CN202889280U - 航空三级电励磁式同步电机起动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种航空三级电励磁式同步电机起动控制装置，其特征在于：位置传感器与三级电励磁式同步电机连接，位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；整流电路的输入端连接三相交流供电，其输出端连接滤波电路，滤波电路的输出连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器的输出端接入励磁机的定子单相绕组，控制三级电励磁式同步电机以实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入三级电励磁式同步电机的主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。本实用新型控制环节较少，速度环PI调节器和电流环PI调节器相互独立，参数调整方便。

Description

航空三级电励磁式同步电机起动控制装置

技术领域

本发明涉及一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制装置，是一种利用空间矢量调制实现航空三级电励磁式同步电机起动功能的控制装置，属于交流电机传动技术领域。 

背景技术

起动/发电双功能一体化是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前，在航空大功率交流电源系统中，广泛采用三级电励磁式同步电机（原理框图见图1）作为发电机，如能用该电机完成航空发动机的起动，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。但是，该电机主要为满足发电功能设计，在电动状态时存在如下问题：1）静止/低速状态时，励磁机输出电压较低、主发电机励磁电流较小，严重影响主发电机的带载起动能力，难以适应航空发动机在起动过程中低转速大转矩的负载特性；2）三级电励磁式同步电机的主发电机与励磁机之间存在较强的电磁耦合，而电机的无刷化结构使其在旋转状态下的准确数学模型难以获取，因此无法将采集到的主发电机三相电流准确解耦。 

目前，国内已开展的针对三级电励磁式同步电机起动控制方法的相关研究工作，均基于传统的矢量控制方法和直接转矩控制方法，且多为仿真研究，部分实验采用普通的电励磁同步电机进行验证。经采用一台三级电励磁式同步电机和MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机的起动过程实验发现，由于该电机在电动状态时存在上文所述的两个问题，不论是矢量控制方法还是直接转矩控制方法，由于控制量较多且无法准确解耦，均难以达到较好的控制效果，无法有效发挥电机的带载能力。 

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，本发明提出一种应用于三级电励磁式同步电机的起动控制装置，通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制（SVM）发生器的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，以实现三级电励磁式同步电机起动功能的方法。 

技术方案 

一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制装置，其特征在于包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器、中央控制器、隔离驱动电路、电流采集电路和位置传感器；位置传感器与三级电励磁式同步电机连接，位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；整流电路的输入端连接三相交流供电，其输出端连接滤波电路，滤波电路的输出连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器的输出端接入励磁机的定子单相绕组，控制三级电励磁式同步电机以实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入三级电励磁式同步电机的主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。 

有益效果 

本发明所述的三级电励磁式同步电机起动控制装置，通过转速闭环PI调节器直接控制输出电压矢量的大小，通过电流闭环PI调节器调整电压矢量与转子的相对位置，控制主发电机的转矩角，以调节主发电机d轴电流i_d达到当前转速下的理想d轴电流 

本方法不需要分别控制主发电机d轴电流i_d以及q轴电流i_q的给定值，也不需要分别控制d轴电压U_d以及q轴电压U_q的输出，由于控制量的减少，励磁机耦合在主发电机三相电流中的分量对系统控制性能的影响降低，采用相同滤波技术的前提下，可 获得更好的起动控制效果。 

本发明具有以下优点：1）控制环节较少，速度环PI调节器和电流环PI调节器相互独立，参数调整方便；2）不需系统的实时状态信息，可以采用较为复杂的滤波算法对采集到的主发电机原始信息进行处理，对瞬态干扰具有一定的鲁棒性，可有效提高系统控制性能；3）控制目标量少，可有效降低励磁机对主发电机的电磁干扰所造成的综合控制误差。 

附图说明

图1：系统硬件电路结构框图。 

图2：采用本控制方法时45N·m堵转矩情况下的主发电机起动波形。 

图3：采用本控制方法时600（r/min），70N·m负载主发电机稳速运行波形。 

图4：采用本控制方法时1200（r/min），80N·m负载主发电机稳速运行波形。 

图5：采用本控制方法时2000（r/min），80N·m负载主发电机稳速运行波形。 

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述： 

本发明实施例的系统硬件结构如图5所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器，隔离驱动电路、电流采集电路、中央控制器和人机接口电路。本系统采用旋转变压器来检测电机转速，构成三级电励磁式同步电机起动控制系统。为验证本发明方法，采用MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机负载，利用一台三级电励磁式同步电机搭建了验证平台。 

通过位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；通过电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；中央控制器计算主发电机理想

值： 

计算当前励磁机转子感应电势，其中，A相感应电势可表示为： 

$e_A=N_2{k}_{N_2}{\mathrm{\Φ}}_m({\mathrm{\ω}}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\sin \mathrm{\ωt})$

其中，ω₁＝2πf₁，f₁为励磁机定子励磁频率，N₂为励磁机转子每相串联绕组匝数， 

为绕组系数，φ_m为励磁机脉振磁势产生的每极磁通的幅值； 

由于主发电机通过励磁机经旋转变压器三相全桥整流实现转子励磁，因此主发励磁电流i_f可近似表示为： 

i_f＝K_UC*e_A/R_zr

其中，K_UC为励磁机输出电压与主发电机转子端电压的对应系数，R_zr为主发转子电阻。 

计算主发电机d轴电流的理想控制目标量

为： 

$i_d^{*}=\sqrt{\frac{I^2}{2}+{\left[\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}\right]}^2}-\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}$

其中：I为主发电机线电流，M_sf为主发电机定子、转子间的互感，L_d为主发电机d轴电感，L_q为主发电机q轴电感。 

通过以下步骤实施主发电机的电动运行控制： 

设定速度环PI调节器的调节参数分别为K_ps＝0.3，K_is＝0.25；设定电流环PI调节器的调节参数K_pc＝0.2，K_ic＝0.15； 

由以下步骤获得主发电机控制器的输出电压矢量的模值U： 

$e_{\mathrm{\ω}}={\mathrm{\ω}}_r^{*}-\mathrm{\ω}$

U＝K_ps·e_ω+K_is∫e_ωdt 

由以下步骤获得电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ： 

$e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d$

Δθ＝K_pc·e_id+K_ic∫e_iddt 

根据主发电机的转子位置θ和(4.3)得出的电压矢量与主发电机转子的相对位置Δθ得出电压矢量在静止坐标系中的位置

结合步骤（4.2）中得到 的电压矢量模值U，可唯一确立电压矢量U^*，由下式计算电压矢量在静止两相坐标系αβ轴下的分量： 

根据空间矢量调制(SVM)来进行电压矢量合成（图4），计算逆变器所需要的三相开关控制信号S_A、S_B、S_C： 

通过

确定合成参考定子电压的两个相邻基本电压矢量： 

定子电压矢量在第I扇区，采用U₁和U₂

定子电压矢量在第II扇区，采用U₂和U₃

定子电压矢量在第III扇区，采用U₃和U₄

定子电压矢量在第IV扇区，采用U₄和U₅

定子电压矢量在第V扇区，采用U₅和U₆

定子电压矢量在第VI扇区，采用U₆和U₁

采用由下式计算定子电压矢量相邻的有效电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用的时间： 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=\frac{T_s}{2U_{\mathrm{dc}}}({3U}_{\mathrm{s\α}}-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{s\β}})\\ T_2=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}{U}_{\mathrm{s\β}}\\ T_0=T_s-T_1-T_2\end{array}\right.$

随着U的增加，输出电压的基波电压幅值也线性增加，零矢量作用的时间T₀逐渐减小，但应满足以下关系式： 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1+T_2\≤T_s\\ T_0\≥0\end{array}\right.$

根据基本电压矢量和零矢量以及各自作用的时间确定逆变器三相开关控制信号 S_A、S_B、S_C： 

逆变器产生的有效电压矢量和零矢量所对应的三相开关信号分别为U_i(S_A S_B S_C)：U₁(100)、U₂(110)、U₃(010)、U₄(011)、U₅(001)、U₆(101)和两个零电压矢量U₇(000)、U₈(111)；在一个SVM周期T_s内基本电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用顺序如下： 

U₇作用T₀/4→U_N作用T_N/2→U_N+1作用T_N+1/2→U₈作用T₀/2→U_N+1作用T_N+1/2→U_N作用T_N/2→U₇作用T₀/4； 

三相开关信号S_A、S_B、S_C经相应的隔离以及信号处理、放大电路后，控制三相全桥逆变器动作，驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机的起动功能。 

所述的一种航空起动控制方法的实施例中，图5所示的硬件系统中的单相H桥逆变器的输出端接入三级电励磁式同步电机的定子单相绕组，以控制三级电励磁式同步电机实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。 

图2至图5即为电机在图1所示硬件系统的控制下，在不同负载、转速情况下的电动运行实验波形，图中由上至下分别为励磁机励磁电流（由单相H桥逆变器控制输出）、主发电机A相电流（由三相全桥逆变器控制输出）、控制器的A相输入电流以及母线电压的波形。 

Claims (1)

1.一种航空三级电励磁式同步电机起动控制装置，其特征在于包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器、中央控制器、隔离驱动电路、电流采集电路和位置传感器；位置传感器与三级电励磁式同步电机连接，位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；整流电路的输入端连接三相交流供电，其输出端连接滤波电路，滤波电路的输出连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器的输出端接入励磁机的定子单相绕组，控制三级电励磁式同步电机以实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入三级电励磁式同步电机的主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。 

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