一種混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種起動發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及一種混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002]航空發(fā)動機通常配有一臺專門的起動機來實現(xiàn)起動，常用的起動機有電起動機、燃氣禍輪起動機及空氣禍輪起動機，當發(fā)動機起動完成后帶動另一臺專丨I的發(fā)電機來實現(xiàn)發(fā)電。這樣一套電源系統(tǒng)中包括起動機和發(fā)電機，而起動機只在起動過程中發(fā)揮作用。起動發(fā)電技術針對電起動技術而言，由一臺電機在起動過程中工作在電動狀態(tài)來實現(xiàn)發(fā)動機的起動，并且在發(fā)動機成功起動后工作在發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)了起動和發(fā)電雙功能，有效降低系統(tǒng)重量，增加系統(tǒng)的可靠性。
[0003]目前用作起動發(fā)電機的主要有有刷直流電機、異步電機、開關磁阻電機、永磁電機以及電勵磁無刷同步電機。其中有刷直流電機因電刷的存在可靠性低，電機功率低且需經(jīng)常維護；異步電機在發(fā)電過程中需要調(diào)節(jié)無功功率的均衡，發(fā)電控制復雜；開關磁阻電機與雙凸極電機由于電勢波形正弦度不高一般只用于直流發(fā)電；永磁電機難以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，并且故障滅磁困難；電勵磁無刷同步電機結構復雜，運行過程中勵磁控制繁瑣，同時旋轉整流器的存在也使得電機可靠性下降。
[0004]現(xiàn)有的飛機交流發(fā)電系統(tǒng)包括恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)及變頻交流發(fā)電系統(tǒng)。在恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)中:恒速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)技術成熟，但所采用的恒速傳動裝置其不可逆性決定了恒速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)無法實現(xiàn)起動發(fā)電一體化；變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)移除了恒速傳動裝置，發(fā)動機直接驅(qū)動主發(fā)電機，采用功率變換器將變頻交流電轉換成恒頻交流電，可實現(xiàn)起動發(fā)電一體化，但這種發(fā)電系統(tǒng)過載和短路能力不理想。變頻交流發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)動機直接驅(qū)動主發(fā)電機，所輸出的變頻交流電直接輸送到交流母線上?，F(xiàn)有的飛機變頻交流發(fā)電系統(tǒng)均采用電勵磁無刷交流電機，如波音787及空中客車A380，并且波音787中的交流發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了起動發(fā)電一體化。
[0005]專利US4743777公布了一種電勵磁無刷交流電機勵磁控制方法，在電機勵磁機定子部分額外增加了一套交流勵磁繞組，起動過程中交流勵磁繞組工作，發(fā)電過程中直流勵磁繞組工作，通常情況下，交流勵磁繞組在起動階段結束后不再工作，降低了勵磁繞組的利用率，同時也使得電機結構變得復雜。專利CN102420560A公布了一種變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)勵磁結構及交、直流勵磁控制方法，將電勵磁無刷交流電機勵磁機定子三相繞組設置為開路型結構，并在繞組兩端各設置一組三相橋式功率變換器，起動過程通過協(xié)調(diào)控制兩組功率變換器在三相繞組中產(chǎn)生交流勵磁電壓；發(fā)電階段切換功率變換器的控制策略從三相交流勵磁切換至直流勵磁。該方案通過設置兩組功率變換器提高了勵磁繞組利用率，但兩組功率變換器使得勵磁控制過程較為繁瑣同時增加了系統(tǒng)結構的復雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]所要解決的技術問題:
[0007]本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術問題提供一種新型無刷化、勵磁控制方便的混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
[0008]技術方案:
[0009]為了實現(xiàn)以上功能，本發(fā)明提供了一種混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:包括混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機、轉換開關、起動開關及起動發(fā)電控制器；以及用于檢測勵磁電流的第一電流傳感器，用于檢測電樞電流的第二、三電流傳感器，用于檢測電樞電壓的三個電壓傳感器和用于檢測混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機的轉子位置的位置傳感器；
[0010]所述混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機由發(fā)動機直接驅(qū)動；所述混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機的轉子位置、三相電壓、電樞電流及勵磁電流信號由位置傳感器及電壓電流傳感器采樣后輸入至起動發(fā)電控制器；
[0011]所述勵磁機的輸出端以及混合勵磁電機的勵磁繞組的兩端共同連接到起動發(fā)電控制器上；所述混合勵磁電機的電樞繞組經(jīng)轉換開關分別與交流負載及起動發(fā)電控制器相連，轉換開關包括3組觸點，混合勵磁電機每相繞組對應3個觸點，轉換開關初始擲于連接起動發(fā)電控制器的一組觸點。
[0012]進一步的，所述混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機由勵磁機與混合勵磁電機共同構成，勵磁機的輸出端以及混合勵磁電機的勵磁繞組的兩端共同連接到起動發(fā)電控制器上；或者所述混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機為混合勵磁電機，混合勵磁電機的勵磁繞組的兩端以及電樞繞組的輸出端連接到起動發(fā)電控制器上。
[0013]更加具體的，所述的起動發(fā)電控制器包括:采樣調(diào)理電路、位置轉速調(diào)理電路、兩路驅(qū)動放大隔離電路、勵磁繼電器、整流濾波器、勵磁功率電路、三相全橋逆變器、防反二極管、母線電容、內(nèi)部輔助電源及數(shù)字信號處理器；
[0014]其中，內(nèi)部輔助電源的輸入由外部控制器電源與防反二極管串聯(lián)后提供，其輸出與起動發(fā)電控制器內(nèi)的其他用電部件包括:采樣調(diào)理電路、位置轉速調(diào)理電路、驅(qū)動放大隔離電路及數(shù)字信號處理器相連，內(nèi)部輔助電源的輸入端還與整流濾波器的輸出端相連，整流濾波器的輸入由勵磁機的輸出經(jīng)一勵磁繼電器后提供；
[0015]所述起動電源并聯(lián)一母線電容后連接到三相全橋逆變器輸入端，在其正極上連接一外部起動開關；
[0016]數(shù)字信號處理器，其輸入端分別與采樣調(diào)理電路、位置轉速調(diào)理電路相連，其輸出端分別與勵磁繼電器、勵磁功率電路及三相全橋逆變器的控制端信號連接，其輸出還與外部起動開關和轉換開關的控制端信號連接。
[0017]一種混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)控制方法，其特征在于:
[0018]所述起動發(fā)電系統(tǒng)在起動過程中采用基于逆變器電壓補償?shù)氖噶靠刂品椒ú⒏鶕?jù)電機電樞電流、實時轉速調(diào)節(jié)勵磁電流；當系統(tǒng)進入起動階段時，勵磁電流首先由控制器電源提供，勵磁電流的控制由起動發(fā)電控制器根據(jù)位置傳感器檢測混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機的實時轉速，在達到第一轉速閾值之前，數(shù)字信號處理器輸出勵磁功率的驅(qū)動信號使所施加的勵磁電流保持于預設的完全起動勵磁電流給定值，混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機輸出恒定轉矩；在達到第一轉速閾值之后，接通勵磁繼電器，并且根據(jù)電機電樞電流、實時轉速調(diào)節(jié)勵磁電流，直到轉速達到第二閾值；電樞電流的控制采用直軸電流id= O矢量控制方法，數(shù)字信號處理器根據(jù)電壓調(diào)節(jié)量及三相全橋逆變器所需的電壓補償生成三相全橋逆變器的控制端信號。
[0019]進一步的，當檢測到混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機的實時轉速達到第二閾值后，數(shù)字信號處理器關斷三相全橋逆變器與勵磁功率電路的驅(qū)動信號，同時輸出外部起動開關與轉換開關的控制信號，斷開起動開關并將轉換開關擲于空觸點組；當電機轉速達到第三閾值時，起動發(fā)電控制器調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在基準值，此后數(shù)字信號處理器輸出控制信號使外部轉換開關擲于交流負載觸點組，完成起動向發(fā)電的轉換。
[0020]進一步的，所述起動發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電運行狀態(tài)采用基于輸出電壓頻率變化的分段PI控制方法，并加入負載電流補償環(huán)；該方法基本環(huán)為電壓外環(huán)、勵磁電流內(nèi)環(huán)，通過檢測負載電流的大小，為勵磁電流環(huán)的調(diào)節(jié)增加一個前饋補償；通過檢測輸出電壓頻率，通過檢測輸出電壓頻率，將頻率分為低頻、中頻與高頻三個區(qū)間，由數(shù)字信號處理器判斷輸出電壓頻率所處區(qū)間，然后選取相應的PI參數(shù)。有益效果:
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)的顯著優(yōu)點在于:
[0022]1、采用新型混合勵磁電機替代一般電勵磁無刷交流電機，實現(xiàn)無刷結構的同時移除旋轉整流器，結構簡單可靠，更易于實現(xiàn)起動發(fā)電一體化。
[0023]2、進一步的可將勵磁機移除，電機改用自勵方式為發(fā)電調(diào)壓過程提供勵磁。
[0024]3、起動過程中，采用基于逆變器電壓補償?shù)氖噶靠刂品椒?，并根?jù)電機運行狀態(tài)控制勵磁電流，能夠有效減小轉矩脈動、增加起動轉矩，進而縮短起動時間。
[0025]4、發(fā)電過程，采用基于輸出電壓頻率變化的分段PI控制方法，并加入負載電流補償環(huán)，有效的提高了系統(tǒng)輸出電壓調(diào)節(jié)的動態(tài)性能。
[0026]若系統(tǒng)發(fā)生故障，數(shù)字信號處理器輸出信號控制混合勵磁變頻交流起動發(fā)電機勵磁繞組中通入負向勵磁，可實現(xiàn)電機滅磁，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明:
[0028]圖1為實施例1混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)結構原理圖；
[0029]圖2為實施例2混合勵磁變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)結構原理圖；
[0030]圖3為三相全橋逆變器結構拓撲；
[0031]圖4為整流濾波器與勵磁功率電路拓撲；
[0032]圖5為起