专利名称：高功率因数高可靠的航空发动机专用电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机发动机专用电源系统，属于电气技术学科中的电力电子变换技术及电机电器技术。
背景技术：
航空发动机的专用电源系统由永磁交流发电机、整流桥和DC/DC变换器构成，要求专用电源系统在发动机转速变化范围15% -115%能给发动机控制器供电，并仅给发动机控制器供电，这样不受飞机上其他用电设备干扰，工作可靠性高。在传统的永磁同步电机输出三相电源的模式中，只有一路三相输出，当该电机的电枢绕组发生短路故障时，会导致用电设备无法正常工作。如果使用两个电机互为备份，会增加电机的体积重量，安装方式复杂。本专利采用了在同一个多对极永磁电机上，通过合理布置定子绕组的位置及连接方式，来实现一个电机、两路三相输出的功能，且该两路三相输出的电枢绕组在磁路上几乎独立，互相影响较小，当其中一路电枢绕组发生短路故障时，另外电枢绕组能正常工作。实现了可靠的容错功能，并且结构简单，成本较低。传统的电源系统中存在整流桥，整机的效率不能在根本上提高，尤其是在发动机转速低、输出电流大的场合，整流桥的损耗尤为严重。用开关管替换整流桥下臂二极管，可以提高电机负载功率因素和系统效率，而且电路结构简单、驱动方便。
发明内容
新型高可靠性飞机专用电源系统采用飞机发动机直接驱动的永磁同步发电机与宽电压输入范围的变换装置的方案。系统结构简单、效率高、可靠性高和适用的转速范围宽。该系统采用飞机发动机直接驱动的两相永磁同步发电机与宽电压输入范围的变换装置相结合的方案。首先，本发明在传统的多电机容错电路的基础上创新，实现同一个两对极电机两路输出三相电源，同时两路电压输出间磁路几乎独立，实现很强的容错功能。其主要特征在于在两对极永磁同步电机中，定子绕组通过顺序连接、串绕的方式，输出两路三相电压。其次，在传统的整流桥电路基础上创新，两路三相电源分别输入到三相半控整流电路，通过闭环控制开关管，使电路工作在不同的升降压模式，最终得到稳定电压，其主要特征在于该电路由前级三相半控整流电路和后级BUCK电路组成，前级电路的中下管在输出电压较低时导通，并利用电枢绕组的自感作为电感，工作在BOOST (升压)电路状态。高压输出时下管关断，与其反并联的二极管(或MOSFET的体二极管)导通，前级电路工作在三相全桥整流状态。最后由后级BUCK(降压)变换器降压，稳定输出电压。 本专利采取的这种永磁同步发电机与宽电压输入范围的变换装置的方案，具有以下一些优点(I)在同一个两对极永磁同步电机上实现两路磁路独立的三相输出，其中一路故障时，另外一路均可以正常运行，有很强的容错能力，结构简单，功率密度大。
(2)电路的输入电压的范围可以很宽，当电机转速变化较大，影响输出电压值变化较大时，通过闭环控制，仍能稳定输出直流电压，运行可靠。(3)电路采用半控的形式，当输入电压较低时，电枢绕组即可充当BOOST电路中的电感,无需其他独立的电感,从而降低了系统的体积和重量。
本文中对两对极两路三相输出永磁同步发电机进行专利的说明。图I是两对极两路三相输出永磁同步发电机的结构图
图2是三相半控整流电路示意3是三相半控整流电路的控制电路示意4是BUCK电路的控制电路示意5是正常工作时一路三相输出电压及电枢绕组电流波形图6是一路一相短路时另外一路三相输出电压及电枢绕组电流波形图7是一路三相短路时另外一路三相输出电压及点数绕组电流波形图I——图4的主要符号名称(l)vinl、V' inl——输入交流电压；Vin2、V' in2——输入直流电压；V' 0l、r。2——输出直流电压。(2)c、c,——前级输出滤波电容；c0> C'。——后级输出滤波电容。Os1Ns^s' i s' 3、s、s'——功率开关管。⑷D1-D^D' D' 3——整流二极管；D4 D6、D' 4 D' 6、D、D'——续流二极管。(5)L-电感。
具体实施例方式本专利的电机拓扑如图I所示，转子为两对永磁交错放置，定子上为电枢绕组，将定子圆周分成均匀的两段(两个半周)，每段上为6个槽，三相绕组均通过串绕的形式与相等间隔为2个槽的绕组连接，最后由相邻的均间隔I个槽的三个槽引出A、B、C三相电压线端。永磁体为两对极，定子相对于转子转动半周180度机械角度，即在磁场上运行一个周期，而A、B、C三相物理位置上间隔60度，所以输出相位相差120度的三相电压。对应的另一半周输出另外一组三相电压。本专利的主电路拓扑如图2所示。主体上分为两级，前级为三相半控整流电路，输出电压Vtjl,经过滤波电容,输入到后级,后级为BUCK电路。其中，前级三相半控整流电路上有三相电机绕组，功率开关管、整流二极管、续流二极管、输出滤波电容。其连接方式为开关S1ZiS2ZiS3的漏极分别与输入三相交流电源Uinl的三相A/B/C引出端相连，栅极输入为闭环控制信号。三个源极相连并与后级的BUCK电路的负输入端相连。整流二级管D1ZD2ZD3的阳极分别与S1ZiS2ZiS3的漏极相连，阴极连在一起并与后级BUCK电路的正输入端相连。续流二极管D4/D5/D6的阳极分别与S1ZiS2ZiS3的栅极相连，阴极分别与S1Z^S3的漏极相连。前级输出滤波电容C的两端分别与后级BUCK电路的正端和负端相连。后级BUCK电路有功率开关管、续流二极管、电感、滤波电容。其连接方式为开关管S的漏极接前级输出的正端，栅极与续流二极管D的阴极相连。续流二极管D的阳极与前级输出的负端相连。电感L连接在续流二极管D的阴极与输出滤波电容C。的正端之间，滤波电容的负端与输出端的负端相连。图3为三相半控整流电路的控制电路流程图，对前级输出电压U01电压采样，与参考电压Uiefl比较，经过误差放大器进行误差放大，再与已有的三角载波通过比较器进行比较，输出为PWM方波调制波，将该调制波信号输入到控制逻辑生成电路输入端，输出脉冲波信号来控制开关管S1ZiS2ZiS3的开关，以尽量稳定其前级输出端电压。具体的控制逻辑为当检测到前级输出电压Utjl过高时，通过闭环控制功率管S1ZiS2ZiS3均为关断，同时04/1)5/1)6续流，前级运行在三相全桥整流电路工作状态；当检测到前级输出电压Utjl过低时，通过闭环控制功率管S1ZiS2ZiS3均为开通，此时d4/d5/d6为反向不导通，电机绕组均充当BOOST电路中的电感，前级运行在BOOST升压电路工作状态；当电机转速较低期间，输出三相电压较低，从而会使得前级输出电压U01过低，达到某一范围值时，通过闭环控制功率管，使前级稳定的工作在BOOST电路模式，升压到U01为38V直流输出电压；当电机转速较高期间，输出三相 电压较高，从而会使得前级输出电压U01容易过高，通过闭环控制功率管，使前级大部分时间稳定工作在全桥整流模式，输出电压用于后级的输入端。图4为后级BUCK电路的控制电路流程图，对后级输出电压Utj2电压采样，与参考电压Uref2通过比较放大器进行误差放大，输出值与电感电流采样值*i通过电压比较器生成PWM方波调制波，该调制波信号即可以直接控制功率管S的开通和关断。该控制中采取了输出电压闭环和电流环的双闭环控制，更容易实现输出稳定的直流电压。通过ANSOFT软件对两对极两路输出的永磁同步发电机在带阻性负载不变的情况下进行了故障仿真对比。图5为正常工作时一路三相电压的输出及电流波形，通过计算得到该路输出功率为P = 110. 21KW ;图6为一路一相电枢绕组短路时另外一路的三相输出电压及电流波形，通过有效值的计算得到该路输出功率为Palstort = 106. 57KW ;图7为一路三相电枢绕组均短路时另外一路的三相输出电压及电流波形，通过计算得到该路输出功率为Pt53stot= 108.99KW。从波形图上可以看出，当其中一路发生短路故障时，另外一路输出的电压波形几乎不变，并且输出功率基本不变。
权利要求
1.本发明涉及一种飞机发动机专用电源系统，系统结构简单、效率高、可靠性高和适用的转速范围宽。该系统采用飞机发动机直接驱动的三相永磁同步发电机与宽电压输入范围的变换装置相结合的方案。该系统选用两对极、两路三相输出的永磁交流发电机，两路三相电源由同一个电机输出，但在磁路上独立，当其中一路电枢绕组短路时，另外一路绕组仍能正常输出，具备很强的容错能力。
2.两路三相电压分别输入到三相半控整流电路，该电路中下开关管在输入线电压较低时导通,利用电枢绕组的自感作为电感,充当BOOST (升压)电路电感，无需独立的电感，从而减小系统的体积和重量。闻压输出时下开关管关断，与其反并联的二极管(或MOSFET的体二极管)导通，电路起三相全桥整流作用后级再由BUCK(降压)变换器实现输出电压的稳定。
全文摘要
航空发动机专用电源系统由永磁交流发电机和DC/DC变换器构成。本发明在传统的永磁同步发电机基础上，采用两对极永磁电机，实现两路三相输出，且两路电枢绕组在磁路上几乎独立，当其中一路发生短路故障时，另外一路能正常工作。实现了可靠的容错功能，结构简单；针对发动机转速变化范围大的特点，DC/DC变换器采用两级变换方案，前级是三相半控整流器，后级是BUCK变换器。当发动机转速较低时，通过三相半控整流器提高电机的输出功率因数，提高电机输出功率；当发动机转速较高时，关断功率管使前级工作在三相全桥整流状态。后级实现输出电压的稳定。转速较低时，前级工作在BOOST状态，利用发电机电枢绕组的自感作为电感，减小了系统的体积和重量。
文档编号B64D27/24GK102664577SQ20121013142
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者朱丹, 王慧贞, 赵耀, 邢栋, 陈颖玉 申请人:南京航空航天大学