一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器及控制方法
文献发布时间：2023-06-19 16:09:34
技术领域
本发明涉及一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器及控制方法。
背景技术
对于军用航空电源系统，当功率达到12kW以上，采用高压直流270V为机载设备供电是较优的解决方案。对于航空电源系统，通常在正常发电稳压输出时具有1.5倍额定电流、5min，2倍额定电流、5s的过载能力；需要具备可输出3倍短路电流的能力；需要高频段的纹波控制在较小范围内以减出电磁干扰。
永磁起动发电机电源系统包括永磁起动发电机和起动发电机控制器两部分，永磁起动发电机用于实现机械能与变压变频交流电能的转化。在起动状态，起动发电机控制器将起动电源提供的直流电能转化为变压变频交流电能，给永磁起动发电机供电，驱动电机由静止状态到达发动机点火转速；在发电状态，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的变压交流电压转化为270V稳压直流来给航空机载设备供电。
对于用于低压直流电源系统的起动发电机控制器，目前，普遍采用三相全控全桥作为硬件，起动和发电均采用SVPWM控制，发电采用PWM整流技术。但是，PWM整流技术存在以下方面的不足：
1)PWM整流属于升压控制，电机线电压峰值在任何情况下均不允许超过期望的输出电压，使得低速发电和起动时相电流过大，导致起动发电机控制器效率过低；
2)发电时，功率管开关频率为起动发电机电频率的一个量级以上，开关损耗较大；
3)对于转速较高的航空用永磁起动发电机，由于起动发电机的电频率高和电感量较小，使得PWM整流技术进行稳压控制时难度很大；
4)发电时，在由不控整流切换到PWM整流瞬间，很容易形成直流母线过压；
5)使用PWM整流技术时，过高的开关频率使得输出电压高频纹波偏高，很难达到相关标准要求；
6)为了满足高开关频率的需求，功率管通常采用的快速低损耗功率管，其承受过载电流的能力较弱；
7)当输出短路时，PWM整流控制的三相全桥电路不具有限制短路电流的能力。
专利CN108712093 A一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法给出一种发电状态下具有升降压功能的起动发电机控制及控制方法，硬件上通过三相全控全桥与SCR相控全桥并联，低速时采用三相全桥升压稳压，高速时采用SCR相控全桥降压稳压。该技术方面存在以下方面的不足：
1)三相全控全桥与SCR相控全桥为并联结构，为了保证升压稳压与降压稳压相互兼容，升压稳压值需要低于降压稳压值10V左右，导致输出电压不连续，不能应用于多台起动发电机控制器输出并联运行的应用领域；
2)SCR的最高工作温度低于IGBT，降低了起动发电机控制器可承受的最高工作环境温度；
3)三相全控全桥快速开关会对造成SCR相控全桥误导通，为了规避这一问题，SCR相控全桥与起动发电机三相绕组间需要添加隔离饱和电感，增加了工程实现难度，并增加了附加重量。
另外，也有一些应用发电时在整流后，通过添加DC/DC电源变换器来实现降压稳压或升降压稳压。但添加DC/DC电源变换器的方法存在以下方面的不足：
1)除了整流的AC/DC外，还包括了DC/DC，属于两级变换器，通常效率较低，重量较大；
2)DC/DC变换器需要添加独立的磁性元器件，使得DC/DC级的重量较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器及控制方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器，其特征在于：包括功率管Q
进一步的，所述功率管Q
进一步的，所述电容C
进一步的，所述电容C
进一步的，所述电容C
进一步的，所述薄膜电容为EACO公司的SHB-500-90-4G#薄膜电容。
一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：位置信号θ＝0°与空载下主电机A相电压下降段过零点相对应；
步骤2：起动过程中，起动发电机控制器驱动永磁起动发电机由静止到发动机点火转速；
步骤3：在发动机到达发电转速之后，进入发电过程；
步骤4：发电时，在永磁起动发电机线电压幅值达不到期望输出电压时，进行升压稳压；
步骤5：发电时，在永磁起动发电机线电压幅值超过期望输出电压时，进行降压稳压；
步骤6：发电时，根据输出直流电流I
进一步的，所述步骤2所述的启动过程包括以下步骤：
步骤21：闭合功率管Q
步骤22：控制电路中采用准速度外环，电流内环的控制策略，通过正弦空间矢量脉冲宽度调制SVPWM控制产生IGBT管三相全桥的驱动信号G
步骤23：起动发电机控制器输出变压变频交流电。
进一步的，所述步骤4中的升压稳压包括以下步骤：
步骤41：根据直流电压V
步骤42：根据位置信号θ，确定升压稳压控制的信号G
步骤43：根据升压稳压控制的驱动信号G
步骤44：将驱动信号G
进一步的，所述步骤5的降压稳压包括以下步骤：
步骤51：令驱动信号G
步骤52：根据位置信号θ，确定升压稳压控制的信号G
步骤53：令驱动信号G
步骤54：将驱动信号G
本发明的有益效果在于：1)提出的航空高压直流用升降压起动发电机控制器及控制方法，适合于航空高压直流电源系统；
2)发电时，属于升降压稳压控制，升压稳压的电压范围和降压稳压的范围均较窄，故发电效率较高；
3)相对于发电采用纯升压控制的起动发电机，采用升降压控制的起动发电机的反电势系数更高，使得相同起动力矩对应的起动电流减小，降低了起动发电机控制器中功率管需要承受的电流应力；
4)发电时，升压稳压和降压稳压间切换平滑，输出电压连续，可用于多机并联运行；
5)利用起动发电机的电感实现起动和发电稳压功能，无需添加磁性元件，重量较轻；
6)发电时，功率管工作频率与起动发电机电频率相同，相对于PWM整流控制，频率低于一个数量级，开关损耗显著降低，效率得到了显著提升；
7)发电时，功率管的工作频率较低，使得高频段纹波较小，高频电磁干扰较小；
8)发电时，功率管的工作频率较低，故功率管可以采用耐大电流但损耗偏大的功率管，使起动发电机控制器具有良好的抗过载能力；
9)通过使稳压电流值随输出电流增大而降低，可将输出短路电流控制在合理范围之内；
10)在起动发电机控制器或起动发电机存在故障时，断开所有功率管驱动，即可实现故障隔离。
附图说明
图1为本发明的起动发电机控制器框图；
图2为本发明的位置信号与三相空载电压的关系图；
图3为本发明的起动控制原理图；
图4为本发明的升压稳压控制原理图；
图5为本发明的降压稳压控制原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本实施例为40kW起动发电机控制器。永磁起动同步发电机极对数为3，在18000r/min下的空载线电压峰值为270V。起动电源为270V DC，起动转矩为60N·m(0～3500r/min)。发电机时，输出为270VDC，输出功率为40kW(12000r/min～24000r/min)，具备150％额定负载、5min和200％额定负载：5s的过载能力；在5s内输出电流不小于300％额定电流的短路能力。实施例应用背景为采用270V的高压直流电源系统。
图1所示为起动发电机控制器框图。一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器装置，包括功率管Q
功率管采用infineon公司的单桥臂IGBT管模块FF600R12KE4，对于A相桥臂，Q
利用起动发电机的电感实现起动和发电稳压功能，无需添加磁性元件，重量较轻。
在起动发电机控制器或起动发电机存在故障时，断开所有功率管驱动，即可实现故障隔离。
一种航空高压直流用升降压起动发电机控制器的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：位置信号θ＝0°与空载下主电机A相电压下降段过零点相对应；
步骤2：起动过程中，起动发电机控制器驱动永磁起动发电机由静止到发动机点火转速；
步骤3：在发动机到达发电转速之后，进入发电过程；
步骤4：发电时，在永磁起动发电机线电压幅值达不到期望输出电压时，进行升压稳压；
步骤5：发电时，在永磁起动发电机线电压幅值超过期望输出电压时，进行降压稳压；
步骤6：发电时，根据输出直流电流I
图2所示为位置信号与三相空载电压的关系图，步骤1中明确位置信号θ＝0°与空载下主电机A相电压的关系，也应等于明确了位置信号与三相电压的关系。
由步骤5和6可知，发电时，属于升降压稳压控制，升压稳压的电压范围和降压稳压的范围均较窄，故发电效率较高。
步骤6通过使稳压电流值随输出电流增大而降低，可将输出短路电流控制在合理范围之内。
结合图3所示起动控制原理图，对步骤2所述的起动过程控制进行说明，包括以下步骤：
步骤21：闭合功率管Q
步骤22：控制电路中采用准速度外环，电流内环的控制策略，通过正弦空间矢量脉冲宽度调制SVPWM控制产生IGBT管三相全桥的驱动信号G
步骤23：起动发电机控制器输出变压变频交流电。
相对于发电采用纯升压控制的起动发电机，采用升降压控制的起动发电机的反电势系数更高，使得相同起动力矩对应的起动电流减小，降低了起动发电机控制器中功率管需要承受的电流应力。
结合图4所示升压稳压控制原理图，对步骤4所述发电升压稳压控制进行说明，包括以下步骤：
步骤41：根据直流电压V
步骤42：根据位置信号θ，确定升压稳压控制的信号G
步骤43：根据升压稳压控制的驱动信号G
步骤44：将驱动信号G
结合图5所示降压稳压控制原理图，对步骤5所述发电升压稳压控制进行说明，包括以下步骤：
步骤51：令驱动信号G
步骤52：根据位置信号θ，确定升压稳压控制的信号G
步骤53：令驱动信号G
步骤54：将驱动信号G
本发明的发电机控制器发电时，功率管的工作频率较低，使得高频段纹波较小，高频电磁干扰较小。由于发电时功率管的工作频率较低，故功率管可以采用耐大电流但损耗偏大的功率管，使起动发电机控制器具有良好的抗过载能力。同时，发电时的升压稳压和降压稳压间切换平滑，输出电压连续，可用于多机并联运行。本发明提出的航空高压直流用升降压起动发电机控制器及控制方法，适合于航空高压直流电源系统。