CN108712093A - 一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法，包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；将发电机输出电频率提高至1～2kHz，可显著降低起动发电机系统的重量；可适应的发动机转速范围也更宽；所采用的升降压电源变换器拓扑结构，使起动发电机的电枢绕组电压高压高于采用全控全桥升压拓扑所对应的绕组电压，可有效降低绕组电流，增加电机绕组的可实现性；可增加起动发电机的自身同步电感，不再需要在电源变换器中再添加辅助大电感，并减小三相全控全桥注入电机高频纹波电流带来的附加损耗；使电源变换器中的功率器件工作于直流母线电压附近，工作电压和电流对功率器件的要求较为温和。

Description

一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法。
背景技术
起动发电机的电源变换器是一种与起动发电机配合使用的电源变换器。起动发电机可分时工作于电动和发电两种状态，具有一机两用功能。起动发电机工作于电动状态时，电源变换器作为源动力，能量先由电源变换器流向起动发电机，再由起动发电机将电能转化为机械能，带动发动机；电源变换器通过对起动发电机进行转矩控制，使发动机由零转速上升到正常自稳定工作转速。起动发电机工作于发电状态时，发动机作为源动机，能量先经过起动发电机将机械能转化为交流电能，再经过电源变换器将交流电能转化为直流电能。电源变换器通过对起动发电机进行发电稳压控制，使发动机在转速变化时，保证输出直流电压稳定。
航空航天领域对搭载设备的体积和重要求较为严格，为了满足高功率密度，发动机通常工作转速较高，在发电时，起动发电机的电频率可达1～2kHz。与新能源汽车等其它民用起动发电机相比，电机电频率高1个数量级左右，使得电源变换器的实现难度增大。同时，航空航天领域的大功率飞行器正由低压直流(LVDC)和变速恒频(VSCF)向高压直流(HVDC)和恒压变频交流(VFAC)系统转变，以获得更高的系统工作效率。
对于起动发电机的复用电源变换器，目前主要的实现策略有以下几种：
1)对于采用三级式无刷同步电机的飞机变速恒频(VSCF)系统，其起动发电复用电源变换器包括转接器、整流器、逆变器和交流滤波器。通过转接器的切换实现起动和发电功能的切换，实现硬件的复用。在起动时，400Hz恒频稳压交流电经整流器实现AC/DC变换，再经逆变器产生变压变频交流电来为三级式无刷同步电机提供转矩；在发电机，三级式无刷同步电机产生的恒压变频交流经整流器实现AC/DC变换，再经逆变器形成400Hz恒压恒频交流，最后通过交流滤波器滤除逆变器产生的高频谐波成份。
2)对于采用开关磁阻的飞机高压直流(HVDC)系统，其起动发电复用电源变换器采用不对称半桥拓扑。A、B和C三相分别采用一组不对称半桥进行控制。起动过程和发电过程中，不对称半桥工作于不同角度范围。通过调节相角和励磁电流大小来实现起动转矩控制和发电稳压控制。
3)对于采用永磁同步的电机的民用直流系统，其起动发电复用电源变换器采用由三相六开关组成的三相全控全桥拓扑。起动时，三相全控全桥拓扑作为逆变器使用，通常采用SVPWM控制实现电机转矩控制；发电时，三相全控全桥拓扑作为整流器使用，通常采用SVPWM控制实现发电稳压控制。
方案1)所述的电源变换器在飞机上应用最为广泛，但其主要缺点是硬件结构较为复杂，且不适用于高压直流(HVDC)系统，而高压直流(HVDC)相对变速恒频(VSCF)系统具有更高的系统效率，代表未来发展的主流方向。方案2)所述的电源变换器硬件结构简单、效率高、可靠性高，但其主要缺点是电枢绕组电流极度不规则，对电源变换器冲击大，且发电时直流电的电源品质极点。方案3)所述的电源变换器硬件简单，但不足是由Si器件实现的三相全控全桥拓扑工作频率通常小于20kHz，通常应用于开关频率高于电机电频率1个量级以上的工况，难以直接应用于电频率可达1～2kHz飞行器起动发电系统；输入电压范围有限；功率管电流偏大，功率管工作条件恶劣。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法，包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；所述电流检测电路与高速永磁起动发电机的三相交流端连接，电流检测电路的三相交流端分别与SiC器件全控全桥和SCR器件相控全桥的三相交流端连接，SiC器件全控全桥的直流端正极经切换电路与直流母线正极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接，SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，切换电路负极与直流母线负极连接，高速永磁起动发电机经磁阻式旋转变压器与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，电流检测电路与控制电路连接，控制电路与SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路连接。
所述SiC器件全控全桥包括SiC MOS管V1～V6和薄膜电容C1，所述MOS管V1的源极和MOS管V2的漏极与高速永磁起动发电机的a相连接，高速永磁起动发电机的b相与MOS管V3的源极和MOS管V4的漏极连接，高速永磁起动发电机的c相与MOS管V5的源极和MOS管V6的漏极连接，MOS管V1、MOS管V3和MOS管V5的漏极与SiC器件全控全桥的直流端正极连接，MOS管V2、MOS管V4和MOS管V6的源极与SiC器件全控全桥的直流端负极连接，MOS管V1～V6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C1两端分别与SiC器件全控全桥的直流端正极和负极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接。
所述SCR器件相控全桥包括电感La1、La2和La3，快速SCR管Q1～Q6，薄膜电容C2；所述电感La1的一端与速永磁起动发电机的a相连接，电感La1的另一端与SCR管Q1的阳极和SCR管Q4的阴极连接，高速永磁起动发电机的b相经电感Lb1与SCR管Q3的阳极和Q6的阴极连接，高速永磁起动发电机的c相经电感Lc1与SCR管Q5的阳极和SCR管Q2的阴极连接，SCR管Q1、Q3和Q5的阴极与SCR器件相控全桥的直流端的正极连接，SCR管Q2、Q4和Q6的阳极与SCR器件相控全桥的直流端的负极连接，SCR管Q1～Q6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C2两端分别与SCR器件相控全桥的直流端正极和负极连接，所述SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接。
所述切换电路包括SiC MOS管V7、二极管D1和电感L1，所述SiC MOS管V7的漏极与SiC器件全控全桥直流端正极连接，SiC MOS管V7的源极与D1的阴极和电感L1的一端连接，电感L1的另一端与直流母线正极连接，二极管D1的阳极与直流母线负极连接，SiC MOS管V7的栅极与控制电路连接。
一种高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其方法为：
(1)确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数；
(2)通过磁阻式旋转变压器获得高速永磁起动发电机的相位信号vs，通过电流检测电路获得高速永磁起动发电机的三相电流信号iabc，通过电压检测电路获得直流母线的电压信号Vdc；
(3)永磁起动发电机启动，由直流母线向SiC器件全控全桥供电，控制电路根据相位信号vs和三相电流信号iabc，采用SVPWM策略对SiC器件全控全桥的控制，使SiC器件全控全桥带动高速永磁起动发电机产生发动机起动所需的转矩；
(4)发动机带动高速永磁起动发电机进行发电时使用电源变换器控制直流母线稳压，使直流母线电压稳定在期望的电压值。
所述步骤(1)中发电机的电枢绕组匝数的具体确定方法为，在发动机工作于最高转速、高速永磁起动发电机工作于发电状态时，按高速永磁起动发电机空载线电压峰值为直流母线电压的1.5～2倍来确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数。
所述步骤(4)中直流母线稳压控制是通过高速永磁起动发电机向电源变换器供电，控制电路根据相位信号vs、三相电流信号iabc和电压信号Vdc，对SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路进行控制实现电源变换器向直流母线供电，并使直流母线电压稳定在期望的电压值。
所述直流母线稳压控制方法具体为以下步骤，
(4.1)在起动发电机工作于低转速，直流母线电压低于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7导通，断开SCR器件相控制全桥的控制信号，采用电流型三相Boost整流控制策略对SiC器件全控全桥进行控制，实现升压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.2)在起动发电机工作于高转速，直流母线电压高于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7断开，断开SiC器件全控全桥的控制信号，采用相位控制策略对SCR器件全控全桥进行控制，实现降压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.3)在起动发电机工作于过速时，断开SiC器件全控全桥、SCR器件全控全桥和SiC MOSV7驱动，实现前端高电压隔离，避免造成直流母线过压。
所述电流型三相Boost整流控制包括以下步骤，采用电压外环，电流内环控制；
(4.1.1)电压外环通过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vdc求差再进行PI调节产生电流内环的参考信号Iref；
(4.1.2)起动发电机的三相电压中a相最高时，电流内环在固定时间间隔将V2驱动置高，等待a相电流ia大于参考信号Iref时，SiC MOSV2驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.3)起动发电机的三相电压中b相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiCMOSV4驱动置高，等待b相电流ib大于Iref时，SiC MOSV4驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.4)起动发电机的三相电压中c相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiCMOSV6驱动置高，等待c相电流ic大于Iref时，SiC MOSV6驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低
本发明的有益效果在于：
1)将发电机输出电频率提高至1～2kHz，可显著降低起动发电机系统的重量；
2)SiC器件全控全桥与SCR器件相控全桥构成升降压拓扑，相对于全控全桥构成的升压拓扑，对起动发电机的输入电压范围适用性更宽，可适应的发动机转速范围也更宽；
3)SiC器件全控全桥与SCR器件相控全桥构成的升降压拓扑采用并联结构，相对于由不控整流与DC/DC变换器构成的串联结构，发电时系统效率更高；
4)所采用的升降压电源变换器拓扑结构，使起动发电机的电枢绕组电压高压高于采用全控全桥升压拓扑所对应的绕组电压，可有效降低绕组电流，增加电机绕组的可实现性；可增加起动发电机的自身同步电感，不再需要在电源变换器中再添加辅助大电感，并减小三相全控全桥注入电机高频纹波电流带来的附加损耗；使电源变换器中的功率器件工作于直流母线电压附近，工作电压和电流对功率器件的要求较为温和；
5)在起动发电机过速时，可以通过切断SCR器件相控全桥和开关管V7的驱动来避免母线过压；
6)SiC器件全控全桥采用SiC MOS器件实现，相对于Si器件，可工作于更高的频率；
7)SiC器件全控全桥采用电流型三相Boost整流控制实现升压式稳压，属于非线性控制策略，相对于采用SVPWM控制这种线性控制的升压式稳压，可适用于起动发电机电枢绕组经不控制整流时电压略低于直流母线电压的情况；
8)SCR器件相控全桥工作频率与发电机电频率相同，工作频率显著低于采用PWM整流控制的三相全控全桥，效率更高；同时，输出直流电压中纹波电压的频谱成份更低，更易于使电流变换器满足GJB181中对畸变频谱的要求；
9)SCR器件相控全桥工作时，由于起动发电机电感的存在，存在明显的换向角交叠现象，使整流后的电流连续性较高，相对于采用PWM整流控制的三相全控全桥，直流母线滤波电容的纹波电流有效值显著降低，有效避免了直流母线滤波电容发热问题；
10)避免采用液态铝电容来实现电源变换器，电源变换器有效存储器可达14年以上。
附图说明
图1：高速永磁起动发电机的电源变换器结构框图；
图2：高速永磁起动发电机的电源变换器主功率电路图；
图3：SCR相控降压整流原理；
图4：电流型三相Boost整流主功率电路图；
图5：电流型三相Boost整流时序控制图；
图6：电流型三相Boost整流控制原理图；
图7：SCR相控整流仿真电流波形图；
图8：电流型三相Boost整流仿真波形图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1～2所示一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法，包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；所述电流检测电路与高速永磁起动发电机的三相交流端连接，电流检测电路的三相交流端分别与SiC器件全控全桥和SCR器件相控全桥的三相交流端连接，SiC器件全控全桥的直流端正极经切换电路与直流母线正极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接，SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，切换电路负极与直流母线负极连接，高速永磁起动发电机经磁阻式旋转变压器与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，电流检测电路与控制电路连接，控制电路与SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路连接。
所述SiC器件全控全桥包括SiC MOS管V1～V6和薄膜电容C1，所述MOS管V1的源极和MOS管V2的漏极与高速永磁起动发电机的a相连接，高速永磁起动发电机的b相与MOS管V3的源极和MOS管V4的漏极连接，高速永磁起动发电机的c相与MOS管V5的源极和MOS管V6的漏极连接，MOS管V1、MOS管V3和MOS管V5的漏极与SiC器件全控全桥的直流端正极连接，MOS管V2、MOS管V4和MOS管V6的源极与SiC器件全控全桥的直流端负极连接，MOS管V1～V6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C1两端分别与SiC器件全控全桥的直流端正极和负极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接。
所述SCR器件相控全桥包括电感La1、La2和La3，快速SCR管Q1～Q6，薄膜电容C2；所述电感La1的一端与速永磁起动发电机的a相连接，电感La1的另一端与SCR管Q1的阳极和SCR管Q4的阴极连接，高速永磁起动发电机的b相经电感Lb1与SCR管Q3的阳极和Q6的阴极连接，高速永磁起动发电机的c相经电感Lc1与SCR管Q5的阳极和SCR管Q2的阴极连接，SCR管Q1、Q3和Q5的阴极与SCR器件相控全桥的直流端的正极连接，SCR管Q2、Q4和Q6的阳极与SCR器件相控全桥的直流端的负极连接，SCR管Q1～Q6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C2两端分别与SCR器件相控全桥的直流端正极和负极连接，所述SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接。
所述切换电路包括SiC MOS管V7、二极管D1和电感L1，所述SiC MOS管V7的漏极与SiC器件全控全桥直流端正极连接，SiC MOS管V7的源极与D1的阴极和电感L1的一端连接，电感L1的另一端与直流母线正极连接，二极管D1的阳极与直流母线负极连接，SiC MOS管V7的栅极与控制电路连接。
一种高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其方法为：
(1)确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数；
(2)通过磁阻式旋转变压器获得高速永磁起动发电机的相位信号vs，通过电流检测电路获得高速永磁起动发电机的三相电流信号iabc，通过电压检测电路获得直流母线的电压信号Vdc；
(3)永磁起动发电机启动，由直流母线向SiC器件全控全桥供电，控制电路根据相位信号vs和三相电流信号iabc，采用SVPWM策略对SiC器件全控全桥的控制，使SiC器件全控全桥带动高速永磁起动发电机产生发动机起动所需的转矩；
(4)发动机带动高速永磁起动发电机进行发电时使用电源变换器控制直流母线稳压，使直流母线电压稳定在期望的电压值；
由高速永磁起动发电机向电源变换器供电，控制电路根据相位信号vs、三相电流信号iabc和电压信号Vdc，对SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路进行控制实现电源变换器向直流母线供电，并使直流母线电压稳定在期望的电压值。
所述步骤(1)中发电机的电枢绕组匝数的具体确定方法为，在发动机工作于最高转速、高速永磁起动发电机工作于发电状态时，按高速永磁起动发电机三相绕组经三相二极管不控整流后空载直流电压为直流母线电压的1.5～2倍来确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数。
所述步骤(4)中直流母线稳压控制是通过高速永磁起动发电机向电源变换器供电，控制电路根据相位信号vs、三相电流信号iabc和电压信号Vdc，对SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路进行控制实现电源变换器向直流母线供电，并使直流母线电压稳定在期望的电压值。
所述直流母线稳压控制方法具体为以下步骤，
(4.1)在起动发电机工作于低转速，直流母线电压低于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7导通，断开SCR器件相控制全桥的控制信号，采用电流型三相Boost整流控制策略对SiC器件全控全桥进行控制，实现升压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.2)在起动发电机工作于高转速，直流母线电压高于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7断开，断开SiC器件全控全桥的控制信号，采用相位控制策略对SCR器件全控全桥进行控制，实现降压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.3)在起动发电机工作于过速时，断开SiC器件全控全桥、SCR器件全控全桥和SiC MOSV7驱动，实现前端高电压隔离，避免造成直流母线过压。
所述电流型三相Boost整流控制包括以下步骤，采用电压外环，电流内环控制；
(4.1.1)电压外环通过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vdc求差再进行PI调节产生电流内环的参考信号Iref；
(4.1.2)起动发电机的三相电压中a相最高时，电流内环在固定时间间隔将V2驱动置高，等待a相电流ia大于参考信号Iref时，SiC MOSV2驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.3)起动发电机的三相电压中b相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiCMOSV4驱动置高，等待b相电流ib大于Iref时，SiC MOSV4驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.4)起动发电机的三相电压中c相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiCMOSV6驱动置高，等待c相电流ic大于Iref时，SiC MOSV6驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低
实施例：如图1～8所示本实施例为采用6极27槽永磁起动发电机，在5700r/min下起动功率需达60kW；在12000～18000r/min范围内需要稳压输出270V的40kW电能，可承受21000r/min不损坏的电源变换器。
图1所示为所提出的高速永磁起动发电机的电源变换器装置，包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；是由高速永磁起动发电机的三相交流端经电流检测电路分别与SiC器件全控全桥和SCR器件相控全桥的三相交流端连接，SiC器件全控全桥的直流端正极经切换电路与直流母线正极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接，SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，切换电路负极与直流母线负极连接，高速永磁起动发电机的转子通过机械轴与发动机连接，高速永磁起动发电机经磁阻式旋转变压器与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，电流检测电路与控制电路连接，控制电路与SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路连接构成。
图2所示为高速永磁起动发电机的电源变换器主功率电路图。所述SiC器件全控全桥包括SiC MOS管V1～V6和薄膜电容C1，是由高速永磁起动发电机的a相与V1的源极和V2的漏极连接，高速永磁起动发电机的b相与V3的源极和V4的漏极连接，高速永磁起动发电机的c相与V5的源极和V6的漏极连接，V1、V3和V5的漏极与直流端正极连接，V2、V4和V6的源极与直流端负极连接，V1～V6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C1两端分别与直流端正极和负极连接，直流端负极与直流母线负极连接构成。
SiC器件全控全桥中每个单桥臂SiC MOS管选用1200V/300A模块CAS300M12BM2。1200V SiC MOS损耗仅为600V IGBT的1/4，1200V IGBT的1/8。对于600V IGBT常规应用于20kHz～40kHz较为普遍，1200V IGBT常规应用于10kHz～20kHz较为普遍。考虑开关损耗与频率成比，SiC MOS的损耗参数远小于IGBT，故其可工作于40kHz以上。相对于Si器件，SiC器件全控全桥因为采用SiC MOS器件实现，可工作于更高的频率。薄膜电容C1选用100μF/500V的DC-Link(C449)薄膜电容。
所述SCR器件相控全桥包括电感La1、La2和La3，快速SCR管Q1～Q6，薄膜电容C2，是由高速永磁起动发电机的a相经电感La1与Q1的阳极和Q4的阴极连接，高速永磁起动发电机的b相经电感Lb1与Q3的阳极和Q6的阴极连接，高速永磁起动发电机的c相经电感Lc1与Q5的阳极和Q2的阴极连接，Q1、Q3和Q5的阴极与直流端正极连接，Q2、Q4和Q6的阳极与直流端负极连接，Q1～Q6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C2两端分别与直流端正极和负极连接，直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接构成。
SCR器件相控全桥中每个单桥臂SCR管选用1200V/200A快速晶闸管模块MKC200-12。该模块电流换相时间为15～35μs，可工作于400Hz～2.5kHz的相控全桥电路。SCR器件相控全桥工作频率与发电机电频率相同，工作频率显著低于采用PWM整流控制的三相全控全桥，效率更高；同时，输出直流电压中纹波电压的频谱成份更低，更易于使电流变换器满足GJB181中对畸变频谱的要求。电感La1～Lc1为小电感，磁芯材料采用具有高矩形特性的钴基非晶材料，使该电感具有一定的饱和电感特性，磁芯开气隙，感值约为1～2μH，饱和电流为10A左右，绕组采用扁铜线绕制实现。电感La1～Lc1主要用于防止SiC器件全控全桥工作时过快dv/dt造成SCR误触发。薄膜电容C2选用1000μF/500V的DC-Link(C449)薄膜电容。
所述切换电路包括SiC MOS管V7、二极管D1和电感L1，是由V7的漏极与SiC器件全控全桥直流端正极连接，V7的源极与D1的阴极和电感L1的一端连接，电感L1的另一端与直流母线正极连接，二极管D1的阳极与直流母线负极连接，V7的栅极与控制电路连接构成。
SiC MOS管V7、二极管D1分别采用1200V/300A模块CAS300M12BM2中的上MOS管和下MOS管的反向并联二极管实现。电感L1为小电感，磁芯材料采用有非晶合金材料，磁芯开气隙，感值约为2～3μH。在SiC器件全控全桥与SCR器件相控全桥相互之间切换时，电容C1和C2上的电压并不相等，为了防止流过功率管V7的电流太大，添加了缓冲电感L1；同时，添加了二极管D1，为电感L1提供了相应的续流通路。
所提出的电源变换器有效避免了液态铝电容的使用，电源变换器有效存储器可达14年以上。
一种高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，包括以下步骤：
A、在发动机工作于最高转速、高速永磁起动发电机工作于发电状态时，按高速永磁起动发电机空载线电压峰值为直流母线电压的1.5～2倍来确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数；
B、通过磁阻式旋转变压器获得高速永磁起动发电机的相位信号vs，通过电流检测电路获得高速永磁起动发电机的三相电流信号iabc，通过电压检测电路获得直流母线的电压信号Vdc；
C、发动机起动时，直流母线正极经电感L1、V7的反向并联二极管与SiC器件全控全桥直流端正极连接，直流母线负极与SiC器件全控全桥直流端负极连接，由直流母线向SiC器件全控全桥供电，控制电路根据相位信号vs和三相电流信号iabc，采用SVPWM策略实现对SiC器件全控全桥的控制，使SiC器件全控全桥带动高速永磁起动发电机产生发动机起动所需的转矩；
D、发动机带动高速永磁起动发电机进行发电时，电源变换器进行发电稳压控制，由高速永磁起动发电机向电源变换器供电，控制电路根据相位信号vs、三相电流信号iabc和电压信号Vdc，对SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路进行控制实现电源变换器向直流母线供电，并使直流母线电压稳定在期望的电压值。
发动机工作于最高转速18000r/min、高速永磁起动发电机工作于发电状态时，取高速永磁起动发电机三相绕组经三相二极管不控整流后空载直流电压为450V，此时对应发电相电感为91μH。
SiC器件全控全桥与SCR器件相控全桥构成升降压拓扑，相对于全控全桥构成的升压拓扑，对起动发电机的输入电压范围适用性更宽，可适应的发动机转速范围也更宽。SiC器件全控全桥与SCR器件相控全桥构成的升降压拓扑采用并联结构，相对于由不控整流与DC/DC变换器构成的串联结构，发电时系统效率更高。所采用的升降压电源变换器拓扑结构，使起动发电机的电枢绕组电压高压高于采用全控全桥升压拓扑所对应的绕组电压，可有效降低绕组电流，增加电机绕组的可实现性；可增加起动发电机的自身同步电感，不再需要在电源变换器中再添加辅助大电感，并减小三相全控全桥注入电机高频纹波电流带来的附加损耗；使电源变换器中的功率器件工作于直流母线电压附近，工作电压和电流对功率器件的要求较为温和。
发电时，电源变换器的发电稳压控制包括以下步骤：
A、在起动发电机工作于低转速，直流母线电压低于期望的电压值时，控制电路控制V7导通，断开SCR器件相控制全桥的控制信号，采用电流型三相Boost整流控制策略对SiC器件全控全桥进行控制，实现升压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
B、在起动发电机工作于高转速，直流母线电压高于期望的电压值时，控制电路控制V7断开，断开SiC器件全控全桥的控制信号，采用相位控制策略对SCR器件全控全桥进行控制，实现降压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
C、在起动发电机工作于过速时，断开SiC器件全控全桥、SCR器件全控全桥和V7驱动，实现前端高电压隔离，避免造成直流母线过压。
SCR器件全控全桥所采用相控整流原理如图3所示，输出平均电压Ud与触发角θ的关系如式(1)所示。触发角θ越大，输出电压越低。
Ud＝2.34U2cosθ (1)
式中：U2—相电压。
在起动发电机过速时，通过切断SCR器件相控全桥和开关管V7的驱动来避免母线过压，可有效隔离故障，增加电源变换器的可靠性。
电流型三相Boost整流控制包括以下步骤：
A、采用电压外环，电流内环控制；
B、电压外环通过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vdc求差再进行PI调节产生电流内环的参考信号Iref；
C、起动发电机的三相电压中a相最高时，电流内环在固定时间间隔将V2驱动置高，等待a相电流ia大于Iref时，V2驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
D、起动发电机的三相电压中b相最高时，电流内环在固定时间间隔将V4驱动置高，等待b相电流ib大于Iref时，V4驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
E、起动发电机的三相电压中c相最高时，电流内环在固定时间间隔将V6驱动置高，等待c相电流ic大于Iref时，V6驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低。
图4所示为电流型三相Boost整流主功率电路图，图中Da、Db和Dc分别为SiC器件全控全桥中V1、V3和V5的反向并联二极管。该电路等效于三个Boost电路并联在一起，通过分时控制三个下管实现升压式稳压，该电路利用了发电机同步电感来作为升压电感，仅通过控制三支下管V2、V4和V6来实现稳定控制。图5所示为电流型三相Boost整流时序控制图，仅在对应相的电压最高时，才对下管进行控制，需特别说明，图5中的相电压指发电机自身同步电感前的电压。图6所示为电流型三相Boost整流控制原理图，其采用电压外环，峰值电流内环，电压外环用于产生电流内环的参考信号Iref，电流内环用于使ix(x＝a，b，c)为参考电流Iref所对应的数值，电流内环采用峰值电流控制，这样可以使其响应速度显著高于由PI调节器构成的线性环，能更好地使ix跟踪参考电流Iref。电流内环在每个时钟Clk的上升沿将RS触发器输出置高，使电流ix上升，至ix达到Iref时将RS触发器输出置低，实现脉冲宽度的单周期调节。相位控制根据电机位置，分时将对应驱动信号送至功率管。经仿真研究表明，引入电流内环进行控制是有必要的，采用仅有电压环的电压型Boost时容易出现三相瞬态电流过大。
SiC器件全控全桥采用电流型三相Boost整流控制实现升压式稳压，属于非线性控制策略，相对于采用SVPWM控制这种线性控制的升压式稳压，可适用于起动发电机电枢绕组经不控制整流时电压略低于直流母线电压的情况。
采用Matab/Simulink按本专利所述原理构建高速永磁起动发电机的电源变换器，并采用所提出的控制方法进行仿真。在18000r/min、40kW输出条件下，SCR相控整流仿真电流波形图如图7所示。SCR器件相控全桥工作时，由于起动发电机电感的存在，存在明显的换向角交叠现象，使整流后的电流iz连续性极高，相对于采用PWM整流控制的三相全控全桥，直流母线滤波电容的纹波电流有效值仅5.7A，显著降低，有效避免了直流母线滤波电容发热问题。在移相角为37°时可稳压输出270V直流。输出直流纹波电压峰峰值仅为1V，显著低于单纯PWM整流升压时的7V。
图8所示为12000r/min、40kW输出条件下，电流型三相Boost整流仿真波形图，图中相电压va～vc指发电机自身同步电感前的电压。随着负载由轻到重，脉冲先出现在0～30°处；然后再出现在90～120°处；最后逐渐往内收，布满全角度。
所提出高速永磁起动发电机的电源变换器及控制方法适用于高压直流(HVDC)系统，发电机输出电频率可高至1～2kHz，可显著降低起动发电机系统的重量。

Claims (9)

1.一种高速永磁起动发电机的电源变换器，其特征在于：包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；所述电流检测电路与高速永磁起动发电机的三相交流端连接，电流检测电路的三相交流端分别与SiC器件全控全桥和SCR器件相控全桥的三相交流端连接，SiC器件全控全桥的直流端正极经切换电路与直流母线正极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接，SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，切换电路负极与直流母线负极连接，高速永磁起动发电机经磁阻式旋转变压器与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，电流检测电路与控制电路连接，控制电路与SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路连接。
2.如权利要求1所述的高速永磁起动发电机的电源变换器，其特征在于：所述SiC器件全控全桥包括SiC MOS管V1～V6和薄膜电容C1，所述MOS管V1的源极和MOS管V2的漏极与高速永磁起动发电机的a相连接，高速永磁起动发电机的b相与MOS管V3的源极和MOS管V4的漏极连接，高速永磁起动发电机的c相与MOS管V5的源极和MOS管V6的漏极连接，MOS管V1、MOS管V3和MOS管V5的漏极与SiC器件全控全桥的直流端正极连接，MOS管V2、MOS管V4和MOS管V6的源极与SiC器件全控全桥的直流端负极连接，MOS管V1～V6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C1两端分别与SiC器件全控全桥的直流端正极和负极连接，SiC器件全控全桥的直流端负极与直流母线负极连接。
3.如权利要求1所述的高速永磁起动发电机的电源变换器，其特征在于：所述SCR器件相控全桥包括电感La1、La2和La3，快速SCR管Q1～Q6，薄膜电容C2；所述电感La1的一端与速永磁起动发电机的a相连接，电感La1的另一端与SCR管Q1的阳极和SCR管Q4的阴极连接，高速永磁起动发电机的b相经电感Lb1与SCR管Q3的阳极和Q6的阴极连接，高速永磁起动发电机的c相经电感Lc1与SCR管Q5的阳极和SCR管Q2的阴极连接，SCR管Q1、Q3和Q5的阴极与SCR器件相控全桥的直流端的正极连接，SCR管Q2、Q4和Q6的阳极与SCR器件相控全桥的直流端的负极连接，SCR管Q1～Q6的栅极与控制电路连接，薄膜电容C2两端分别与SCR器件相控全桥的直流端正极和负极连接，所述SCR器件相控全桥的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接。
4.如权利要求1所述的高速永磁起动发电机的电源变换器，其特征在于：所述切换电路包括SiC MOS管V7、二极管D1和电感L1，所述SiC MOS管V7的漏极与SiC器件全控全桥直流端正极连接，SiC MOS管V7的源极与D1的阴极和电感L1的一端连接，电感L1的另一端与直流母线正极连接，二极管D1的阳极与直流母线负极连接，SiC MOS管V7的栅极与控制电路连接。
5.一种高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其方法为：
(1)确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数；
(2)通过磁阻式旋转变压器获得高速永磁起动发电机的相位信号vs，通过电流检测电路获得高速永磁起动发电机的三相电流信号iabc，通过电压检测电路获得直流母线的电压信号Vdc；
(3)永磁起动发电机启动，由直流母线向SiC器件全控全桥供电，控制电路根据相位信号vs和三相电流信号iabc，采用SVPWM策略对SiC器件全控全桥的控制，使SiC器件全控全桥带动高速永磁起动发电机产生发动机起动所需的转矩；
(4)发动机带动高速永磁起动发电机进行发电时使用电源变换器控制直流母线稳压，使直流母线电压稳定在期望的电压值。
6.如权利要求5所述的高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中发电机的电枢绕组匝数的具体确定方法为，在发动机工作于最高转速、高速永磁起动发电机工作于发电状态时，按高速永磁起动发电机空载线电压峰值为直流母线电压的1.5～2倍来确定高速永磁起动发电机的电枢绕组匝数。
7.如权利要求5所述的高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中直流母线稳压控制是通过高速永磁起动发电机向电源变换器供电，控制电路根据相位信号vs、三相电流信号iabc和电压信号Vdc，对SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥和切换电路进行控制实现电源变换器向直流母线供电，并使直流母线电压稳定在期望的电压值。
8.如权利要求7所述的高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其特征在于：所述直流母线稳压控制方法具体为以下步骤，
(4.1)在起动发电机工作于低转速，直流母线电压低于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7导通，断开SCR器件相控制全桥的控制信号，采用电流型三相Boost整流控制策略对SiC器件全控全桥进行控制，实现升压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.2)在起动发电机工作于高转速，直流母线电压高于期望的电压值时，控制电路控制SiC MOSV7断开，断开SiC器件全控全桥的控制信号，采用相位控制策略对SCR器件全控全桥进行控制，实现降压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值Vref；
(4.3)在起动发电机工作于过速时，断开SiC器件全控全桥、SCR器件全控全桥和SiCMOSV7驱动，实现前端高电压隔离，避免造成直流母线过压。
9.如权利要求8所述的高速永磁起动发电机的电源变换器控制方法，其特征在于：所述电流型三相Boost整流控制包括以下步骤，采用电压外环，电流内环控制；
(4.1.1)电压外环通过将期望直流母线电压值Vref与电压信号Vdc求差再进行PI调节产生电流内环的参考信号Iref；
(4.1.2)起动发电机的三相电压中a相最高时，电流内环在固定时间间隔将V2驱动置高，等待a相电流ia大于参考信号Iref时，SiC MOSV2驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.3)起动发电机的三相电压中b相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiC MOSV4驱动置高，等待b相电流ib大于Iref时，SiC MOSV4驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低；
(4.1.4)起动发电机的三相电压中c相最高时，电流内环在固定时间间隔将SiC MOSV6驱动置高，等待c相电流ic大于Iref时，SiC MOSV6驱动置高，SiC器件全控全桥中其余功率管均将栅极置低。
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