CN102497038A

CN102497038A - 多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置

Info

Publication number: CN102497038A
Application number: CN2011103828706A
Authority: CN
Inventors: 赵徐成; 韩固勇; 冯仁斌; 雷金国; 朱琳; 王保成; 蒋超
Original assignee: XUHOU AIR FORCE COLLEGE OF PLA
Current assignee: XUHOU AIR FORCE COLLEGE OF PLA
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，涉及航空用发电机。采用三相12/8极单绕组双凸极发电机，在定子槽上共绕A、B、C三相四套电枢绕组,al1,bl1,cl1和al2,bl2,cl2为两套低压三相绕组；ah1,bh1,ch1和ah2,bh2,ch2为两套高压三相绕组，其中al1、al2、ah1和ah2,bl1、bl2、bh1和bh2,cl1、cl2、ch1和ch2分别同槽放置，各套绕组分别与自己的功率变换装置构成独立的发电通道；实现28.5V、28.5V/57V、0-70V、115V/200V，400HZ中频交流和270V高压直流电源的输出。

Description

多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置

技术领域

本发明涉及航空地面保障技术领域，具体是一种多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，用于飞机和飞行器地面电启动和地面通电检查保障电源。

背景技术

电励磁双凸极发电机是在永磁双凸极电机基础上，用励磁绕组代替了原电机的永磁体作为励磁机构。电机的结构和制造工艺都非常简单，可靠性高，成本低，特别适用于高速运行。该电机作为电动机时，具有直流电机的运行效率高、调速性能好、可方便实现四象限运行等优点；作为发电机运行时，不需要位置传感器，通过调节励磁电流的大小来控制输出电压。双凸极电机的这些优点使其具有良好的应用前景。目前航空地面电源采用的是有刷交、直流发电机，造成的航空地面电源容量小、体积大、功能单一和易损坏、成本高等。多绕组双凸极发电机输出变换与控制装置是在单绕组电励磁双凸极发电机中应用多绕组技术实现多功能航空地面电源。通过此多绕组无刷发电机技术研究，在单台发电机和变换器组合上实现28.5V、28.5V/57V、0-70V、270V高压直流电源、115V/200V，400Hz三相中频和220V/380V,50Hz三相工频交流电源集成为一体多功能航空地面电源。通过研究无刷技术，可以提高发电机输出容量、可靠性和减小体积，满足飞机发展对电源容量要求，特别是未来四代机对电源需求大的要求，同时提高伴随保障的能力；研究多绕组技术，不仅可满足我军现役所有飞机和四代机对航空地面电源的多功能要求，也可提高航空地面电源的容错性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，满足当前飞机地面启动电源和飞机地面检查所需的大功率交、直流电源需求，能够实现28.5V、28.5V/57V、0-70V、270V高压直流电源、115V/200V，400HZ中频交流电源和220V/380V,50Hz三相工频交流电源的多功能航空地面电源。

本发明是以如下技术方案实现的：多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，采用三相12/8极单绕组双凸极发电机，在定子槽上共绕A、 B、C三相四套电枢绕组, al1, bl1, cl1和al2, bl2, cl2为两套低压三相绕组；ah1, bh1, ch1和ah2, bh2, ch2为两套高压三相绕组，其中al1、al2、ah1和ah2, bl1、bl2、bh1和bh2, cl1、cl2、ch1和 ch2分别同槽放置，各套绕组分别与自己的功率变换装置构成独立的发电通道；所述的功率变换装置包括与al1, bl1, cl1和al2, bl2, cl2两套低压三相绕组连接的低压变换器，通过两套低压绕组与两组低压变换器连接后输出产生两路独立28.5V/800A直流电源，通过两套低压绕组与两组低压变换器连接后串联输出57V直流电源或0～70V变化的直流电源；与ah1, bh1, ch1和ah2, bh2, ch2两套高压三相绕组连接的高压变换器，通过两套高压绕组和两组高压变换器并联实现输出360V高压直流电源或270V高压直流电源或通过两套高压绕组和两组高压变换器串联实现输出720V高压直流电源；低压变换器和高压变换器输出分别连接DSP调压器***。

本发明的有益效果是：提高发电机输出容量和可靠性，减小体积，满足飞机发展对电源容量要求，特别是未来四代机对电源需求大的要求，同时提高联合作战、非战争军事行动、多机种和伴随保障的能力；满足我军现役所有飞机和四代机对航空地面电源的多功能要求，也可提高航空地面电源的容错性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是双凸极发电机结构图；

图2是双凸极无刷直流电机磁场分布图；

图3 低压绕组共阴整流电路；

图4 低压绕组共阳整流电路；

图5 升压转换控制装置电路图；

图6 0-70V 14级多重化CPF弧线控制图；

图7是115/200、400Hz高压绕组并联桥式整流电路图（a）

图8是115/200、400Hz高压绕组并联桥式整流电路图（b）；

图9 是220/380、50Hz高压绕组串联桥式整流电路图；

图10是双降压式半桥逆变器；

图11是 400HZ三相逆变电源电路原理图；

图12 是调压励磁电路图。

图中：1、高压绕组ah2,2、高压绕组ah1，3、低压绕组al2，4、低压绕组al1，5、定子槽，6、定子，7、转子，8、励磁绕组，9、电枢绕组。

具体实施方式

为了满足当前飞机地面启动电源和飞机地面检查所需的大功率交、直流电源需求，要求发电机提供一种能够实现28.5V、28.5V/57V、0-70V、270V高压直流电源、115V/200V，400HZ三相中频和220V/380V，50HZ三相工频交流电源的多功能航空地面电源。为了实现上述目的，需从如下三个部分实现：1）发电***：在DSEG中研究多绕组技术中，高压绕组的组成与结构，低压绕组的组成与结构。2）供电***：高、低压绕组输出电路的连接和电源变换电路。3）控制***：应用DSP实现28.5V、28.5V/57V、0-70V、270V高压直流电源、115V/200V，400HZ三相中频交流和220V/380V，50HZ三相工频交流电源的控制。本发明包括如下三个部分：多绕组双凸极发电机、电源变换电路和DSP调压***。

1、多绕组双凸极发电机

为了在新型多功能航空地面电源***中同时实现上述多种交直电源输出功能，满足多种飞机要求，在充分利用现有成熟的三相整流分析方法和三相整流模块的基础上，多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置采用三相12/8极单绕组双凸极发电机，且在原单绕组定子磁路结构不变的基础上，在定子槽5上共绕A, B、C三相四套电枢绕组, al1 4, bl1, cl1和al2 3, bl2, cl2为两套低压三相绕组；ah1 2, bh1, ch1和ah2 1, bh2, ch2为两套高压三相绕组，如图1所示；其中al1 4、al2 3、ah1 2和ah2 1, bl1、bl2、bh1和bh2, cl1、cl2、ch1和 ch2分别同槽放置，al1 4、al2 3、ah1 2和ah2 1在图中画出，其余几套绕组没有画出。各套绕组分别与自己的功率变换装置构成独立的发电通道，从而在共用一个转子7构成多绕组发电机***，定子6的结构不变。图1是三相12/8极多绕组双凸极无刷直流电机的截面图，励磁绕组8跨过3个齿安装在4个大槽内，定子极弧为定子齿距的1/2，即π/12机械角，这样可以保证一个极下转子齿与定子齿的重迭角之和恒等于转子极弧，而与转子位置无关，从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅保证电机励磁绕组所匝链的磁链将不随转子位置角θ而改变，励磁绕组不会产生感应电势，而且电机静止加励磁时无定位力矩，另外任一相定子绕组所交链的互感磁链仅与该相磁导成正比。转子极弧要求大于或等于定子极弧, 以保证电流换向。由于电机转子上无绕组，无电刷和换向器，而且发电工作时也不需要位置传感器、功率变换器和控制器，其结构简单、可靠性高、寿命长、维修方便、制造工艺也很简单，电机寿命仅由轴承寿命来决定。三相12/8极多绕组双凸极无刷直流电机基本工作原理：当励磁绕组通有恒定电流时，其磁通遵循“磁阻最小原理”—磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，在电机内产生的磁通将经过定子轭部、定子齿部、气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合磁路，如图2所示。当外加机械力传动转子使其按某一方向旋转时，由于每相电枢绕组9所匝链的磁链发生变化，则绕组电感将感应电动势。

2、电源变换电路

***的直流电源：由低压绕组和低压变换器输出端产生两路独立28.5V/800A直流电源，然后两路低压输出经并、串联组合形成28.5V和28.5/57V以满足飞机的直流电源的需求。

***交流电源：由高压绕组、高压变换器和逆变器产生。根据双降压式半桥逆变器的特性要求，当逆变器输出115/200V、400HZ三相中频交流电，逆变器的输入需要360V的电压。

（1）多绕组双凸极发电机低压变换器设计

由于低压绕组与高压绕组在同一个磁场中，高、低压绕组每一匝线圈流过的磁通量是相同的，为了满足高压绕组和低压绕组的电压输出特性，低压绕组的低压变换器采用半桥整流电路，与半桥整流电路电路连接的升压转换控制装置，所述的半桥功率变换器为共阴极整流电路或共阳极整流电路。两套独立低压绕组结构与半桥整流电路连接如图3和4所示，两套绕组分别与各自的低压变换器构成独立的发电通道，从而实现双组独立的28.5V或28.5V/57V。

升压转换控制装置如图5所示，当6号控制线“来负电”时，

工作并使

、

工作，转换装置的l、3和2、3号输出端输出28.5V直流电源，该电源由发电机

、

供给，若合上蓄电池输出开关，则为

、与GB并联供给；当4号控制线“来正电”后，

工作并使

停止工作、

停止工作、

工作，结果输出接线柱1、3号之间保持28.5V电源，2、3号之间转换为G

、G串联供电的57V电源，高压指示灯HL

亮。

0-70V电源控制装置：当起动飞机时，整流器输入端的三相低压交流电流I经过L1 L2 L3电流互感器变换后，经整流电路变成直流电压信号，再经C1、C2滤波，从模数转换器端输入DSP***。CPU芯片采用的是TMS320LF2407A，EPROM内置，存储70V起动曲线，汇编语言编程。起动电流信号经过CPU处理后，从ADC0809的8位数据总线输出，送入数模转换器(D/A)，形成模拟信号后输出。当飞机起动发电机产生反电势时，起动电流从B点开始下降。设想用一70V调节器以B点电流为基准进行比较。当起动电流减少50A时，自动整定发电装置电压为18.9V；当起动电流累计减少3×50A时，整定发电装置电压为21.6V；按照50A的奇数倍以此类推，直至累计降低27×50A，使发电装置的V-A特性以微小的阶梯状按照上述曲线运行。当运行到F点，已累计降低28×50A，70V调节器量测到发电装置电压在34V-35V时，应视为最终整定值，保持不变，直至起动成功、励磁源被飞机断开为止,如图6。

（2）多绕组双凸极发电机高压变换器设计

为了满足飞机115/200V、400Hz中频交流电源和220/380V、50HZ工频交流电源变换器的直流电压的要求，高压绕组经高压变化器整流输出的电压应该为为逆变三相115V/200V，400HZ中频交流电源提供直流输入的360V和为逆变220V/380V，50HZ三相工频交流电源提供直流输入720V。因此，高压绕组整流输出，可以通过高压变化器并联与串联实现360V和720V高压直流电源。所述的高压变换器采用全桥功率变换器，与全桥功率变换器连接连接的三相逆变器；逆变器可输出115V/200V，400HZ和220V/380V，50HZ两种三相电压。两套独立高压绕组与全桥功率变换器连接如图7、8所示。

三相逆变器的设计，实质上是多绕组双凸极发电机高压绕组输出的三相交流电经过高压变换器整流后再进行逆变，从而得到稳定的三相交流电压。三相逆变器按要求输出两种三相电压，分别为115V/200V，400HZ和220V/380V，50HZ。

如图9所示，三相逆变器采用由两个 BUCK 电路组成双降压半桥式逆变器，由于电路电感 L1、L2 的存在，克服了传统桥式逆变桥的直通问题，不需要设置死区时间。为了实现三相逆变器我们采用了三个单相逆变器组合的方式。该电路结构不但具有极强的带不平衡负载能力，而且每相还可以分别控制，控制简单，容易实现模块化结构。

如图10所示，采用三个双BUCK 电路组合式三相逆变器的主电路，双凸极电机两组高压绕组输出的三相交流电经过整流后变成直流电源，再进行逆变，从而得到稳定的三相交流电压。为了得到两种稳定的三相交流电压,则要求控制***DSP控制发电机的励磁绕组电流、变换器的输出方式和逆变器控制方式：当输出电压为115V/200V、400Hz时，直流输出电压应为360V，两路整流输出并联；当输出电压为220V/380V、50Hz，直流输出电压应为720V，两路整流输出串联，两种情况下的输出功率都为50KW。

3、DSP调压器***

（1）励磁电路

DSP调压器***包括与多绕组双凸极发电机连接的DSP控制器和励磁电路。

所述的励磁电路包括励磁绕组、IGBT管T1、T2和二极管D1、D2,励磁绕组的一端与IGBT管T1的源极和二极管D2的阳极连接，另一端与IGBT管T2的漏极和二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与IGBT管T1的漏极接电源的负端，二极管D2的阴极与IGBT管T2的源极接电源的正端。励磁电路主要负责给多绕组电磁式双凸极电机励磁绕组提供励磁电流，通过励磁电路中励磁功率管有规律的导通和关断实现对电机励磁电流的控制，以此实现对电机输出电压的控制，另外在故障时可以关断励磁功率管实现故障灭磁，是整个发电***的主要控制部分，又被称之为调压器电路，具体电路如图11所示。

当发电机***处于正常工作状态时，T2保持持续导通，T1的导通和关断由励磁控制驱动电路产生的PWM信号控制。T1导通时，励磁电流if、由+端流入，经过T2、励磁绕组和T1回到“–”端；T1关断时，励磁电D2、T2续流。当***的负载发生变化(主要是指***突卸负载和某个发电通道突然发生故障)时，输出电压会突然增大，为了让输出电压在尽可能短的时间内恢复正常，仅凭励磁绕组自身的续流是不够的，必须进一步加快励磁电流的下降速度，故关断T2，此时励磁电流if经过励磁绕组、D2、+端、–端、D1续流，励磁电压的方向与励磁电流if的方向正好相反，相当于在励磁绕组两端加了一个反向电压，有一利于加快励磁绕组内部能量的泄放速度。其中，+、–分别为励磁电压正负输入端(与直流电源或者励磁机输出相连)，T1为励磁功率管，T2为逆磁功率管，D1和D2为续流二极管。

（2）调压器控制硬件电路

TI公司的16位定点处理器TMS320LF2407A是专门为电机控制应用而优化设计的单片DSP控制器。该芯片卓越的处理能力及***部件的集成为先进的工业控制应用提供了更优秀的设计方案。DSP具有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点，而且提供电机控制所必需的***设备，简化了控制电路的设计，提高了***的性能价格比和运行可靠性。因此，本***采用TMS320LF2407A型号的DSP作为数字调压器的主控CPU。

（3）调压器控制电路软件设计

对多功能航空地面电源发电机控制的数字控制***而言，硬件是***的基础，软件是核心。本***采用DSP控制器TMS320LF2497A芯片支持的汇编语言进行软件的编写。发电***控制软件主要实现的功能有：

输出电压PWM调制算法的实现；

采样、检测励磁电流及两路输出电压、输出电流信号；

励磁电流过流保护，输出电压过、欠压保护，负载电流过流保护；

高、低压输出两路电压调节的切换。

Claims

1.一种多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：采用三相12/8极单绕组双凸极发电机，在定子槽上共绕A、 B、C三相四套电枢绕组, al1, bl1, cl1和al2, bl2, cl2为两套低压三相绕组；ah1, bh1, ch1和ah2, bh2, ch2为两套高压三相绕组，其中al1、al2、ah1和ah2, bl1、bl2、bh1和bh2, cl1、cl2、ch1和 ch2分别同槽放置，各套绕组分别与自己的功率变换装置构成独立的发电通道；所述的功率变换装置包括与al1, bl1, cl1和al2, bl2, cl2两套低压三相绕组连接的低压变换器，通过两套低压绕组与两组低压变换器连接后输出产生两路独立28.5V/800A直流电源，通过两套低压绕组与两组低压变换器连接后串联输出57V直流电源或0～70V变化的直流电源；与ah1, bh1, ch1和ah2, bh2, ch2两套高压三相绕组连接的高压变换器，通过两套高压绕组和两组高压变换器并联实现输出360V高压直流电源或270V高压直流电源或通过两套高压绕组和两组高压变换器串联实现输出720V高压直流电源；低压变换器和高压变换器输出分别连接DSP调压器***。

2.根据权利要求1所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：所述的低压变换器采用半桥功率变换器，与半桥整流电路电路连接的升压转换控制装置。

3.根据权利要求2所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：所述的半桥功率变换器为共阴极整流电路或共阳极整流电路。

4.根据权利要求1所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：所述的高压变换器采用全桥功率变换器，与全桥功率变换器连接的三相逆变器；逆变器可输出115V/200V，400HZ三相中频电压或输出220V/380V，50HZ三相工频电压。

5.根据权利要求4所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：所述的三相逆变器采用由双BUCK 电路组成的三相双降压半桥式逆变器。

6.根据权利要求1～5任一项所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，所述的多绕组双凸极发电机和变换器的输出电压转换与控制均由DSP控制器实现。

7.根据权利要求6所述的多绕组双凸极发电机及输出变换与控制装置，其特征在于：所述的励磁电路包括励磁绕组、IGBT管T1、T2和二极管D1、D2,励磁绕组的一端与IGBT管T1的源极和二极管D2的阳极连接，另一端与IGBT管T2的漏极和二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与IGBT管T1的漏极接电源的负端，二极管D2的阴极与IGBT管T2的源极接电源的正端。