CN105553211B - 一种三级式无刷同步起动发电机结构及其起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式无刷同步起动发电机结构及其起动控制方法，包括永磁副励磁机、主励磁机、主电机、旋转整流器和三相全桥逆变器，所述主励磁机、主电机、旋转整流器依次连接，所述三相全桥逆变器与主电机连接；其能够降低三级式无刷同步起动发电机的结构复杂度，提高工作的可靠性，简化起动控制方法，拓展主电机的转速范围，减小主电机设计容量，高效稳定地完成发动机的起动。

Description

一种三级式无刷同步起动发电机结构及其起动控制方法

技术领域

本发明涉及电机与电力传动技术领域，尤其涉及一种三级式无刷同步起动发电机结构及其起动控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

三级式无刷同步起动发电机因为具有稳定，高效的优点，在飞行器上得到了越多越广泛的应用。传统的三级式无刷同步起动发电机为了解决静止和低速时主电机励磁电流不足的问题，主励磁机定子绕组结构和控制方法复杂且成本较高。传统的三级式无刷同步起动发电机的起动只利用了主电机的恒转矩区，而没有利用弱磁恒功率区，因此在设计主电机时造成了电机容量的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术的缺陷，提供一种三级式无刷同步起动发电机结构及其起动控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三级式无刷同步起动发电机结构，包括主励磁机、主电机、旋转整流器和三相全桥逆变器，所述主励磁机、主电机、旋转整流器依次连接，所述三相全桥逆变器与主电机连接；

其中，所述主励磁机包含第一定子绕组、转子绕组、三相交流汇流条；

所述定子绕组为三相对称绕组，包含第一绕组、第二绕组、第三绕组和第一开关，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的一端相连，所述第二绕组和第三绕组的另一端分别与三相交流汇流条的第一、第二相相连，所述第一绕组的另一端通过第一开关与三相汇流条中的第三相相连；

所述转子绕组为三相对称绕组，包含第四绕组，第五绕组和第六绕组；

所述旋转整流器包含第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管；

所述第四绕组、第五绕组和第六绕组的一端相连，第四绕组的另一端连接第一二极管的正极和第二二极管的负极，第五绕组的另一端连接第三二极管的正极和第四二极管的负极，第六绕组的另一端连接第五二极管的正极和第六二极管的负极；

所述主电机为电励磁同步电机，包含励磁绕组、第二定子绕组，所述定子绕组为三相对称绕组，包含第七绕组、第八绕组和第九绕组；所述励磁绕组的一端与第一二极管、第三二极管、第五二极管的负极相连，另一端与第二二极管、第四二极管、第六二极管的正极相连；所述第七绕组、第八绕组和第九绕组的一端相连，所述第七绕组、第八绕组和第九绕组的另一端分别与三相全桥逆变器相连。

作为本发明三级式无刷同步起动发电机结构的进一步优选方案，所述第一开关采用继电器。

作为本发明三级式无刷同步起动发电机结构的进一步优选方案，还包含永磁副励磁机，所述永磁副励磁机与主励磁机连接。

作为本发明三级式无刷同步起动发电机结构的进一步优选方案，所述励磁绕组为单相绕组。

一种基于三级式无刷同步起动发电机结构的电机加速控制方法，具体包含如下步骤：

步骤1，实时检测主电机的转速、电流和转子位置；

步骤2，根据步骤1检测的主电机转速选择电机加速方式：若主电机转速小于发动机点火速度则闭合主励磁机的第一开关，同时选择恒转矩加速控制方式通过矢量控制进行电机加速；若主电机转速大于发动机点火速度则断开主励磁机的第一开关，同时选择弱磁升速控制方式通过矢量控制和弱磁算法完成电机加速。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、主励磁机的定子绕组是三相对称绕组，且直接与三相交流汇流条相连，没有采用任何功率电路，降低了成本和复杂度，增强了可靠性；

2、通过断开主励磁机定子绕组中的一相从而减小主电机励磁电流，并采用电流超前角控制方法完成弱磁升速，提高了电机的转速范围，降低了电机容量；

3、不再控制主电机励磁电流，降低了控制算法的复杂性。

附图说明

图1为本发明提出的三级式无刷同步起动发电机的结构图；

图2为本发明提出的三级式无刷同步起动发电机的起动控制方法框图；

图3为恒转矩加速控制模块控制框图；

图4为弱磁升速控制模块控制框图；

图5为起动过程中转速波形；

图6为起动过程中转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种三级式无刷同步起动发电机的结构，包括永磁副励磁机、主励磁机、主电机、旋转整流器和三相全桥逆变器；所述主励磁机、主电机、旋转整流器依次连接，所述三相全桥逆变器与主电机连接；

所述永磁副励磁机是永磁同步电机，其转子为永磁体，其定子绕组为三相对称绕组，分别为第十绕组A₃，第十一绕组B₃，第十二绕组C₃；

其中，主励磁机的定子绕组为三相对称绕组，包含第一绕组A₂、第二绕组B₂和第三绕组C₂，所述第一绕组A₂、第二绕组B₂和第三绕组C₂的一端相连，所述第二绕组B₂和第三绕组C₂的另一端分别与三相交流汇流条的两相相连，所述第一绕组A₂的另一端通过第一开关S₁与三相汇流条中的另一相相连；

主励磁机的转子绕组为三相对称绕组，包含第四绕组a，第五绕组b和第六绕组c；

所述主电机为电励磁同步电机，其励磁绕组为单相绕组e，其定子绕组为三相对称绕组，分别为第七绕组A₁，第八绕组B₁，第九绕组C₁；

所述旋转整流器由六个二极管组成，分别为第一二极管D₁，第二二极管D₂，第三二极管D₃，第四二极管D₄，第五二极管D₅，第六二极管D₆；

所述第四绕组a、第五绕组b、第六绕组c的一端相连，第四绕组a的另一端连接第一二极管D₁的正极和第二二极管D₂的负极，第五绕组b的另一端连接第三二极管D₃的正极和第四二极管D₄的负极，第六绕组c的另一端连接第五二极管D₅的正极和第六二极管D₆的负极；

所述励磁绕组e的一端与第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅的负极相连，另一端与第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆的正极相连；

所述第七绕组A₁，第八绕组B₁，第九绕组C₁的一端相连，另一端分别与所述三相全桥逆变器相连；

所述三相全桥逆变器与主电机的定子绕组相连；

如图2所示，本发明提出了一种三级式无刷同步起动发电机的起动控制方法，具体步骤如下：

步骤1，实时检测主电机的转速、电流和转子位置；

步骤2，根据步骤1检测的主电机转速选择电机加速方式：若主电机转速小于发动机点火速度则闭合主力磁机的第一开关S₁，同时选择恒转矩加速控制方式通过矢量控制进行电机加速；若主电机转速大于发动机点火速度则断开主力磁机的第一开关S₁，同时选择弱磁升速控制方式通过矢量控制和弱磁算法完成电机加速。

恒转矩加速控制方式的具体实现方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤a1，检测实际的主电机输出转矩T_em与定子三相电流值i_a，i_b，i_c，将三相电流值经过坐标变化之后得到实际直轴电流值i_d；

步骤a2，给定的主电机直轴电流i_d为零，与实际直轴电流作差之后得到直轴电流误差Δi_d，直轴电流误差Δi_d经过PI调节得到直轴电压基准值U_d ^*；

步骤a3，给定的主电机输出转矩T_em ^*与实际输出转矩T_em做差之后得到输出转矩误差ΔT_em，输出转矩误差ΔT_em经过PI调节得到交轴电压基准值U_q ^*；

步骤a4，直轴电压基准值U_d ^*和交轴电压基准值U_q ^*经过坐标变换得到定子三相电压基准值U_a ^*，U_b ^*，U_c ^*，三相电压基准值输入到SPWM模块进行SPWM调制，SPWM的输出作用于三相全桥逆变器向主电机供电；

步骤a5，重复步骤a1至步骤a4，使得主电机的输出转矩和直轴电流准确跟踪给定值。

弱磁升速控制方式的具体实现方法如图4所示，包括以下步骤：

步骤b1，检测主电机的实际转速n和定子三相电流i_a，i_b，i_c，定子三相电流经过坐标变换得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤b2，给定主电机转速n^*和实际转速n作差得到转速差Δn，转速差经过PI调节之后得到定子电流基准值i_s ^*；

步骤b3，电流超前角β的初始值为零，电流超前角β的正弦值sinβ与定子电流基准值i_s*相乘得到直轴电流基准值i_d*，电流超前角的余弦值cosβ与定子电流基准值i_s*相乘得到交轴电流基准值i_q*；

步骤b4，直轴电流基准值i_d ^*与直轴电流i_d实际值作差得到直轴电流误差Δi_d，直轴电流误差Δi_d经过PI调节之后得到直轴电压基准值U_d ^*，交轴电流基准值i_q ^*与交轴电流实际值i_q作差得到交轴电流误差Δi_q，交轴电流误差Δi_q经过PI调节之后得到交轴电压基准值U_q ^*；交轴电压基准值U_q ^*和直轴电压基准值U_d ^*经过坐标变换之后得到定子三相电压基准值U_a ^*，U_b ^*，U_c ^*，再经过SPWM模块进行SPWM调制之后控制三相全桥逆变器向主电机供电；

步骤b5，由直轴电压基准值U_d ^*和交轴电压基准值U_q ^*计算得到定子电压基准值后与定子电压极限值U_slim进行作差，得到定子电压差值ΔU_s后经过PI调节得到电流超前角β；

步骤b6)，重复步骤b1至步骤b5，保证主电机加速到给定转速。

完整的起动过程的转速n和转矩波形Tem分别如图5和图6所示。

以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三级式无刷同步起动发电机结构，包含主励磁机、主电机、旋转整流器，所述主励磁机、主电机、旋转整流器依次连接，所述主励磁机包含第一定子绕组、转子绕组，所述第一定子绕组为三相对称绕组，包含第一绕组、第二绕组、第三绕组，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的一端相连，转子绕组为三相对称绕组，包含第四绕组，第五绕组和第六绕组，旋转整流器包含第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管，所述第四绕组、第五绕组和第六绕组的一端相连，第四绕组的另一端连接第一二极管的正极和第二二极管的负极，第五绕组的另一端连接第三二极管的正极和第四二极管的负极，第六绕组的另一端连接第五二极管的正极和第六二极管的负极，所述主电机为电励磁同步电机，包含励磁绕组、第二定子绕组，所述第二定子绕组为三相对称绕组，包含第七绕组、第八绕组和第九绕组；所述励磁绕组的一端与第一二极管、第三二极管、第五二极管的负极相连，另一端与第二二极管、第四二极管、第六二极管的正极相连；所述第七绕组、第八绕组和第九绕组的一端相连，其特征在于：还包含三相全桥逆变器，所述三相全桥逆变器与主电机连接；

所述主励磁机还包含三相交流汇流条；

所述第一定子绕组还包含第一开关，所述第二绕组和第三绕组的另一端分别与三相交流汇流条的第一、第二相相连，所述第一绕组的另一端通过第一开关与三相汇流条中的第三相相连；

所述第七绕组、第八绕组和第九绕组的另一端分别与三相全桥逆变器相连。

2.根据权利要求1所述的三级式无刷同步起动发电机结构，其特征在于，所述第一开关采用继电器。

3.根据权利要求1所述的三级式无刷同步起动发电机结构，其特征在于，还包含永磁副励磁机，所述永磁副励磁机与主励磁机连接。

4.根据权利要求1所述的三级式无刷同步起动发电机结构，其特征在于：所述励磁绕组为单相绕组。

5.一种基于三级式无刷同步起动发电机结构的电机加速控制方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，实时检测主电机的转速、电流和转子位置；

步骤2，根据步骤1检测的主电机转速选择电机加速方式：若主电机转速小于发动机点火速度则闭合主励磁机的第一开关，同时选择恒转矩加速控制方式通过矢量控制进行电机加速；若主电机转速大于发动机点火速度则断开主励磁机的第一开关，同时选择弱磁升速控制方式通过矢量控制和弱磁算法完成电机加速。