CN112542969B - 一种用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路，包括调理转换电路、有效值计算电路、电压标定电路、PID调节电路、参考电压电路、参考比较电路、CPLD处理电路、高相限制电路、永磁机整流电路、整形放大及功率管电路。本发明基于有效值调压技术，通过设计参考比较电路，匹配优化参数，提高励磁电流PWM控制信号占空比均匀度，使变频交流发电机输出电压波动减小，有效解决变频交流发电机在高转速工作区间因非线性负载接入飞机电网时引起的电压调制问题，优化发电系统性能指标，提高用电负载输入电源质量。
Description
技术领域
本发明属于航空电气设计技术领域，涉及一种用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路。
背景技术
随着多电飞机的发展，航空大功率变频交流发电系统、电力电子等非线性负载逐步广泛使用，引起了变频交流发电机输出电压调制问题。有效值能真实反映非线性负载对变频交流发电机输出电压的作用，弥补传统均值调压方法的不足，准确提取变频交流发电机输出电压反馈给控制器进行调节，可以解决低转速工况下的变频交流发电机输出电压调制问题，但对高转速工作条件下出现的电压调制问题却无法有效解决。
发明内容
针对非线性负载接入大功率变频交流发电系统而引起的电压调制问题，传统均值调压及有效值调压方法略显不足，难以满足相关标准对变频交流发电系统特性指标的要求。
本发明针对航空大功率变频交流发电系统高转速工作区间带非线性负载使用工况，基于有效值调压技术，提出了一种改进的有效值调压电路，进而解决大功率变频交流发电系统在高转速工作区间带非线性负载工况下出现的电压调制问题，实现系统特性指标的优化。
本发明的技术方案为：
所述一种用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路，包括调理转换电路、有效值计算电路、电压标定电路、PID调节电路、参考电压电路、参考比较电路、CPLD处理电路、高相限制电路、永磁机整流电路、整形放大及功率管电路；
有效值调压电路敏感航空大功率变频交流发电系统主发电机定子三相交流电压信号，形成发电机电压敏感信号；
发电机电压敏感信号经过调理转换电路，为有效值计算电路提供三相交流小电压输入信号，三相交流小电压输入信号经过有效值计算电路后输出交流小电压有效值信号，交流小电压有效值信号经过电压标定电路标定后，与参考电压电路输出的基准信号一同送至PID调节电路进行误差放大，这样当主发电机输出电压与基准115V电压产生偏差时通过该电路进行了误差放大，该误差放大信号送至参考比较电路，该误差放大信号与参考比较电路产生的参考信号进行比较后输出一路PWM控制信号；
同时发电机电压敏感信号经调理转换电路、高相限制电路作用后产生另一路PWM控制信号；
两路PWM控制信号均送至CPLD处理电路综合处理后产生最终的PWM控制信号，该PWM控制信号输入整形放大及功率管电路，永磁机整流电路为励磁机提供电源，通过控制功率管的导通与断开来控制励磁机励磁电流的大小，最终完成变频交流发电机的调压控制功能。
有益效果
本发明基于有效值调压技术，通过设计参考比较电路，匹配优化参数，提高励磁电流PWM控制信号占空比均匀度，使变频交流发电机输出电压波动减小，有效解决变频交流发电机在高转速工作区间因非线性负载接入飞机电网时引起的电压调制问题，优化发电系统性能指标，提高用电负载输入电源质量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1改进有效值调压方法原理框图；
图2为参考比较电路的电路原理图；
图3为基于本发明改进有效值调压电路的变频交流发电系统仿真模型；
图4为采用传统有效值调压技术的变频交流发电机输出电压仿真波形；
图5为采用本发明改进有效值调压电路的变频交流发电机输出电压仿真波形；
图6为15000rmp时采用传统有效值调压技术的变频交流发电机输出电压试验波形；
图7为15000rmp时采用改进有效值调压电路的变频交流发电机输出电压试验波形；
图8为19000rmp时采用传统有效值调压技术的变频交流发电机输出电压试验波形；
图9为19000rmp时采用改进有效值调压电路的变频交流发电机输出电压试验波形。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出的用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路主要由调理转换电路、有效值计算电路、电压标定电路、PID调节电路、参考电压电路、参考比较电路、CPLD处理电路、高相限制电路、永磁机整流电路、整形放大及功率管电路组成。
有效值调压电路敏感航空大功率变频交流发电系统主发电机定子三相交流电压信号，形成发电机电压敏感信号。
发电机电压敏感信号经过调理转换电路，为有效值计算电路提供三相交流小电压输入信号，三相交流小电压输入信号经过有效值计算电路后输出交流小电压有效值信号，交流小电压有效值信号经过电压标定电路标定后，与参考电压电路输出的基准信号一同送至PID调节电路进行误差放大，这样当主发电机输出电压与基准115V电压产生偏差时通过该电路进行了误差放大，该误差放大信号送至参考比较电路，该误差放大信号与参考比较电路产生的参考信号进行比较后输出一路PWM控制信号。
同时发电机电压敏感信号经调理转换电路、高相限制电路作用后产生另一路PWM控制信号。
两路PWM控制信号均送至CPLD处理电路综合处理后产生最终的PWM控制信号，该PWM控制信号输入整形放大及功率管电路，永磁机整流电路为励磁机提供电源，通过控制功率管的导通与断开来控制励磁机励磁电流的大小，最终完成变频交流发电机的调压控制功能。
试验过程中发现传统基于有效值采样的PID调节方法改变PID参数并不能改善高转速工况下出现的电压调制问题，且出现PWM控制信号多周期输出占空比为0的情况，当占空比较小时，PID输出电压接近参考信号峰值，且PID输出电压波动时，间接导致发电机输出电压波动很大。大量试验表明，参考信号幅值对PWM占空比均匀度及变频交流发电机输出电压调制特性影响很大。
因此，在上述电路中，参考比较电路根据发电机电磁特性及有效值调压PID调节电路输出结果，适应性的匹配优化电路参数。对于参考比较电路输出的参考信号范围及该电路中的配置参数，可以依据全转速范围内变频交流发电系统电磁特性，及全转速范围内不同功率非线性负载组合工况下的大量摸底试验，采集PID调节电路输出结果进行匹配，找出适应的参考比较电路参数后，再进行全转速范围内、不同负载组合工况下的验证试验，并重复以上过程，直至参考比较电路及电路参数的设计能提高励磁电流PWM控制信号占空比均匀度，使变频交流发电机输出电压波动减小，解决高转速非线性负载工况下出现的电压调制问题，满足高转速工作区间变频交流发电系统特性指标的优化要求。
图2是参考比较电路电路原理图，图2中参考比较电路采用G7JB566MJ芯片，其输入为10V左右时有参考信号输出，通过R29、R37的阻值匹配保证输入信号幅值，通过匹配电阻R28、电容C23和C28的容值来控制输出参考信号的频率，R35、R36为该芯片使用需要的电阻，由G7JB566MJ、R29、R37、R28、C23、C28、R35、R36构成的电路输出原始参考信号，进入下一级处理电路。由C16、N4A、R31、R32、R33构成的电路具有滤波、比例放大及提高输出信号带载能力的作用，该电路将上一级输出的原始参考信号进行滤波、比例放大并提高信号带载能力，形成最终参考信号。该参考信号经电阻R26、PID调节电压信号经电阻R27后一同送至LF124J/883中进行比较，输出比较信号经过R34、C24滤波电路及V3稳压管稳压后，输出控制整形放大及功率管的一路PWM控制信号。
为验证本发明改进有效值调压电路中参考比较电路设计的有效性，进行了基于本发明改进有效值调压电路的变频交流发电系统仿真模型的建模仿真，仿真模型如图3所示，仿真结果分别如图4、5所示。
仿真结果表明，本发明的改进有效值调压电路设计能有效解决变频交流发电系统高转速工作时接非线性负载工况下出现的电压调制问题。
下面为改进有效值调压电路对某型变频交流发电系统高转速工作区间接非线性负载工况下出现的电压调制问题试验验证情况。图6、7分别为该型变频交流发电机15000rmp接非线性负载时采用传统有效值调压技术及改进有效值调压电路的输出电压波形。图8、9分别为该型变频交流发电机19000rmp接非线性负载时采用传统有效值调压技术及改进有效值调压电路的输出电压波形。
图4、图5中的仿真结果及图6、图7、图8、图9的试验结果表明，本发明提出的改进有效值调压电路能有效解决变频交流发电系统高转速工作时接非线性负载工况下出现的电压调制问题。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (1)
1.一种用于航空大功率变频交流发电系统的有效值调压电路，其特征在于：包括调理转换电路、有效值计算电路、电压标定电路、PID调节电路、参考电压电路、参考比较电路、CPLD处理电路、高相限制电路、永磁机整流电路、整形放大及功率管电路；
有效值调压电路敏感航空大功率变频交流发电系统主发电机定子三相交流电压信号，形成发电机电压敏感信号；
发电机电压敏感信号经过调理转换电路，为有效值计算电路提供三相交流小电压输入信号，三相交流小电压输入信号经过有效值计算电路后输出交流小电压有效值信号，交流小电压有效值信号经过电压标定电路标定后，与参考电压电路输出的基准信号一同送至PID调节电路进行误差放大，这样当主发电机输出电压与基准115V电压产生偏差时通过该电路进行了误差放大，该误差放大信号送至参考比较电路，该误差放大信号与参考比较电路产生的参考信号进行比较后输出一路PWM控制信号；
同时发电机电压敏感信号经调理转换电路、高相限制电路作用后产生另一路PWM控制信号；
两路PWM控制信号均送至CPLD处理电路综合处理后产生最终的PWM控制信号，该PWM控制信号输入整形放大及功率管电路，永磁机整流电路为励磁机提供电源，通过控制功率管的导通与断开来控制励磁机励磁电流的大小，最终完成变频交流发电机的调压控制功能；
所述参考比较电路根据变频交流发电系统电磁特性及有效值调压PID调节电路输出结果，适应性的匹配优化电路参数；依据全转速范围内变频交流发电系统电磁特性，及全转速范围内不同功率非线性负载组合工况下的大量摸底试验，采集PID调节电路输出结果进行匹配，找出适应的参考比较电路参数后，再进行全转速范围内、不同负载组合工况下的验证试验，并重复以上过程，直至参考比较电路及电路参数的设计能提高励磁电流PWM控制信号占空比均匀度，使变频交流发电机输出电压波动减小，解决高转速非线性负载工况下出现的电压调制问题，满足高转速工作区间变频交流发电系统特性指标的优化要求。
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