CN113162496A - 航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构及控制方法，励磁机和主电机同轴安装，旋转整流器输入接励磁机转子绕组、输出接主电机转子绕组；励磁机控制功率电路输出接励磁机定子绕组，主电机控制功率电路输出接主电机定子绕组；切换开关输入侧KG接起动/发电控制器直流母线，输出侧有G1和G2两个触点，G1触点与机载电力系统汇流条相连接，G2触点与外部供电电源相连接。直接减掉了副励磁机、发电控制单元、发电整流电路，提升了功率密度；缩短了电机本体轴向长度，减小了系统复杂度，增加的主电机输出可控整流通道具有稳压功能和高动态响应特性，使得系统发电稳压控制多了一个控制余度，可提升系统发电动态响应。
Description
技术领域
本发明属于电机系统领域，涉及一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构及控制方法。
背景技术
随着机载用电设备容量的不断提升和类型的不断增加，多电/全电飞机对高功率密度、高可靠性、高品质的飞机供电系统的需求越来越高。高压直流电源系统易于并联从而实现不间断供电、仅使用两根汇流条可减轻馈线重量等特点，使其在供电品质、可靠性、重量等方面具有明显的优势，成为多电/全电飞机电源系统的重要发展方向。作为航空发动机、尤其是多电发动机的关键部件，航空起动发电一体化电机系统集发动机起动和飞机供电功能于一体，省去了传统发动机起动所用的专用起动装置，减小了系统体积重量、提高了集成度，是航空发动机-电源系统的重要发展趋势。三级式起动发电系统凭借其优异的可靠性，成为航空起动发电一体化研究及应用的重点。作为目前多电大飞机的代表，美国波音787飞机主发动机率先实现了三级式起动发电系统的装机应用。
现有用于航空高压直流电源系统的三级式起动发电系统包括副励磁机、励磁机、旋转整流器、主电机、起动控制器、发电控制单元和发电整流电路以及起动发电状态切换器。其中，副励磁机、励磁机和主电机同轴连接，构成三级式电机结构。励磁机通过安装在转子侧的旋转整流器为主电机提供直流励磁电流，实现主电机的无刷化以及励磁电流可调。在三级式起动发电系统起动阶段，由起动控制器向励磁机提供交流励磁，并控制主电机运行在电动状态输出转矩带动航空发动机起动。发动机达到发电转速后，由副励磁机通过发电控制单元向励磁机提供直流励磁，主电机运行在发电状态，经三相不控整流电路输出直流电给机载负载，并通过励磁机的闭环励磁调节实现主电机稳压输出。
三级式起动发电系统结构特点带来的高可靠性优势使其具有航空应用的巨大潜力，但也存在以下问题：1)系统三级式结构复杂，并且起动控制器仅用于系统起动阶段，副励磁机、发电控制单元和发电整流电路仅用于系统发电阶段，系统功率密度较低；2)主电机输出稳压调节需经过励磁机、旋转整流器以及主电机，其调节回路长，导致系统在负载突变时发电动态响应性能较差。
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，本发明提出一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构及控制方法。传统用于航空高压直流电源系统的三级式起动发电系统较为复杂的结构拓扑以及仅通过励磁机励磁调节实现稳压输出的特征使得该系统功率密度和发电动态响应性能较差。为了提升起动发电系统的功率密度和发电动态响应，需要对传统三级式起动发电系统的结构拓扑及控制策略进行重新设计，使其能够较好地满足航空应用中高功率密度和发电高动态响应的需求。
技术方案
一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构，包括起动发电机、起动发电控制器和切换开关；其特征在于：起动发电机的励磁机和主电机同轴安装，旋转整流器输入接励磁机转子绕组、输出接主电机转子绕组；起动发电控制器的励磁机控制功率电路输出接励磁机定子绕组，主电机控制功率电路输出接主电机定子绕组；切换开关输入侧KG接起动/发电控制器直流母线，输出侧有G1和G2两个触点，G1触点与机载电力系统汇流条相连接，G2触点与外部供电电源相连接。
所述切换开关包括：继电器、接触器或电力电子开关器件。
所述励磁机包括：单相励磁机、两相励磁机或三相励磁机。
一种采用所述航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、起动阶段：切换开关拨动至G2触点，使得外部供电电源与起动发电控制器的直流母线连接，起动发电控制器一方面通过励磁机控制功率电路输出交流电或直流电为励磁机提供励磁，另一方面根据电机转速和转子位置通过主电机控制功率电路为主电机输入变频交流电，使得主电机产生电磁转矩带动航空发动机起动；
步骤2：航空发动机达到起动完成转速后，切换开关由G2触点拨动至悬空状态，即起动发电控制器直流母线断开与外部供电电源连接；起动发电系统由航空发动机带动加速至系统发电阶段，此期间通过励磁机的励磁电压调节控制使得起动发电控制器直流母线电压保持在航空机载电源额定电压值；
步骤3：航空发动机达到发电运行转速后，切换开关由悬空状态拨动至G1触点，使得起动发电控制器的直流母线与机载电力系统汇流条相连接，起动发电系统进入发电状态；在系统发电状态，通过励磁机的励磁电压调节和主电机控制功率电路的可控整流控制使得起动发电控制器输出给机载电力系统汇流条的电压保持在航空机载电源额定电压值。
有益效果
本发明提出的一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构及控制方法，航空两级式高压直流起动发电系统去掉了传统三级式高压直流起动发电系统中的副励磁机、发电控制单元及发电整流电路，在保持高可靠性优势的基础上，带来的优势体现在：1)直接减掉了副励磁机、发电控制单元、发电整流电路以及相应的安装固定用结构件的重量，提升了功率密度；2)缩短了电机本体轴向长度，同时由原来起动控制器和发电控制器分离状态变成了一体式的起动/发电控制器，提升了系统集成度，且更易安装；3)由三个电机同轴串联安装简化为两个电机同轴串联安装，减小了系统复杂度，同时去掉了副励磁机，使系统中不再有相对脆弱且易出故障的永磁体，提升了可靠性；
4)增加的主电机输出可控整流通道具有稳压功能和高动态响应特性，使得系统发电稳压控制多了一个控制余度，可提升系统发电动态响应。
附图说明
图1为航空两级式高压直流起动发电系统拓扑结构示意图；
图2为基于单相励磁机的两级式高压直流起动发电系统结构示意图；
图3为两级式高压直流起动发电系统控制流程示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
航空两级式高压直流起动发电系统拓扑结构示意图如图1所示。该系统由起动/发电机、起动/发电控制器和切换开关组成，其中起动/发电机包括励磁机、旋转整流器和主电机，励磁机和主电机同轴安装，旋转整流器输入接励磁机转子绕组、输出接主电机转子绕组；起动/发电控制器包括共直流母线的励磁机控制功率电路和主电机控制功率电路，励磁机控制功率电路输出接励磁机定子绕组，主电机控制功率电路输出接主电机定子绕组；切换开关输入侧KG接起动/发电控制器直流母线，输出侧有G1和G2两个触点，G1触点与机载电力系统汇流条相连接，G2触点与外部供电电源相连接。励磁机、旋转整流器、主电机的结构功能与传统三级式无刷同步起动发电系统中的相同，不作为本专利的发明内容。
选择基于单相励磁机的两级式高压直流起动发电系统作为实施例进行详细说明，其结构示意图如图2所示。该系统由起动/发电机、起动/发电控制器和切换开关组成。起动/发电机包括励磁机、旋转整流器和主电机，主电机为电励磁同步电机，转子绕组为单相励磁绕组，定子绕组为三相电枢绕组；旋转整流器为二极管整流器；励磁机为转枢式发电机，转子绕组为三相电枢绕组，定子绕组为单相励磁绕组。励磁机和主电机的转子同轴安装，且旋转整流器也安装在转轴上。励磁机转子三相绕组与旋转整流器输入侧连接，主电机转子绕组与旋转整流器输出侧连接。
起动/发电控制器包括励磁机控制功率电路和主电机控制功率电路，且这两个功率电路共直流母线。励磁机控制功率电路为由IGBT功率器件组成的H桥功率电路，主电机控制功率电路为由IGBT功率器件组成的3相全桥功率电路；励磁机控制功率电路输出接励磁机定子绕组，主电机控制功率电路输出接主电机3相定子绕组。
切换开关为单刀双掷开关，输入侧KG接起动控制器直流母线，输出侧有G1和G2两个触点，G1触点与机载电力系统汇流条相连接，G2触点与外部供电电源相连接。
针对图2所示的基于单相励磁机的两级式高压直流起动发电系统，采用的控制策略流程示意图如图3所示，具体为：
(1)系统起动阶段，切换开关拨动至G2触点，使得外部270V直流供电电源与起动/发电控制器的直流母线连接。起动/发电控制器一方面通过励磁机控制功率电路输出210V/200Hz的单相交流电为励磁机定子单相绕组提供交流励磁，另一方面通过主电机控制功率电路采用矢量控制策略为主电机输入变频交流电，使得主电机产生电磁转矩带动航空发动机起动。
(2)起动发电系统带到航空发动机加速至4000r/min后，航空发动机起动完成，切换开关由G2触点拨动至悬空状态，即起动/发电控制器直流母线断开与外部供电电源连接。起动发电系统由航空发动机带动加速至系统发电阶段，在此期间实时测量起动/发电控制器直流母线电压，并采用PI控制策略调节励磁机励磁电压使得起动/发电控制器直流母线电压保持在航空机载直流电源额定电压值270V。
(3)航空发动机带动起动发电系统加速至8000r/min时，起动发电系统进入发电阶段。切换开关由悬空状态拨动至G1触点，使得起动/发电控制器的直流母线与机载电力系统汇流条相连接。在系统发电状态，通过励磁机的励磁电压调节和主电机控制功率电路的PWM可控整流控制使得起动/发电控制器输出给机载电力系统汇流条的电压保持在航空机载直流电源额定电压值270V。
Claims (4)
1.一种航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构，包括起动发电机、起动发电控制器和切换开关；其特征在于：起动发电机的励磁机和主电机同轴安装，旋转整流器输入接励磁机转子绕组、输出接主电机转子绕组；起动发电控制器的励磁机控制功率电路输出接励磁机定子绕组，主电机控制功率电路输出接主电机定子绕组；切换开关输入侧KG接起动/发电控制器直流母线，输出侧有G1和G2两个触点，G1触点与机载电力系统汇流条相连接，G2触点与外部供电电源相连接。
2.根据权利要求1所述航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于：所述切换开关包括：继电器、接触器或电力电子开关器件。
3.根据权利要求1所述航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构，其特征在于：所述励磁机包括：单相励磁机、两相励磁机或三相励磁机。
4.一种采用权利要求1～3任一项所述航空两级式高压直流起动发电系统的拓扑结构的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、起动阶段：切换开关拨动至G2触点，使得外部供电电源与起动发电控制器的直流母线连接，起动发电控制器一方面通过励磁机控制功率电路输出交流电或直流电为励磁机提供励磁，另一方面根据电机转速和转子位置通过主电机控制功率电路为主电机输入变频交流电，使得主电机产生电磁转矩带动航空发动机起动；
步骤2：航空发动机达到起动完成转速后，切换开关由G2触点拨动至悬空状态，即起动发电控制器直流母线断开与外部供电电源连接；起动发电系统由航空发动机带动加速至系统发电阶段，此期间通过励磁机的励磁电压调节控制使得起动发电控制器直流母线电压保持在航空机载电源额定电压值；
步骤3：航空发动机达到发电运行转速后，切换开关由悬空状态拨动至G1触点，使得起动发电控制器的直流母线与机载电力系统汇流条相连接，起动发电系统进入发电状态；在系统发电状态，通过励磁机的励磁电压调节和主电机控制功率电路的可控整流控制使得起动发电控制器输出给机载电力系统汇流条的电压保持在航空机载电源额定电压值。
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