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6kW风冷静音型永磁逆变电站研制及降噪设计分析
摘　　要:论述了6kW风冷静音型永磁逆变电站研制方案，着重介绍了电站的降噪控制方案、高功率密度永磁电机设计、专用逆变器设计、可靠性设计，以及测试结果。
关 键 词: 6kW风冷静音型永磁逆变电站、方案 、设计 、分析
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1引言
目前，军用6kW内燃机电站配装的发动机为单缸或双缸风冷发动机,整体结构为框架式结构（如图1所示），随着现代军用装备的发展，其性能及结构特征已越来越不适应装车要求；此次研制的6kW风冷静音型永磁逆变电站则吸收了前者的优点，在定型电站的基础上增强了车载适应能力；设计了防音箱，降低了电站噪声；电站采用高功率密度的永磁电机加专用逆变器的设计方案，有效地减轻了整机的重量与体积。现代军用装备的发展方向是集成化、小型化、环保型，因此该电站模式是今后军用电站的发展方向，具有广阔的市场前景。电站的总体设计水平将达到国内领先。

图1  6kW普通电站

2研制方案
2.1电站原理
打开启动开关后，发动机启动带动发电机工作，由逆变器将发电机输出的中频电压转换成工频电压，经过小型断路器向外供电。同时采取降噪措施降低电站噪声。
电站方案框图：         

2.2电站总体技术方案和达到的功能功效
2.2.1 总体结构
电站由发动机、发电机、逆变系统、降噪系统、油箱、机架等组成。
电站外形尺寸(mm)：    1000×800×900
电站净重（kg）：≤260

6kW风冷静音型永磁逆变电站
2.2.2高功率密度永磁电机设计
2.2.2.1 JML10000CL无刷中频同步永磁发电机。它结构简单、体积小、重量轻，具有使用可靠、性能稳定、电磁兼容性好、维护保养方便等特点。技术参数见表1：
表   1
                           型   号
项   目       
JML10000CL
额定功率        10kW
额定电压        400V
额定转速        3000r/min
绝缘等级        H级
重    量        26kg
2.2.2.2发电机设计方案
发电机的设计是电站小型化与降噪设计的一项重要工作。常用的无刷发电机有电励磁发电机和永磁发电机，永磁发电机就是利用永磁材料直接提供发电机励磁磁场的发电机，该型的发电机，结构简单，功率密度大，体积小、重量轻、效率高、运行可靠，特别适合电站小型化的设计。本次设计，我们选用三相无刷中频永磁发电机，转子为外转子型式。为了适应恶劣环境的需要，我们将钕铁硼永磁材料更改为稀土钴永磁材料（可长时间工作在300℃），永磁体设计成瓦片型，粘贴固定在转子外壳的内表面上。定子部分包括定子铁心和线圈绕组两部分。其中，定子铁芯由冷轧硅钢冲片叠加而成。发电线圈按三相星形接法绕在定子铁芯上，分为8包，输出交流电能500Hz,400V，另设工作电源线圈8包，为逆变器输出12V工作电源。

定子结构


转子结构
2.2.3专用逆变器设计
（1）逆变器热设计
为了适应电站恶劣的工作环境，我们对逆变器进行热设计，为大功率器件设计了足够面积的散热器，以防止温升过高，在功率器件与散热器之间涂有导热硅脂，以降低热阻；对发热量大的元件的安装位置与安装方式给予充分考虑，最大限度地降低元器件温升和机内温升；对于所有功率1W以上的元件，电路板上留有足够的散热空间和通道，并避免晶振、集成电路、晶体管、电解电容等元件与之靠近而受到热冲击。
（2）逆变器可靠性设计
a)逆变控制电路采用全数字化方式，由专用DSP芯片实现基准正弦波发生、频率设定、电压调节、直流平衡、软启动、正弦脉宽调制、驱动脉冲形成、故障保护等全部功能，其输出控制信号可直接驱动IPM模块，因而硬件电路达到最简化，性能稳定可靠，失效率极低，无参数漂移问题；控制软件借鉴成熟的现代工业控制技术，并固化于DSP芯片内部的FLASH存储器，性能稳定可靠。
b)逆变器功率电路采用富士第四代工业级IPM（智能功率模块），使逆变主回路达到智能化和最简化；IPM采用第四代IGBT功率器件，内部集成了智能化的驱动、控制与保护电路，驱动参数达到最优化，抗干扰能力强，并具备防直通功能； IGBT功率芯片内部集成有温度传感器和电流传感器，实现可靠的过热保护、过流保护和短路保护；保护时采取软关断技术，可有效防止产生尖峰电压冲击。IPM电压、电流级别选用时采取大幅度降额，额定工作状态下电压应力系数仅为0.5左右，电流应力系数仅为0.28左右，保证充足的过载能力和抗误用能力。
c)输出滤波电抗采用硅铝铁芯自制电抗，效率高，损耗低，滤波电容采用自愈性能优良的金属化聚丙烯电容器，并采用计算机辅助设计手段设计滤波参数，保证良好的输出电压质量和系统高效率，高可靠性。
d)逆变器外围电路也全部采用计算机辅助设计进行优化，保证电路性能优良、完善，电路结构简洁、可靠。
e)充分的降额设计和冗余设计，保证逆变系统的可靠性。
2.2.4降噪控制方案
(1) 噪声计算基本方法
a.单点声源产生的声功率级

式中：Lp 为单点声源在距离r（单位为m）处产生的声压级；S 为半径r 的测量球面面积；C 为温度和气压修正值。
计算时一般忽略C 值，化简可得单点声源在距离r 处产生的声压级。

b.测点总的声压级计算
测点总的声压级

式中：Li 为第i 个声源在测点处产生的声压级；N为声源数量。
根据公式（2）、（3）就可以简单计算出多个噪声源在某一测点叠加产生的声压级。
(2)电站噪声源
6kW风冷静音型永磁逆变电站的噪声主要包括：发动机、发电机、轴流风机1、轴流风机2和逆变器。表2 列出有关声源的声功率级。
表2 声源的声功率级（A 计权）
设备名称        LW / dB
发动机        97
发电机        85
轴流风机1        81
轴流风机2        81
逆变器        82
（3）电站噪声控制原则
a.噪声控制从声波特性上看，在声源处抑制噪声，这是最根本的、最有效、最直接的措施，包括降低激发力，减小系统各环节对激发力的响应以及改变制造工艺过程等。
b.在声传播途径中控制噪声，包括隔声、吸声、消声、隔振、阻抗失配等措施，主要对声波的传播途径上进行一些阻断、改变声波的传播方向或减弱声波的传播的强度。
(4)电站降噪设计
a.防音箱设计
采用骨架覆铝合金板材的结构，进行隔音以减轻机组重量，内粘吸音效果良好的阻燃材料，进行吸音隔热。两侧面设计为可打开的门式结构，以便于发动机的调整、检查、维护以及加注机油和燃油。顶部设计安装吊装环，便于机组吊装。隔声罩的进排风设计原则如下：
1）适当加大进风口截面积，降低空气流速。
2）进排风口布置在远离噪声源的位置。
b.发动机的降噪设计
    发动机是电站的主要噪声源，首先通过对比，优选低噪声发动机。
进气降噪设计，采用长进气导管将发动机进气与空滤器进行连接，可有效地减弱和降低进气噪声对外的传播，空滤器过滤层采用湿式油滤式结构，可部分吸收和阻断进气噪音。
c.二次消声器设计
二次消声器的设计是本次设计的关键，在发动机原消声器的基础上增加二次降噪消声器，进行二次排气降噪，以实现静音指标要求。二次消声器结构设计成三腔降噪，第一腔对排气进行变频处理和扩张，进行第一次消声。第二腔设计吸收变频后不同频段的噪声、降低排气压力和温度，进行第二次消声。第三腔利用穿孔阻尼作用，进一步降低排气噪声。另外二级消声器设计有较大散热面积，并安装在排风道内，对壳体表面进行风冷散热，以减少排气红外辐射。
d.发电机的降噪设计
    发电机噪声主要是电磁噪声和风扇噪声，降噪主要采取以下措施，采用0.2mm硅钢片，减小电磁振动强度，降低了电磁噪声；同时采取真空压力浸漆工艺，当漆膜固化以后定子组合成为一个整体，进一步降低电磁噪声。发电机散热风扇的噪声主要有共振噪声、涡流噪声、旋转噪声，其中共振噪声和旋转噪声影响较小，因此重点问题就是解决涡流噪声。主要方法是在风扇设计时采用流线型结构设计，提高表面的光滑度，增大出风口截面积等措施，优化风叶倾斜角度以及风叶数量，减少空气在冷却过程中的涡流强度，达到降低风扇噪声的目的。
e.通风设计
电站通风冷却方式为轴向通风冷却，冷风由电站前后外罩底部进入，电机端气流流经逆变器散热片，进入发电机后由端盖排出，热风进入降噪腔，发动机端气流进入发动机冷却风道由动机后侧排出，热风经倒流板后进入降噪腔。两股热气流，经降噪处理后由电站的降噪腔前后两端排出电站进入大气环境。隔板将空滤器侧和消声器侧隔开，保证冷气进入发动机。挡板降低了对检测门的热辐射和热风干扰。
3. 技术指标
6kW风冷静音型永磁逆变电站主要技术指标
性  能  指  标        技术指标要求        实 测 指 标
额定功率        6kW        6kW
额定功率因数        0.9(滞后)和1.0        0.9(滞后)和1.0
电压稳态调整率        %        ±3.0        ＋0.7
电压瞬态调整率        %        ±10        －6～＋7
电压稳定时间          S        ≤3.0        1.0
电压波动率            %        ≤0.5不大于1/4额定负载时允许为1.0        0.5不大于1/4额定负载时为0.5
频率稳态调整率        %        ±3.0        0
频率瞬态调整率        %        ±7.0        0
频率稳定时间          S        ≤5.0        0
频率波动率            %        ≤0.5，不大于1/4额定负载时允许为1.0        0，不大于1/4额定负载时为0

噪音（1米处）      dB（A）        ≤80        79.1
电站外形尺寸（长×宽×高）（mm）        1000×800×900        1000×800×900
重量                   Kg        ≤260        246
4. 测试结果
a．逆变器输出波形如下图：

b．逆变器输出电压波形失真度如下图：

c. 1m处噪声测量
降噪控制前
状态        空载（dB）        满载（dB）
次数        1        2        3        平均值（dB）        1        2        3        平均值（dB）
发动机端        97        96.8        97.2        97        96.8        96.7        96.6        96.7
发电机端        96.7        96.6        96.5        96.5        96.5        96.3        96. 4        96.4
电站左边        96.9        96.8        96.7        96.8        97        96.5        96.6        96.7
电站右边        96.9        96.9        96.9        96.9        96.6        96.7        96.8        96.7
降噪控制后
状态        空载（dB）        满载（dB）
次数        1        2        3        平均值（dB）        1        2        3        平均值（dB）
发动机端        79.1        79.1        79.1        79.1        79.0        79.0        79.0        79.0
发电机端        79.5        79.6        79.7        79.6        79.5        79.3        79. 4        79.4
电站左边        78.9        78.8        78.7        78.8        79.0        78.5        78.6        78.7
电站右边        78.9        78.9        78.9        78.9        78.6        78.7        78.8        78.7
5结束语
经过实验证明6kW风冷静音型永磁逆变电站各项技术指标达到了设计要求。表明上述降噪控制方案的分析方法及降噪设计基本合理，能够指导实际工程设计。
电站的成功研制是集体劳动的成果。参加研制的人员有张文昌、于功山、张瑞英、陈爱伟等。由于本文作者水平有限，文中定有不少缺点和错误，敬请专家及广大读者批评指正。
  参考文献：
1. 刘凤君编著. 正弦波逆变器.科学出版社。2002
2. 李永富. 高频开关有源逆变技术.北京：直流电源，2004.39-44
3.邱关源主编.电路（第四版）.高等教育出版社.1999.
4.王凤翔编著.交流电机的非正弦供电.北京:机械工业出版社, 1997.
5.马伟明等著.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容.科学出版社，2007。
6.唐任远等著.现代永磁电机理论与设计.机械工业出版社.1997.
7.马大酋.噪音与振动控制工程手册[M].北京:机械工业出版社,2002
8.GB 6882—2008,声学 声压法测定噪声源 声功率级消声室和半消声室精密法[S].
9.Working Group 14. CIGRE-Technical Brochure No. 202: HVDCStations Audible Noise [K]. 2002.
10.刘惠玲. 环境噪声控制[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2002.
11. 李耀中. 噪音控制技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
12.HJ/T 90—2004, 声屏障声学设计和测量规范[S]. 
6kW wind calm Yin Xing Magnet Development and Noise Reduction Inverse design of substation
Abstract: Discusses the 6kW wind calm Yin Xing Magnet inverse substation development program, focuses on the power plant noise control programs, high power density permanent magnet motor design, the inverter used for design, reliability, design, and test results.
Key words: 6kW permanent magnet against the wind calm Yinxing substation, program, design, analysis

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6kW风冷静音型永磁逆变电站研制及降噪设计分析
摘　　要:论述了6kW风冷静音型永磁逆变电站研制方案，着重介绍了电站的降噪控制方案、高功率密度永磁电机设计、专用逆变器设计、可靠性设计，以及测试结果。
关 键 词: 6kW风冷静音型永磁逆变电站、方案 、设计 、分析
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1引言
目前，军用6kW内燃机电站配装的发动机为单缸或双缸风冷发动机,整体结构为框架式结构（如图1所示），随着现代军用装备的发展，其性能及结构特征已越来越不适应装车要求；此次研制的6kW风冷静音型永磁逆变电站则吸收了前者的优点，在定型电站的基础上增强了车载适应能力；设计了防音箱，降低了电站噪声；电站采用高功率密度的永磁电机加专用逆变器的设计方案，有效地减轻了整机的重量与体积。现代军用装备的发展方向是集成化、小型化、环保型，因此该电站模式是今后军用电站的发展方向，具有广阔的市场前景。电站的总体设计水平将达到国内领先。

图1  6kW普通电站

2研制方案
2.1电站原理
打开启动开关后，发动机启动带动发电机工作，由逆变器将发电机输出的中频电压转换成工频电压，经过小型断路器向外供电。同时采取降噪措施降低电站噪声。
电站方案框图：         

2.2电站总体技术方案和达到的功能功效
2.2.1 总体结构
电站由发动机、发电机、逆变系统、降噪系统、油箱、机架等组成。
电站外形尺寸(mm)：    1000×800×900
电站净重（kg）：≤260

6kW风冷静音型永磁逆变电站
2.2.2高功率密度永磁电机设计
2.2.2.1 JML10000CL无刷中频同步永磁发电机。它结构简单、体积小、重量轻，具有使用可靠、性能稳定、电磁兼容性好、维护保养方便等特点。技术参数见表1：
表   1
                           型   号
项   目       
JML10000CL
额定功率        10kW
额定电压        400V
额定转速        3000r/min
绝缘等级        H级
重    量        26kg
2.2.2.2发电机设计方案
发电机的设计是电站小型化与降噪设计的一项重要工作。常用的无刷发电机有电励磁发电机和永磁发电机，永磁发电机就是利用永磁材料直接提供发电机励磁磁场的发电机，该型的发电机，结构简单，功率密度大，体积小、重量轻、效率高、运行可靠，特别适合电站小型化的设计。本次设计，我们选用三相无刷中频永磁发电机，转子为外转子型式。为了适应恶劣环境的需要，我们将钕铁硼永磁材料更改为稀土钴永磁材料（可长时间工作在300℃），永磁体设计成瓦片型，粘贴固定在转子外壳的内表面上。定子部分包括定子铁心和线圈绕组两部分。其中，定子铁芯由冷轧硅钢冲片叠加而成。发电线圈按三相星形接法绕在定子铁芯上，分为8包，输出交流电能500Hz,400V，另设工作电源线圈8包，为逆变器输出12V工作电源。

定子结构


转子结构
2.2.3专用逆变器设计
（1）逆变器热设计
为了适应电站恶劣的工作环境，我们对逆变器进行热设计，为大功率器件设计了足够面积的散热器，以防止温升过高，在功率器件与散热器之间涂有导热硅脂，以降低热阻；对发热量大的元件的安装位置与安装方式给予充分考虑，最大限度地降低元器件温升和机内温升；对于所有功率1W以上的元件，电路板上留有足够的散热空间和通道，并避免晶振、集成电路、晶体管、电解电容等元件与之靠近而受到热冲击。
（2）逆变器可靠性设计
a)逆变控制电路采用全数字化方式，由专用DSP芯片实现基准正弦波发生、频率设定、电压调节、直流平衡、软启动、正弦脉宽调制、驱动脉冲形成、故障保护等全部功能，其输出控制信号可直接驱动IPM模块，因而硬件电路达到最简化，性能稳定可靠，失效率极低，无参数漂移问题；控制软件借鉴成熟的现代工业控制技术，并固化于DSP芯片内部的FLASH存储器，性能稳定可靠。
b)逆变器功率电路采用富士第四代工业级IPM（智能功率模块），使逆变主回路达到智能化和最简化；IPM采用第四代IGBT功率器件，内部集成了智能化的驱动、控制与保护电路，驱动参数达到最优化，抗干扰能力强，并具备防直通功能； IGBT功率芯片内部集成有温度传感器和电流传感器，实现可靠的过热保护、过流保护和短路保护；保护时采取软关断技术，可有效防止产生尖峰电压冲击。IPM电压、电流级别选用时采取大幅度降额，额定工作状态下电压应力系数仅为0.5左右，电流应力系数仅为0.28左右，保证充足的过载能力和抗误用能力。
c)输出滤波电抗采用硅铝铁芯自制电抗，效率高，损耗低，滤波电容采用自愈性能优良的金属化聚丙烯电容器，并采用计算机辅助设计手段设计滤波参数，保证良好的输出电压质量和系统高效率，高可靠性。
d)逆变器外围电路也全部采用计算机辅助设计进行优化，保证电路性能优良、完善，电路结构简洁、可靠。
e)充分的降额设计和冗余设计，保证逆变系统的可靠性。
2.2.4降噪控制方案
(1) 噪声计算基本方法
a.单点声源产生的声功率级

式中：Lp 为单点声源在距离r（单位为m）处产生的声压级；S 为半径r 的测量球面面积；C 为温度和气压修正值。
计算时一般忽略C 值，化简可得单点声源在距离r 处产生的声压级。

b.测点总的声压级计算
测点总的声压级

式中：Li 为第i 个声源在测点处产生的声压级；N为声源数量。
根据公式（2）、（3）就可以简单计算出多个噪声源在某一测点叠加产生的声压级。
(2)电站噪声源
6kW风冷静音型永磁逆变电站的噪声主要包括：发动机、发电机、轴流风机1、轴流风机2和逆变器。表2 列出有关声源的声功率级。
表2 声源的声功率级（A 计权）
设备名称        LW / dB
发动机        97
发电机        85
轴流风机1        81
轴流风机2        81
逆变器        82
（3）电站噪声控制原则
a.噪声控制从声波特性上看，在声源处抑制噪声，这是最根本的、最有效、最直接的措施，包括降低激发力，减小系统各环节对激发力的响应以及改变制造工艺过程等。
b.在声传播途径中控制噪声，包括隔声、吸声、消声、隔振、阻抗失配等措施，主要对声波的传播途径上进行一些阻断、改变声波的传播方向或减弱声波的传播的强度。
(4)电站降噪设计
a.防音箱设计
采用骨架覆铝合金板材的结构，进行隔音以减轻机组重量，内粘吸音效果良好的阻燃材料，进行吸音隔热。两侧面设计为可打开的门式结构，以便于发动机的调整、检查、维护以及加注机油和燃油。顶部设计安装吊装环，便于机组吊装。隔声罩的进排风设计原则如下：
1）适当加大进风口截面积，降低空气流速。
2）进排风口布置在远离噪声源的位置。
b.发动机的降噪设计
    发动机是电站的主要噪声源，首先通过对比，优选低噪声发动机。
进气降噪设计，采用长进气导管将发动机进气与空滤器进行连接，可有效地减弱和降低进气噪声对外的传播，空滤器过滤层采用湿式油滤式结构，可部分吸收和阻断进气噪音。
c.二次消声器设计
二次消声器的设计是本次设计的关键，在发动机原消声器的基础上增加二次降噪消声器，进行二次排气降噪，以实现静音指标要求。二次消声器结构设计成三腔降噪，第一腔对排气进行变频处理和扩张，进行第一次消声。第二腔设计吸收变频后不同频段的噪声、降低排气压力和温度，进行第二次消声。第三腔利用穿孔阻尼作用，进一步降低排气噪声。另外二级消声器设计有较大散热面积，并安装在排风道内，对壳体表面进行风冷散热，以减少排气红外辐射。
d.发电机的降噪设计
    发电机噪声主要是电磁噪声和风扇噪声，降噪主要采取以下措施，采用0.2mm硅钢片，减小电磁振动强度，降低了电磁噪声；同时采取真空压力浸漆工艺，当漆膜固化以后定子组合成为一个整体，进一步降低电磁噪声。发电机散热风扇的噪声主要有共振噪声、涡流噪声、旋转噪声，其中共振噪声和旋转噪声影响较小，因此重点问题就是解决涡流噪声。主要方法是在风扇设计时采用流线型结构设计，提高表面的光滑度，增大出风口截面积等措施，优化风叶倾斜角度以及风叶数量，减少空气在冷却过程中的涡流强度，达到降低风扇噪声的目的。
e.通风设计
电站通风冷却方式为轴向通风冷却，冷风由电站前后外罩底部进入，电机端气流流经逆变器散热片，进入发电机后由端盖排出，热风进入降噪腔，发动机端气流进入发动机冷却风道由动机后侧排出，热风经倒流板后进入降噪腔。两股热气流，经降噪处理后由电站的降噪腔前后两端排出电站进入大气环境。隔板将空滤器侧和消声器侧隔开，保证冷气进入发动机。挡板降低了对检测门的热辐射和热风干扰。
3. 技术指标
6kW风冷静音型永磁逆变电站主要技术指标
性  能  指  标        技术指标要求        实 测 指 标
额定功率        6kW        6kW
额定功率因数        0.9(滞后)和1.0        0.9(滞后)和1.0
电压稳态调整率        %        ±3.0        ＋0.7
电压瞬态调整率        %        ±10        －6～＋7
电压稳定时间          S        ≤3.0        1.0
电压波动率            %        ≤0.5不大于1/4额定负载时允许为1.0        0.5不大于1/4额定负载时为0.5
频率稳态调整率        %        ±3.0        0
频率瞬态调整率        %        ±7.0        0
频率稳定时间          S        ≤5.0        0
频率波动率            %        ≤0.5，不大于1/4额定负载时允许为1.0        0，不大于1/4额定负载时为0

噪音（1米处）      dB（A）        ≤80        79.1
电站外形尺寸（长×宽×高）（mm）        1000×800×900        1000×800×900
重量                   Kg        ≤260        246
4. 测试结果
a．逆变器输出波形如下图：

b．逆变器输出电压波形失真度如下图：

c. 1m处噪声测量
降噪控制前
状态        空载（dB）        满载（dB）
次数        1        2        3        平均值（dB）        1        2        3        平均值（dB）
发动机端        97        96.8        97.2        97        96.8        96.7        96.6        96.7
发电机端        96.7        96.6        96.5        96.5        96.5        96.3        96. 4        96.4
电站左边        96.9        96.8        96.7        96.8        97        96.5        96.6        96.7
电站右边        96.9        96.9        96.9        96.9        96.6        96.7        96.8        96.7
降噪控制后
状态        空载（dB）        满载（dB）
次数        1        2        3        平均值（dB）        1        2        3        平均值（dB）
发动机端        79.1        79.1        79.1        79.1        79.0        79.0        79.0        79.0
发电机端        79.5        79.6        79.7        79.6        79.5        79.3        79. 4        79.4
电站左边        78.9        78.8        78.7        78.8        79.0        78.5        78.6        78.7
电站右边        78.9        78.9        78.9        78.9        78.6        78.7        78.8        78.7
5结束语
经过实验证明6kW风冷静音型永磁逆变电站各项技术指标达到了设计要求。表明上述降噪控制方案的分析方法及降噪设计基本合理，能够指导实际工程设计。
电站的成功研制是集体劳动的成果。由于本文作者水平有限，文中定有不少缺点和错误，敬请专家及广大读者批评指正。
  参考文献：
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12.HJ/T 90—2004, 声屏障声学设计和测量规范[S]. 
6kW wind calm Yin Xing Magnet Development and Noise Reduction Inverse design of substation
Abstract: Discusses the 6kW wind calm Yin Xing Magnet inverse substation development program, focuses on the power plant noise control programs, high power density permanent magnet motor design, the inverter used for design, reliability, design, and test results.
Key words: 6kW permanent magnet against the wind calm Yinxing substation, program, design, analysis

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移动分布式单相逆变发电机组(系统)并联运行
摘  要：论述单相逆变发电机组(系统)在移动电源中的应用。在此基础上提出了单相逆变发电机组(系统)可并联运行控制方案并介绍了其结构和原理，给出了软件和硬件设计方案。试验结果证明此系统的控制稳定可靠。
关键词：分布、逆变、单相、并联运行
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1引言
随着内燃机电站在现代武器装备上的广泛应用，用电设备对电源设备提出了越来越高的要求。随着科技的发展和基础科学研究的不断深入，新材料和新技术的应用，对发电机组（系统）的发展起到了较大的推动作用。目前国内逆变技术已广泛应用于小功率发电机组，该技术对提高机组的电性能指标及小型化和轻量化起到了推动作用。目前×××部的×××项目已装备逆变发电机组(系统)。通过大量的试验工作，我们发现车辆底盘小了，用电设备的容量大了，而车辆本身留给电源设备的空间有限，即出现了装一套大功率的空间不够，而装N＋1套小功率的，能够达到目的。遇到大功率运行时，不可避免的需要N＋1套电源并联运行。而逆变发电机组（系统）的出现让单相并联运行成为可能。
2 逆变发电机组（系统）原理介绍
以内燃机作为动力，由中频发电机将内燃机输出的机械能转化为初级三相交流中频电能（400-2000Hz，400V），再经过逆变器进行AC/DC/AC转换，输出工频交流电能（50Hz,230V）。
方案框图：

　机械能 　　　　   　    交流中频电能　    　　　       交流工频供电
                        （400-2000）Hz,400V       　      50Hz,230V输出　

逆变器主逆变系统的设计采用高集成度数字化控制芯片智能集成功率模块的电路方案，逆变器的基本工作原理如图所示，发电机产生的三相交流电送入逆变器的L1、L2、L3三条线电压输入端，三相交流电压经三相全控整流，电容EC2滤波后，变成平滑的直流电，然后，通过控制功率管Q1、Q2、Q3、Q4按照预定的频率和脉宽周期性的开关，在L1、L2前端就可获得频率固定、脉宽不等的PWM波，PWM波经电感、电容滤波后，就可获得标准的交流电压。

逆变器控制回路的设计由数字智能模块和电流、电压检测电路、保护电路三部分组成。数字智能模块根据采集的电压反馈产生频率固定、脉宽不等的PWM波，实现对输出电压的实时调节，确保输出电压稳定，同时根据采集的电流信号，实现过流、短路保护，保证发电机组（系统）的输出电性能指标。
3单相逆变发电机组（系统）并联运行控制方案介绍
逆变电源的并联方案有很多，有主从结构，用电压型逆变器作为主模块控制系统电压，电流型逆变器提供负载电流。有对等式，并联的各个逆变器结构功能相同，相互间有信号的传递,但不存在隶属关系。还有基于有功无功调节的无连线并联方式。
随着控制技术的飞速发展，以及高速数字处理芯片DSP的出现，实现高质量的交流输出已经不成问题。
单相逆变发电机组（系统）可并联运行控制方案
逆变器可采用的控制方式及种类很多，每一种控制方式都有其优缺点。同时采用不同的控制方式形成复合控制，可以实现取长补短、优势互补的目的，因此，复合控制是逆变器控制方式的一个发展趋势。随着控制理论和数字处理芯片的迅速发展，使各种先进控制方式的实现成为可能，逆变器的数字化控制方式成了今后交流电源领域中的一个研究热点和发展趋势。
本方案采用各种控制方式相结合的复合控制，自同步和外同步结合的原理设计，其优点是可靠性高；可单机使用也可并联运行。
　
系统原理框 图1
硬件设计部分：
可并联逆变单元硬件电路由功率处理主电路、控制驱动电路、保护电路组成，系统原理框图如图1，本系统采用PWM控制器SG3525获得PWM控制信号。
逆变器的功率处理采用全桥电路，经过SPWM调制以后，输出经过滤波电感和电容滤波以后，直接和其它逆变器的输出进行并联。
控制电路DSP TMS320LF2407A完成SPWM波形的产生、锁相、控制、均流以及同步信号捕捉、数据采样等功能。使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样，通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制，保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号，经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。
在并联系统中常用的均流方法主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，使并联系统的可靠性得不到很好的保证；而采用自主均流芯片UC3902依据特有的性能，如：均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等, 自主均流法实质上是在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，其余的模块则成为从模块，各个从模块的电压误差依次被整定，以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中，事先没有设定哪个模块为主模块，而是按输出电流的大小随机排序，输出电流大的模块自动成为主模块。本控制系统采用此芯片可以直接得到均流误差信号，简化了控制系统复杂的电流计算，提高了系统可靠性。
UC3902芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外，UC3902芯片有一个独特的有利条件是使用了差模均载母线，这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。UC3902芯片应用在电力电源中具有如下的特点：（1）均流精度高（2）外围电路设计简单，不象UC3907那样过于复杂（3）易于做热插拔操作。
软件设计部分：
控制部分主程序主要实现开机检测、均流计算、同步捕捉、计算调制度，输出SPWM波、限流保护作用。
均流计算：
从理论上讲DC/AC逆变模块的并联条件是：各模块输出电压的频率、相位和幅值以及内阻完全相同，才能实现并联运行，并联模块输出的电流、功率完全均衡。实际系统中，由于各模块硬件的分散性是不可避免的，各模块的基准正弦信号的频率和幅值也会有微小差异；以上差异都会导致各模块输出电压的相位和幅值不等；相位差会引起模块之间产生有功环流，幅值差会引起模块间产生无功环流。
由无功功率公式
                    
可知（其中N为系统中并联逆变单元总数，n表示第n个逆变单元），逆变
单元减少即可减少无功环流。
无功功率电流调节可采用功率偏差控制方案，逆变器通过模块检测出本模块的均流偏差值，来调节本模块输出的电压值，使各个并联逆变器模块输出的无功功率相等，达到均流的目的。为了使得每个并联逆变器的电流达到均等地目的，在每个并联逆变器的控制环上除了电压控制环之外还加了一个均流环。控制框图如下图2所示。在均流控制中，均流差值信号由均流芯片uc3902给出，均流环采用不完全微分PID控制，以减小由于单个模块数据错误而对整个系统的冲击。为保证实际均流的可行性和调整范围，采用模糊控制的思想，限定均流实际输出的电压在一定范围之内（即调整后的实际输出电压在标准电压内），这样可以保证均流的可靠性。同时单步调整的幅度不能过大，一般在1V以内，否则会引起较大的环流波动。


系统闭环控制 图2
同步控制方案：
　　逆变电源系统中，为抑制模块间环流的影响，必须保证各逆变模块输出电压的相位、幅值及频率的一致性，这是实现并机控制的前提。
本系统可并联逆变器采用自同步和外同步结合的原理设计如图3，在有外部同步信号的时候，逆变器输出可以跟踪电站同步或监控器给定的同步；在同步控制单元检测一段时间如果没有外同步信号，同步信号线自动切换到自激电路，保证监控单元出现故障也能够正常工作。这种同步控制方式即使有某个逆变单元因为故障损坏不能输出同步信号，也不影响并联运行，从而实现了内同步和外同步相结合的同步机制，这是本系统一大特点。逆变器用2407A 的捕获单元，通过捕获同步脉冲，在中断程序中完成相位、频率的同步。

同步控制电路 图3

SPWM控制方案：
在实际设计过程中，采用事件管理器(假设EV2)中的1个全比较单元、通用定时器3、死区发生单元以及输出逻辑来生成单相四路SPWM波，经4个复用的Ｉ/Ｏ引脚输出。TMS320LF2407A的定时器有4种工作方式，采用连续增/减计数方式工作时，将产生对称的SPWM波输出。在这种计数方式下，计数器的值由初值开始向上增计数，当到达T3PR值时，开始递减计数，直至计数器的值为零时(进入中断服务程序)又重新向上增计数，如此循环往复。在计数器计数的过程中，计数器的值都与比较寄存器CMPRx (x=4，5)的值作比较，当计数器的值与其相对应的比较寄存器的值相等发生匹配，则对应的该相方波输出发生电平翻转。在每个载波周期内，输出的方波将发生两次电平翻转。只要在每个三角波载波周期根据在线计算改写比较寄存器CMPRx的值，就可实时地改变脉冲的占空比，得到完整周期的SPWM脉冲。对每个脉冲相对于载波周期的占空比的计算是在定时器的中断服务子程序中完成的。
限流保护方案：
限流保护采用硬件和DSP软件双重保护，DSP软件保护采用预测控制限流技术，在电流上升过程中，根据去除采样点的异常电流值后的连续采样电流值和连续采样电流值的斜率与设定值进行比较，预测电流是否出现过流的情况，对过流可以提前进行判断和处理，使输出控制软件产生电流波形无限逼近标准波形，大大减少了谐波电流，从而更好的保护负载正常工作运行，硬件保护采用驱动模块HCPL-316J自带的过流检测电路，主要在软件限流失效或者过流上升速度非常快的情况下起保护作用。采用双重限流保护，能够大大提供系统工作的安全性和可靠性。
试验结果及分析：
            
直流输入电压的波形和动态响应波形 图4
图4为直流输入电压的波形和动态响应波形，电压纹波较小，基本平直，当电压有轻微抖动时，通过直流电压幅值反馈的调节使电压保持稳定，保证了良好的动态响应。
            
并联后输出波形 图5
图5为并联后逆变单元输出电压波形图

波形畸变率测试结果 图6
图6为并联后输出电压波形畸变率测试结果，可以看出畸变很小，并联效果好。
4结束语
　　方案的主控制系统芯片TI公司的dsp2407全数字化设计，控制元件少，稳定度高，高可靠性SPWM驱动信号输出，采用UC3902芯片均流技术，各逆变单元独立工作，民主均流，简化了大量的软件计算，大大提高了均流精度，并联安装方便。采用自同步和外同步相结合的原理设计，单个逆变单元和监控故障不影响其他逆变单元正常工作，大大提高了系统可靠性。可实现N+1逆变单元并联扩容，电源的容量大大提高。
总之采用的方案具有高集成度、高性能比、最简单的外围电路、最佳的性能指标等特点。随着逆变发电机组(系统)在现代武器装备中的不断推广, 单相逆变发电机组（系统）并联运行将起到不可忽视的作用。对于单相逆变发电机组（系统）并联运行的本质作者认识尚浅，有许多问题尚待进一步的探讨和验证，文中的不妥之处，希望广大读者批评指正。
参考文献：
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Mobile distributed single phase inverter generator (system) Parallel operation
Abstract: The single-phase inverter generator (system) in mobile power application. On this basis, proposed single-phase inverter generator (system) can be run in parallel control scheme and introduces the structure and principle, given the software and hardware design. The results demonstrate that the system is stable and reliable control.
Key words: distribution, inverters, single phase, parallel operati