CN103457427A - 一种用于三级式起动/发电系统的励磁机结构及控制方法 - Google Patents
一种用于三级式起动/发电系统的励磁机结构及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于三级式起动/发电系统的无刷励磁机结构及其控制方法，其特征在于：无刷励磁机为转枢式结构，定子励磁绕组采用两相对称分布式结构，两相绕组在空间上相差90°电角度；转子电枢绕组采用三相分布式结构，三相绕组在空间上互差120°电角度。两相逆变电路可采用双半桥两相逆变电路、双全桥两相逆变电路或三相全桥逆变电路。有益效果：励磁机在电机静止、低速及高速运行时为主发电机提供足够的励磁电流，供主发电机起动或发电；相比于励磁机励磁绕组采用单相绕组的方法，本方法在交流励磁时励磁效率高，能够满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于三级式无刷起动/发电系统的励磁机新型结构，是一种定子励磁绕组采用两相对称绕组，通过两相逆变电路控制的能够同时满足主发电机起动及发电要求的新型无刷励磁机及其控制方法，属于航空交流电机技术领域。
背景技术
起动/发电一体化是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机作为发电机，该类发电机无起动航空发动机的功能，发动机由独立的起动机进行起动。这样的发动机-电源系统包含两套电机，使得其体积和重量较大，且系统复杂，可靠性降低。若能在原有三级式无刷同步发电机的基础上，通过控制使其运行在电动状态来完成发动机的起动，即实现起动/发电一体化，就可以省去专门的起动机，减轻机载重量和系统体积。但是，该电机用作电动机带动航空发动机起动时存在如下问题：电机静止时，励磁机采用直流励磁无法给主发电机提供励磁电流；电机低转速情况下，励磁机采用直流励磁时提供的主发电机励磁电流无法满足起动要求。
针对上述问题，国内外的解决办法主要有两种：一种是励磁机励磁绕组仍为单相绕组，电机静止和低转速起动时，采用单相交流励磁；电机高速运行时（包括起动后期及发电状态）采用直流励磁方式。另一种是励磁机励磁绕组采用三相绕组，电机静止和低转速起动时，励磁机三相励磁绕组通过三相逆变器输入三相交流电；电机高速运行时（包括起动后期及发电状态），利用单刀双掷开关或者逆变器控制方法将三相绕组切换成单相串联绕组后通入直流电进行励磁，或者仍然选择三相交流电进行励磁。
这两种现有解决方法各有优缺点：励磁机励磁绕组采用单相绕组的优点是对原有励磁机改动较小，且控制较为简单；缺点是电机静止和低转速时，单相交流励磁效率较低，励磁机转子感应电势受励磁电压限制，很难满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求。励磁机励磁绕组采用三相绕组的优点是电机静止和低转速时，三相交流励磁效率较高；缺点是三相交流励磁向直流励磁切换较复杂，且励磁机励磁绕组利用率不高。
发明内容
要解决的技术问题
三级式无刷起动/发电系统带动航空发动机起动时，励磁机电枢绕组上需感应出足够的电势才能给主发电机提供足够大的励磁电流。所以在电机静止和低转速情况下，励磁机励磁绕组需要产生变化的磁场。电机达到一定转速时，励磁机采用直流励磁，励磁机电枢上即可感应出足够大的电势，且励磁机直流励磁控制简单，所以此时励磁机应采用直流励磁。
为了满足上述对励磁机的要求，同时保证两种励磁方式切换简单，本发明提出一种新的解决三级式无刷起动/发电系统起动时主发电机励磁电流不足的方法：励磁机励磁绕组采用两相绕组，电机静止和低转速起动时，采用相差90°的两相交流电进行励磁；电机高速运行时（包括起动后期及发电状态），将两相绕组等效串联后通入直流电励磁。
技术方案
本发明主要提出一种用于三级式起动/发电系统的励磁绕组采用两相对称分布式结构的无刷励磁机新结构及其控制方法。
一种用于三级式起动/发电系统的无刷励磁机结构，其特征在于：无刷励磁机为转枢式结构，定子励磁绕组采用两相对称分布式结构，两相绕组在空间上相差90°电角度；转子电枢绕组采用三相分布式结构，三相绕组在空间上互差120°电角度。两相逆变电路可采用双半桥两相逆变电路、双全桥两相逆变电路或三相全桥逆变电路。
一种利用上述无刷励磁机结构实现无刷励磁机控制的方法，其特征在于在于：
当电机起动时处于静止及低转速状态时，设置两相逆变电路的调制波为相位差为90°的两相交流电，通过SPWM斩波技术控制两相逆变电路输出相位差为90°的两相交流电，分别供给无刷励磁机两相励磁绕组进行励磁；
当电机起动时处于高速状态以及电机处于发电状态时，设置两相逆变电路的调制波为幅值相等、方向相反的两路直流电，通过直流斩波技术控制两相逆变电路输出幅值相等、方向相反的两路直流电，分别供给无刷励磁机两相励磁绕组进行励磁。
有益效果
本发明的有益效果主要有：1）励磁机在电机静止、低速及高速运行时都能为主发电机提供足够的励磁电流，供主发电机起动或发电；2）相比于励磁机励磁绕组采用单相绕组的方法，本方法在交流励磁时励磁效率高，能够满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求；3）相比于励磁机励磁绕组采用三相绕组的方法，本方法励磁绕组利用率高，且在交流励磁向直流励磁切换时操作简单。
附图说明
图1：两相无刷励磁机励磁原理示意图
图2：两相无刷励磁机结构示意图
图3：无刷励磁机两相励磁绕组连接示意图（一对极）
图4：励磁机两相交流励磁电流（相位相差90°）
图5：励磁机两相交流励磁时的主发电机励磁电流波形
图6：励磁机直流励磁时的主发电机励磁电流波形
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
为验证本发明方法的可行性和有效性，采用MagNet6.0进行有限元仿真验证。
图2所示为在MagNet软件中建立的两相励磁绕组无刷励磁机有限元模型。励磁机为转枢式电机，6对极；转子63槽，电枢绕组三相分布式连接，每相串联匝数为63匝，三相绕组通过全桥整流接阻感性负载（模拟主发电机励磁绕组）；定子72槽，励磁绕组两相分布式连接，两相绕组在空间上相差90°电角度，每极匝数为120匝。无刷励磁机定子励磁绕组连接示意图如图3所示（仅给出一对极的连接方式）。
下面分别从励磁机交流励磁和直流励磁的励磁情况进行说明。
电机起动时，处于静止和低转速情况下时，励磁机励磁绕组通过两相逆变电路输入相差90°的两相交流电。在本例中，两相交流电流的有效值为5A，频率为400Hz，由两相逆变器经过SPWM控制技术得到，如图4所示。电机静止时，经过有限元仿真计算可得，此时的主发电机励磁电流稳定后的值为42A，如图5所示，能够满足主发电机带载起动要求。
电机起动后处于高转速以及电机处于发电状态时，励磁机励磁绕组通过两相逆变电路输入直流电。在本例中，电机发电状态下额定转速为8000rpm，励磁机直流励磁电流为5A。设置励磁机转子转速为8000rpm，经过有限元计算可得，此时主发电机励磁电流稳定后的值为44.5A，如图6所示，能够满足主发电机在额定转速下输出额定功率的要求。
Claims (2)
1.一种用于三级式起动/发电系统的无刷励磁机结构，其特征在于：无刷励磁机为转枢式结构，定子励磁绕组采用两相对称分布式结构，两相绕组在空间上相差90°电角度；转子电枢绕组采用三相分布式结构，三相绕组在空间上互差120°电角度。两相逆变电路可采用双半桥两相逆变电路、双全桥两相逆变电路或三相全桥逆变电路。
2.一种利用权利要求1所述无刷励磁机结构实现无刷励磁机控制的方法，其特征在于在于：
当电机起动时处于静止及低转速状态时，设置两相逆变电路的调制波为相位差为90°的两相交流电，通过SPWM斩波技术控制两相逆变电路输出相位差为90°的两相交流电，分别供给无刷励磁机两相励磁绕组进行励磁；
当电机起动时处于高速状态以及电机处于发电状态时，设置两相逆变电路的调制波为幅值相等、方向相反的两路直流电，通过直流斩波技术控制两相逆变电路输出幅值相等、方向相反的两路直流电，分别供给无刷励磁机两相励磁绕组进行励磁。
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