施例的电机也具有发电机效率高等优点。 0053 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示意性实施例” 、 “示例” 、“具体示例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结 说明书 5/6 页 7 CN 111740661 A 7 构、 材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的 示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 0054 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 本领域的普通技术人员可以理解： 在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换和变型， 本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。 说明书 6/6 页 8 CN 111740661 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 111740661 A 9 图2 说明书附图 2/3 页 10 CN 111740661 A 10 图3 说明书附图 3/3 页 11 CN 111740661 A 11 。