永磁發電機穩壓裝置及採用脈衝寬度調製技術調節電壓的方法
2023-07-10 18:39:41
專利名稱：永磁發電機穩壓裝置及採用脈衝寬度調製技術調節電壓的方法
技術領域：
本發明涉及發電機輸出電壓穩壓技術，特別是一種採用脈衝寬度調製技術調節輸出電壓的永磁發電機穩壓裝置及一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸 出電壓的方法。
背景技術：
目前，在航空器、輪船、汽車、工程機械的供電中，採用永磁發電機越來越普遍。永 磁發電機用於上述用途時，其工作轉速變化範圍大，因而輸出電壓變化範圍也大，轉速高時 輸出電壓高，轉速低時輸出電壓低，有時甚至相差1-3倍。為了穩定輸出電壓，已有的技術 採用機械或電子開關並聯短路電能洩放法、機械或電子調節串聯電阻降壓法、單相或三相 半控可控矽橋式整流電路穩壓法等穩壓方式。如現在普遍採用的三相半控可控矽橋式整流 電路穩壓方式，在大電流的使用條件下存在可控矽功率損耗大、溫升高、沒有過電流和短路 保護功能，不能按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲線對蓄電池充電，也不能進行 溫度補償的缺點。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種電路可靠、工作效率高、功 率損耗低、具有過電壓、過電流、短路保護和蓄電池連接反向保護功能、能夠按照蓄電池的 最佳蓄電池可接受充電電流曲線對蓄電池充電、同時對蓄電池充電進行溫度補償的採用脈 衝寬度調製(PWM)技術調節輸出電壓的永磁發電機穩壓裝置及一種採用脈衝寬度調製技 術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電壓的方法。本發明的技術方案是一種採用脈衝寬度調製技術調節輸出電壓的永磁發電機穩 壓裝置，由整流二極體1、整流二極體2、整流二極體3、單向可控矽4、單向可控矽5、單向可 控矽6、整流二極體7、整流二極體8、整流二極體9、濾波電容器10、半導體功率開關器件 11、偏置電阻12、偏置電阻13、續流二極體D14、濾波電感15、高邊電流採樣電阻16、輸出 端子17、輸出端子18、輸出端子19、電壓採樣電阻20、電壓採樣電阻21、低邊電流採樣電阻 22、偏置電阻23、驅動三極體24、限壓保護電路25、直流穩壓電源電路26、單片計算機電路 27、高邊電流檢測電路28、負載穩壓輸出電路29、溫度補償電路30、濾波電容31、反向保護 二極體32、輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35組成。輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35端加載永磁三相交流發電機的三相交流電 壓。輸入端子33連接整流二極體1正極、單向可控矽4陰極和整流二極體7正極，輸入端 子34連接整流二極體2正極、單向可控矽5陰極和整流二極體8正極，輸入端子35連接整 流二極體3正極、單向可控矽6陰極和整流二極體9正極。整流二極體7、整流二極體8、整 流二極體9負極均連接到限壓保護電路25的電壓信號輸入Vin端和直流穩壓電源電路26 的電壓輸入Vin端，直流穩壓電源電路26的電壓輸出+5V端連接到單片計算機電路27的電源+5V端、高邊電流檢測電路28的電源+5V端和溫度補償電路30的電源+5V端，直流穩 壓電源電路26的GND端連接到公共地線。整流二極體D1、整流二極體D2、整流二極體D3 的負極均連接到濾波電容器10正極，濾波電容器10負極和單向可控矽4、單向可控矽5、單 向可控矽6的陽極均連接到公共地線，單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6的控制極 均連接到限壓保護電路25的控制信號輸出Contr端，限壓保護電路25的GND端連接到公 共地線。濾波電容器10正極連接到半導體功率開關器件11的S極和偏置電阻12 —端，偏 置電阻12另一端連接到半導體功率開關器件11的G極和偏置電阻13 —端，偏置電阻13 另一端連接到驅動三極體24的集電極，驅動三極體24的發射極連接到公共地線，驅動三極 管24的基極連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出IPWM端和偏置電阻23 —端， 偏置電阻23另一端連接到公共地線，半導體功率開關器件11的D極連接到續流二極體14 負極和濾波電感15 —端，濾波電感15另一端連接到濾波電容器31 —端、高邊電流採樣電 阻16 —端和高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入mi端，高邊電流採樣電阻16另一端連 接到高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入IN2端、電壓採樣電阻20 —端、負載穩壓輸出電 路29的電壓輸入Vin端、單向二極體32 —端，反向保護二極體32另一端連接輸出端子17， 電壓採樣電阻20另一端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入2ADC端和電壓採樣電 阻21 —端，濾波電容器31 —端和電壓採樣電阻21另一端連接到公共地線，高邊電流檢測 電路28的模擬信號輸出Iout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端IADC端，溫 度補償電路30的溫度信號輸出Temp端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端4ADC 端，單片計算機電路27的GND端、高邊電流檢測電路28的GND端、溫度補償電路30的GND 端和限壓電路25的GND端均連接到公共地線，負載穩壓輸出電路29的脈衝調製信號輸入 PWMin端連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出2PWM端，負載穩壓輸出電路29的 輸出電壓反饋信號輸出Fout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端5ADC端，負載 穩壓輸出電路29的RB端連接到低邊電流採樣電阻22 —端和單片計算機電路27的模擬信 號輸入端3ADC端，低邊電流採樣電阻22另一端連接到公共地線，負載穩壓輸出電路的電壓 輸出Vout端連接到輸出端子18，輸出端子19連接到公共地線。本發明還提供了一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電壓 的方法，通過如下方式調節輸出電壓交流三相永磁發電機發出的三相交流電電能通過輸入端子33、34、35輸入，經由 整流二極體1、整流二極體2、整流二極體3和單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6組 成的全波半控橋式整流器整流，濾波電容器10濾波，單片計算機電路24根據由電阻20和 電阻21構成的輸出電壓採樣電路採集的輸出電壓所反饋的電壓信號輸出相應的脈衝寬度 調製信號調節半導體功率開關器件11的輸出電壓，續流二極體14、濾波電感15和濾波電容 31組成輸出電壓濾波電路，經過高邊電流採樣電阻16、電壓輸出端子17向蓄電池充電，充 電電流Ic由計算機根據下式計算Ic = Io-Iz = f0*Vc式中，Io=負載總電流Iz=負載電流Ic =蓄電池充電電流
Vc =蓄電池電壓計算機根據負載總電流Ιο、負載電流Iz計算充電電流Ic，再根據蓄電池電壓Vc 和充電曲線的函數關係fo編制的程序由單片計算機電路27輸出相應的脈衝寬度調製信號 控制半導體功率開關器件11實現對蓄電池進行三段式充電。負載電壓的穩壓輸出，是由單片計算機電路27的2PWM端輸出的脈衝寬度調製信 號控制的，通過負載穩壓輸出電路29、電壓輸出端子18輸出供直流用電負載使用的直流穩 定電壓。單片計算機電路27內置設定了預設最大電流數值，流經高邊電流採樣電阻16的 負載總電流Io在電阻16兩端產生的電壓信號，送入高邊電流檢測電路28整理後再送入 單片計算機電路27進行AD轉換處理，經過比較後，如果負載總電流Io超出設定的最大電 流值，單片計算機電路將關斷半導體功率開關器件11，達到過電流保護和短路保護的目的； 流經低邊電流採樣電阻22的負載電流Iz在電阻22兩端產生的模擬電壓信號，送入單片計 算機電路27進行AD轉換處理，如果負載電流超出設定的最大電流值，單片計算機電路27 的2PWM端停止輸出脈衝寬度調製信號，從而關斷負載穩壓輸出電路，達到過電流保護和短 路保護的目的；溫度的檢測由溫度補償電路30完成，內置溫度傳感器將溫度轉換成與單片 計算機電路27中的AD轉換器相匹配的模擬電壓信號，送入單片計算機電路27的模擬輸 入埠 4ADC進行AD轉換處理，內嵌單片計算機根據轉換結果調整對蓄電池的過充電閾值 電壓數值進行溫度補償；採用三相半控可控矽橋式整流電路整流時，設置了限壓保護電路 25，在限壓保護電路25中置入預先設定了的電壓值，經內置的電壓比較器與永磁發電機輸 出的直流電壓比較後，如果永磁發電機的輸出電壓超出了預先設定的電壓值，限壓保護電 路25輸出信號關閉單向可控矽4、單向可控矽5和單向可控矽6，使得永磁發電機的直流輸 出電壓不超過預先設定的電壓值；蓄電池連接的反向保護功能由反向保護二極體32實現。本發明與現有技術相比具有如下特點1、採用脈衝寬度調製(PWM)技術調節永磁發電機穩壓裝置的輸出電壓，提高了工 作效率，降低了功率消耗，提高了可靠性；2、在內嵌單片計算機的控制下，能夠按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲 線對蓄電池充電、同時對蓄電池充電進行溫度補償，延長了蓄電池的工作壽命；3、具有完善的過電壓、過電流、短路和蓄電池連接反向保護功能，大大提高了工作
可靠性。以下結合附圖和具體實施方式
對本發明的詳細結構作進一步描述。
附圖1為本發明的電路結構示意圖；附圖2為開關器件11的工作原理示意圖；附圖3為開關器件11接通和關斷時的波形圖；附圖4為蓄電池可接受充電電流曲線圖。
具體實施例方式如附圖1所示一種採用脈衝寬度調製技術調節輸出電壓的永磁發電機穩壓裝置，由整流二極體1、整流二極體2、整流二極體3、單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽 6、整流二極體7、整流二極體8、二整流極管9、濾波電容器10、半導體功率開關器件11、偏置 電阻12、偏置電阻13、續流二極體D14、濾波電感15、高邊電流採樣電阻16、輸出端子17、輸 出端子18、輸出端子19、電壓採樣電阻20、電壓採樣電阻21、低邊電流採樣電阻22、偏置電 阻23、驅動三極體24、限壓保護電路25、直流穩壓電源電路26、單片計算機電路27、高邊電 流檢測電路28、負載穩壓輸出電路29、溫度補償電路30、濾波電容31、反向保護二極體32、 輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35組成。輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35端加載永磁三相交流發電機的三相交流電 壓。輸入端子33連接整流二極體1正極、單向可控矽4陰極和整流二極體7正極，輸入端 子34連接整流二極體2正極、單向可控矽5陰極和整流二極體8正極，輸入端子35連接整 流二極體3正極、單向可控矽6陰極和整流二極體9正極。整流二極體7、整流二極體8、整 流二極體9負極均連接到限壓保護電路25的電壓信號輸入Vin端和直流穩壓電源電路26 的電壓輸入Vin端，直流穩壓電源電路26的電壓輸出+5V端連接到單片計算機電路27的 電源+5V端、高邊電流檢測電路28的電源+5V端和溫度補償電路30的電源+5V端，直流穩 壓電源電路26的GND端連接到公共地線。整流二極體Dl、整流二極體D2、整流二極體D3 的負極均連接到濾波電容器10正極，濾波電容器10負極和單向可控矽4、單向可控矽5、單 向可控矽6的陽極均連接到公共地線，單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6的控制極 均連接到限壓保護電路25的控制信號輸出Contr端，限壓保護電路25的GND端連接到公 共地線。濾波電容器10正極連接到半導體功率開關器件11的S極和偏置電阻12 —端，偏 置電阻12另一端連接到半導體功率開關器件11的G極和偏置電阻13 —端，偏置電阻13 另一端連接到驅動三極體24的集電極，驅動三極體24的發射極連接到公共地線，驅動三極 管24的基極連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出IPWM端和偏置電阻23 —端， 偏置電阻23另一端連接到公共地線，半導體功率開關器件11的D極連接到續流二極體14 負極和濾波電感15 —端，濾波電感15另一端連接到濾波電容器31 —端、高邊電流採樣電 阻16 —端和高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入mi端，高邊電流採樣電阻16另一端連 接到高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入IN2端、電壓採樣電阻20 —端、負載穩壓輸出電 路29的電壓輸入Vin端、單向二極體32 —端，反向保護二極體32另一端連接輸出端子17， 電壓採樣電阻20另一端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入2ADC端和電壓採樣電 阻21 —端，濾波電容器31 —端和電壓採樣電阻21另一端連接到公共地線，高邊電流檢測 電路28的模擬信號輸出Iout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端IADC端，溫 度補償電路30的溫度信號輸出Temp端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端4ADC 端，單片計算機電路27的GND端、高邊電流檢測電路28的GND端、溫度補償電路30的GND 端和限壓電路25的GND端均連接到公共地線，負載穩壓輸出電路29的脈衝調製信號輸入 PWMin端連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出2PWM端，負載穩壓輸出電路29的 輸出電壓反饋信號輸出Fout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端5ADC端，負載 穩壓輸出電路29的RB端連接到低邊電流採樣電阻22 —端和單片計算機電路27的模擬信 號輸入端3ADC端，低邊電流採樣電阻22另一端連接到公共地線，負載穩壓輸出電路的電壓 輸出Vout端連接到輸出端子18，輸出端子19連接到公共地線。本發明實施例還提供了一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電壓的方法，通過如下方式調節輸出電壓交流三相永磁發電機發出的三相交流電電能通過輸入端子33、34、35輸入，經由 整流二極體1、整流二極體2、整流二極體3和單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6組 成的全波半控橋式整流器整流，濾波電容器10濾波，單片計算機電路24根據由電阻20和 電阻21構成的輸出電壓採樣電路採集的輸出電壓所反饋的電壓信號輸出相應的脈衝寬度 調製信號調節半導體功率開關器件11的輸出電壓，續流二極體14、濾波電感15和濾波電容 31組成輸出電壓濾波電路，經過高邊電流採樣電阻16、電壓輸出端子17向蓄電池充電，同 時通過負載穩壓輸出電路29、電壓輸出端子18輸出供直流用電負載使用的直流穩定電壓。 電壓採樣電阻20、21對輸出電壓採樣，採樣電壓信號送單片計算機電路27的模擬信號輸入 埠 2ADC端，經計算機處理，輸出2路脈衝佔空係數與輸出電壓的採樣信號相關的調製數 字信號，分別控制半導體功率開關器件11和負載穩壓輸出電路29，達到穩定輸出電壓的目 的。採用調製脈衝寬度調節輸出電壓的基本工作原理如附圖2和附圖3所示附圖2 是半導體功率開關器件11的工作原理示意圖，附圖3是開關器件11接通和關斷時的波形 圖。當開關器件11導通，直流輸入電壓ui加到負載電阻上；當開關器件11關斷，負載電阻 RL上無電壓。如果開關器件11交替導通關斷，在負載上便出現如附圖3所示的矩形波。設功率開關11導通的持續時間為ton，功率開關11斷開的持續時間為toff，功率
開關11轉換周期為τ = ton+toff，則輸出電壓的平均值為Uo
Tr ton Τ …U0=-Ui=SUi式中δ為脈衝佔空係數，它等於ton/T。由此可見，改變佔空係數δ值，就可以調 節輸出電壓平均值的高低。為此有三種方法可供選擇一是脈衝頻率控制法，即保持開關導 通時間ton不變，改變開關轉換周期T來調節輸出電壓Uo ；二是脈衝寬度控制法，即保持開 關轉換周期T不變，改變開關導通持續時間ton來調節輸出電壓Uo ；三是混合法，即同時改 變開關轉換周期T和開關導通持續時間ton，以調節輸出電壓Uo，使輸出電壓保持穩定。本 發明採用第二種方法即脈衝寬度調製方法，隨著輸出電壓變化所反饋的電壓信號，改變輸 出電壓的脈衝寬度來調節輸出電壓。儲能元件電感14、電容31和續流二極體14組成濾波器，將經過功率開關器件11 調節的脈衝電壓變成平滑的直流電壓輸出。當功率開關器件11飽和導通時，續流二極體14 由於反偏而截止，此時功率開關器件11的輸出電流通過電感15、電容31構成的濾波器對負 載供電，同時電感15、電容31儲存一定的能量。當功率開關器件11截止時，它的輸出電流 為零，電感15上的感應電壓使續流二極體14處於正偏狀態而導通，電感15中儲存的能量 便通過續流二極體14對負載繼續放電。當電感15的放電電流小於輸出電流Io時，不足的 部分由濾波電容31對負載補充放電，這樣負載便可獲得連續的平滑直流供電電壓。流經高邊電流採樣電阻16的負載總電流Io在電阻16兩端產生的電壓信號，送入 高邊電流檢測電路28整理成與單片計算機電路27中的AD轉換器相匹配的模擬電壓信號， 送入單片計算機電路27進行AD轉換處理，如果負載總電流Io超出設定的最大電流值，單 片計算機電路關斷半導體功率開關器件11，達到過電流保護和短路保護的目的。流經低邊 電流採樣電阻22的負載電流Iz在電阻22兩端產生一個電壓信號，送入單片計算機電路27進行AD轉換處理，如果負載電流超出設定的最大電流值，單片計算機電路27關斷負載穩壓輸出電路，達到過電流保護和短路保護的目的。本發明的蓄電池連接反向保護功能由反向保護二極體32實現。永磁發電機穩壓裝置主要功能是按照一定的技術要求控制永磁發電機向蓄電池 充電。在本發明中，單片計算機電路27中內嵌單片計算機根據流經高邊電流採樣電阻 16的負載總電流Io和流經低邊電流採樣電阻22的負載電流Iz，計算蓄電池的充電電流 Ic Ic = Io-Iz單片計算機電路27根據設定的蓄電池的充電曲線，建立蓄電池在充電過程中充 電電壓與充電電流的函數關係&相應的數學模型，蓄電池電壓通過採樣電阻20、21採樣， 再送入單片計算機電路27中10位AD轉換器進行AD轉換。以下是根據負載總電流Ιο、負 載電流Iz、充電電流Ic、蓄電池電壓Vc和充電曲線的函數關係&建立的計算機數學模型Io-Iz = Ic = f0*Vc式中，Io=負載總電流Iz =負載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓容量和壽命是蓄電池的重要參數，不正確的充電方式不僅會降低電池的儲能容 量，還會縮短電池的使用壽命。本發明中充電曲線的函數關係&是根據上世紀60年代末 期美國科學家馬斯(Mascc)提出的以最低出氣率為前提的理想可接受充電電流曲線而建 立的，其充電電流滿足以下公式i = I。e_at式中，i為充電電流I。為最大初始充電電流α為電流衰減指數，又稱為充電接受率t為充電時間充電接受率是蓄電池的關鍵性能，對快速充電起著決定性的作用。若按馬斯理想 可接受充電電流曲線進行充電，則充電時間t與α成反比，SP α越大，充電時間越短；反 之，α越小，充電時間越長。理想蓄電池可接受充電電流曲線如附圖4所示，其充電電流軌 跡為一條呈指數規律下降的曲線。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮 短充電時間，並且對電池的容量和壽命也沒有影響，因此把這條曲線稱為最佳充電曲線。傳統的充電方式無論是定電壓充電還是定電流充電均不能提高電池的充電效率， 而依據附圖4充電曲線提出的三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率，縮短充電 時間，並能有效延長電池壽命。三段式充電採用先恆流充電，再恆壓充電，最後採用浮充進 行維護充電，一般分為快速充電、補足充電、涓流充電三個階段快速充電階段用大電流對電池進行充電以迅速恢復電池電能，充電速率可以達1C(C表示蓄電池的容量，單位為安培/小時)以上，此時充電電壓較低，但會限制充電電流 在一定數值範圍之內。補足充電階段相對於快速充電階段，補足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當 快速充電階段終止時，電池並未完全充足，還需加入補足充電過程，補足充電速率一般不超 過0. 3C，因為電池電壓經過快速充電階段後有所升高，所以補足充電階段的充電電壓也應 該有所提升，並且恆定在一定範圍之內。涓流充電階段在補足充電階段後期，當檢測到溫度上升超過極限值或充電電流 減小到一定值之後，開始用更小的電流進行充電直至滿足一定的條件後結束充電。本發明中，充電電流Ic由計算機根據下式計算formula see original document page 10
式中，Io=負載總電流Iz =負載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓計算機根據負載總電流Ιο、負載電流Iz計算充電電流Ic，再根據蓄電池電壓Vc 和充電曲線的函數關係fo編制的程序由單片計算機電路27輸出相應的脈衝寬度調製信號 控制半導體功率開關器件11實現對蓄電池進行三段式充電。當蓄電池電壓Vc低於標稱電 壓的2/3時，單片計算機電路27輸出脈衝寬度調製信號控制半導體功率開關器件11輸出 大電流對電池進行充電以迅速恢復蓄電池電能，充電速率可以達IC (C表示蓄電池的容量， 單位為安培/小時)，隨著大電流充電的繼續，蓄電池電壓Vc逐漸升高，當蓄電池電壓Vc超 過標稱電壓的2/3時，轉入補足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當快速充電階段終止 時，蓄電池並未完全充足，還需加入補足充電過程，補足充電速率一般不超過0.3C。當蓄電 池接近充足電時，轉入限壓浮充狀態下(限壓浮充電壓一般為蓄電池標稱電壓的1. 1倍)， 此時的充電電流會由快速充電狀態下逐漸下降，至電池完全充足電後，充電電流僅為幾十 毫安，用以補充電池因自放電而損失的電量。蓄電池充電時需要進行溫度補償，否則會嚴重影響蓄電池的工作壽命。溫度的檢 測由溫度補償電路30完成，溫度信號送入單片計算機電路27進行AD轉換，內嵌單片計算 機根據轉換結果調整對蓄電池的過充電閾值電壓數值進行溫度補償。如對目前廣泛使用 的閥控密封鉛酸(VRLA)蓄電池，其單體蓄電池的無溫度補償過充電閾值電壓為2. 275V(t =25°C )。對VRLA蓄電池的過充電閾值電壓必須進行溫度補償，若無溫度補償而僅設置單 體VRLA蓄電池的過充電閾值電壓為2. 275V，則當溫度低於25°C時，就會出現控制器過早關 斷而蓄電池並未充滿，長期如此會導致蓄電池容量下降，當溫度大於25°C時，就會出現蓄電 池已過充而控制器並未關斷，此時蓄電池起了水的電解槽作用，產生的焦耳熱嚴重時會使 VRLA蓄電池熱失控，熱失控將會使蓄電池迅速失水，隔膜內電解液很快乾枯。實驗表明，當 VRLA蓄電池溫度高於50°C時，十多次過充電就會導致蓄電池永久失效。本發明中，單片計算機電路27對電流、電壓和溫度信號檢測之後進行判斷，再輸 出一定大小佔空比的PWM信號，控制半導體功率開關器件11實現對蓄電池進行三段式充電 並在蓄電池充電時進行溫度補償。溫度的檢測由溫度補償電路30完成，內置溫度傳感器將溫度轉換成與單片計算機電路27中的AD轉換器相匹配的模擬電壓信號，送入單片計算機 電路27的模擬輸入埠 4ADC進行AD轉換處理，內嵌單片計算機根據轉換結果調整對蓄電 池的過充電閾值電壓數值進行溫度補償。 永磁發電機的輸出電壓隨工作轉速變化，變化範圍大，因而輸出電壓變化範圍也 大，轉速高時輸出電壓高，轉速低時輸出電壓低，有時甚至相差1-3倍。如額定輸出電壓為 28V的永磁發電機，有的其空載電壓竟達400V。本發明採用三相半控可控矽橋式整流電路 整流，並設置了限壓保護電路25，在限壓保護電路25中置入預先設定了電壓值，經內置的 電壓比較器與永磁發電機輸出的直流電壓比較後，如果永磁發電機的輸出電壓超出了預先 設定的電壓值，限壓保護電路25輸出信號關閉單向可控矽4、單向可控矽5和單向可控矽 6，使得永磁發電機的直流輸出電壓不超過預先設定的電壓值。
權利要求
一種採用脈衝寬度調製技術調節輸出電壓的永磁發電機穩壓裝置，其特徵是由整流二極體1、整流二極體2、整流二極體3、單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6、整流二極體7、整流二極體8、整流二極體9、濾波電容器10、半導體功率開關器件11、偏置電阻12、偏置電阻13、續流二極體D14、濾波電感15、高邊電流採樣電阻16、輸出端子17、輸出端子18、輸出端子19、電壓採樣電阻20、電壓採樣電阻21、低邊電流採樣電阻22、偏置電阻23、驅動三極體24、限壓保護電路25、直流穩壓電源電路26、單片計算機電路27、高邊電流檢測電路28、負載穩壓輸出電路29、溫度補償電路30、濾波電容31、反向保護二極體32、輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35組成；輸入端子33、輸入端子34、輸入端子35端加載永磁三相交流發電機的三相交流電壓，輸入端子33連接整流二極體1正極、單向可控矽4陰極和整流二極體7正極，輸入端子34連接整流二極體2正極、單向可控矽5陰極和整流二極體8正極，輸入端子35連接整流二極體3正極、單向可控矽6陰極和整流二極體9正極，整流二極體7、整流二極體8、整流二極體9負極均連接到限壓保護電路25的電壓信號輸入Vin端和直流穩壓電源電路26的電壓輸入Vin端，直流穩壓電源電路26的電壓輸出+5V端連接到單片計算機電路27的電源+5V端、高邊電流檢測電路28的電源+5V端和溫度補償電路30的電源+5V端，直流穩壓電源電路26的GND端連接到公共地線，整流二極體D1、整流二極體D2、整流二極體D3的負極均連接到濾波電容器10正極，濾波電容器10負極和單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6的陽極均連接到公共地線，單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6的控制極均連接到限壓保護電路25的控制信號輸出Contr端，限壓保護電路25的GND端連接到公共地線，濾波電容器10正極連接到半導體功率開關器件11的S極和偏置電阻12一端，偏置電阻12另一端連接到半導體功率開關器件11的G極和偏置電阻13一端，偏置電阻13另一端連接到驅動三極體24的集電極，驅動三極體24的發射極連接到公共地線，驅動三極體24的基極連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出1PWM端和偏置電阻23一端，偏置電阻23另一端連接到公共地線，半導體功率開關器件11的D極連接到續流二極體14負極和濾波電感15一端，濾波電感15另一端連接到濾波電容器31一端、高邊電流採樣電阻16一端和高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入IN1端，高邊電流採樣電阻16另一端連接到高邊電流檢測電路28的電壓信號輸入IN2端、電壓採樣電阻20一端、負載穩壓輸出電路29的電壓輸入Vin端、單向二極體32一端，反向保護二極體32另一端連接輸出端子17，電壓採樣電阻20另一端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入2ADC端和電壓採樣電阻21一端，濾波電容器31一端和電壓採樣電阻21另一端連接到公共地線，高邊電流檢測電路28的模擬信號輸出Iout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端1ADC端，溫度補償電路30的溫度信號輸出Temp端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端4ADC端，單片計算機電路27的GND端、高邊電流檢測電路28的GND端、溫度補償電路30的GND端和限壓電路25的GND端均連接到公共地線，負載穩壓輸出電路29的脈衝調製信號輸入PWMin端連接到單片計算機電路27的脈衝調製信號輸出2PWM端，負載穩壓輸出電路29的輸出電壓反饋信號輸出Fout端連接到單片計算機電路27的模擬信號輸入端5ADC端，負載穩壓輸出電路29的RB端連接到低邊電流採樣電阻22一端和單片計算機電路27的模擬信號輸入端3ADC端，低邊電流採樣電阻22另一端連接到公共地線，負載穩壓輸出電路的電壓輸出Vout端連接到輸出端子18，輸出端子19連接到公共地線。
2.一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電壓的方法，其特徵是 交流三相永磁發電機發出的三相交流電電能通過輸入端子33、34、35輸入，經由整流二極 管1、整流二極體2、整流二極體3和單向可控矽4、單向可控矽5、單向可控矽6組成的全波 半控橋式整流器整流，濾波電容器10濾波，單片計算機電路24根據由電阻20和電阻21構 成的輸出電壓採樣電路採集的輸出電壓所反饋的電壓信號輸出相應的脈衝寬度調製信號 調節半導體功率開關器件11的輸出電壓，續流二極體14、濾波電感15和濾波電容31組成 輸出電壓濾波電路，經過高邊電流採樣電阻16、電壓輸出端子17向蓄電池充電，充電電流 Ic由計算機根據下式計算Ic = Io-Iz = f0*Vc式中，Io =負載總電流Iz =負載電流Ic =蓄電池充電電流Vc =蓄電池電壓計算機根據負載總電流Ιο、負載電流Iz計算充電電流Ic，再根據蓄電池電壓Vc和充 電曲線的函數關係&編制的程序由單片計算機電路27輸出相應的脈衝寬度調製信號控制 半導體功率開關器件11實現對蓄電池進行三段式充電。
3.如權利要求2所述的一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電 壓的方法，其特徵是負載電壓的穩壓輸出，是由單片計算機電路27的2PWM端輸出的脈衝 寬度調製信號控制的，通過負載穩壓輸出電路29、電壓輸出端子18輸出供直流用電負載使 用的直流穩定電壓。
4.如權利要求2或3所述的一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸 出電壓的方法，其特徵是單片計算機電路27內置設定了預設最大電流數值，流經高邊電 流採樣電阻16的負載總電流Io在電阻16兩端產生的電壓信號，送入高邊電流檢測電路28 整理後再送入單片計算機電路27進行AD轉換處理，經過比較後，如果負載總電流Io超出 設定的最大電流值，單片計算機電路將關斷半導體功率開關器件11，達到過電流保護和短 路保護的目的；流經低邊電流採樣電阻22的負載電流Iz在電阻22兩端產生的模擬電壓信 號，送入單片計算機電路27進行AD轉換處理，如果負載電流超出設定的最大電流值，單片 計算機電路27的2PWM端停止輸出脈衝寬度調製信號，從而關斷負載穩壓輸出電路，達到過 電流保護和短路保護的目的；溫度的檢測由溫度補償電路30完成，內置溫度傳感器將溫度 轉換成與單片計算機電路27中的AD轉換器相匹配的模擬電壓信號，送入單片計算機電路 27的模擬輸入埠 4ADC進行AD轉換處理，內嵌單片計算機根據轉換結果調整對蓄電池的 過充電閾值電壓數值進行溫度補償；採用三相半控可控矽橋式整流電路整流時，設置了限 壓保護電路25，在限壓保護電路25中置入預先設定了電壓值，經內置的電壓比較器與永磁 發電機輸出的直流電壓比較後，如果永磁發電機的輸出電壓超出了預先設定的電壓值，限 壓保護電路25輸出信號關閉單向可控矽4、單向可控矽5和單向可控矽6，使得永磁發電機 的直流輸出電壓不超過預先設定的電壓值；蓄電池連接的反向保護功能由反向保護二極體 32實現。
全文摘要
一種採用脈衝寬度調製技術調節輸出電壓的永磁發電機穩壓裝置及一種採用脈衝寬度調製技術調節永磁發電機穩壓裝置輸出電壓的方法，穩壓裝置包括全波半控橋式整流器整流、脈衝寬度調製電壓調整電路、輸出電壓濾波電路、輸出電壓採樣電路、限壓保護電路25、直流穩壓電源電路26、單片計算機電路27、高邊電流檢測電路28、負載穩壓輸出電路29和溫度補償電路30；穩壓裝置採用計算機控制，脈衝寬度調製(PWM)技術調節輸出電壓，克服了現在普遍採用的三相半控可控矽橋式整流電路穩壓方式在大電流的使用條件下存在的可控矽功率損耗大、溫升高、沒有過電流和短路保護功能、不能按照蓄電池的最佳蓄電池可接受充電電流曲線對蓄電池充電、也不能進行溫度補償的缺點。
文檔編號H02H7/18GK101820245SQ201010175740
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者張振峰, 楊金輝, 胡海洋 申請人:衡陽中微科技開發有限公司