CN219802181U - 一种变频三级式发电机的调压系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种变频三级式发电机的调压系统，系统包括变频三级式发电机和发电机控制器，所述三级式发电机包括依次连接的永磁机、励磁机和主电机；所述发电机控制器将永磁机输出的电压进行调压、整流、切换选择处理后输出至所述励磁机，保证主电机输出稳定的电压，从而使得占空比保持不变，本实用新型的调压系统的调压精度高、动态特性好，且系统易实现，其中所述发电机控制器采用的多匝比变压器较为成熟，模块转换效率高，实现难度较低，且成本较低。
Description
技术领域
本实用新型属于发电机技术领域，具体涉及一种变频三级式发电机的调压系统。
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，必将会导致发电机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，必将会导致发电机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，不仅会增加发电机控制器的体积和重量，还可能会降低其可靠性。现有技术二采用在额定转速范围内，通过电压-占空比转换方法来实现励磁源电压值的预调整，设计准则是发电机在任何转速下发电机空载端电压时，电压调节器输出占空比均恒定，使调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。但由于该方案通过软件实现电压调节器输出占空比恒定，软件计算一方面会占用CPU的资源，另外会出现死机或程序“跑飞”的情况，存在一定的隐患。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，本实用新型提供一种变频三级式发电机的调压系统，用于解决现有技术中存在的上述问题。
一种变频三级式发电机的调压系统，包括变频三级式发电机和发电机控制器，
所述变频三级式发电机包括同轴连接的永磁机、励磁机和主电机；
所述发电机控制器包括变压整流模块和切换控制模块，其中，所述变压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变压整流处理，得到一组整流电压；
所述切换控制模块选择其中一个所述整流电压进行切换控制得到切换电压，将该切换电压进行调制，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，所述交流电经过整流后至主电机的转子，从而使主电机的定子输出稳定的电压。
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，所述变压整流模块包括变压模块和若干整流模块，其中，所述永磁机的定子绕组连接所述变压模块的输入端和第一整流模块的输入端，所述变压模块的输出端连接其它整流模块的输入端。
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，所述切换控制模块包括励磁切换模块、励磁控制输出模块、控制保护模块和电压调理模块，
其中，每一所述整流模块的输出端均连接至所述励磁切换模块的输入端，所述励磁切换模块的输入端同时连接所述控制保护模块，输出端连接至所述励磁控制输出模块的输入端；
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，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，所述发电机控制器还包括电源模块，所述电源模块用于给所述控制保护模块和电压调理模块供电。
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，所述变压模块为多匝比变压器，其中设置有多种不同变比比例。
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，所述切换控制模块选择其中一个所述整流电压进行切换控制得到切换电压，包括：控制保护模块输出切换信号至所述励磁切换模块，所述励磁切换模块根据所述切换信号选择其中一个整流电压进行切换控制得到切换电压。
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为1.1-1.25；f为永磁机的频率；Φ为定子绕组的磁通量。
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，将该切换电压进行调制，得到励磁电压，具体为将切换电压采用所述电压调理模块的输出端输出的占空比进行调制，所述切换电压与占空比的乘积等于所述励磁电压。
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，所述占空比大于等于10％。
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，所述励磁切换模块包括至少三组切换子电路，每一个切换子电路均包括相互连接的开关、电阻和二极管。
本实用新型的有益效果
与现有技术相比，本实用新型有如下有益效果：
本实用新型的变频三级式发电机的调压系统及方法，具有以下优点和效果：本实用新型的调压系统的调压精度高、动态特性好。通过拟合PMG电压曲线，可将励磁功率电源Vo控制成随转速变化较小，从而使励磁功率管占空比位于较优的范围内，保证发电机输出电压调节的稳定性；其次是系统易实现，其中采用的多匝比变压器较为成熟，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电机原理图一；
图2为现有技术中三级式电励磁同步电机原理图二；
图3为本实用新型的变频三级式发电机调压系统框图；
图4为本实用新型的发电机的电压曲线图；
图5为本实用新型的拟合后的PMG电压曲线图；
图6为本实用新型的励磁切换模块电路原理图；
图7为本实用新型的励磁切换模块的电路开关状态示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型的技术方案，本实用新型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实用新型保护的范畴之内。
为使本实用新型要解决的技术问题、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，本实用新型所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型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。
为便于理解本实用新型，首先介绍现有技术：
现有技术中三级式电励磁同步电机原理图如图1所示，主要包括主电机、励磁机、永磁机和旋转整流器。在发电模式下，发电机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。对于三级式宽变频发电机，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所示为本实用新型的三级式发电机的调压系统框图，本实用新型的三级式发电机同时适用于定频或变频的情况。
调压系统包括三级式发电机和发电机控制器，所述三级式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变压整流模块和切换控制模块，其中，所述变压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变压整流处理，得到一组整流电压；所述切换控制模块根据切换控制信号选择其中一个所述整流电压进行切换控制得到切换电压，将该切换电压采用占空比来进行调制，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。
所述变压整流模块包括变压模块和若干整流模块，其中，所述永磁机的定子绕组的输出端连接所述变压模块的输入端和第一整流模块的输入端，变压模块的输出端连接除第一整流模块外的其它整流模块的输入端。所述切换控制模块包括励磁切换模块、励磁控制输出模块、控制保护模块和电压调理模块，其中，所有所述整流模块的输出端均连接至所述励磁切换模块的输入端，所述励磁切换模块的输入端还同时连接所述控制保护模块，所述励磁切换模块的输出端连接至所述励磁控制输出模块的输入端；所述励磁控制输出模块的输入端还同时连接所述电压调理模块的输出端，所述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；所述电压调理模块的输入端连接所述主电机的定子绕组。所述变压模块为多匝比变压器，其中设置有多种不同变比比例，针对发电机的同一转速可通过采用所述多匝比变压器的不同变比来输出不同电压值。其中，永磁机的定子电枢绕组出三相交流Vpmg的A、B和C端分别与第一整流模块及多匝比变压器的输入端连接，多匝比变压器的输出端连接第二整流模块、第三整流模块…第n个整流模块的输入端，第一整流模块及第二至第n个整流模块的输出端均输出至励磁切换模块，即第一整流模块对接收的来自于永磁机的定子电枢绕组出三相交流Vpmg的A、B和C端输出的电压Vpmg进行整流处理，输出端输出电压Vo1；Vpmg输入至多匝比变压器后，该变压器采用不同的变比比例进行变压，变压后的Vpmg1～Vpmgn分别输入至第二至第n个整流模块进行不控整流，每个整流模块均输出相应的电压，第二整流模块输出Vo2，第三整流模块输出Vo3，第n个整流模块输出得到Von，一共得到Vo1～Von个电压。根据励磁机所需的励磁功率及励磁电源需求，多匝比变压器可选用一个或多个绕组的变压器，变比分别为N:N1、……、N:Nn，在同一转速下，可输出多路不同电压值的电压Vo1～Von。
励磁切换模块同时连接控制保护模块，用于接收控制保护模块发出的切换指令信号，switch1&2…&n等，励磁切换模块根据接收的上述切换指令信号选择Vo1，Vo2…Von中的一个作为切换电压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有电压调理模块，接收电压调理模块的输出端输出的脉冲宽度调制信号PWM的占空比D，励磁控制输出模块输出的励磁电压Vf由输出电压Vo来确定，最终占空比D控制在较优的范围内；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。
发电机在高转速时，永磁机的定子电枢绕组输出电压的Vpmg较高，所有的整流模块输出的直流电压也较高，而励磁机需要较小的励磁电压Vf才可将发电机输出电压调节至基准电压，由于电压调理模块输出PWM的占空比D＝Vf/Vo，为避免占空比过小，因此需要选较小的励磁直流电源电压Vo，才可保持较高的调压精度和较好的动态性能。在低转速时，永磁机输出电压Vpmg较低，整流模块输出的直流电压也较低，而励磁机需要较高的励磁电压Vf才可将发电机输出电压调节至基准电压，为避免占空比过小，因此需要选较大的励磁直流电源Vo，才可保持较高的调压精度和较好的动态性能。图3所示，其中，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，电压调理模块的输入是电压信号；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。
综合发电机在不同转速下的对励磁电压的需求，选择不同的输入电压，拟合出一条实际提供励磁电源的PMG电压曲线，可将励磁切换模块的输出电压Vo控制在较小的范围内，且随发电机的转速变化较小，进而将电压调理模块输出PWM的占空比D控制在较优的范围内，从而提高调压精度，并获得较好的动态性能。
励磁切换模块的切换指令来自于发电机控制器的控制保护模块，通过检测发电机转速，根据发电机转速选择相应的输入电压。
其中第一整流模块单独连接定子绕组，保证定子绕组输出的电压不用变压处理，从而在不需变比处理的情况下直接输出至励磁切换模块。
优先地，本实用新型根据励磁机在全转速范围内和全负载工况下确定所需的励磁功率及励磁电压Vf。为获得较高调压精度及较好的动态性能，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％，即大于等于10％，确定励磁直流电源电压Vo＝Vf/D≤10Vf。
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，m＝60f/p，m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m，同时在Vpmg经过多匝比变压器降压和升压后得到的电压分别为Vpmg1和Vpmg2，Vpmg1小于Vpmg2，其中，Vpmg1＝Vpmg×N1/N，Vpmg2＝Vpmg×N2/N，变压器绕组1和绕组2的匝数变比分别为N:N1和N:N2，N1为变压器绕组1的匝数，N2为变压器绕组2的匝数。
由于发电机在高转速时，所需励磁电压较小，因此选取较小的VPMG1电压；在低转速时，所需励磁电压较大，因此选取较大的VPMG2电压，在正常转速下时，选取VPMG电压，VPMG,VPMG1和VPMG2组成的电压曲线如图4所示，三条电压曲线拟合后的PMG电压曲线如图5所示，选取发电机的两个切换转速点ns1和ns2，当发电机转速小于等于ns1时，输入电压取VPMG2即取较高的电压；当发电机转速大于ns1小于ns2时，输入电压取VPMG，当发电机转速大于等于ns2时，输入电压取VPMG1，即取较低的电压，在永磁机的定子电枢绕组输出电压的Vpmg，该电压经过后面的发电机控制器进行进一步的处理，来得到励磁电压Vf。
励磁切换模块可选择不同的Vo电压，励磁切换模块的电路原理图如图6所示，本实用新型以三路直流电压为例，励磁切换模块至少包括三组切换子电路，每一个切换子电路均包括开关、电阻和二极管。其中，Vo1为Vpmg经第一整流模块不控整流后输出的直流电压，Vo2为Vpmg1经第二整流模块不控整流后输出的直流电压，Vo3为Vpmg2经第三整流模块不控整流后输出的直流电压，在第一切换子电路中，开关Q1的基极连接Switch1信号，发射极连接第一电阻的一端及第一二极管的正极，集电极连接电压Vo1；在第二切换子电路中，开关Q2的基极连接Switch2信号，发射极连接第二电阻的一端及第二二极管的正极，集电极连接电压Vo2；在第三切换子电路中，开关Q3的基极连接Switch3信号，发射极连接第三电阻的一端及第三二极管的正极，集电极连接电压Vo3，第一电阻、第二电阻及第三电阻的另一端均接地；第一二极管、第二二极管及第三二极管的负极均连接至电压Vo。通过3个开关Q1、Q2、Q3实现不同转速的切换，开关逻辑状态如图7所示，其中状态1表示导通，状态1表示关断。当发电机转速小于等于ns1时，输出的电压vpmg较小，此时控制保护模块输出Switch3，Q3导通，Vo1＝Vo3，Vf＝Vo*D；当发电机转速大于ns1小于ns2时，输入电压为VPMG，此时，控制保护模块输出Switch1，Q1导通；当发电机转速大于等于ns2时，输入电压取VPMG1，控制保护模块输出Switch2，Q2导通，为避免不同的输入电压切换过程中瞬时掉电导致的发电机输出电压波形，在ns1转速点切换时，在Q3关断之前提前导通Q1；在ns2转速点切换时，在Q1关断之前提前导通Q2。
其中，发电机控制器中的电源模块为电压调理模块、控制保护模块供电。在本实用新型中，根据发电机在全发电转速范围和全负载工况下励磁机所需励磁电压需求，拟合PMG电压曲线，该曲线随着电机转速升高有变小的趋势，适应于发电机转速越高，所需励磁电压越小的需求，可将励磁功率开关占空比控制在较优的范围内，从而实现较高的调压精度及较好的动态性能。
上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型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实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，包括变频三级式发电机和发电机控制器，
所述变频三级式发电机包括同轴连接的永磁机、励磁机和主电机；
所述发电机控制器包括变压整流模块和切换控制模块，其中，所述变压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变压整流处理，得到一组整流电压；
所述切换控制模块选择其中一个所述整流电压进行切换控制得到切换电压，将该切换电压进行调制，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，所述交流电经过整流后至主电机的转子，从而使主电机的定子输出稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述变压整流模块包括变压模块和若干整流模块，其中，所述永磁机的定子绕组连接所述变压模块的输入端和第一整流模块的输入端，所述变压模块的输出端连接其它整流模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述切换控制模块包括励磁切换模块、励磁控制输出模块、控制保护模块和电压调理模块，
其中，每一所述整流模块的输出端均连接至所述励磁切换模块的输入端，所述励磁切换模块的输入端同时连接所述控制保护模块，输出端连接至所述励磁控制输出模块的输入端；
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，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绕组。
4.根据权利要求3所述的变频三级式发电机的调压系统，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控制保护模块和电压调理模块供电。
5.根据权利要求3所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述变压模块为多匝比变压器，其中设置有多种不同变比比例。
6.根据权利要求3所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述切换控制模块选择其中一个所述整流电压进行切换控制得到切换电压，包括：控制保护模块输出切换信号至所述励磁切换模块，所述励磁切换模块根据所述切换信号选择其中一个整流电压进行切换控制得到切换电压。
7.根据权利要求1-3任一项所述的变频三级式发电机的调压系统，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为1.1-1.25；f为永磁机的频率；Φ为定子绕组的磁通量。
8.根据权利要求3所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，将该切换电压进行调制，得到励磁电压，具体为将切换电压采用所述电压调理模块的输出端输出的占空比进行调制，所述切换电压与占空比的乘积等于所述励磁电压。
9.根据权利要求8所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述占空比大于等于10％。
10.根据权利要求3所述的变频三级式发电机的调压系统，其特征在于，所述励磁切换模块包括至少三组切换子电路，每一个切换子电路均包括相互连接的开关、电阻和二极管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |