CN104218858A - 三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三级式无刷起动/发电机三相交流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，在电机发电运行阶段，三相双向逆变器工作在整流状态，同时与另外一台三相逆变器配合，实现交流-直流-交流功率变换并为励磁机提供励磁电流。本发明方法具有以下有益效果：1)本发明中采用一个三相双向逆变器，在主发电机起动与发电过程均作为主功率变换器，利用率高。2)本发明方法中采用的励磁方式控制方法，能够实现直流-交流以及交流-直流-交流功率变换，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/发电机三相交流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/发电机三相交流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、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用单相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流励磁；2、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用三相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流励磁；3、主发电机在起动与发电阶段，励磁机定子绕组始终采用三相交流励磁。方案1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起动阶段对励磁电流的需求。方案2中励磁机的励磁方式需要根据主发电机的不同运行模式进行切换，鉴于主发电机的发电运行是长时间工作方式，励磁机定子绕组需要通过提高每极串联匝数来降低励磁机定子所需的直流励磁电流，但是过高的匝数造成主发电机起动阶段励磁机具有高阻抗特性使得励磁机定子绕组需要较高的输入容量，且该方案对励磁机的本体以及励磁系统设计要求较高。方案3中三相交流励磁机在主发电机的起动以及发电运行全过程均采用三相交流励磁，且无高阻抗特性，但是随着主发电机的运行方式改变，励磁系统中的励磁电源由直流母线变为了副励磁机，励磁系统需要从直流—交流功率变换状态切换到交流—直流—交流功率变换状态，因此方案3要有新的励磁系统及控制方法。

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/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置，在三级式无刷起动/发电机的起动与发电阶段，给三相交流励磁机提供三相交流励磁，励磁系统需要有直流—交流以及交流—直流—交流功率变换的功能。

技术方案

一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构，其特征在于：励磁系统在起动阶段能量流动为：直流母线连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为逆变状态；励磁系统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三相逆变器，三相逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为整流状态。

一种实现所述拓扑结构的装置，其特征在于包括励磁机、三相桥式双向逆变器、三相桥式逆变器、KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组，均呈Y型连接；副励磁机定子绕组的三个线圈分别通过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个线圈分别与KA1三触点继电器的三个常开触点连接，同时还通过KA3三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式逆变器交流侧的三个输出端口；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一开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入正极端口，三相桥式双向逆变器输出的负极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入负极端口，第一开关组的常开触点与第二开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三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/发电机三相交流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，在电机发电运行阶段，三相双向逆变器工作在整流状态，同时与另外一台三相逆变器配合，实现交流-直流-交流功率变换并为励磁机提供励磁电流。

本发明方法具有以下有益效果：

1)本发明中采用一个三相双向逆变器，在主发电机起动与发电过程均作为主功率变换器，利用率高。

2)本发明方法中采用的励磁方式控制方法，能够实现直流-交流以及交流-直流-交流功率变换，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：励磁机静止时，励磁机三相交流励磁电流波形

图5：励磁机静止时，励磁机三相交流励磁相电压斩波电压

图6：励磁机静止时，主发电机转子励磁电流波形

图7：励磁机8000rpm转速时，励磁机定子绕组励磁电流波形

图8：励磁机8000rpm转速时，励磁机定子励磁电压波形

图9：励磁机8000rpm转速时，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48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48槽，三相分布，每相串联匝数为288匝。

现结合附图：包括励磁机、三相桥式双向逆变器、三相桥式逆变器、KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组，均呈Y型连接；副励磁机定子绕组的三个线圈分别通过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个线圈分别与KA1三触点继电器的三个常开触点连接，同时还通过KA3三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式逆变器交流侧的三个输出端口；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一开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入正极端口，三相桥式双向逆变器输出的负极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入负极端口，第一开关组的常开触点与第二开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三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、KA2的常开触点闭合，继电器KA3的常闭触点断开。励磁机定子三相U、V、W三个绕组分别连接到KA1的常开触点a1、a2与a3相连接。三相桥式双向逆变器A的交流侧ABC三相端口分别与KA1的L1，L2与L3相连接，双向逆变器A的“+”、“-”端口分别连接到KA2的L1与L2端口。270V直流母线的正负极分别与KA2的常开触点a1、a2相连接。此时，三相桥式双向逆变器工作在逆变状态，励磁系统能量从直流母线经过三相桥式双向逆变器A流入励磁机。

可见在电机起动阶段，控制三相双向逆变器工作在逆变状态，把直流母线上的直流电逆变成三相交流电，为励磁机定子绕组提供三相交流励磁；通过控制三相双向逆变器实现对主发电机转子励磁电流的控制。

在本例中，励磁机定子三相电流有效值为6.3A，频率为400Hz，由三相桥式双向逆变器A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40.8A，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，三个继电器处于断电状态，三触点继电器KA1、KA2的常闭触点闭合，继电器KA3的常闭触点闭合。励磁机定子UVW三相绕组分别与KA3的常闭触点b1、b2与b3相连。副励磁机ABC三相绕组分别连接到KA1的常闭触点b1、b2、b3。三相桥式逆变器B直流侧“+”、“-”端口分别连接到KA2的b1、b2常闭触点，逆变器B交流侧的ABC三相端口分别与KA3的L1、L2及L3相连接。此时，三相桥式逆变器A工作在整流状态，三相桥式逆变器B工作在逆变状态。励磁系统的能量由副励磁机经过三相桥式双向逆变器A以及三相桥式逆变器B流向励磁机。

在电机发电运行阶段，控制三相双向逆变器工作在整流状态，把副励磁机发出的三相交流电整流成直流电；同时，三相逆变器把三相双向逆变器整流的直流电逆变成三相交流电，为励磁机定子绕组提供三相交流励磁；通过控制三相双向逆变器或者三相逆变器实现对主发电机转子励磁电流的控制。

在本例中，励磁机定子励磁电流为6.2A，频率为300Hz，由三相双向逆变器A工作在整流状态与三相逆变器B配合得到，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，主发电机励磁电流的控制可以通过调节励磁机定子绕组的励磁电压幅值及频率实现。

Claims (2)

1.一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的拓扑结构，其特征在于：励磁系统在起动阶段能量流动为：直流母线连接三相双向逆变器，三相双向逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为逆变状态；励磁系统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三相逆变器，三相逆变器连接励磁机，且三相双向逆变器为整流状态。

2.一种实现权利要求1所述拓扑结构的装置，其特征在于包括励磁机、三相桥式双向逆变器、三相桥式逆变器、KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三触点继电器；励磁机包括副励磁机定子绕组和励磁机定子绕组，均呈Y型连接；副励磁机定子绕组的三个线圈分别通过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个线圈分别与KA1三触点继电器的三个常开触点连接，同时还通过KA3三触点继电器的三个常闭触点连接三相桥式逆变器交流侧的三个输出端口；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一开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入正极端口，三相桥式双向逆变器输出的负极端口通过KA2三触点继电器的第二开关组的常闭触点连接三相桥式逆变器输入负极端口，第一开关组的常开触点与第二开关组的常开触点之间连接电源VDC270伏；所述KA1三触点继电器、KA2三触点继电器和KA3三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。