CN116345968A - 一种三级式电励磁同步发电机的调压系统 - Google Patents

一种三级式电励磁同步发电机的调压系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三级式电励磁同步发电机的调压系统，系统包括三级式电励磁同步发电机和发电机控制器，所述三级式电励磁同步发电机包括依次连接的永磁机、励磁机和主电机；发电机控制器包括可控整流模块和调压控制模块，可控整流模块连接永磁机的定子绕组，用于将定子绕组输出的电压进行整流处理，得到整流输出电压；调压控制模块将整流输出电压进行调制，得到励磁电压并输出所述励磁机；励磁机在励磁电压的作用下驱动主电机进行转动，输出稳定的电压。永磁机输出交流电的整流后的直流电压保持恒定不变，励磁功率管占空比位于较优的范围内，从而保证发电机输出电压调节的稳定性，且本发明的调压系统的调压精度高、动态特性好，且系统易实现。

Description

一种三级式电励磁同步发电机的调压系统
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种三级式电励磁同步发电机的调压系统。
背景技术
现有技术中，在航空大功率交流电源系统中，三级式电励磁同步发电机作为发电机已得到广泛应用。在起动/发电一体化系统中，使用该电机运行在起动和发电模式。由于在高转速或轻负载时，发电机需要的励磁电流较小，因此必然会存在以下两个问题：①低转速时，永磁机输出的电压较低，但是此时励磁机需要的励磁电压很大，必将会导致发电控制器励磁功率管的占空比D过大，甚至会出现不够用的情况，导致发电机无法输出基准电压；②高转速时，永磁机的输出电压较高，此时励磁机需要的励磁电流很小，必将会导致发电控制器励磁功率管的占空比D很小，占空比D受外界一点干扰将会引发发电机端电压振荡，难以稳定，控制较为困难。因此，很有可能导致发电机在高转速和轻载条件下无法正常工作。为解决此类问题，现有技术一采用在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，设计DC-DC变换器的输入输出特性曲线，使得发电机在任何转速下发电机端电压为基准电压时，励磁主功率管的占空比均恒定；同时保证了调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。但由于该方案增加一级DC-DC变换器，该DC-DC变换器包含变压器、电感等器件，不仅会增加发电控制器的体积和重量，还可能会降低其可靠性。因此，亟待研究一种变频三级式发电机的调压系统及方法来解决存在的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种三级式电励磁同步发电机的调压系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。
一种三级式电励磁同步发电机的调压系统，包括三级式电励磁同步发电机和发电机控制器，
所述三级式电励磁同步发电机包括依次连接的永磁机、励磁机和主电机；
所述发电机控制器包括可控整流模块和调压控制模块，其中，所述可控整流模块连接所述永磁机的定子绕组，用于将所述定子绕组输出的电压进行整流处理，得到整流输出电压；
所述调压控制模块将所述整流输出电压进行调制，得到励磁电压并输出至所述励磁机；
所述励磁机在所述励磁电压的作用下驱动所述主电机进行转动，输出稳定的电压。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述可控整流模块为AC/DC可控整流模块，包括AC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元的输入端连接所述永磁机的定子绕组，将所述永磁机的定子绕组输出的电压进行变换得到所述整流输出电压。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，AC/DC可控整流模块还包括电压反馈单元，所述电压反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述AC/DC可控整流模块还包括电压给定单元，所述电压反馈单元将所述AC/DC变换单元输出的所述整流输出电压反馈至所述AC/DC变换单元的输入端得到反馈电压，所述AC/DC变换单元根据所述反馈电压与所述电压给定单元输出的参考电压的比较结果调整所述整流输出电压的大小。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述AC/DC可控整流模块还包括电流反馈单元，所述电流反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述发电机控制器还包括电源模块，所述电源模块用于给所述可控整流模块和调压控制模块供电。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述调压控制模块包括励磁控制输出模块、电压调理模块和控制保护模块，
其中，所述励磁控制输出模块的输入端同时连接所述电压调理模块的输出端和所述可控整流模块的输出端，输出端连接所述励磁机的定子励磁绕组；
所述电压调理模块的输入端连接所述主电机的定子电枢绕组。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述励磁控制输出模块将所述整流输出电压采用占空比进行调制，所述占空比由所述电压调理模块的输出端输出。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述调压控制模块还包括控制保护模块，所述控制保护模块与励磁控制输出模块的输入端连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述永磁机的定子绕组的输出电压为Vpmg≈4.44NKfΦ，其中：N为定子绕组的匝数；K取值为1.1-1.25；f为永磁机的频率；Φ为定子绕组的磁通量。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明的三级式电励磁同步发电机的调压系统及方法，具有以下优点和效果：
(1)调压精度高、动态特性好。在宽变频发电机整个发电转速范围内，永磁机输出交流电的整流后的直流电压保持恒定不变，励磁功率管占空比位于较优的范围内，从而保证发电机输出电压调节的稳定性。
(2)低谐波。本发明中的AC-DC模块采用可控整流单元，输出电流谐波小，输出电压也更稳定。
(3)易实现性。本发明采用的AC/DC模块较为成熟，模块转换效率高，实现难度较低，且成本较低。
附图说明
图1为现有技术中三级式电励磁同步发电机原理图一；
图2为现有技术中三级式电励磁同步发电机原理图二；
图3为本发明的三级式电励磁同步发电机调压系统框图；
图4为本发明的AC/DC可控整流模块原理框图；
图5为本发明的电压调理电路的原理框图；
图6为360Hz时传统调压和本发明对比示意图，其中实线表示本发明的调压，虚线表示传统调压；
图7为800Hz时传统调压和本发明对比示意图，其中实线表示本发明的调压，虚线表示传统调压。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
为便于理解本发明，首先介绍现有技术：
现有技术中三级式电励磁同步发电机原理图如图1所示，包括主电机、励磁机、永磁机和旋转整流器。在发电模式下，发电控制器将永磁机的电能经过整流，为励磁机提供励磁电能，电压调理模块电路采用集成控制芯片实现“脉宽调制”，设定电压调理模块基准电压不变，当发电机转速或者负载发生变化时，主电机输出电压发生变化，通过变化的电压与基准电压相比较，使得电压调理模块输出的PWM信号脉宽发生变化，通过闭环自动调节励磁功率开关的占空比来改变励磁控制输出模块的输出电压，从而达到精确调节主电机输出电压的目的。传统三级式电励磁同步发电机发电原理图如图2所示。对于该图2所示的传统的恒速发电机，发电机的转速几乎是不变的，永磁机的输出电压几乎不变。对于三级式电励磁同步发电机，发电机转速越高，永磁机输出电压越高，由于在高转速或轻负载时，发电机需要的励磁电流较小，因此必然会存在低转速时占空比过大，高转速时占空比又过小，使得占空比D受外界干扰较大，从而引发发电机端电压振荡，难以稳定，控制较为困难。
如图3所示为本发明的三级式电励磁同步发电机的调压系统框图，所述调压系统包括三级式电励磁同步发电机和发电机控制器，其中，变频三级式发电机包括：永磁机、励磁机和主电机；所述发电机控制器包括可控整流模块和调压控制模块，其中，所述可控整流模块连接所述永磁机的定子绕组，用于将所述定子绕组输出的电压进行整流处理，得到整流输出电压；所述调压控制模块将所述整流输出电压采用励磁占空比来进行调制，得到励磁电压；将所述励磁电压输出至所述励磁机的定子励磁绕组，所述励磁机的定子励磁绕组在所述励磁电压的作用下使励磁机转子输出交流电，励磁机转子输出的交流电经过旋转整流二极管整流后输出至主电机转子，从而使主电机定子输出稳定的电压，图3中，T1、T2、T3是发电机输出的交流三相，连接到机载用电设备的是功率信号；GCB是发电机控制接触器，GEC是发电机励磁接触器，机载用电设备为飞机上的用电设备，即为负载。
其中，根据永磁机空载输出电压U≈E＝4.44NKfΦ，其中N为永磁机定子线圈匝数；K为常系数，取值为1.1-1.25；f为频率，n＝60f/p，n为永磁机的转速，p为永磁机的极对数；Φ为永磁机主磁通的磁通量，可知，在永磁机匝数N一定的情况下，其输出电压Vpmg正比于n。永磁机的定子电枢绕组出三相交流Vpmg的A、B和C端与可控整流模块的输入端连接，所述可控整流模块为AC/DC可控整流模块，如图4所示，其包括AC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元的输入端连接所述永磁机的定子绕组，将所述永磁机的定子绕组输出的电压进行变换得到所述整流输出电压；AC/DC可控整流模块还包括电压反馈单元，所述电压反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端；所述AC/DC可控整流模块还包括连接至所述AC/DC变换单元的输入端的电压给定单元，所述电压反馈单元将所述AC/DC变换单元输出的所述整流输出电压反馈至所述AC/DC变换单元的输入端得到反馈电压，所述AC/DC变换单元根据所述反馈电压与所述电压给定单元输出的参考电压的比较结果调整所述整流输出电压的大小；所述AC/DC可控整流模块还包括电流反馈单元，所述电流反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端。随转速变化的永磁机输出电压Vpmg被输入到AC/DC变换单元的输入端，AC/DC变换单元对该电压Vpmg进行AC/DC变换，输出电压Vo。AC/DC变换单元输出的励磁电流通过电流反馈单元进行反馈，然后输入到AC/DC变换单元的输入端以进行电流限制或保护。AC/DC变换单元输出的整流输出电压Vo通过电压反馈单元反馈，然后输入到AC/DC变换单元的输入端得到反馈电压，反馈电压与电压给定单元提供的参考电压进行比较，从而保证AC/DC可控整流模块输出的电压Vo也稳定。AC/DC变换单元输出的Vo需要保持与给定的参考电压一致，通过Vo的电压反馈，与给定的参考电压比较，得到误差，根据误差控制AC/DC变换单元内部功率器件的导通关断情况，使得输出Vo与给定参考电压的误差保持恒定。三级式电励磁同步发电机的PMG输出连接至AC/DC可控整流模块，在将永磁机输出电压Vpmg经过AC/DC可控整流模块进行整流，使其输出恒定的直流整流输出电压Vo，AC/DC整流模块可对任何大小变化的输出电压Vpmg进行整流变化，得到稳定的Vo，因此，与发电机转速无关。AC/DC可控整流模块输出的电压Vo＝Vf/D，其中，Vo为AC/DC可控整流模块输出电压，Vf为励磁控制模块输出至发电机的励磁机的励磁电压，D为占空比。在Vo稳定的情况下，占空比D和Vf都是随着发电机转速的变化的而变化，Vf与占空比D成反比。由于AC/DC可控整流模块输出的整流输出电压Vo在整个转速范围内保持恒定，将励磁功率开关的占空比D控制在较为合理的范围内，避免了因发电机在高速和轻载条件下的占空比过小而导致的失调问题。
可控整流模块输出的整流输出电压Vo，经输出端输出至励磁控制输出模块的输入端，励磁控制输出模块的输入端还连接电压调理模块，接收电压调理模块的输出端输出的PWM(Pulse width modulation脉冲宽度调制)的占空比D，励磁控制输出模块的输出电压Vf由整流输出电压Vo和占空比来确定，励磁控制输出模块的输出端连接所述励磁机的定子励磁绕组的励磁+端和励磁-端，用于给励磁电机提供励磁电压Vf。
所述电压调理模块的输入端连接所述主电机的定子电枢绕组，用于接收定子电枢绕组输出的电压，该电压被电压调理模块进行处理，输出PWM信号，其中包括占空比D，即为一个脉冲周期内高电平的所整个周期占的比例，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50％。
发电机控制器中还包括控制保护模块，其与励磁控制输出模块电连接，用于控制励磁控制输出模块的工作，即在控制保护模块输出允许指令信号给励磁控制输出模块时，励磁控制输出模块启动工作，将电压Vo与占空比D进行控制操作，输出电压Vf。
在本发明中，AC/DC可控整流模块输出电压Vo基于励磁机的功率需求，无论发电机转速是过高还是过低，励磁机电源电压Vo都是恒定的。因此，采用本发明的调压系统，发电机可以在整个速度范围内调节，而无需复杂的控制补偿。
在本发明中，AC/DC可控整流模块采用隔离型AC/DC单元，因为在变频系统中，AC/DC单元的输入电压高，且变化范围大，输入和输出电路之间直接短路的故障模式可能很严重，使用隔离设计拓扑将防止AC/DC可控模块的输出电路被高压损坏。AC/DC可控整流模块输出电压Vo基于励磁机的功率需求，无论发电机转速如何，励磁机电源电压Vo都是恒定的，且输出的直流谐波较小。因此，发电机可以在整个速度范围内调节，而无需复杂的控制补偿，使其输出不受发电机转速和负载影响的恒定的直流电压，可将发电机励磁功率开关占空比控制在较优的范围，从而实现较高的调压精度及较好的动态性能。
为获得较高调压精度及较好的动态性能，要保证发电机在全转速范围及全部负载工况下，励磁功率开关的占空比D不低于10％；
由于宽变频发电机在高转速轻载条件下所需的励磁电压最小，因此选取发电机最高发电转速为基准转速nr，在该基准转速且空载运行状态下所需的励磁电压Vf_L作为确定AC/DC可控整流模块参考电压的依据；
由于AC/DC可控整流模块输出电压Vo＝Vf/D，其中Vf取Vf_L，D不低于10％，由此确定AC/DC可控整流模块输出电压及给定电压Vf_ref，即Vo；
根据发电机励磁机在不同转速及负载条件下所需励磁功率，以确定AC/DC可控整流模块励磁电流限制及保护阈值。
如图5所示，电压调理模块包括前馈电路和反馈电路，其中前馈电路上包括依次连接的PID运算电路模块、PWM产生电路模块；反馈电路中设置有调压点检测电路模块，其中调压点检测电路模块的输入端连接三级式发电机的主电机，输出端连接求和器的输入端，励磁控制输出模块的输出端连接三级式发电机的励磁机。设定基准电压Vref，当发电机转速或者系统负载发生变化时，发电机调压点电压相应地发生变化，调压点检测电路输出电压Vpor发生相应变化，而由调压电路基准电压Vref不变，通过与变化的调压点电压Vpor相比较，经过PID运算电路模块进行差分运算后输入至PWM产生电路模块，产生相应占空比D的PWM信号，经过励磁控制输出模块的控制后输出Vf，以调节发电机励磁电压的大小。
励磁控制输出模块的输入电压为AC/DC可控整流模块输出的恒定电压Vo。
根据D＝Vf/Vo，由于Vo恒定不变，发电机励磁电压的大小与PWM信号的占空比D成正比，PWM信号占空比D越大，励磁电压越大，反之则越小。
可行性验证：
采用一台三级式宽变频(360Hz～800Hz)电励磁同步发电机进行验证，发电机控制器部分分别采用传统调压方案(图2)和本发明方案(图3)进行仿真结果对比，分别在360Hz和800Hz，功率因数PF＝0.85滞后条件下，从40kVA加载至120kVA再卸载至40kVA时，动态特性分别如图6和图7所示，图中，虚线为传统调压方案发电机输出电压有效值；实线为本发明方案发电机输出电压有效值。通过仿真，验证了本发明方案的可行性和有效性。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，包括三级式电励磁同步发电机和发电机控制器，
所述三级式电励磁同步发电机包括依次连接的永磁机、励磁机和主电机；
所述发电机控制器包括可控整流模块和调压控制模块，其中，所述可控整流模块连接所述永磁机的定子绕组，用于将所述定子绕组输出的电压进行整流处理，得到整流输出电压；
所述调压控制模块将所述整流输出电压进行调制，得到励磁电压并输出至所述励磁机；
所述励磁机在所述励磁电压的作用下驱动所述主电机进行转动，输出稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述可控整流模块为AC/DC可控整流模块，包括AC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元的输入端连接所述永磁机的定子绕组，将所述永磁机的定子绕组输出的电压进行变换得到所述整流输出电压。
3.根据权利要求2所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，AC/DC可控整流模块还包括电压反馈单元，所述电压反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端。
4.根据权利要求3所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述AC/DC可控整流模块还包括电压给定单元，所述电压反馈单元将所述AC/DC变换单元输出的所述整流输出电压反馈至所述AC/DC变换单元的输入端得到反馈电压，所述AC/DC变换单元根据所述反馈电压与所述电压给定单元输出的参考电压的比较结果调整所述整流输出电压的大小。
5.根据权利要求2所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述AC/DC可控整流模块还包括电流反馈单元，所述电流反馈单元的输入端连接所述AC/DC变换单元的输出端，输出端连接所述AC/DC变换单元的输入端。
6.根据权利要求1所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述发电机控制器还包括电源模块，所述电源模块用于给所述可控整流模块和调压控制模块供电。
7.根据权利要求1-6任一项所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述调压控制模块包括励磁控制输出模块、电压调理模块和控制保护模块，
其中，所述励磁控制输出模块的输入端同时连接所述电压调理模块的输出端和所述可控整流模块的输出端，输出端连接所述励磁机的定子励磁绕组；
所述电压调理模块的输入端连接所述主电机的定子电枢绕组。
8.根据权利要求7所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述励磁控制输出模块将所述整流输出电压采用占空比进行调制，所述占空比由所述电压调理模块的输出端输出。
9.根据权利要求7所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述调压控制模块还包括控制保护模块，所述控制保护模块与励磁控制输出模块的输入端连接。
10.根据权利要求7所述的三级式电励磁同步发电机的调压系统，其特征在于，所述永磁机的定子绕组的输出电压为Vpmg≈4.44NKfΦ，其中：N为定子绕组的匝数；K取值为1.1-1.25；f为永磁机的频率；Φ为定子绕组的磁通量。
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