一种基于自动能耗匹配的超高速发电机整流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子变换器领域。
【背景技术】
[0002] 一直以来，包括多电飞机在内的飞行器的应急辅助电源系统通常由机载蓄电池组 提供。为有效减轻飞行器重量，实现高比功率，以电力系统取代液压、气动以及机械系统的 多电、全电飞行器已经成为当代新的发展方向。在研宄过程中，国内外均推出了以超高速发 电机为核心的飞行器独立供电系统，研宄用飞行过程带来的高能气体或发出的燃气尾焰来 发电的可行性。通过这种高速气流推动机旋转做功，带动同轴永磁发电机转子旋转，定子绕 组切割磁力线，输出三相交流电。考虑到体积和重量的限制，机载超高速发电机系统一般不 设置高能气源压力调节机构，也不设置励磁、转速调节部件。因此，超高速发电机相当于一 个开环的发电机。
[0003] 由于飞行器的高能气体提供的功率与负载消耗的功率具有不可预计性，当二者处 于不匹配的状态时，开环发电机的转速、输出电压将发生变化，严重时会大幅偏离其额定 值。如果电负载过轻，发电机转速会大大升高，导致其输出电压、频率增大，发电机的发热增 大，可能导致发电机过热烧毁，为供电系统带来严重安全隐患。如果电负载过重，发电机转 速急剧下降，效率降低。以上两种情况都是严重的能量失配情况，是工作过程中我们要避免 的。此外，在气源压力和负载变化时，超高速发电机供电系统还会存在频繁的不匹配和重新 匹配。此时，系统运行就是一个能量不匹配和系统调节在匹配的动态过程。
[0004] 由于发电机的输出电压不仅仅与气体做功相关，还与负载功率、发电机内部损耗 相关，发电机的输出电压变化范围极大，输出频率范围极大，转速范围也非常大。而负载通 常要求恒定的供电电压，这就要求在发电机和负载之间必须设置恒电压输出电能变换器。 恒电压输出电能变换器的主拓扑方面，尽管boost和buck-boost以及包括桥式变换器在内 的其他可升压变换器能够将低电压变换为较高的输出电压，但是对于气源压力和励磁均不 可调节的超高速发电机来说，当发电机输出电压较低意味着发电机的气体做功相对于负载 用电是不足的，此时采用这些拓扑实现升压保证输出电压恒定是不可能的，这样调节的后 果是由于从发电机过分汲取电能导致发电机转速过低，输出电压更低，最终结果是发电机 效率降低、输出电压仍然不能保证。而采用降压型变换器则不必考虑这一问题，在发电机气 体做功相对于负载用电较高时，可以通过降压调节实现输出电压恒定。而在不足的情况下， 则采用最大占空比运行，使负载跟随整流器输出电压。
[0005] 恒电压输出电能变换器并不能解决负载用电和发电机气体做功之间的能量不匹 配问题。这是因为，在负载阻抗不变的情况下，恒定电压输出的电能变换器相对于发电机来 说是一个恒功率负载。这一恒功率与较大的气体做功之间的能量差将转化为发电机的内部 损耗，威胁发电机的安全运行。另一方面，在气体处理不足时，恒定电压输出也得不到满足。
[0006] 基于以上分析，威胁系统安全运行和影响平稳供电的原因是开环超高速发电机的 出力与负载用电之间的能量不匹配。因此，所配置的电能变换器不但需要保证恒定电压输 出，而且还必须具有能量匹配功能，以保证发电机的安全运行。传统的功率管理与控制系统 采用多个两端口变换器组合的形式，系统功率密度低，成本高，稳定性差。为解决以上问题， 近年来效果更优的三端口变换器成为研宄与应用的热点。三端口拓扑大体上可以分为：非 隔离式，部分端口隔离式和隔离式几类，根据电源与负载的实际要求择优选配。按照能量匹 配的方式，三端口变换器可分为储能缓冲型和能耗型两种。
[0007] 用于能量管理的三端口系统的端口之一通常连接储能元件，如电池、超级电容 等，如文献"QianZ，Abdel_Rahman0，Al_AtrashH，etal.Modelingandcontrolof three-portDC/DCconverterinterfaceforsatelliteapplications[J].Power Electronics,IEEETransactionson, 2010, 25(3) :637-649"所述为例。但对于飞行器系统 应用，由于对电能变换器的体积和重量要求苛刻，且连续运行时间较短，带储能环节的三端 口变换器并非最佳方案。
[0008] 如图1所示是传统的技术方案，希望通过电能变换器把输出电压变化非常大的发 电机输出变换为恒电压输出，为负载供电。然而，这里存在问题：当负载固定时，由于供电 电压恒定，负载消耗的功率是恒定的，可以认为，此时电能变换器相对于发电机来说是一个 恒功率负载，而由于气源压力不可调节，当气体做功大于所需的用电能量时，多余的气体出 力就转化为其他能量。气体做功除了发电机的输出电能之外，还包括发电机内部热损失、铜 损、铁损、转子动能以及摩擦损耗。
[0009] 当出现以上情况时，发电机转速会严重超速，烧毁发电机。
[0010] 因此，必须采用负载匹配环节进行调整。不但实现转速限制，而且保证负载平稳供 电。
【发明内容】
[0011] 本发明是为了解决现有发电机通过电能变换器输出恒定电压为负载供电时，发电 独立电源系统与负载之间能量失配问题，本发明提供了一种基于自动能耗匹配的超高速发 电机整流器。
[0012] 一种基于自动能耗匹配的超高速发电机整流器，它为串联式能耗匹配的发电机整 流器，它包括三相整流桥、buck降压功率变换器、能耗匹配电路、驱动电路、控制器和1号电 容C1;
[0013] buck降压功率变换器包括1号功率开关管、2号功率开关管、电感和2号电容C2;
[0014] 能耗匹配电路包括3号功率开关管和电阻R，
[0015] 三相整流桥的三相电流输入端用于与超高速发电机的三相电流输出端连接，
[0016] 三相整流桥正极电源输出端同时与1号电容Q的一端、控制器的母线电压信号输 入端、1号功率开关管正极电源输入端和3号功率开关管正极电源输入端连接；
[0017] 三相整流桥负极电源输出端同时与电源地、1号电容Ci的另一端、2号功率开关管 负极电源输出端、2号电容C2的另一端和负载的负向电源输入端连接；
[0018] 1号功率开关管负极电源输出端同时与2号功率开关管的正极电源输入端和电感 的一端连接，电感的另一端与2号电容C2的一端、负载的正向电源输入端、控制器的负载电 压信号输入端和电阻R的一端连接；
[0019] 电阻R的另一端与3号功率开关管的负极电源输出端连接
[0020] 3号功率开关管的驱动信号输入端与驱动电路的2号驱动信号输出端连接，
[0021] 1号功率开关管的驱动信号输入端与驱动电路的1号驱动信号输出端连接，
[0022] 控制器的1号控制信号输出端与驱动电路的1号控制信号输入端连接，控制器的 2号控制信号输出端与驱动电路的2号控制信号输入端连接。
[0023] 控制器包括母线电压采样模块、处理模块、能耗匹配控制模块、输出电压采样模 块、脉宽调制模块和输出恒压闭环控制模块；
[0024] 母线电压采样模块的母线电压信号输入端作为控制器的母线电压信号输入端，
[0025] 母线电压采样模块的母线电压信号输出端与处理模块的电压信号输入端连接，处 理模块的数据信号输出端与能耗匹配控制模块的数据信号输入端连接，
[0026] 能耗匹配控制模块的控制信号输出端作为控制器的1号控制信号输出端；
[0027] 输出电压采样模块的负载电压信号输入端作为控制器的负载电压信号输入端，
[0028] 输出电压采