CN103326649B - 定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统，主回路包括定子双绕组异步电机、整流桥、功率变换器、直流电源、二极管、控制侧直流电容、功率侧直流电容；检测回路包括第一、第二电压传感器、第一、第二电流传感器；控制回路包括数字信号处理器和驱动电路；定子双绕组异步电机的两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组，均采用五相集中整距星形结构；在起动和发电过程中，功率变换器在数字信号处理器的控制下通过控制绕组向电机注入合适的三次谐波电流，将气隙磁场控制成准方波，以提高电机的转矩密度和功率密度；本发明结构简单，无电刷滑环，能实现起动发电一体化，且具有高功率密度、高转矩密度、易容错运行等优点。

Description

定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统及其方法

技术领域

本发明涉及谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统及其方法。

背景技术

在飞机、舰船、坦克等独立系统中，大都采用发动机作为原动机来为液压、气压等传动系统以及发电系统提供动力源。发动机自行运行之前，需要用专门的起动装置（如采用液压、气压或电动机）来起动，待它自行运行之后，才能输出动力，一方面驱动液压、气压设备，另一方面也带动发电机发电。而当发动机起动后，起动装置就不再起作用，不仅使用率很低，且结构较复杂，这对于传统的起动和发电功能各自独立的系统来说，大大增加了系统的体积和重量。为克服此缺点，起动发电双功能系统应运而生，它已成为现代飞机、舰船和坦克等独立电源系统的一个重要特征。近年来，飞机、舰船、坦克等独立系统中用电设备不断增加和高性能仪器及计算机大量使用，这对独立电源系统提出了扩大电源容量和提高供电品质等要求，并且由于受到体积和重量的限制，还要求起动发电系统具有更高的功率密度与效率。从国内外独立电源系统的发展与研究来看，高压直流起动发电系统是其主要发展趋势之一。

目前，可应用于起动发电系统的交流电机主要有开关磁阻电机、同步电机和异步电机。笼型异步电机因其具有无刷结构、简单坚固、易维护、成本低等优点，广泛用于电力拖动和调速场合。而根据电机可逆运行原理，笼型异步电机当然也能发电运行。特别是近年来，随着电力电子技术的快速发展和电机控制理论的日益成熟，基于电力电子变换器控制的笼型异步电机发电系统的性能和发电品质得到了大幅提升，完全可以输出高品质的高压直流电能。笼型异步电机越来越成为飞机、舰船、坦克等独立系统中的高压直流起动发电系统的重要选择。

定子双绕组异步发电机（DWIG）是二十一世纪初由美国田纳西理工大学Ojo教授提出的一种新型笼型异步电机，该电机的转子仍为笼型结构，继承了传统笼型异步电机的固有优点，其定子上有两套绕组，一套为控制绕组，接有功率变换器；另一套为功率绕组，向负载供电，两套定子绕组具有相同的极对数，共享同一气隙磁场，且它们在电气上没有直接连接，仅通过磁耦合，功能分开，易实现高性能控制。由于DWIG结构独特且具有诸多优点，它吸引了国内外研究人员的广泛关注。Ojo教授对DWIG恒速恒频交流发电系统的拓扑结构及控制策略作了许多开创性研究。国内海军工程大学的马伟明教授以舰船独立电源系统为应用背景，对恒速运行条件下的DWIG高压直流发电系统进行了深入研究，主要包括拓扑结构，控制策略，稳定性等。为拓宽DWIG的应用场合，南京航空航天大学的研究人员从2004年开始研究变速运行条件下的DWIG高压直流发电系统，如图1所示，并重点对电机设计、系统优化、控制策略等开展了研究。

尽管DWIG是针对发电应用而被提出的，但其本质上仍属于笼型异步电机，当然可以电动运行，因而DWIG也能用于起动发电系统中，但从现有的文献来看，还未有相关报道。由于飞机、舰船、坦克等独立系统对其电源系统的体积、重量有严格限制，加之起动发电系统又是其最核心的部件之一，对可靠性要求较高。因此，若将DWIG应用于高压直流起动发电系统中，必须对现有的只针对发电应用的DWIG及其系统的拓扑结构和控制方法进行改进，以实现起动发电一体化，并提高它的功率密度、转矩密度和可靠性。

发明内容

本发明的目的：

提出谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统及其方法，提高系统的转矩密度、功率密度和可靠性，且实现起动发电一体化。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统电系统，包括主回路、检测回路和控制回路，主回路包括定子双绕组异步电机、整流桥、功率变换器、控制侧直流电容、功率侧直流电容和负载；检测回路包括第二电压传感器、第一电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器；控制回路包括数字信号处理器和功率变换器的驱动电路；定子双绕组异步电机有两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组；控制侧直流电容的正负极分别接至功率变换器的正负极，第一电压传感器设置于控制侧直流电容的输入端上，第一电压传感器的输出端接数字信号处理器的输入端，功率变换器的各相输出端接定子双绕组异步电机的各相控制绕组的输入端，第一电流传感器设置于定子双绕组异步电机的各相控制绕组输入端上，第一电流传感器的输出端接数字信号处理器的输入端，定子双绕组异步电机的各相功率绕组输出端接整流桥的各相输入端，整流桥的正输出端分别接功率侧直流电容的正输入端和负载的正输入端，整流桥的负输出端分别接功率侧直流电容的负输入端和负载的负输入端，第二电压传感器设置于功率侧直流电容的输入端上，第二电流传感器设置于整流桥的输出端上，第二电压传感器和第二电流传感器的输出端分别接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端分别接功率变换器的驱动电路的输入端，功率变换器的驱动电路的输出端接功率变换器的输入端；所述的定子双绕组异步电机为多相电机，所述多相电机为多相集中式整距绕组结构；所述数字信号处理器包括基波发生装置和谐波发生装置；所述基波发生装置和所述谐波发生装置根据所需的控制绕组基波电流和谐波电流输出控制信号来控制功率变换器，以实现将定子双绕组异步电机的气隙磁场控制成准方波。

所述定子双绕组异步电机的两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组，均采用五相集中整距星形结构，所述的谐波发生装置为三次谐波发生装置。

还包括直流电源和二极管，二极管的阳极串接直流电源后接控制侧直流电容的负输入端，二极管的阴极接控制绕组直流电容的正输入端，所述数字信号处理器还包括恒转矩控制绕组电流发生装置，所述恒转矩控制绕组电流发生装置根据原动机起动转矩要求产生所需的控制绕组基波电流和谐波电流，由功率变换器通过控制绕组来驱动定子双绕组异步电机。

所述的定子双绕组异步电机为多相电机，所述多相电机为多相集中式整距绕组结构；待定子双绕组异步电机的转速达到可发电转速后，数字信号处理器根据第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器分别测取功率绕组侧直流母线电压、功率变换器的直流母线电压、控制绕组各相电流和功率绕组侧直流母线电流算得控制绕组所需的基波电流和谐波电流，再经所述数字信号处理器来控制功率变换器，由功率变换器通过控制绕组向定子双绕组异步电机提供可变的且含有基波和谐波的励磁电流，以对电机气隙磁场的调节，并将电机气隙磁场控制成准方波，从而保证功率绕组侧直流母线电压达到并稳定于给定值。

所述的多相电机的控制绕组和功率绕组采用五相集中整距星形结构，所述谐波电流为三次谐波电流。

所述直流电源通过功率变换器经控制绕组向定子双绕组异步电机供电；功率变换器在数字信号处理器的控制下通过控制绕组以恒转矩方式驱动定子双绕组异步电机运行于电动状态，拖动原动机旋转，直至原动机点火成功并能自行运行。

本发明的有益效果是：

（1）采用谐波注入的方法将电机的气隙磁场控制成准方波，可大大提高系统的功率密度和转矩密度。

（2）定子双绕组异步电机采用多相集中式整距绕组结构，易实现系统的容错运行。

（3）通过对功率变换器的合理控制，定子双绕组异步电机既可以电动运行，也可以发电运行，实现了起动发电一体化，且结构简单。

附图说明

图1为现有的定子双绕组异步电机高压直流发电系统示意图。

图2谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统示意图。

图3本发明中的定子双绕组异步电机定子绕组示意图。

图4谐波注入的定子双绕组异步电机气隙磁场波形示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提出的谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统，包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由定子双绕组异步电机1、整流桥2、功率变换器3、直流电源4、二极管5、控制侧直流电容6、功率侧直流电容7和负载8组成；检测回路由第一电压传感器9、第二电压传感器10、第一电流传感器11和第二电流传感器12组成；控制回路由数字信号处理器13和功率变换器的驱动电路14组成；其中，定子双绕组异步电机1的转子为笼型结构，定子双绕组异步电机1有两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组。二极管5的阳极串接直流电源4后分别接控制侧直流电容6的负输入端和功率变换器3的负输入端，二极管5的阴极分别接控制绕组直流电容6的正输入端和功率变换器3的正输入端。第一电压传感器9接至整流桥的输出端，第一电压传感器9的输出端接数字信号处理器13的输入端，功率变换器3的各相输出端接定子双绕组异步电机1的各相控制绕组的输入端，定子双绕组异步电机（1）的各相功率绕组的输出端接整流桥的各相输入端，第一电流传感器11接于定子双绕组异步电机1各相控制绕组的输入端，第一电流传感器11的输出端接数字信号处理器13的输入端，定子双绕组异步电机1的五相功率绕组输出端接整流桥2的输入端，整流桥2的正输出端分别接功率侧直流电容7的正输入端和负载8的正输入端，整流桥2的负输出端分别接功率侧直流电容7的负输入端和负载8的负输入端，第二电压传感器10接至控制侧直流电容6的输入端及功率变换器的输入端，第二电流传感器12接于整流桥任意一个输出端上，第二电压传感器10和第二电流传感器12的输出端分别接数字信号处理器13的输入端，数字信号处理器13的输出端分别接至驱动电路14的输入端，驱动电路14的输出端接功率变换器3的输入端。

功率变换器的开关管可以采用常规低压IGBT或智能功率模块IPM。直流电源可以采用蓄电池组。二极管的作用是保证电能单向流动，即只保证直流电源为定子双绕组异步电机电动运行提供电能，当定子双绕组异步电机发电运行时，因控制侧直流母线电压设置的高于直流电源的电压，二极管反向截止，直流电源自然脱离系统。

为了提高本发明起动发电系统的的转矩密度、功率密度和可靠性，所述定子双绕组异步电机1的两套定子绕组均采用五相集中整距星形结构，并且在起动和发电过程中，数字信号处理器根据第一电压传感器9、第二电压传感器10、第一电流传感器11和第二电流传感器12分别测取的功率绕组侧直流母线电压、功率变换器的直流母线电压、控制绕组各相电流和功率绕组侧直流母线电流，计算得到需注入的三次谐波电流的幅值和相位，并给出功率变换器3的驱动信号，再经功率变换器的驱动电路14驱动功率变换器，从而向电机注入合适的三次谐波电流，将气隙磁场控制成准方波；起动时，直流电源4经功率变换器3通过控制绕组以恒转矩方式驱动定子双绕组异步电机1运行于电动状态，拖动原动机（发动机）旋转，直至原动机（发动机）点火成功并能自行运行；待定子双绕组异步电机1的转速达到可发电转速后，功率变换器3通过调节控制绕组的励磁无功功率来调节定子双绕组异步电机1的气隙磁场，使定子双绕组异步电机1运行于发电状态，并保证功率绕组整流输出的电压达到并稳定于给定值。

本发明提出的谐波注入的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统，其工作原理描述如下：

与三相电机系统比，多相电机系统具有转矩脉动低，容错运行能力强，易于通过常规低压功率器件实现大功率需求等优点，近年来在军用和民用领域得到了广泛应用。对于多相异步电机，其定子绕组形式主要有两种，一种是分布式正弦波绕组，一种是集中式整距绕组。当多相异步电机采用分布式正弦波绕组，并由正弦交流励磁时，其气隙磁场基本按正弦分布，具有正弦波反电势和绕组电流，电机铁心通常只有在气隙磁场超过正弦波幅值的1/3部分处于饱和区，因而电机铁心的利用是不充分的。由于多相异步电机中的无效谐波磁势大大减少，其定子也可以采用集中整距绕组，并采用非正弦交流励磁，使电机气隙磁场分布为准方波，相应地电机具有准方波反电势和绕组电流，这不仅可以提高电机铁心的利用率，还能改善电机的性能。若保持气隙磁场的幅值不变，则可增大等效基波磁场，而电机转矩主要由基波磁场决定，也即提高了电机的转矩密度和功率密度。此外，由于电机采用多相集中式整距绕组结构，还可方便实现容错运行，提高系统的可靠性。

基于上述分析，本发明提出将定子双绕组异步电机的两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组，均设置成五相集中整距星形结构，它的转子仍为笼型结构，如图3所示。对于五相异步电机，在电机电流中注入合适的三次谐波即可使气隙磁场为准方波。此外，由于定子双绕组异步电机的两套定子绕组共享同一气隙磁场，则改变控制绕组磁场即可实现对气隙磁场的改变，而控制绕组磁场的改变可以通过安装在控制绕组侧的功率变换器来实现。因此，对于五相集中整距定子双绕组异步电机，在数字信号处理器的控制下利用功率变换器在控制绕组电流中注入合适的三次谐波，即可将气隙磁场控制成如图4所示的准方波。

综上所述，将本发明提出的谐波注入的定子双绕组异步电机应用于高压直流起动发电系统具有很大优势。

本发明不同于现有的图1所示的定子双绕组异步电机高压直流发电系统的重要特点在于：

(1)定子双绕组异步电机的两套定子绕组均采用五相集中整距星形结构，且在起动和发电过程中，通过控制绕组向电机注入合适的三次谐波电流，将气隙磁场控制成准方波，这样不仅可以提高电机的转矩密度和功率密度，降低控制绕组侧功率变换器的容量，还可方便实现系统的容错运行，提高系统的可靠性；

（2）通过对安装在控制绕组侧功率变换器的合理控制，起动时，以恒转矩方式驱动定子双绕组异步电机运行于电动状态，直至原动机（发动机）点火成功并能自行运行；待电机的转速达到可发电转速后，再通过调节控制绕组的励磁无功功率来调节电机的气隙磁场，使定子双绕组异步电机运行于发电状态，并保证输出电压达到并稳定于给定值，这样不但可以实现了起动发电一体化，还能输出高品质的高压直流电能，从而进一步拓宽定子双绕组异步电机的应用场合。

Claims (3)

1. 定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统，包括主回路、检测回路和控制回路，主回路包括定子双绕组异步电机（1）、整流桥（2）、功率变换器（3）、控制侧直流电容（6）、功率侧直流电容（7）和负载（8）；检测回路包括第二电压传感器（9）、第一电压传感器（10）、第一电流传感器（11）和第二电流传感器（12）；控制回路包括数字信号处理器（13）和功率变换器的驱动电路（14）；定子双绕组异步电机（1）有两套定子绕组，即功率绕组和控制绕组；控制侧直流电容（6）的正负极分别接至功率变换器（3）的正负极，第一电压传感器（10）设置于控制侧直流电容（6）的输入端上，第一电压传感器（10）的输出端接数字信号处理器（13）的输入端，功率变换器（3）的各相输出端接定子双绕组异步电机（1）的各相控制绕组的输入端，第一电流传感器（11）设置于定子双绕组异步电机（1）的各相控制绕组输入端上，第一电流传感器（11）的输出端接数字信号处理器（13）的输入端，定子双绕组异步电机（1）的各相功率绕组输出端接整流桥（2）的各相输入端，整流桥（2）的正输出端分别接功率侧直流电容（7）的正输入端和负载（8）的正输入端，整流桥（2）的负输出端分别接功率侧直流电容（7）的负输入端和负载（8）的负输入端，第二电压传感器（9）设置于功率侧直流电容（7）的输入端上，第二电流传感器（12）设置于整流桥的输出端上，第二电压传感器（9）和第二电流传感器（12）的输出端分别接数字信号处理器（13）的输入端，数字信号处理器（13）的输出端分别接功率变换器的驱动电路（14）的输入端，功率变换器的驱动电路（14）的输出端接功率变换器（3）的输入端；其特征在于：所述的定子双绕组异步电机（1）为多相电机，所述多相电机为多相集中式整距绕组结构；所述数字信号处理器（13）包括基波发生装置和谐波发生装置；所述基波发生装置和所述谐波发生装置根据所需的控制绕组基波电流和谐波电流输出控制信号来控制功率变换器（3），以实现将定子双绕组异步电机（1）的气隙磁场控制成准方波；

其中，待定子双绕组异步电机（1）的转速达到可发电转速后，数字信号处理器（13）根据第一电压传感器（9）、第二电压传感器（10）、第一电流传感器（11）和第二电流传感器（12）分别测取功率绕组侧直流母线电压、功率变换器的直流母线电压、控制绕组各相电流和功率绕组侧直流母线电流算得控制绕组所需的基波电流和谐波电流，再经所述数字信号处理器（13）来控制功率变换器（3），由功率变换器（3）通过控制绕组向定子双绕组异步电机（1）提供可变的且含有基波和谐波的励磁电流，以对电机气隙磁场的调节，并将电机气隙磁场控制成准方波，从而保证功率绕组侧直流母线电压达到并稳定于给定值；所述的多相电机的控制绕组和功率绕组采用五相集中整距星形结构，所述的谐波发生装置为三次谐波发生装置，所述谐波电流为三次谐波电流。

2. 根据权利要求１所述的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统，其特征在于：还包括直流电源（４）和二极管（5），二极管（5）的阳极串接直流电源（4）后接控制侧直流电容（6）的负输入端，二极管（5）的阴极接控制绕组直流电容（6）的正输入端，所述数字信号处理器（13）还包括恒转矩控制绕组电流发生装置，所述恒转矩控制绕组电流发生装置根据原动机起动转矩要求产生所需的控制绕组基波电流和谐波电流，由功率变换器（3）通过控制绕组来驱动定子双绕组异步电机（1）。

3. 基于权利要求2所述的定子双绕组异步电机高压直流起动发电系统的控制方法，其特征在于：所述直流电源（4）通过功率变换器（3）经控制绕组向定子双绕组异步电机（1）供电；功率变换器（3）在数字信号处理器（13）的控制下通过控制绕组以恒转矩方式驱动定子双绕组异步电机（1）运行于电动状态，拖动原动机旋转，直至原动机点火成功并能自行运行。