一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法与流程

本发明公开了一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法，尤其是用于多电飞机供电的双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法，属于直流发电的技术领域。

背景技术：

多电/全电飞机与传统飞机相比，具有结构简单、重量轻、可靠性高和可维护性好等优点，近年来得到了飞速发展，并对飞机电源系统提出了大容量、高可靠性等新要求。为满足这些要求，多电发动机应运而生。所谓多电发动机，就是将航空发电机集成并安装于发动机的主汽轮机中，形成内置式的发电机。根据尺寸、转速和工作环境等不同因素，可选择将发电机集成在多电发动机的高压轴或低压轴。集成在高压轴上的发电机具有较小的尺寸和较高转速，因此具有起动功能，可作为内转式起动发电机；而集成在低压轴上的发电机具有较大的尺寸和较低的转速。

针对多电发动机集成发电机所构成的发电系统，目前变频交流发电系统和高压直流发电系统是两大发展趋势。随着多电/全电飞机技术的快速发展，飞机用电大增，这就要求飞机电源系统要扩大容量。然而飞机上的空间有限，因此高功率密度的发电系统成为了发展趋势。

1997年美国NASALewis研究中心的专家们根据他们多年研究成果指出对于未来飞机电源系统，笼型异步电机有可能作为航空发电机，值得全面深入研究。关于航空用异步电机高压直流发电系统，我国也较早地开展了相关研究工作。从1998年开始，南京航空航天大学就一直对270V三相笼型异步高压直流发电系统进行研究，并研制出了18kW样机。这进一步表明笼型异步电机应用于飞机高压直流发电系统是可行的。而多相电机因其高功率密度及高可靠性，目前已在军用、民用多种场合得到了应用。特别是，与非正弦供电技术相结合，还可以降低磁密峰值使气隙磁密波形为准方波，从而充分利用电机铁芯，达到提高电机转矩密度和功率密度的目的。定子双绕组异步电机发电系统是近几年来出现的一种新型异步电机。从1999年美国田纳西理工大学的Ojo O.教授首次提出定子双绕组异步电机发电系统，国内外的学者纷纷开展了对定子双绕组异步电机的研究。

从现有的研究来看，多电飞机直流发电系统多是基于三相电机构建的，针对多电飞机直流发电系统的控制只针对电机励磁电流基波进行控制，使得电机无法进一步提高功率密度；并且无容错功能，在系统故障时无法实现容错运行。国内还没有涉及对多电飞机用多相双绕组异步电机直流发电系统进行研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法，针对基于多相双绕组异步电机的直流发电系统，结合非正弦供电技术，进一步提高多电飞机供电系统中的功率密度，解决了如何提高多电飞机直流发电系统的功率密度和运行可靠性的技术问题，改善了传统三相电机控制过程中电机气隙磁密饱和造成的功率密度降低的缺陷以及三相电机自由度低而无法实现容错功能的缺陷。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法，

所述双绕组异步电机直流起动发电系统包括：集成在多电发动机高压轴上的第一多相双绕组异步电机单元、集成在多电发动机低压轴上的第二多相双绕组异步电机单元、具有两侧功率输出端的起动发电驱动单元、第一整流桥、第二整流桥、第一至第四断路器，所述第一多相双绕组异步电机单元的控制侧经第一断路器与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，第一多相双绕组异步电机单元的功率侧经第二断路器与第一整流桥的交流侧连接，第一整流桥输出的直流电汇入直流电网，第二多相双绕组异步电机单元的控制侧经第三断路器与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，第二多相双绕组异步电机单元的功率侧经第四断路器与第二整流桥的交流侧连接，第二整流桥输出的直流电汇入直流电网，所述起动发电驱动单元的两侧功率输出端之间接有断路器组；

所述控制方法：采用安装在多电发动机高压轴上的第一速度传感器实时检测高压轴转速，采用安装在多电发动机低压轴上的第二速度传感器实时检测低压轴转速，采用第一直流电压传感器实时检测第一多相双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电经第一整流桥后输出的直流电电压，采用第二直流电压传感器实时检测第二多相双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电经第二整流桥后输出的直流电电压，数字信号处理器根据高压轴转速、低压轴转速、第一直流电压传感器检测的直流电压、第二直流电压传感器检测的直流电压生成对应于多电发动机四个转速阶段控制策略的指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路生成起动发电驱动单元的驱动信号，起动发电驱动单元在驱动信号的作用下向第一、第二多相双绕组异步电机单元提供功率，

多电发动机四个转速阶段的控制策略具体为：

起动阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器和断路器组合闸、第二至第四断路器保持分闸状态，起动发电驱动单元向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出注入了三次谐波的有功功率和励磁无功功率，运行在电动状态的第一多相双绕组异步电机拖动多电发动机高压轴旋转至发动机的点火速度，

起动向发电转换阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器分闸、第二至第四断路器保持分闸状态，断路器组分闸，起动发电驱动单元停止向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出注入了三次谐波的有功功率和励磁无功功率，多电发动机高压轴拖动第一多相双绕组异步电机运行，多电发动机低压轴拖动第二多相双绕组异步电机运行，

发电建压阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一至第四断路器合闸、断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元的一侧功率输出端经第一断路器向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第一多相双绕组异步电机进行可靠建压且注入了三次谐波的励磁无功功率，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端经第三断路器向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第二多相双绕组异步电机进行可靠建压且注入了三次谐波的励磁无功功率，第一、第二多相双绕组异步电机均运行在发电状态，

稳定发电阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一至第四断路器合闸，断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元与第一断路器连接的功率输出端向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第一多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率，起动发电驱动单元与第三断路器连接的功率输出端向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第二多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率，第一多相双绕组异步电机功率侧经第二断路器输出交流电至第一整流桥交流侧，第一整流桥直流侧恒定输出达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电，第二多相双绕组异步电机功率侧经第四断路器输出交流电至第二整流桥交流侧，第二整流桥直流侧恒定输出达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电。

进一步的，所述一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法中，起动发电驱动单元的一侧功率输出端经第一断路器向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第一多相双绕组异步电机进行可靠建压且注入了三次谐波的励磁无功功率，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端经第三断路器向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第二多相双绕组异步电机进行可靠建压且注入了三次谐波的励磁无功功率，具体方法为：

起动发电驱动单元一侧功率输出端在驱动信号作用下输出自初始频率开始递减且注入了三次谐波的励磁无功功率给第一多相双绕组异步电机单元，第一多相双绕组异步电机功率侧经第四二断路器输出逐渐上升的交流电至第一整流桥交流侧，第一多相双绕组异步电机在第一整流桥直流侧输出的直流电压上升直至达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标时进入发电状态，起动发电驱动单元输出维持在当前频率的励磁无功功率给第一多相双绕组异步电机单元，所述初始频率高于第一多相双绕组异步电机转子转速所对应的频率，

起动发电驱动单元另一侧功率输出端在驱动信号作用下输出自初始频率开始递减且注入了三次谐波的励磁无功功率给第二多相双绕组异步电机单元，第二多相双绕组异步电机功率侧经第四断路器输出逐渐上升的交流电至第二整流桥交流侧，第二多相双绕组异步电机在第二整流桥直流侧输出的直流电压上升直至达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标时进入发电状态，起动发电驱动单元输出维持在当前频率的励磁无功功率给第二多相双绕组异步电机单元，所述初始频率高于第二多相双绕组异步电机转子转速所对应的频率。

再进一步的，所述一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法中，起动发电驱动单元与第一断路器连接的功率输出端向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第一多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率，起动发电驱动单元与第三断路器连接的功率输出端向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第二多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率，具体的方法为：

第一多相双绕组异步电机的转速在其发电转速范围内变化时，起动发电驱动单元在驱动信号作用下输出频率与第一多相双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第一整流桥恒定输出达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电的励磁无功功率给第一多相双绕组异步电机单元，

第二多相双绕组异步电机的转速在其发电转速范围内变化时，起动发电驱动单元在驱动信号作用下输出频率与第二多相双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第二整流桥恒定输出达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电的励磁无功功率给第二多相双绕组异步电机单元。

作为所述一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法的进一步优化方案，

所述双绕组异步电机直流起动发电系统中的起动发电驱动单元包括：起动电源、桥臂数目与第一多相双绕组异步电机相数相同的第一逆变器、桥臂数目与第二多相双绕组异步电机相数相同的第二逆变器、断路器组，第一、第二逆变器的直流侧分别并接有冗余桥臂，两个逆变器的直流侧均与起动电源相连，第一逆变器中各相桥臂中点经断路器组与第二逆变器中对应相桥臂的中点相连接，第一逆变器中的冗余桥臂经第五断路器与第一多相双绕组异步电机的控制绕组中线连接，第二逆变器中的冗余桥臂经第六断路器与第二多相双绕组异步电机的控制绕组中线连接，

所述控制方法还包括容错控制策略：当处于工作状态的逆变器故障时，数字信号处理器控制断路器组中与故障相桥臂相连的断路器分闸、第五断路器和/或第六断路器合闸，在起动发电驱动单元功率输出端与第一和/或第二多相双绕组异步电机单元控制侧之间的断路器闭合时，故障逆变器中的冗余桥臂代替该故障相桥臂与正常工作的桥臂共同向第一和/或第二多相双绕组异步电机单元控制侧提供注入了三次谐波的励磁无功功率。

作为所述一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法的再进一步优化方案，逆变器中各相桥臂以及冗余桥臂由串联连接的两个开关管组成。

作为所述一种双绕组异步电机直流起动发电系统的控制方法的更进一步优化方案，每个开关管两端之间接有反向二极管。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)针对将多相双绕组异步电机应用于多电飞机的直流起动发电系统控制方法，通过控制双绕组异步电机直流起动发电系统中断路器的状态以及起动发电驱动单元中开关管的驱动信号，结合非正弦供电技术同时对电机中的基波励磁电流和三次励磁谐波进行控制，使电机气隙磁场波形为平顶波，以此提高系统的功率密度；

(2)在系统增加了容错拓扑结构以实现容错控制，使系统在出现故障时保持可靠运行，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为基于五相双绕组异步发电机的交直流起动发电系统示意图。

图2为起动发电功率单元的电路图。

图中标号说明：1、第一多相双绕组异步电机，2、第二多相双绕组异步电机，3、起动发电驱动单元，4、第一整流桥，5、第二整流桥，6、第一滤波电感，7、第二滤波电感，8、第一断路器，9、第二断路器，10、第三断路器，11、第四断路器，12、第五断路器，13、第六断路器，14、直流电网，S1、第一开关，S2、第二开关，S3、第三开关，S4、第四开关，S5、第五开关，S6、第六开关，S7、第七开关，S8、第八开关，S9、第九开关，S10、第十开关，S11、第十一开关，S12、第十二开关，S13、第十三开关，S14、第十四开关，S15、第十五开关，S16、第十六开关，S17、第十七开关，S18、第十八开关，S19、第十九开关，S20、第二十开关，S21、第二十一开关、S22、第二十二开关，S23、第二十三开关，S24、第二十四开关，B7、断路器组。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的直流起动发电系统，包括：集成在多电发动机高压轴上的第一多相双绕组异步电机1、第一滤波电感6、第一断路器8、第二断路器9、第一整流桥4组成的第一多相双绕组异步电机直流发电单元，集成在多电发动机低压轴上的第二多相双绕组异步电机2、第二滤波电感7、第三断路器10、第四断路器11、第二整流桥5组成的第二多相双绕组异步电机直流发电单元，具有两侧功率输出端的起动发电驱动单元3。第一多相双绕组异步电机1功率绕组的出线经过第二断路器9与第一整流桥4的交流侧连接，第一整流桥4的直流侧与直流电网14连接，第一多相双绕组异步电机1控制绕的出线与第一滤波电感6的一端连接，第一滤波电感6另一端经过第一断路器8与起动发电驱动单元3一侧功率输出端子连接，第二多相双绕组异步电机2控制绕组的出线与第二滤波电感7的一端连接，第二滤波电感7的另一端经过第三断路器10与起动发电驱动单元3另一侧功率输出端子连接，第二多相双绕组异步电机2功率绕组的出线经过第四断路器11与第二整流桥5的交流侧连接，第二整流桥5直流侧与直流电网14连接。图1中，第一、第二多相双绕组异步电机均为五相电机，第一、第二整流桥为五相整流桥。

所图2所示的起动发电驱动单元，包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16、第十七开关S17、第十八开关S18、第十九开关S19、第二十开关S20、第二十一开关S21、第二十二开关S22、第二十三开关S23、第二十四开关S24、断路器组B7。串联的第一开关S1、第二开关S2组成一相桥臂，串联的第三开关S3、第四开关S4组成一相桥臂，串联的第五开关S5、第六开关S6组成一相桥臂，串联的第七开关S7、第八开关S8组成一相桥臂，串联的第九开关S9、第十开关S10组成一相桥臂，并联的五相桥臂组成一个五相逆变器，该五相逆变器中各相桥臂中点a1、b1、c1、d1、e1构成起动发电驱动单元的一侧功率输出端。串联的第十五开关S15、第十六开关S16组成一相桥臂，串联的第十七开关S17、第十八开关S18组成一相桥臂，串联的第十九开关S19、第二十开关S20组成一相桥臂，串联的第二十一开关S21、第二十二开关S22组成一相桥臂，串联的第二十三开关S23、第二十四开关S24组成一相桥臂，并联的五相桥臂组成一个五相逆变器，该五相逆变器中各相桥臂中点a2、b2、c2、d2、e2构成起动发电驱动单元的另一侧功率输出端。两个五相逆变器以及接在直流侧带有起动电源的二极管电路组成一个对称结构的起动发电驱动单元。a1、b1、c1、d1、e1五个连接点经过断路器组B7分别与a2、b2、c2、d2、e2五个连接点连接。该起动发电驱动单元具有起动发电双功能、功率密度高的优点。在系统起动时，闭合断路器组使两个逆变器输出端子短接并从起动发电驱动单元一侧输出端输出励磁无功功率和有功功率；在系统发电时，两个变换输出端分别作为起动发电驱动单元的两侧输出端输出励磁无功功率。

本实施例中，两个多相电机均为五相电机，两个多相电机可以是相数相同的多相电机，也可以是相数不同的多相电机，整流桥相数、起动发达驱动单元中逆变器相数和与它们连接的电机的相数相同。在两个多相电机相数不同时，起动发电驱动单元中断路器组的连接方式为：从一个逆变器中的一相桥臂中点引线经断路器后与另一逆变器中任意一相桥臂中点连接，直至相数较少逆变器的每相桥臂中点都经断路器与相数较多逆变器中某一相桥臂连接。

图1所示直流起动发电系统的控制方法，采用安装在多电发动机高压轴上的第一速度传感器15实时检测高压轴转速，采用安装在多电发动机低压轴上的第二速度传感器16实时检测低压轴转速，采用第一直流电压传感器17实时检测第一多相双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电经第一整流桥后输出的直流电电压，采用第二直流电压传感器18实时检测第二多相双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电经第二整流桥后输出的直流电电压，数字信号处理器19根据高压轴转速、低压轴转速、第一直流电压传感器检测的直流电压、第二直流电压传感器检测的直流电压生成对应于多电发动机四个转速阶段控制策略的指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路20生成起动发电驱动单元的驱动信号，起动发电驱动单元在驱动信号的作用下向第一、第二多相双绕组异步电机单元提供功率。数字信号处理器根据发动机转速所属的转速区域选择对应的控制策略实现注入三次谐波的起动、起动向发电转换、发电建压、稳定发电四个过程的控制，并在发电系统故障时采用容错控制。

起动阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器和断路器组合闸、第二至第四断路器保持分闸状态，起动发电驱动单元向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出注入了三次谐波的有功功率和励磁无功功率，运行在电动状态的第一多相双绕组异步电机拖动多电发动机高压轴旋转至发动机的点火速度。

起动向发电转换阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器分闸、第二至第四断路器保持分闸状态，断路器组分闸，起动发电驱动单元停止向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出注入了三次谐波的有功功率和励磁无功功率，多电发动机高压轴拖动第一多相双绕组异步电机运行，多电发动机低压轴拖动第二多相双绕组异步电机运行。

发电建压阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一至第四断路器合闸、断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元的一侧功率输出端经第一断路器向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出自初始频率(略高于第一多相双绕组异步电机转子转速所对应的频率)开始递减且注入了三次谐波的励磁无功功率，第一多相双绕组异步电机功率侧经第四二断路器输出逐渐上升的交流电至第一整流桥交流侧，第一多相双绕组异步电机在第一整流桥直流侧输出的直流电压上升直至达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标时进入发电状态，起动发电驱动单元输出维持在当前频率的励磁无功功率给第一多相双绕组异步电机单元，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端经第三断路器向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出自初始频率(略高于第二多相双绕组异步电机转子转速所对应的频率)开始递减且注入了三次谐波的励磁无功功率，第二多相双绕组异步电机功率侧经第四断路器输出逐渐上升的交流电至第二整流桥交流侧，第二多相双绕组异步电机在第二整流桥直流侧输出的直流电压上升直至达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标时进入发电状态，起动发电驱动单元输出维持在当前频率的励磁无功功率给第二多相双绕组异步电机单元。

稳定发电阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一至第四断路器合闸，断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元与第一断路器连接的功率输出端向第一多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第一多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率(第一多相双绕组异步电机的转速在其发电转速范围内变化时，起动发电驱动单元在驱动信号作用下输出频率与第一多相双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第一整流桥恒定输出达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电的励磁无功功率给第一多相双绕组异步电机单元)，起动发电驱动单元与第三断路器连接的功率输出端向第二多相双绕组异步电机单元控制侧输出使第二多相双绕组异步电机在其发电转速范围内运行于稳定发电状态且注入了三次谐波的励磁无功功率(第二多相双绕组异步电机的转速在其发电转速范围内变化时，起动发电驱动单元在驱动信号作用下输出频率与第二多相双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第二整流桥恒定输出达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电的励磁无功功率给第二多相双绕组异步电机单元)，第一多相双绕组异步电机功率侧经第二断路器输出交流电至第一整流桥交流侧，第一整流桥直流侧恒定输出达到第一多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电，第二多相双绕组异步电机功率侧经第四断路器输出交流电至第二整流桥交流侧，第二整流桥直流侧恒定输出达到第二多相双绕组异步电机单元发电目标的直流电。此时，集成在高压轴上的第一多相双绕组异步电机和集成在低压轴上的第二多相双绕组异步电机均运行在发电状态，系统输出直流电能，根据多电飞机用电需求调节两个多相双绕组异步电机发电目标能够满足多电飞机的多样化用电需求。

为实现电机容错控制，图2所示起动发电驱动单元还包括容错拓扑结构，具体为：串联的第十一开关S11、第十二开关S12组成一相冗余桥臂，串联的第十三开关S13、第十四开关S14组成一相冗余桥臂，第十一开关S11、第十二开关S12组成的冗余桥臂中点N1经第五断路器12与第一多相双绕组异步电机1控制绕组的中线连接，第十三开关S13、第十四开关S14组成的冗余桥臂中点N2经第六断路器13与第二多相双绕组异步电机2控制绕组的中线连接。在双绕组电机出现几相开路故障时，闭合接通冗余桥臂和DWIG控制绕组中线的断路器，将故障电机中线引入起动发电驱动单元的直流母线中点，以便实施容错控制策略，实现降载运行，提高系统的可靠性。

容错控制策略：当处于工作状态的逆变器故障时，数字信号处理器控制断路器组中与故障相桥臂相连的断路器分闸、第五断路器和/或第六断路器合闸，在起动发电驱动单元功率输出端与第一和/或第二多相双绕组异步电机单元控制侧之间的断路器闭合时，故障逆变器中的冗余桥臂代替该故障相桥臂与正常工作的桥臂共同向第一和/或第二多相双绕组异步电机单元控制侧提供注入了三次谐波的励磁无功功率。