CN110912464A - 具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器及其构成的起动/电能质量控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器及其构成的起动/电能质量控制系统，当控制器工作于起动模式时，飞机向控制器提供直流电源，控制器将直流电源逆变成三相变频交流电，输出给三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动；起动结束，控制器工作于有源滤波模式，控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
Description
技术领域
本发明涉及航空电源技术领域，具体为一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器及其构成的起动/电能质量控制系统。
背景技术
目前，在航空动力系统中，发动机交流起动系统已逐步替代发动机直流起动系统。交流起动控制器起动完成后，该控制器一般闲置，或作为其他容量较小的作动设备电机用控制器，不能充分利用发动机起动控制器的容量。
另一方面，随着“多电飞机”、“全电飞机”的发展，机载电子设备越来越多，谐波、无功、不平衡等分量污染飞机交流电网，影响了飞机供电品质，降低了用电设备的性能和设备的使用寿命，严重时甚至危及供电系统安全性，造成飞行事故。对于飞机电网谐波污染，现有飞机多通过LC无源滤波、多脉冲整流方案和在AC/DC电源前级加装功率因数矫正装置(Power Factor Correction,PFC)以达到谐波抑制的目的，但是这些方法都存在各自不足。无源滤波器重量大，优化设计比较难，且随着航空变频交流系统的不断发展，该技术的应用将受到较大限制；多脉冲整流技术中变压器体积重量大，要达到较好的滤波效果时需要并联的移相变压器个数也在不断提高；PFC仅针对单一用电装置进行功率矫正。
发明内容
有源电力滤波器(Active Power Filters，APF)可以精准的对电网谐波电流、无功功率和不平衡电流等进行补偿，对电网电能质量实现控制，因为其直接补偿谐波电流，相同飞机电网容量下，所串入的滤波电感相对较小，可以减轻飞机重量。
而交流起动控制器与APF本质上都是一个电压源型三相逆变器，如果能够结合在飞机上的工作状态，共用交流起动控制器与APF的功率电路和控制电路，则可以在复杂用电设备条件下，提高飞机的交流电网供电品质，减轻电源重量。
基于上述思路，本发明提出一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器及其构成的起动/电能质量控制系统，这里我们将起动控制器称之为多功能控制器，在起动过程中，多功能控制器工作于起动模式，带动三级式同步电机转动，为发动机起动提供动力，当起动完成转入发电模式后，通过线路切换，将控制器输出接入飞机交流母排，多功能控制器工作于APF模式，对飞机交流母排进行综合的谐波、无功和不平衡补偿。
本发明的技术方案为：
所述一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器，其特征在于：
当所述控制器工作于起动模式时，飞机向控制器提供直流电源，控制器将直流电源逆变成三相变频交流电，输出给机载航空电源系统中的三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动；
当起动结束后，断开起动电源，三级式同步电机工作于发电模式，发出三相交流电，所述控制器工作于有源滤波模式，控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；所述控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
进一步的优选方案，所述一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器，其特征在于：包括三相逆变功率电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
在起动模式下，控制器采样电路监测输入的直流母线电压、逆变输出的三相电流及三级式同步电机转速信号，并在控制电路中根据矢量控制方法，得到驱动控制信号，通过驱动电路驱动三相逆变功率电路，输出三相变频交流电，从而实现起动及故障检测保护功能；
起动结束后，控制器采样电路监测三级式同步电机输出的三相交流电电压、三相负载电流、直流母线电压，并在控制电路计算出有源滤波基准电流，将基准电流与有源滤波补偿电流的反馈信号经过滞环电流控制得到PWM驱动信号，PWM驱动信号经过驱动电路对三相逆变功率电路中的开关管进行控制，实现谐波电流补偿，改善电网电能质量。
具有上述控制器的起动/电能质量控制系统，其特征在于：包括控制器、飞机发动机、三级式同步电机、用电负载；
飞机上的直流电源与所述控制器之间有外电源接触器EPC，控制器与三级式同步电机之间有起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，三级式同步电机与用电负载之间有发电接触器GC，控制器与用电负载之间有有源滤波接触器APFC；
当所述控制器工作于起动模式时，外电源接触器EPC、起动励磁接触器SEC和起动接触器SC接通，飞机向控制器提供直流电源，控制器将直流电源逆变成三相变频交流电，输出给三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动；
起动结束后，断开起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，接通发电接触器GC和有源滤波接触器APFC，三级式同步电机工作于发电模式，发出三相交流电，控制器工作于有源滤波模式，控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
有益效果
本发明实现起动/飞机电网电能质量控制一体化设计，系统不仅能完成航空发动机起动功能，当多功能控制器工作于有源滤波模式时，其构成的系统可以实现飞机电网谐波、无功和不平衡分量的集中精准补偿，减轻整个飞机电源质量。
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.应用具有APF功能和航空发动机起动功能的多功能控制器的起动/电能质量控制系统框图；
图2.起动状态、APF状态电气原理图；(图2中未标明起动过程中的励磁电路，该部分可采用两相励磁或三相励磁方案)。
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。
本实施例以115V/400Hz交流电源为例，附图1描述了应用具有APF功能和航空发动机起动功能的多功能控制器的起动/电能质量控制系统框图，包括多功能控制器、飞机发动机、三级式同步电机、用电负载。
飞机上的直流电源与多功能控制器之间有外电源接触器EPC，多功能控制器与三级式同步电机之间有起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，三级式同步电机与用电负载之间有发电接触器GC，多功能控制器与用电负载之间有有源滤波接触器APFC。
接触器状态如表1所示：
表1起动与有源滤波模式下各接触器状态
当多功能控制器工作于起动模式时，外电源接触器EPC、起动励磁接触器SEC和起动接触器SC接通，飞机向多功能控制器提供270V直流电源，多功能控制器将270VDC逆变成三相变频交流电，输出给三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动。三级式同步电机静止状态下，其中的励磁机励磁绕组中通入的交流电在励磁机气隙中形成旋转磁场，励磁机转子电枢绕组切割该旋转磁场产生感应电流，该感应电流经旋转整流器，将其整流后为主发电机励磁供电。主发电机定子绕组通过响应的矢量控制策略，调整电枢电流，从而控制电机转速，实现航空发动机起动功能。
当起动结束后，断开起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，接通发电接触器GC和有源滤波接触器APFC，三级式同步电机工作于发电模式，发出三相交流电，多功能控制器切换工作模式为有源滤波模式，多功能控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；多功能控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
图2描述了起动状态(图中未标明励磁控制部分)、APF状态电气原理图，主要包括三相逆变功率电路、采样电路、控制电路和驱动电路。起动与有源滤波模式下能量均为单相流动，都是从直流侧到交流侧，两种模式共用主功率部分，驱动电路和控制电路；但两个模式下电压监测点、电流监测点、控制算法、电机工作状态等不相同。
在起动模式下，多功能控制器采样电路监测输入的直流母线电压、逆变输出的三相电流及三级式同步电机转速信号，并在控制电路中根据矢量控制方法，得到驱动控制信号，通过驱动电路驱动三相逆变功率电路，输出三相变频交流电，从而实现起动及故障检测保护功能。
起动结束后，断开起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，接通发电接触器GC和有源滤波接触器APFC，三级式同步电机工作于发电模式，发出115V/400Hz三相交流电，多功能控制器切换工作模式为有源滤波模式。控制器采样电路监测三级式同步电机输出的三相交流电电压、三相负载电流、直流母线电压，并在控制电路计算出有源滤波基准电流，将基准电流与有源滤波补偿电流的反馈信号经过滞环电流控制得到PWM驱动信号，PWM驱动信号经过驱动电路对三相逆变功率电路中的6个开关管进行控制，实现谐波电流补偿，改善电网电能质量。
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 (3)
1.一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器，其特征在于：
当所述控制器工作于起动模式时，飞机向控制器提供直流电源，控制器将直流电源逆变成三相变频交流电，输出给机载航空电源系统中的三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动；
当起动结束后，断开起动电源，三级式同步电机工作于发电模式，发出三相交流电，所述控制器工作于有源滤波模式，控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；所述控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
2.根据权利要求1所述一种具有有源滤波功能的航空发动机起动控制器，其特征在于：包括三相逆变功率电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
在起动模式下，控制器采样电路监测输入的直流母线电压、逆变输出的三相电流及三级式同步电机转速信号，并在控制电路中根据矢量控制方法，得到驱动控制信号，通过驱动电路驱动三相逆变功率电路，输出三相变频交流电，从而实现起动及故障检测保护功能；
起动结束后，控制器采样电路监测三级式同步电机输出的三相交流电电压、三相负载电流、直流母线电压，并在控制电路计算出有源滤波基准电流，将基准电流与有源滤波补偿电流的反馈信号经过滞环电流控制得到PWM驱动信号，PWM驱动信号经过驱动电路对三相逆变功率电路中的开关管进行控制，实现谐波电流补偿，改善电网电能质量。
3.具有权利要求1所述控制器的起动/电能质量控制系统，其特征在于：包括控制器、飞机发动机、三级式同步电机、用电负载；
飞机上的直流电源与所述控制器之间有外电源接触器EPC，控制器与三级式同步电机之间有起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，三级式同步电机与用电负载之间有发电接触器GC，控制器与用电负载之间有有源滤波接触器APFC；
当所述控制器工作于起动模式时，外电源接触器EPC、起动励磁接触器SEC和起动接触器SC接通，飞机向控制器提供直流电源，控制器将直流电源逆变成三相变频交流电，输出给三级式同步电机的主发电机定子绕组上，三级式同步电机带动飞机发动机完成起动；
起动结束后，断开起动励磁接触器SEC和起动接触器SC，接通发电接触器GC和有源滤波接触器APFC，三级式同步电机工作于发电模式，发出三相交流电，控制器工作于有源滤波模式，控制器输出经过滤波电感接入机上交流汇流母排；控制器通过检测机上电网电压和电流，计算得到谐波分量，并产生与谐波大小相同方向相反的补偿电流，从而达到谐波抑制的目的，实现对飞机电网谐波、无功和不平衡的综合集中补偿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200324 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |