三级式起动发电系统功率电路复用控制结构及方法

本发明涉及电力电子及电力传动领域，具体是一种三级式起动发电系统功率电路复用控制结构及方法。

背景技术：

1、三级式电机作为飞机主电源在航空领域得到了广泛的应用。随着多电飞机的发展，起动发电一体化技术作为其关键技术之一而受到越来越多的关注。美国波音787飞机上已成功实现三级式起动发电一体化应用，欧洲空客a350飞机的apu电源系统使用了三级式起动发电机和起动发电机控制器。飞机高压直流电源系统具有系统重量轻、效率高、容量大、设计简化、实现不间断供电和多余度供电等优点，已经率先应用在高性能军用飞机上，其代表应用为美国f-22战斗机和f-35战斗机。

2、三级式起动发电系统主要由三级式起动发电机和起动发电机控制器组成，其中三级式起动发电机由永磁机、主励磁机、旋转整流器和主电机同轴安装构成。在将三级式电机应用于高压直流电源系统时，主电机发出的三相交流电能需要通过整流器变换成直流电能后才能为机载高压直流负载供电。

3、高压直流三级式起动发电系统的运行过程可以分为三个阶段：起动运行阶段、过渡阶段和高压直流发电运行阶段。在起动运行阶段，首先需要将高压直流起动电源接入起动发电机控制器，由起动发电机控制器逆变为主励磁机的励磁绕组提供交流电能，同时为主电机的电枢绕组提供变压变频的三相交流电能。主电机运行在电动模式，输出电磁转矩，拖动发动机起动并加速运行至脱开转速，完成起动过程。在完成起动过程后，进入过渡阶段，此时起动发电机控制器断开与高压直流起动电源的连接，等待发动机从脱开转速自行加速运转至额定发电转速，三级式电机既不输出起动转矩，又不对外输出电能。在发电运行阶段，起动发电机控制器接收到发电建压指令后，由永磁机供电并经过直流变换后为主励磁机提供直流励磁电能。主电机发出的三相交流电能经过整流后输出的直流电压到达额定电压后，可以闭合相应接触器使其直流输出为机载高压直流用电设备供电。

4、三级式电机起动运行阶段工作时间较短，通常仅有数分钟，而其将长期工作在发电运行状态。起动阶段使用的起动控制器在发电状态下不起作用，成为“死重”。在高压直流发电时主电机的交流输出通常所采用的三相二极管整流器，可以通过复用起动控制器当中的三相h桥功率电路中的反并联二极管，将其视为三相二极管整流器进行不控整流发电，也可以复用整个三相h桥功率电路进行可控整流发电。同时，起动时为主励磁机提供交流励磁电能的h桥结构励磁功率电路也可以通过调整功率器件的开关状态从而实现直流-直流变换功能，将其用于发电阶段的主励磁机励磁电流控制。因此，三级式起动发电系统可以在起动和高压直流发电运行时复用同一套励磁功率电路和主电机功率电路，功率电路复用可以大幅简化系统的结构，降低重量。

5、在传统的起动发电系统当中，还存在分别用于起动运行和发电运行时进行功率电路切换的高压直流继电器和接触器，如scr、gcr、scb和gcb，其在系统当中占据了较大的体积和重量。同时，高压直流继电器和接触器在从吸合到断开时容易产生电弧，特别是飞机处于高空飞行气压较低时，威胁到了系统安全。在起动发电机控制器内部使用由电力电子开关器件构成的固态断路器替代高压直流继电器和接触器，尺寸更小、重量更轻的同时开关速度更快且不会产生电弧，从而显著提高了系统的安全性。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种三级式起动发电系统功率电路复用控制结构及方法，通过合理控制固态断路器的导通与关断，来实现系统在起动和高压直流发电运行下的励磁功率传输回路的切换、高压直流起动电源与机载高压直流负载间的切换、励磁功率电路的复用和主电机功率电路的复用，从而实现航空高压直流三级式起动发电系统的功率电路复用控制。

2、本发明提供了一种三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，包括三级式起动发电机、起动发电机控制器、高压直流起动电源和机载高压直流负载；

3、所述三级式起动发电机包括永磁机、主励磁机、旋转整流器和主电机；所述起动发电机控制器包括主电机功率电路、励磁功率电路、永磁机整流电路、若干固态断路器、控制电路和辅助电源；

4、所述永磁机的定子与起动发电机控制器的永磁机整流电路相连接；所述主励磁机的定子与起动发电机控制器的励磁功率电路相连接；所述主电机的定子与起动发电机控制器的主电机功率电路相连接；

5、所述主电机功率电路、励磁功率电路、永磁机整流电路并联设置，主电机功率电路和励磁功率电路之间的正极母线上设置有第三固态断路器，励磁功率电路和永磁机整流电路之间的正极母线上设置有第四固态断路器；

6、所述高压直流起动电源的正极与起动发电机控制器的第一固态断路器连接，第一固态断路器与主电机功率电路正极连接，高压直流起动电源的负极和主电机功率电路负极相连接；

7、所述机载高压直流负载的正极与起动发电机控制器的第二固态断路器连接，第二固态断路器与主电机功率电路正极连接，机载高压直流负载的负极和主电机功率电路负极相连接。

8、进一步改进，所述的三级式起动发电机类型包括单相励磁三级式起动发电机、两相励磁三级式起动发电机和三相励磁三级式起动发电机。

9、进一步改进，所述的起动发电机控制器的励磁功率电路包括单相h桥励磁功率电路、两相h桥励磁功率电路和三相h桥励磁功率电路。

10、进一步改进，所述的起动发电机控制器中主电机功率电路在高压直流发电运行时的整流状态，包括三相不控整流状态和三相可控整流状态。

11、进一步改进，所述的起动发电机控制器的控制电路包括数字信号处理器及其最小系统、驱动电路、电压传感器、电流传感器、模拟量采集调理电路和通信电路。

12、进一步改进，所述的起动发电机控制器的固态断路器包括两只共发射极igbt及其反并联二极管与驱动电路和两只共源极mosfet及其反并联二极管与驱动电路。

13、本发明还提供了一种三级式起动发电系统功率电路复用控制方法，采用上述三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，包括以下步骤：

14、步骤一：起动运行时，闭合第一固态断路器，断开第二固态断路器，使主电机功率电路的直流端接入高压直流起动电源，并与机载高压直流负载断开；闭合第三固态断路器，断开第四固态断路器，使励磁功率电路的直流端与主电机功率电路的直流端并联，接入高压直流起动电源，同时断开与永磁机整流电路直流输出的连接；励磁功率电路输出电压与交流电或直流电为主励磁机提供励磁电能，主电机功率电路输出三相变压变频交流电能，使主电机运行在电动状态，输出电磁转矩，拖动航空发动机起动至脱开转速后，主电机功率电路与励磁功率电路停止输出，起动运行结束；起动运行结束后，断开第一固态断路器和第三固态断路器，起动发电机控制器切除高压直流起动电源；

15、步骤二：高压直流发电运行时，闭合第四固态断路器，断开第三固态断路器，将永磁机整流电路的输出直流电压接入励磁功率电路，由永磁机为主励磁机提供所需要的励磁电能；励磁功率电路为主励磁机输出所需要的直流电能；主电机发出的三相交流电能，通过主电机功率电路整流后变换得到所需要的高压直流电能；闭合第二固态断路器，断开第一固态断路器，使主电机通过起动发电机控制器为机载高压直流负载供电；励磁功率电路通过控制占空比大小调节直流励磁电流，使机载高压直流负载电源电压保持在额定值。

16、本发明有益效果在于：

17、1、在发电状态下，起动状态下所用的主电机功率电路和励磁功率电路由“死重”复用为高压直流发电运行时主电机所用的三相整流电路和主励磁机所用的励磁功率电路，在不改变传统的起动控制器功率器件和控制算法的同时，大幅简化了起动发电系统的结构，省去了传统的发电机控制器以及三相二极管整流电路；

18、2、发电运行时复用的励磁功率电路与传统的发电机控制器的电路拓扑结构几乎相同，因而传统的励磁控制方法仅作较小改动即可移植到起动发电机控制器的励磁控制中，励磁调节方便可控，方法成熟可靠；

19、3、发电运行时复用的励磁功率电路为三相h桥变换器，可以将其中的反并联二极管视为一个传统的三相二极管整流器，进行不控整流发电控制，方法成熟可靠；也可以采用可控整流发电技术，将三级式电机发电运行时的控制维度由单一励磁调压控制转变为励磁与与主电机电枢协同调压控制，增加了新的控制自由度，能够提高发电系统的性能；

20、4、采用固态断路器进行起动和高压直流发电功率电路复用控制时的接入选择，替代了传统易产生电弧的高压直流继电器、接触器，同时降低了重量，提升了系统的集成度。

技术特征：

1.一种三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：包括三级式起动发电机、起动发电机控制器、高压直流起动电源和机载高压直流负载；

2.根据权利要求1所述的三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：所述的三级式起动发电机类型包括单相励磁三级式起动发电机、两相励磁三级式起动发电机和三相励磁三级式起动发电机。

3.根据权利要求1所述的三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：所述的起动发电机控制器的励磁功率电路包括单相h桥励磁功率电路、两相h桥励磁功率电路和三相h桥励磁功率电路。

4.根据权利要求1所述的三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：所述的起动发电机控制器中主电机功率电路在高压直流发电运行时的整流状态，包括三相不控整流状态和三相可控整流状态。

5.根据权利要求1所述的三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：所述的起动发电机控制器的控制电路包括数字信号处理器及其最小系统、驱动电路、电压传感器、电流传感器、模拟量采集调理电路和通信电路。

6.根据权利要求1所述的三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：所述的起动发电机控制器的固态断路器包括两只共发射极igbt及其反并联二极管与驱动电路和两只共源极mosfet及其反并联二极管与驱动电路。

7.一种三级式起动发电系统功率电路复用控制方法，采用权利要求1所述三级式起动发电系统功率电路复用控制结构，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种三级式起动发电系统功率电路复用控制结构及方法，该结构包括三级式起动发电机、起动发电机控制器、高压直流起动电源和机载高压直流负载。其中，起动发电机控制器包括主电机功率电路、励磁功率电路、永磁机整流电路、固态断路器、控制电路和辅助电源，通过控制四个固态断路器的导通与关断，用来实现系统在起动或发电状态下的高压直流起动电源的接入或是为机载高压直流负载供电，以及励磁功率电路传输回路的切换，同时实现了起动和高压直流发电运行时起动发电机控制器中的主电机功率电路与励磁功率电路的复用控制。起动发电机控制器内部使用固态断路器替代高压直流接触器和继电器，降低重量避免了产生电弧，提升系统的安全性。

技术研发人员：张卓然,石珩,李进才,姚一鸣,王言坤
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23