CN105553375B - 航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，完善了电机的带转速起动功能，可在高速阶段对电机进行动态起动，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机励磁电流进行限幅PI调节，使主发励磁磁链在起动过程保持稳定，提高系统运行的平稳性及可靠性。

Description

航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，具体涉及一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，是一种通过主发励磁电流闭环来控制励磁机励磁电压输入的起动控制方法。

背景技术

起动/发电一体化是当下航空交流电源系统的一个研究热点。在一体化系统中，使航空交流起动/发电机依次运行在电动和发电状态，能减少一套专用的起动机构，可有效降低航空电源系统的复杂程度、减轻重量、提高可靠性。

国内已开展的针对航空交流电机起动控制策略的相关研究工作，其控制策略主要是传统的矢量控制和直接转矩控制，由于实验条件等原因的限制，大多研究还未进入实验阶段。西北工业大学提出一种通过直接控制电压矢量模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方法，实现了系统起动/发电一体化功能，采用一台三级式电励磁同步电机及MAGTROL公司的加载台完成了起动实验，但未考虑到电机在高转速(转速大于 1500r/min)情况下进行起动的情况。

航空发动机在起动过程中，由于干扰导致系统起动失败的情况在所难免。起动失败后，发动机油管中会存留大量的高温航空燃油，若不及时将油管中的燃油甩出，很可能会因燃油复燃损坏发动机，更严重者会发生爆炸，造成重大事故。由于惯性和摩擦阻力的综合作用，发动机及起动发电机转速不会突降为零，出于对发动机安全性的考虑，需要在转速降为零之前就将电机再次起动排出燃油并冷却航空发动机。这种电机在转速较高情况下再次起动的状态称为电机动态起动。

航空交流起动/发电系统原理如图1所示，目前动态起动时还面临如下问题：为减小静止起动时电机定转子电流波动，采用由零线性增加至额定值的缓慢励磁方式施加励磁机励磁电压(如图1所示)；由于负载惯量及摩擦阻力较大，动态起动前电机以较大加速度减速运行，若此时仍按照上述励磁方式进行起动，在缓慢励磁完成前，电机输出能力受到限制，使系统反应严重滞后，这就增大了电机实际运行状态与给定工作状态之间的误差，使得动态起动过程出现震荡，严重时则导致起动失败。

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，本发明提出一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，改善励磁机励磁电压施加时机，提高主发励磁磁链在起动过程中的稳定性，实现发动机在较高起动速度下的动态起动功能。

技术方案

一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据获取的转子位置信息，计算得到电机当前转速；

步骤2：采集主发电机定子A相和C相电流i_A、i_C，计算出B相电流i_B＝-i_A-i_C，在三相坐标系ABC下定子电流矢量i_s表示为i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，式中，为复数运算符号，其作用是使一个向量沿规定正方向旋转120°；

步骤3：通过Clarke变换将ABC坐标系变换到两相静止坐标系αβ0，得在αβ0坐标系下沿α轴的分量以及沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q，通过Park变换将αβ0坐标系变换到 dq0坐标系，得式中为d轴与α轴的夹角；

步骤4：估算主发电机励磁电流，其计算过程如下：由主发电机电压分量方程推导出励磁电流式中，R_s为主发电机定子相电阻，L_q为交轴同步电感，L_d为直轴同步电感，L_mf为等效励磁电感，ω_r为电机当前转速；

步骤5：设定电流环限幅PI调节器参数，将主发励磁电流给定值i_f*和估算出的主发电机励磁电流作差输入励磁电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻励磁机励磁电压参考值

步骤6：设定速度环限幅PI调节器参数，将电机转速参考值和电机转速反馈值ω_r作差输入速度环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电流在dq0 坐标系下沿q轴方向的电流分量参考值i_q*；

步骤7：设定q轴电流环限幅PI调节器参数，将q轴方向电流分量参考值i_q*和解算出的当前主发电机定子电流在q轴方向的电流分量i_q作差输入q轴电流环限幅PI 调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿q轴方向的电压分量参考值u_q*；

步骤8：设定d轴电流环限幅PI调节器参数，将d轴方向电流分量参考值i_d*和解算出的当前主发电机定子电流在d轴的电流分量i_d作差输入d轴电流环限幅PI调节， PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿d轴方向的电压分量参考值u_d*；

步骤9：依据正弦波脉宽调制SPWM技术对励磁电压u_f*进行脉宽调制，得到单向全桥逆变器所需要的开关控制信号；u_d*、u_q*通过dq0坐标系到αβ0坐标系的变换得到定子电压在α轴、β轴的坐标分量根据空间矢量调制方法SVPWM对电压矢量u_s*＝u_α*+u_β*进行矢量合成，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。

有益效果

本发明提出的一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，具有以下优点：1)完善了电机的带转速起动功能，可在高速阶段对电机进行动态起动，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害；2)对主发电机励磁电流进行限幅PI调节，使主发励磁磁链在起动过程保持稳定，提高系统运行的平稳性及可靠性。

附图说明

图1：航空交流起动/发电系统结构示意图

图2：动态起动系统控制原理图

图3：坐标系变换关系图

图4：空间电压矢量u_s*合成图

图5：航空交流电机起动系统仿真模型

图6：起动转速为1000(r/min)的动态起动速度转矩图

图7：起动转速为2000(r/min)的动态起动速度转矩图

图8：起动转速为3000(r/min)的动态起动速度转矩图

图9：起动转速为1000(r/min)估算主发励磁电流与计算主发励磁电流对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

搭建基于MATLAB(2013b)模块的仿真模型如图5所示，仿真中电机参数如下。励磁机参数：极对数n_p1＝6，转子相绕组电阻R_r1＝0.1Ω，定子绕组R_s1＝3Ω，直轴同步电感L_d1＝2mH，交轴同步电感L_q1＝0.1mH，等效励磁电感L_mf1＝70mH；主发电机参数：极对数n_p2＝3，定子相绕组电阻R_s2＝0.01Ω，转子绕组R_r2＝0.6Ω，直轴同步电感 L_d2＝0.4mH，交轴同步电感L_q2＝0.2mH，等效励磁电感L_mf2＝5mH。

实施例包含的具体步骤如下：

(1)根据转子位置信息，计算电机当前转速；

(2)采集主发电机主发电机定子A相和C相电流i_A、i_C，并由此计算出B相电流i_B＝-(i_A+i_C)及电流矢量i_s；

(3)通过Clarke变换，得到i_α、i_β，通过Park变换得到i_d、i_q；

(4)根据方程得到主发励磁电流

(5)设定主发励磁电流环PI调节器的调节参数分别为U_f_K_p＝90，U_f_K_i＝10，限幅范围为(0，600V)，依据主发励磁电流给定值i_f*和估算出的主发电机励磁电流进行励磁电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻励磁机励磁电压参考值u_f*。

(6)设定速度PI调节器的调节参数分别为Speed_K_p＝5，Speed_K_i＝0.1，限幅范围为(0，4000r/min),依据电机转速参考值和电机转速反馈值ω_r进行速度环限幅PI 调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电流在dq0坐标系下沿q轴方向的电流分量参考值i_q*；

(7)设定q轴电流环PI调节器的调节参数分别为U_q_K_p＝1，U_q_K_i＝0.1，限幅范围为(0，400A),依据q轴方向电流分量参考值iq*和解算出的当前主发电机定子电流在q轴方向的电流分量iq进行q轴电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿q轴方向的电压分量参考值uq*；

(8)设定d轴电流环PI调节器的调节参数分别为U_d_K_p＝5，U_d_K_i＝0.5，限幅范围为(0，400A),依据d轴方向电流分量参考值i_d*和解算出的当前主发电机定子电流在d轴的电流分量i_d进行d轴电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿d轴方向的电压分量参考值u_d*；

(9)设定励磁机励磁电压频率为200Hz，设定目标转速为3800(r/min)，设定主发励磁电流i_f*＝32A，动态起动转速分别设为1000(r/min)、2000(r/min)、3000(r/min)；幅值为u_f*，频率为200Hz单向交流电经单向全桥逆变后施加到励磁机上，电压矢量 u_s*则通过三相逆变施加到主发电机上，系统运行原理如图2所示；

(10)得到动态起动结果如图6～图9所示。

Claims (1)

1.一种航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据获取的转子位置信息，计算得到电机当前转速；

步骤2：采集主发电机定子A相和C相电流i_A、i_C，计算出B相电流i_B＝-i_A-i_C，在三相坐标系ABC下定子电流矢量i_s表示为i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，式中，为复数运算符号，其作用是使一个向量沿规定正方向旋转120°；

步骤3：通过Clarke变换将ABC坐标系变换到两相静止坐标系αβ0，得在αβ0坐标系下沿α轴的分量以及沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q，通过Park变换将αβ0坐标系变换到dq0坐标系，得式中为d轴与α轴的夹角；

步骤4：估算主发电机励磁电流，其计算过程如下：

由主发电机电压分量方程

推导出励磁电流

式中，R_s为主发电机定子相电阻，L_q为交轴同步电感，L_d为直轴同步电感，L_mf为等效励磁电感，ω_r为电机当前转速；

步骤5：设定电流环限幅PI调节器参数，将主发励磁电流给定值i_f*和估算出的主发电机励磁电流作差输入励磁电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻励磁机励磁电压参考值u_f*；

步骤6：设定速度环限幅PI调节器参数，将电机转速参考值和电机转速反馈值ω_r作差输入速度环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电流在dq0坐标系下沿q轴方向的电流分量参考值i_q*；

步骤7：设定q轴电流环限幅PI调节器参数，将q轴方向电流分量参考值i_q*和解算出的当前主发电机定子电流在q轴方向的电流分量i_q作差输入q轴电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿q轴方向的电压分量参考值u_q*；

步骤8：设定d轴电流环限幅PI调节器参数，将d轴方向电流分量参考值i_d*和解算出的当前主发电机定子电流在d轴的电流分量i_d作差输入d轴电流环限幅PI调节，PI调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿d轴方向的电压分量参考值u_d*；

步骤9：依据正弦波脉宽调制SPWM技术对励磁电压u_f*进行脉宽调制，得到单向全桥逆变器所需要的开关控制信号；u_d*、u_q*通过dq0坐标系到αβ0坐标系的变换得到定子电压在α轴、β轴的坐标分量根据空间矢量调制方法SVPWM对电压矢量u_s*＝u_α*+u_β*进行矢量合成，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。