CN104218851A

CN104218851A - 三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置

Info

Publication number: CN104218851A
Application number: CN201410472111.2A
Authority: CN
Inventors: 刘卫国; 张赞; 马鹏; 毛帅; 庞基
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN104218851B

Abstract

本发明涉及一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置，利用三相双向逆变器功率双向流动的特点，在电机起动和低速运行阶段，三相双向逆变器工作在逆变状态并为励磁机提供三相交流励磁电流，在主发电机发电阶段，三相双向逆变器工作在整流状态，将副励磁机发出的三相交流电整流后为励磁机提供直流励磁。本发明方法具有以下有益效果：1)本发明中采用的三相双向逆变器，在主发电机起动与发电阶段均作为功率变换器，利用率高。2)本发明方法中采用的励磁方式控制方法，能够对励磁机的励磁电流进行交流/直流切换，能够满足主发电机在不同运行模式下对励磁电流的需求。

Description

三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置

技术领域

本发明属于航空交流电机技术领域，具体涉及一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置。

背景技术

随着大飞机技术的迅猛发展，具有起动/发电一体化功能的高压宽变频发电系统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(原理框图见图1)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。

传统的三级式无刷同步发电机主要由主发电机、励磁机、副励磁机(永磁发电机)、旋转整流器构成。主发电机在发电阶段，副励磁机发出的三相交流电经过三相不控整流电路整流为直流电后为励磁机定子绕组提供励磁，励磁机转子绕组感应出来三相交流电经同轴相连的旋转整流器整流后为主发电机转子励磁绕组提供励磁，主发电机定子绕组切割同步磁场发出三相交流电。该电机主要为满足发电功能设计，在电动状态时存在如下问题：1)静止和低速状态时，励磁机输出电压较低、主发电机励磁电流较小，严重影响主发电机的带载起动能力；2)随着电机转速的升高，励磁机输出电压逐渐增大，主发电机励磁电流也逐渐增大，即主发电机励磁电流在电机起动过程中一直处于变化之中。

针对上述励磁机问题，目前国内外主要的解决方案有：1、励磁机定子绕组采用单相交流励磁；2、励磁机定子绕组采用三相交流励磁。单相交流励磁方案能够在主发电机静止与低速阶段提供较大的励磁电流，但随着航空电源技术的发展以及发动机需要更高的起动转矩，单相交流励磁方式已经无法满足主发电机对励磁电流的需求。三相交流励磁方案在主发电机起动阶段，能够满足主发电机对励磁电流的需求。但是，在电机起动过程中，需要在传统三级式无刷发电机的励磁系统基础上额外增加一套由三相逆变器构成的三相交流励磁系统，而主发电机进入发电状态后，上述三相交流励磁系统却只有少部分功率管工作或者整个三相交流励磁系统处于闲置状态，励磁系统利用率极低，同时增加了系统重量。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置，采用三相交流励磁方案时存在：在起动与发电过程中使用不同的励磁系统，造成励磁系统利用率低，系统重量大的问题。

技术方案

一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构，其特征在于：在起动阶段能量流动为：直流母线连接三相桥式双向逆变器，三相桥式双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于逆变状态，励磁机定子绕组为三相Y型连接方式；在发电阶段能量流动为：永磁发电机连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于整流状态，励磁机定子绕组三相绕组变换为两相正向串联后与另一相绕组反向串联的连接方式。

一种实现权利要求1所述拓扑结构的三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁的装置，其特征在于包括励磁机、三相桥式双向逆变器、KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组；副励磁机定子绕组的三相A线圈、B线圈和C线圈呈Y型连接，三个线圈分别通过KA1三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式双向逆变器交流侧的三个输入端口；励磁机定子绕组的三相U线圈、V线圈和W线圈的U1端、V1端和W1端分别连接KA1三触点继电器的三个常开触点，U线圈和V线圈的U2端和V2端串联后的节点连接KA2三触点继电器的第一开关组的常开触点上，第一开关组的常闭触点连接到V线圈的V1端，动触点连接W线圈的W2端；W线圈的W1端通过KA3继电器的一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出正极端口，U线圈的U1端通过KA3继电器的另一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出负极端口；三相桥式双向逆变器输出的正极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入正极端口，负极端口通过KA2三触点继电器的第三开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入负极端口；第二开关组的常开触点与第三开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器上设有继电器的启动电源，在电机起动阶段，三个继电器处于通电状态，在电机发电阶段，三个继电器处于断电状态。

有益效果

本发明提出的一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置，利用三相双向逆变器功率双向流动的特点，在电机起动和低速运行阶段，三相双向逆变器工作在逆变状态并为励磁机提供三相交流励磁电流，在主发电机发电阶段，三相双向逆变器工作在整流状态，将副励磁机发出的三相交流电整流后为励磁机提供直流励磁。

本发明方法具有以下有益效果：

1)本发明中采用的三相双向逆变器，在主发电机起动与发电阶段均作为功率变换器，利用率高。

2)本发明方法中采用的励磁方式控制方法，能够对励磁机的励磁电流进行交流/直流切换，能够满足主发电机在不同运行模式下对励磁电流的需求。

附图说明

图1：三级式无刷同步发电系统结构图

图2：无刷励磁系统结构图

图3：励磁机结构图

图4：励磁机三相交流励磁电流波形

图5：励磁机三相交流励磁相电压斩波电压

图6：励磁机三相交流励磁时主发电机励磁电流波形

图7：励磁机直流励磁电流波形

图8：励磁机直流励磁电压波形

图9：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

现结合实施例、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Magnet 6.0进行仿真验证。图3为在Magnet软件中建立的三相交流励磁机有限元模型：励磁机为转枢式结构，4对极；转子铁心63槽，三相分布，每相串联匝数为42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)；定子铁心12槽，三相分布，每相串联匝数为316匝。

现结合附图对本发明作进一步描述：

实现本发明的装置包括励磁机、三相桥式双向逆变器、KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组；副励磁机定子绕组的三相A线圈、B线圈和C线圈呈Y型连接，三个线圈分别通过KA1三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式双向逆变器交流侧的三个输入端口；励磁机定子绕组的三相U线圈、V线圈和W线圈的U1端、V1端和W1端分别连接KA1三触点继电器的三个常开触点，U线圈和V线圈的U2端和V2端串联后的节点连接KA2三触点继电器的第一开关组的常开触点上，第一开关组的常闭触点连接到V线圈的V1端，动触点连接W线圈的W2端；W线圈的W1端通过KA3继电器的一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出正极端口，U线圈的U1端通过KA3继电器的另一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出负极端口；三相桥式双向逆变器输出的正极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入正极端口，负极端口通过KA2三触点继电器的第三开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入负极端口；第二开关组的常开触点与第三开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器上设有继电器的启动电源，在电机起动阶段，三个继电器处于通电状态，在电机发电阶段，三个继电器处于断电状态。

如图2所示，在电机起动阶段，三个继电器处于通电状态，三触点继电器KA1的三触点继电器KA2个三个开关组的动触点与常开触点连接，继电器KA3两个开关组的动触点与常闭触点断开。励磁机定子三相绕组的U1、V1、W1分别连接到KA1的常开触点a1、a2、a3，U2与V2短接后连接到KA2的常开触点a2，W2连接到KA2与进线端L1相连接。三相桥式双向逆变器的交流侧A、B、C相端口分别连接到KA1的L3、L2、L1端口，双向逆变器的“+”、“-”端口与KA2的L2与L3相连接。270V直流母线的正、负极分别连接到KA2的常开a2、a3端口。此时，励磁机定子绕组为三相Y型连接。三相双向逆变器由270V直流母线供电且工作在逆变状态，能量从直流母线经过三相双向逆变器流动到励磁机中。

实现起动阶段的拓扑结构是，起动阶段能量流动为：直流母线连接三相桥式双向逆变器，三相桥式双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于逆变状态，励磁机定子绕组为三相Y型连接方式。

在本例中，励磁机定子三相电流有效值为4.8A，频率为400Hz，由三相逆变器经过SPWM控制技术得到，如图4、5所示。电机静止时，经过有限元仿真计算，主发电机励磁绕组电流为41A，如图6所示，能够满足主发电机起动需求。在电机起动过程中，可以通过调节励磁机的三相励磁电压幅值与频率可以对主发电机的励磁电流进行调节。

在电机发电阶段，在电机起动阶段，三个继电器处于断电状态，三触点继电器KA1的三触点继电器KA2个三个开关组的动触点与常闭触点连接，继电器KA3两个开关组的动触点与常闭触点连接。励磁机定子绕组的U1、W1分别连接到KA3的常闭触点b2与b1端口，U2与V2短接，V1与KA2的常闭触点b1相连接，W2连接到KA2的L1端口。副励磁机的A、B、C三相绕组分别与KA1的常闭触点b1、b2与b3相连接。发电机控制单元(GCU)进线端的“+”、“-”分别与KA2的常闭触点b2、b3相连接，GCU出线端“+”、“-”分别与KA3的L1、L2相连接。此时，励磁系统的能量由副励磁机经过三相桥式双向逆变器整流以及发电机控制单元GCU的调节后流向励磁机定子绕组。在本例中，励磁机定子直流励磁电流为5.9A，由三相双向逆变器工作在整流状态得到，波形如图7、8所示。经过有限元计算，电机转速为8000rpm时，主发电机励磁绕组电流为40A，波形如图9所示，能够满足系统需求。系统在发电过程中，主发电机励磁电流可以通过调节励磁机励磁电流大小进行调节。

实现发电阶段的拓扑结构是，在发电阶段能量流动为：永磁发电机连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于整流状态，励磁机定子绕组三相绕组变换为两相正向串联后与另一相绕组反向串联的连接方式。

Claims

1.一种三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构，其特征在于：在起动阶段能量流动为：直流母线连接三相桥式双向逆变器，三相桥式双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于逆变状态，励磁机定子绕组为三相Y型连接方式；在发电阶段能量流动为：永磁发电机连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相桥式双向逆变器处于整流状态，励磁机定子绕组三相绕组变换为两相正向串联后与另一相绕组反向串联的连接方式。

2.一种实现权利要求1所述拓扑结构的三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁的装置，其特征在于包括励磁机、三相桥式双向逆变器、KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组；副励磁机定子绕组的三相A线圈、B线圈和C线圈呈Y型连接，三个线圈分别通过KA1三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式双向逆变器交流侧的三个输入端口；励磁机定子绕组的三相U线圈、V线圈和W线圈的U1端、V1端和W1端分别连接KA1三触点继电器的三个常开触点，U线圈和V线圈的U2端和V2端串联后的节点连接KA2三触点继电器的第一开关组的常开触点上，第一开关组的常闭触点连接到V线圈的V1端，动触点连接W线圈的W2端；W线圈的W1端通过KA3继电器的一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出正极端口，U线圈的U1端通过KA3继电器的另一个常闭触点连接发电机控制单元GCU的输出负极端口；三相桥式双向逆变器输出的正极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入正极端口，负极端口通过KA2三触点继电器的第三开关组的常闭触点连接发电机控制单元GCU的输入负极端口；第二开关组的常开触点与第三开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA3继电器、KA1三触点继电器和KA2三触点继电器上设有继电器的启动电源，在电机起动阶段，三个继电器处于通电状态，在电机发电阶段，三个继电器处于断电状态。