CN105763116A - 一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构 - Google Patents

一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，尤其是用于多电飞机供电的双绕组异步电机交直流起动发电系统，属于交直流混合发电的技术领域。发电系统包括：集成在多电发动机高压轴上的双绕组异步电机交流发电单元、集成在多电发动机低压轴上的双绕组异步电机直流发电单元、具有两侧功率输出端的起动发电驱动单元，改善了多电飞机电源形式单一的缺点，能够满足飞机用电负载多样化的用电需求。

Description

一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构
技术领域
本发明公开了一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，尤其是用于多电飞机供电的双绕组异步电机交直流起动发电系统，属于交直流混合发电的技术领域。
背景技术
多电/全电飞机与传统飞机相比，具有结构简单、重量轻、可靠性高和可维护性好等优点，近年来得到了飞速发展，并对飞机电源系统提出了大容量、高可靠性等新要求。为满足这些要求，多电发动机应运而生。所谓多电发动机，就是将航空发电机集成并安装于发动机的主汽轮机中，形成内置式的发电机。根据尺寸、转速和工作环境等不同因素，可选择将发电机集成在多电发动机的高压轴或低压轴。集成在高压轴上的发电机具有较小的尺寸和较高的转速，因此具有起动功能，可作为内转式起动发电机；而集成在低压轴上的发电机具有较大的尺寸和较低的转速。
飞机电源系统经历了几十年的发展，从低压直流电源系统、恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统演变到如今的高压直流电源系统和变频交流电源系统，逐步实现了飞机电源系统大容量、高性能、高功率密度、高效率、高可靠性等要求。纵观国内外飞机电源系统的发展、研究及应用情况，高压直流电源系统和变频交流电源系统是飞机电源的发展趋势。
1997年美国NASALewis研究中心的专家们根据他们多年研究成果指出对于未来飞机电源系统，笼型异步电机有可能作为航空发电机，值得全面深入研究。关于航空用异步电机高压直流发电系统，我国也较早地开展了相关研究工作。从1998年开始，南京航空航天大学就一直对270V三相笼型异步高压直流发电系统进行研究，并研制出了18kW样机。这进一步表明笼型异步电机应用于飞机高压直流发电系统是可行的。定子双绕组异步电机发电系统是近几年来出现的一种新型异步电机。从1999年美国田纳西理工大学的OjoO.教授首次提出定子双绕组异步电机发电系统，国内外的学者纷纷开展了对定子双绕组异步电机的研究，南京航空航天大学的研究人员从2012年开始又针对航空变频交流电源，提出了基于DWIG的航空变频交流发电系统。
随着多电/全电飞机技术的快速发展，飞机用电负载趋于多样化，这就要求飞机发电系统既要向电源频率不敏感的负载提供变频交流电，又要向对电源具有较高动态性能要求的负载提高压直流电的交直流混合电源系统。从现有的研究来看，国内还没有涉及对多电飞机用交直流起动发电系统的新拓扑结构进行研究，更没有将双绕组异步电机应用到该交直流起动发电系统的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，将双绕组异步电机应用于多电飞机的交直流发电系统中，解决了现有多电飞机交直流发电系统不能满足飞机用电负载多样化带来的用电需求的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，包括：集成在多电发动机高压轴上的双绕组异步电机交流发电单元、集成在多电发动机低压轴上的双绕组异步电机直流发电单元、具有两侧功率输出端的起动发电驱动单元，其中，
所述双绕组异步电机交流发电单元的控制侧与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，双绕组异步电机交流发电单元的功率侧输出交流电，
所述双绕组异步电机直流发电单元的控制侧与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，双绕组异步电机直流发电单元的功率侧输出直流电。
进一步的，所述双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构中，
所述双绕组异步电机交流发电单元包括：集成在多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机、第一滤波电感、第一断路器、第二断路器、第一励磁电容，所述第一双绕组异步电机控制绕组的出线接第一滤波电感的一端，第一滤波电感的另一端经第一断路器与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，第一双绕组异步电机功率绕组的出线经第二断路器与第一励磁电容并联；
所述双绕组异步电机直流发电单元包括：集成在多电发动机低压轴上的第二双绕组异步电机、第二滤波电感、第三断路器、第四断路器、第二励磁电容、整流桥，所述第二双绕组异步电机控制绕组的出线接第二滤波电感的一端，第二滤波电感的另一端经第三断路器与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，第二双绕组异步电机功率绕组的出线经第四断路器与第二励磁电容并联，第二双绕组异步电机功率绕组的出线经第四断路器与整流桥交流侧连接，整流桥直流侧输出直流电。
再进一步的，所述双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构中，所述整流桥直流侧的端子之间并接有直流母线电容。
更进一步的，所述双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构中，起动发电驱动单元包括：起动电源、二极管、电容、两个变换器以及断路器组，其中，
所述起动电源正极接二极管阳极，二极管阴极、电容正极板与两个变换器任意一侧桥臂的公共连接点相连，起动电源负极、电容负极板与两个变换器另一侧桥臂的公共连接点相连，一个变换器的输出端端子经断路器组与另一个变换器的输出端端子连接。
作为所述双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构的进一步优化方案，起动发电驱动单元中，一个变换器包含的桥臂数目和第一双绕组异步电机的相数相同，另一个变换器包含的桥臂数目和第二双绕组异步电机的相数相同，每个桥臂由串联连接的两个开关管组成。
作为所述双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构的更进一步优化方案，变换器中，每个开关管的两端之间接有反向二极管。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）将DWIG交直流起动发电系统应用到多电飞机中，实现了在多电飞机的多电发动机上集成并安装用于交流发电的DWIG单元以及用于直流发电的DWIG单元，用于交流发电的DWIG单元集成在多电发动机高压轴上，用于直流发电的DWIG单元集成在多电发动机低压轴上，改善了多电飞机电源形式单一的缺点，能够满足飞机用电负载多样化的用电需求。
（2）提出了一种具有起动发电双功能、高功率密度的起动发电驱动单元，该驱动单元在系统起动时，通过闭合断路器组使两个变换器输出端子短接并从起动发电驱动单元一侧输出端输出励磁无功功率和有功功率；在系统发电时，两个变换器输出端分别作为起动发电驱动单元的两侧输出端输出励磁无功功率。
附图说明
图1为双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构。
图2为起动发电驱动单元的电路图。
图中标号说明：1、第一双绕组异步电机，2、第二双绕组异步电机，3、起动发电驱动单元，4、整流桥，5、第一滤波电感，6、第二滤波电感，7、第一励磁电容，8、第二励磁电容，9、直流母线电容，10、交流电网，11、直流电网，12、第一断路器，13、第二断路器，14、第三断路器，15、第四断路器，S1、第一开关，S2、第二开关，S3、第三开关，S4、第四开关，S5、第五开关，S6、第六开关，S7、第七开关，S8、第八开关，S9、第九开关，S10、第十开关，S11、第十一开关，S12、第十二开关，B5、第五断路器，B6、第六断路器，B7、第七断路器，P、起动电源，D、二极管，C、电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
双绕组异步电机交直流起动发电系统如图1所示，包括：集成在多电飞机多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机1、第一滤波电感5、第一断路器12、第二断路器13、第一励磁电容7、起动发电驱动单元3、集成在多电飞机多电发动机低压轴上的第二双绕组异步电机2、第二滤波电感6、第三断路器14、第四断路器15、第二励磁电容8、整流桥4、直流母线电容9。第一双绕组异步电机1、第一滤波电感5、第一断路器12、第二断路器13、第一励磁电容7组成集成在多电飞机多电发动机高压轴上的双绕组异步电机交流发电单元，第二双绕组异步电机2、第二滤波电感6、第三断路器14、第四断路器15、第二励磁电容8、整流桥4、直流母线电容9组成集成在多电飞机多电发动机低压轴上的双绕组异步电机直流发电单元，起动发电驱动单元3具有两侧功率输出端。
第一双绕组异步电机1功率绕组的出线经过第二断路器13与第一励磁电容7并联，第一双绕组异步电机1功率绕组在第二断路器13闭合时直接与交流电网10连接，第一双绕组异步电机1控制绕组的出线与第一滤波电感5的一端连接，第一滤波电感5另一端经过第一断路器12与起动发电驱动单元3一侧输出端子连接，起动发电驱动单元3另一侧输出端子经第三断路器14与接在第二双绕组异步电机2控制绕组出线上的第二滤波电感6连接，第二双绕组异步发电机2功率绕组的出线经过第四断路器15与整流桥4的交流侧连接，整流桥4的直流侧并联有直流母线电容9，整流桥4的直流侧与直流电网11连接。
起动发电驱动单元如图2所示，包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6组成的一个变换器，第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12组成的另一个变换器，第五断路器B5、第六断路器B6、第七断路器B7组成的断路器组，以及起动电源P、二极管D、电容C。串联的第一开关S1、第二开关S2组成一相桥臂，串联的第三开关S3、第四开关S4组成一相桥臂，串联的第五开关S5、第六开关S6组成一相桥臂，串联的第七开关S7、第八开关S8组成一相桥臂，串联的第九开关S9、第十开关S10组成一相桥臂，串联的第十一开关S11、第十二开关S12组成一相桥臂。并联在两个变换器的输入侧的电容C、起动电源P和二极管D组成的串联支路，以及并联的六个桥臂组成一个对称结构的起动发电驱动单元。a、b、c三个连接点引出起动发电驱动单元的一侧交流输出端子（即为一侧功率输出端子），d、e、f三个连接点引出起动发电驱动单元的另一侧交流输出端子（即为另一侧功率输出端子）。a、b、c三个连接点分别经过第五断路器B5、第六断路器B6、第七断路器B7与d、e、f三个连接点连接。该起动发电驱动单元具有起动发电双功能、功率密度高的优点，两个变换器用于向第一、第二双绕组异步电机提供励磁无功功率和有功功率。在系统起动时，通过闭合断路器组使两个变换器输出端子短接并从起动发电驱动单元一侧输出端输出励磁无功功率和有功功率，在系统发电时，两个变换器输出端分别作为起动发电驱动单元的两侧输出端输出励磁无功功率。
图1所示系统中，第一、第二双绕组异步电机均为三相电机，第二双绕组异步电机也可以选用其它相数的电机，相应地，向第二双绕组异步电机提供功率的变换器相数、与第二双绕组异步电机功率侧连接的整流桥相数也与第二双绕组异步电机相数相同。当第二双绕组异步电机相数大于三时，驱动发电驱动单元中的断路器组包括三个断路器，与第一双绕组异步电机连接的变换器的各相桥臂中点分别经过一个断路器和与第二双绕组异步电机连接的变换器中三相桥臂中点连接。
采用图1所示双绕组异步发电机的交直流起动发电系统实现起动、起动向发电转换、发电的功能。起动时，通过闭合第一断路器和起动发电驱动单元内的断路器组，使起动发电单元中的两侧三相桥臂短接并从起动发电驱动单元一侧功率输出端向第一双绕组异步电机的控制绕组提供励磁无功功率和有功功率，第一双绕组异步电机运行在电动状态，第一双绕组异步电机拖动多电发动机高压轴旋转至发动机点火速度；起动向发电转换时，通过断开第一断路器和起动发电驱动单元内的断路器组，使起动发电驱动单元停止提供励磁无功功率和有功功率，发动机高压轴与低压轴分别拖动第一双绕组异步电机和第二双绕组异步电机旋转；发电时，通过闭合第一至第四断路器并断开断路器组，使起动发电驱动单元一侧功率输出端向第一双绕组异步电机控制绕组提供励磁无功功率，同时，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端向第二双绕组异步电机控制绕组提供励磁无功功率，两台电机均运行在发电状态，第一双绕组异步电机功率侧输出的交流电汇入交流电网，第二双绕组异步电机功率侧输出的交流电经整流桥整流得到的直流电汇入直流电网，整个交直流起动发电系统输出交直流电能，改善了多电飞机电源形式单一的缺点，能够满足飞机用电负载多样化的用电需求。

Claims (6)

1.一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于，包括：集成在多电发动机高压轴上的双绕组异步电机交流发电单元、集成在多电发动机低压轴上的双绕组异步电机直流发电单元、具有两侧功率输出端的起动发电驱动单元，其中，
所述双绕组异步电机交流发电单元的控制侧与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，双绕组异步电机交流发电单元的功率侧输出交流电，
所述双绕组异步电机直流发电单元的控制侧与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，双绕组异步电机直流发电单元的功率侧输出直流电。
2.根据权利要求1所述一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于：
所述双绕组异步电机交流发电单元包括：集成在多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机（1）、第一滤波电感（5）、第一断路器（12）、第二断路器（13）、第一励磁电容（7），所述第一双绕组异步电机（1）控制绕组的出线接第一滤波电感（5）的一端，第一滤波电感（5）的另一端经第一断路器（12）与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，第一双绕组异步电机（1）功率绕组的出线经第二断路器（13）与第一励磁电容（7）并联；
所述双绕组异步电机直流发电单元包括：集成在多电发动机低压轴上的第二双绕组异步电机（2）、第二滤波电感（6）、第三断路器（14）、第四断路器（15）、第二励磁电容（8）、整流桥（4），所述第二双绕组异步电机（2）控制绕组的出线接第二滤波电感（6）的一端，第二滤波电感（6）的另一端经第三断路器（14）与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，第二双绕组异步电机（2）功率绕组的出线经第四断路器（15）与第二励磁电容（8）并联，第二双绕组异步电机（2）功率绕组的出线经第四断路器（15）与整流桥（4）交流侧连接，整流桥（4）直流侧输出直流电。
3.根据权利要求2所述一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于，所述整流桥（4）直流侧的端子之间并接有直流母线电容（9）。
4.根据权利要求1或2或3所述一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于，所述起动发电驱动单元包括：起动电源、二极管、电容、两个变换器以及断路器组，其中，
所述起动电源正极接二极管阳极，二极管阴极、电容正极板与两个变换器任意一侧桥臂的公共连接点相连，起动电源负极、电容负极板与两个变换器另一侧桥臂的公共连接点相连，一个变换器的输出端端子经断路器组与另一个变换器的输出端端子连接。
5.根据权利要求4所述一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于所述起动发电驱动单元中，一个变换器包含的桥臂数目和第一双绕组异步电机的相数相同，另一个变换器包含的桥臂数目和第二双绕组异步电机的相数相同，每个桥臂由串联连接的两个开关管组成。
6.根据权利要求5所述一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于，所述变换器中，每个开关管的两端之间接有反向二极管。
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