CN102420560A - 变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法，所述励磁结构由开路型定子三相绕组和两端连接的三相桥式变换器组成。所述方法起动初始过程，协调控制各变换器的输出矢量，选择合适的综合电压矢量，在三相绕组产生所需的三相交流励磁电压，使励磁机工作在额定输出状态，为主发电机起动运行提供足够的励磁电流；当电机转速达到励磁切换点之后，根据转速反馈信号，从三相交流励磁方式切换至直流励磁，该切换过程无需通过外部开关改变励磁机绕组的结构，利用两套变换器的桥臂分别对每相绕组电流采用直接控制方式，将三相交流绕组等效成直流串联结构，实现直流励磁功能。

Description

变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法

技术领域

本发明涉及变频交流起动发电机中励磁机的绕组结构、变换器设计与控制技术，属于电机控制领域。

背景技术

随着航空电源技术的不断发展，大型民用飞机供电体制正从现有的恒速恒频、变速恒速逐渐过渡至变频交流供电体制，变频交流电源系统通过无刷交流发电机直接给后级负载供电，可有效提高发电系统的容量和效率，并且可以直接采用恒频400Hz的电源系统中的配电元件、辅助电源、APU发电机和应急电源，能够兼容现有的恒频电源系统中的各型负载，因此变频电源系统正成为当近大型民机电源系统的首选。目前最先进的大型民机如空客公司的A380、波音公司的B787正是采用这种变频交流电源系统，国外已形成单台容量至250kVA的大功率变频交流电源系列产品。我国航空电源技术相比较国外存在非常大的差异，虽然国内飞机电源系统已从低压直流过渡到恒频交流电源，但是成熟货架产品数量少，容量也在60kVA以内，难以适用于大型民机电源系统的需求。因此在当前我国大力发展的大型民用客机的新形势下，新型航空变频交流电源系统将成为民机电源系统的重要的发展方向。

自上世纪50年代恒速恒频电源系统应用于飞机电气系统以来，航空交流发电机类型只有三级式同步电机与永磁电机两种，永磁电机由于应用于航空电源系统中存在固有的缺陷，故障之后需专门的脱扣机构动作，难以满足航空电源系统高可靠性的要求，因此，五十多年来，飞机交流电源系统中发电机均采用三级式无刷同步电机。目前最先进的大型民机变频交流电源系统中也是采用三级式无刷同步电机，只是在A380的变频电源系统中三级式同步电机只作为发电机用，而更先进的B787变频交流电源系统中，该三级式无刷同步电机实现了起动、发电双功能，实现了起动发电一体化运行。

三级式无刷同步电机中由于旋转整流器的存在，应用于变频交流电源系统中作为起动机用时，即运行在电动状态，需要从静止开始起动，但是此时励磁机转子处于静止状态，无法提供励磁电流，导致主发电机励磁困难而存在无法起动的问题。通常为实现三级式无刷同步电机起动运行功能，需要对励磁机定子励磁绕组通以单相交流电，无需改变励磁机的定转子绕组结构，使励磁机工作在类似变压器的形式，即利用变压器电势，在其转子电枢绕组中感应出电压，再经过旋转整流器，为主发电机励磁绕组提供励磁电流，以实现无刷励磁同步电机静止时的主发电机励磁功能。该单相交流励磁方式不需要改变励磁机定子绕组结构，直接对励磁机的励磁绕组进行交流励磁，但是在对直流励磁绕组通入单相交流电时，转子电枢绕组中感应的变压器电势是脉振形式，能量传输效率比较低，使得主发电机难以获得足够的励磁电流，导致起动运行时输出转矩受限。因此该单相交流励磁方式通常只适用于中小功率等级的三级式同步电机起动发电系统。当三级式无刷同步电机应用于大功率变频交流起动发电系统时，需要对励磁机的结构及其控制方式进行调整，通过改变励磁机的定子绕组结构，在其定子直流励磁绕组的基础上增加一套三相励磁绕组，或者用三相励磁绕组替代原结构的直流励磁绕组，对其通以三相交流电，在电机转子静止时，该励磁机等效成三相变压器，在转子侧感应出三相交流电，通过整流桥给主发电机提供励磁。

目前，国外各大航空电气公司，如汉胜(Hamilton Sundstrand)、霍尼韦尔(HoneywellInternational)、史密斯航空(Smiths Aerospace)、通用电气(GE)等均较早开展了三级式无刷同步电机起动发电一体化技术的研究，对单相、三相交流励磁方式及对应的励磁机绕组结构设计方面申请并保护了大量的专利。近年来随着变频电源供电体制在大型飞机电气系统的逐渐推广应用，针对三级式同步电机应用于变频电源起动发电系统及三相交流励磁控制又提出了多种设计方案。2010年Smiths Aerospace保护的美国专利US7687928B2，提出采用两套励磁绕组，一套三相励磁绕组应用于起动初期运行，一套直流励磁绕组应用于起动阶段的后期及发电调压阶段，将两套交、直流励磁绕组分别设置在励磁机中，通常情况下在交流励磁完成之后，交流励磁绕组不再被使用，极大地降低了励磁机绕组的利用率。该专利将交流励磁的三相变换器中的两个桥臂在励磁方式切换后，应用于直流励磁供电，虽然省去了独立的直流励磁变换器，但是仍然需要设置双刀双掷的四开关，对交、直流绕组进行切换，才能够实现交、直流励磁一体化功能。SmithsAerospace在2009年申请的美国专利US2009/0174188A1提出了一种采用单独的三相交流励磁绕组实现交、直流励磁功能，起动初期采用三相交流励磁，起动后期及发电阶段通过开关将三相绕组串联成单相，利用交流励磁的三相变换器实现直流励磁功能。该方案利用开关设置进行励磁绕组结构的改变，实现了交、直流励磁方式的切换，提高了励磁机绕组的利用率，并且该专利只需要一套变换器即可实现交、直流励磁功能。但是为实现励磁机三相交流绕组从星型连接到直流串联方式的切换，需要至少增加3个双向开关，其中两只开关在交流励磁阶段分别连接变换器第三桥臂及绕组的中性点，直流励磁阶段第三桥臂从励磁电路中切除，第三只开关将三相交流励磁绕组切换成直流绕组，利用两相桥臂实现直流励磁功能。

在采用三级式同步电机的变频交流起动发电系统中，三相交流励磁控制应用于起动初始阶段，当电机转速达到一定程度之后，采用直流励磁具有交流励磁相同效果后，即可切换至直流励磁方式。上述专利方案中采用切换开关将三相交流励磁绕组串联成直流绕组的过程中，由于切换开关的延时特性，将会对励磁机定子绕组的输出产生影响，使得主发电机励磁电流出现变化，影响输出转矩，导致起动出现问题。因此，在变频交流起动发电系统中，在对主发电机电枢电流进行控制的基础上，平稳实现励磁机的交、直流励磁控制，对顺利实现发动机的起动功能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的即在三级式同步电机三相交流励磁控制原理的基础上，将励磁机三相绕组的中性点打开，构成绕组开路型绕组结构，提出一种实现交、直流励磁功能的变换器结构及其控制方法，在三级式电机起动、发电全过程中，实现交、直流励磁一体化控制功能。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明涉及的变频交流起动发电系统，由三级式同步电机、励磁功率变换器、起动主功率变换器、起动发电控制器、起动电源及发电输出负载组成，其中三级式同步电机的励磁机定子设置三相励磁绕组，且该三相绕组不设置中性点，采用绕组开路型结构。为实现起动过程从静止到低速阶段的交流励磁功能以及起动高速阶段、发电调压阶段的直流励磁功能，本发明中的励磁功率变换器结构为两套三相桥式功率变换器分别设置与励磁绕组两端，由起动发电控制器的励磁控制模块，根据起动机的转速协调控制两套变换器实现交、直流励磁功能的一体化。

变频交流起动发电机交、直流励磁控制方法如下：

起动初始过程，从静止到低速阶段，针对两套变换器分别连接与三相绕组两侧的变换器结构，协调控制各变换器的输出矢量，选择合适的综合电压矢量，在三相绕组产生所需的三相交流励磁电压，使励磁机工作在额定输出状态，为主发电机起动运行提供足够的励磁电流。

当电机转速达到励磁切换点之后，根据转速反馈信号，切换两套励磁功率变换器的控制策略，从三相交流励磁方式切换至直流励磁，该切换过程无需通过外部开关改变励磁机绕组的结构，利用两套变换器的桥臂分别对每相绕组电流采用直接控制方式，即可将三相交流绕组等效成直流串联结构，实现直流励磁功能。

本发明的交、直流一体化励磁控制实现过程中无需增加外部额外的切换开关，通过控制器的软件对两套功率变换器的控制逻辑进行切换，实现交、直流励磁功能的一体化。所述的交、直流励磁切换过程，由于采用软件实现，功率器件的导通逻辑切换过程中没有延时时间，因此可以在切换过程中维持主发电机励磁恒定，保证起动输出转矩不受影响，满足发动机起动过程的转矩需求。

附图说明

图1三级式同步电机交、直流励磁控制变换器结构图；

图2三相桥式变换器的电压空间矢量图；

图3两套变换器的电压合成综合矢量图；

图4改进的电压合成综合矢量图；

图5交流励磁目标电压矢量的合成图；

图6等效的直流励磁结构图。

具体实施方式

三级式同步电机交、直流励磁控制变换器结构如图1所示。励磁机定子三相绕组两端分别连接一套三相功率变换器，两套变换器直流侧均连接励磁电源U_dc。起动初始阶段，从静止到低速阶段，两套功率变换器采用改进的SVPWM控制策略，为定子三相绕组提供交流电；中高速及发电运行阶段，通过对定子各相励磁绕组电流的直接控制，等效构成直流励磁绕组，实现弱磁升速及发电运行阶段的调压控制。

本发明中两套功率变换器分别可以采用SVPWM控制，每套功率变换器的电压矢量如图2所示。由于两套变换器可以独立控制，综合控制时，其电压矢量可以合成64个合成电压矢量，在变换器1的矢量基础上，分别以A、B、C、D、E、F作为变换器2的基准(O′)，叠加变换器2的矢量，构成电压合成综合矢量图，如图3所示。常规的单套功率变换器对星形连接的电机进行驱动供电时，电机的三相绕组电压平衡，其中每相绕组电压最大值为2U_dc/3，相应地其电压空间矢量图的长度也为2U_dc/3，而本发明中的励磁电机两端连接两套功率变换器，并且使用同一直流电源U_dc供电，在某些开关状态下，例如变换器1输出U₄，变换器2输出U₃′时，可以使电机A相绕组的电压达到U_dc，这种开关状态对应图3中的OG电压矢量，所以OG电压矢量的长度为U_dc，因此该电压矢量合成过程并非简单的将图2中的两套变换器各自矢量长度进行相加。

由于本方案中电机三相绕组不存在中性点，无法自动消除绕组中三的倍数次谐波，因此图3所示合成电压矢量中的OG、OI、OK、OM、OP和OR的作用将导致电机绕组中产生三次谐波。以合成电压矢量G为例，如图1所示，变换器1、2分别在U₄(100)、U₃′(011)作用下，电机各相绕组电压为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{A{A}^{\′}}=U_{\mathrm{dc}}\\ U_{{\mathrm{BB}}^{\′}}=-U_{\mathrm{dc}}\\ U_{{\mathrm{CC}}^{\′}}=-U_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

产生的三的倍数次谐波电压幅值为

$U_{3N}=\frac{U_{{\mathrm{AA}}^{\′}}+U_{{\mathrm{BB}}^{\′}}+U_{{\mathrm{CC}}^{\′\′}}}{3}=\frac{-U_{\mathrm{dc}}}{3}---\left(3\right)$

该三次谐波电压幅值不为零，使得施加在电机绕组上电压含有三次谐波，在起动过程交流励磁时，该三次电压谐波将削弱三相交流励磁的效果。因此本发明中在合成矢量中剔除了上述产生3的倍数次谐波的电压矢量，构成如图4所示系统综合电压矢量图，其内切圆即为最大合成电压矢量运行轨迹，幅值为3/4U_dc，相比较单独变换器的SVPWM控制方式，本方案中直流利用率可以提高29.9％。在对励磁机实现交流励磁功能时，该控制策略中可以有效地提高三相交流电的频率，提高的电压利用率可以抵消励磁机定子绕组阻抗的增大，使励磁机工作在饱和输出状态，提高交流励磁的能量传输效率。

因此在上述综合矢量控制技术的基础上，针对励磁机的特性采用开环调制策略，使其工作于交流励磁状态，根据励磁机饱和输出所需电压幅值，计算出双变换器输出电压综合矢量OT的幅值，如图5所示，当OT所需幅值小于

时，此时只需一套变换器工作，另外一套变换器工作于零矢量状态，即类似于单变换器供电，即可实现交流励磁功能；当参考电压矢量幅值大于

时，以第(1)扇区为例，计算OT与AH、BH的交点的夹角γ₁、γ₂。

(1)当参考矢量相角小于γ₁时，此时参考电压矢量在1号扇区中处于直线AH的下侧，即图中所示位置，此时变换器2输出合成矢量U₄′(即电压矢量OA)，变换器1等效输出OT′，其幅值、相位与AT相同，采用相似定律求得OT′的幅值及相角β，则接下来的控制方式类似于SVPWM调制过程；

(2)当参考矢量相角大于γ₁，并且小于γ₂时，此时参考电压矢量在1号扇区中处于直线BH和AH之间，此时变换器1输出U₄(即电压矢量OA)，由变换器2的U₆、U₂，即图中所示的O’H、O’B合成O’T，综合变换器1、2输出即获得所需的向量；

(3)当参考矢量相角大于γ₂时，此时参考电压矢量在1号扇区中处于直线BH的上侧，其控制方式类似于(1)，变换器2输出合成矢量U₆′(即电压矢量OB)，变换器1的输出与U₆′相叠加，合成所需的输出电压向量。

其他扇区的工作方式类似，根据每个扇区的确定区间划分，通过两套变换器通过协调控制，可以在整个周期范围内在励磁机定子绕组中合成所需幅值和频率的交流电压，完成交流励磁控制功能。

当起动机转速达到励磁切换点之后，本发明中无需增加外部的接触器，利用交流励磁的两套变换器的功率电路可以使每相交流励磁绕组均能够通过一个H桥臂进行双向电流的控制。因此在从交流励磁切换到直流励磁过程中，分别对每相绕组的电流进行直接控制，其中通过T₁、T₁′、T₄、T₄′构成H桥可以直接控制A相绕组电流，通过T₃、T₃′、T₆、T₆′构成H桥可以直接控制B相绕组电流，通过T₅、T₅′、T₂、T₂′构成H桥可以直接控制C相绕组电流。由于该三相绕组的电流均可以独立进行控制，因此只需控制A相绕组电流为直流I，B、C相绕组电流为-I，即可实现如图6所示的等效的直流励磁绕组连接方式，实现直流励磁控制功能。由于直流励磁只需实现单向的励磁功能，因此在该直流励磁控制方式中控制A相绕组的H桥臂中T₁、T₄′管、B相绕组的T₃′、T₆管、C相绕组的T₅′、T₂管驱动信号相同，即为直流励磁控制开关管，其他6管封锁其驱动信号，作为续流二极管，调节上述励磁控制开关管的占空比即可实现直流励磁电流的控制，无需增加外部任何硬件开关电路，通过软件即可实现励磁方式从交流到直流的切换功能。

Claims (2)

1.一种变频交流起动发电系统励磁结构，其特征在于由三级式同步电机励磁机定子设置三相励磁绕组，且该三相励磁绕组不设置中性点，采用绕组开路型结构，在绕组两端分别设置三相桥式变换器，构成励磁功率变换器结构；为实现起动过程从静止到低速阶段的交流励磁功能以及起动高速阶段、发电调压阶段的直流励磁功能，所述励磁功率变换器通过起动发电控制器的励磁模块控制，根据起动机的转速协调控制两套变换器实现交、直流励磁功能的一体化。

2.一种如权利要求1所述的变频交流起动发电系统的交、直流励磁控制方法，其特征在于所述方法如下：

起动初始过程，从静止到低速阶段，针对两套变换器分别连接与三相绕组两侧的变换器结构，协调控制各变换器的输出矢量，选择合适的综合电压矢量，在三相绕组产生所需的三相交流励磁电压，使励磁机工作在额定输出状态，为主发电机起动运行提供足够的励磁电流；

当电机转速达到励磁切换点之后，根据转速反馈信号，切换两套励磁功率变换器的控制策略，从三相交流励磁方式切换至直流励磁，该切换过程无需通过外部开关改变励磁机绕组的结构，利用两套变换器的桥臂分别对每相绕组电流采用直接控制方式，即可将三相交流绕组等效成直流串联结构，实现直流励磁功能。

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