专利名称：低压起动高压发电的三相异步电机直流起动发电系统的制作方法
技术领域：
本发明的异步电机高压直流起动发电系统，属起动/发电机，应用于航空、战车、船舶等独立电源系统。
背景技术：
起动/发电双功能系统中的一个关键部件是电机，当前，有无刷同步电机、开关磁阻电机和异步电机等类型的电机被开发为起动发电电机。其中笼型异步电机结构坚固可靠、易维护、可高速运行，基于异步电机的起动/发电双功能系统被人们越来越关注。1997-2000年美国NASALewis研究中心的专家和一些学者根据前十几年研究的结果，连续在IEEE杂志和会议中撰文，推荐异步电机为航空用起动/发电系统电机。在汽车起动/发电系统及混合动力的研究报导中，异步电机被大量采用作起动发电电机。如美国福特汽车工业公司在比较了开关磁阻电机和异步电机后，采用了异步电机。与国外全面的研究相比，国内在基于异步电机的独立电源系统方面的研究正在展开。
尽管异步电机本质上具有电动/发电可逆运行的能力，但是，同一电机在电动和发电运行的工况往往是有较大的不同的，这使得设计起动/发电双功能系统的难度较大，表现在起动时，电机处于发电机点火速以下的低速区，供电电源通常为低压(如48V蓄电池)；电机工作于大电流、输出高转矩；发电时，电机处于大大高于发动机点火速的高速区，它要求满足电源动静态高品质的要求，系统发电电压为高压(如270V高压直流)，这二者往往是相互矛盾的。因此，起动/发电双功能系统不同于一般的电动/发电可逆运行，技术含量较高，实现难度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能解决电机低压起动与高压发电输出相矛盾的异步电机高压直流起动发电系统。
该低压起动高压发电的三相异步电机直流起动发电系统，包括三相异步电机、起动电源和主回路功率开关变换器，其特征在于，所述主回路功率开关变换器包括两个三相逆变桥，其中一个直流母线与起动电源相连的三相逆变桥的三个桥臂中点与异步电机三相绕组一侧的三个出线端相连，另一个直流母线与负载相连接的三相逆变桥的三个桥臂中点与异步电机三相绕组另一侧的三个出线端相连，两个三相逆变桥的直线母线通过转换开关相互并联或分断。由功率开关实现异步电机起动运行时，电机的三相绕组采用“Δ”型接法，当异步电机转入发电运行时，电机的三相绕组自动转换成“Y”型接法。其工作原理是，当异步电机起动运行时，转换开关闭合，两个三相逆变桥并联工作，每两个桥臂由相同的PWM脉冲控制，电机三相绕组按“Δ”型连接工作，由于相电压等于线电压，相电压较“Y”型接法要高倍，在满足起动至发动机点火速度的条件下，所需的母线直流电压较低，适应于低压蓄电池供电，并且两个三相逆变桥并联工作，共同分担起动运行时的大电流，这样就实现了电机的低压起动；当异步电机由起动运行阶段转入发电运行工作时，转换开关处于打开状态，电机三相绕组由三相逆变桥的功率开关转换成适合于发电运行的“Y”型接法，连接于负载与异步电机三相绕组出线端之间的三相逆变桥进行发电机的PWM控制，这样就实现了电机的高压输出。
四
附图1是低压起动高压发电的三相异步电机直流起动发电系统主电路拓扑结构示意图。
图1中符号名称B1-B6为相逆变桥的桥臂，K为转换开关。
附图2是电机起动运行是电机三相绕组的“Δ”型接法示意图。
附图3是电机发电运行是电机三相绕组的“Y”型接法示意图。
附图2与图3中的符号名称，Udc、输出直流电压、C、电容、isaisbisc分别为A相、B相和C相的相电流，UsaUsbUsc分别为A相、B相和C相的相电压。
附图4是异步电机起动过程直接转矩控制系统结构示意图。
附图5(a)是电机三相绕组“Y”型接法的电压矢量示意图。
附图5(b)是电机三相绕组“Δ”型接法的矢量示意图附图6是异步电机发电过程瞬时转矩控制系统结构示意图。
上述附图4与附图6中的符号名称Ws-定子转速，Ψs-定子磁链，Ψr-转子磁链，Te*-给定转矩，Te-电磁转矩，Udc-输出直流电压，θn-扇区号，θ-磁链矢量与参考坐标轴夹角，Ψ磁链比较输出，τ转矩比较输出，Us等效两相坐标下电压矢量，is等效两相坐标下电流矢量，Sa、Sb、Sc表示开关状态。
五具体实施例方式
附图1是本发明主电路拓扑结构示意图，本电路的结构，包括异步电机，起动电源和主回路功率开关变换器。其中主回路功率开关变换器包括两个三相逆变桥，其中电路左侧的三相逆变桥由第1桥臂B1、第2桥臂B2和第3桥臂B3的三个桥臂组成，该三相逆变桥以直流母线为输出，连于负载，供给高压直流电能，三个桥臂中点连接于异步电机三相绕组一端的三个出线端；电路右侧的三相逆变桥由第4桥臂B4、第5桥臂B5和第6桥臂B6的三个桥臂组成，该三相逆变桥的直流母线连于起动电源，而三个桥臂中点连接于异步电机三个绕组另一端的三个出线端，其特点是两个三相逆变桥的两个输出端通过转换开关K相互并联或分断。当异步电机作起动运行时，转换开关K处于闭合状态，两个三相逆变桥并联工作，分担起动时的大电流，控制方式为第1桥臂B1与第2桥臂B2，第3桥臂B3与第4桥臂B4，第5桥臂B5和第6桥臂B6均并联工作，由相同的PWM脉冲控制，电机的三个绕组如图2所示的“Δ”型接法方式工作，由于相电压等于线电压，相电压较“Y”型接法提高了倍，在满足电机起动至发动机点火速度的条件下，所需的母线直流电压比较低，实现了电机的低压起动。当异步电机作发电运行工作时，转换开关K处于打开状态，电机的三个绕组通过功率开关转换为如图3所示的“Y”型连接方式工作，电路右侧三相逆变桥的第4桥臂B4、第5桥臂B5和第6桥臂B6的桥臂的上开关管关断、下开关管开通(零矢量000)，电路左侧三相逆变桥的第1桥臂B1、第2桥臂B2和第3桥臂B3进行发电机的PWM控制，实现了电机的高压输出。
本系统的起动运行控制和发电运行控制，均采用现有的控制技术方法。
起动过程的控制系统结构如图4所示。检测母线电压、定子电流，进行3/2坐标变换，估计出电机的定子磁链和转矩，再通过磁链和转矩的滞环比较，根据预置的开关表，在不同的扇区优选合适的电压矢量，实现对磁链和转矩的控制。根据起动过程中Δ接法电机中的直接转矩控制技术实施特点。电机从Y型改为Δ接法时，电压矢量、电流矢量、磁链与转矩的计算方法均要相应改变。
三相异步电机变换器控制运行时，不论电机为Y型还是Δ型连接，根据变换器的不同开关状态，均有八个电压矢量，如表1所示，在α-β平面表示如图5(a)和图5(b)所示。与Y型连接的电机相比，Δ型连接的电压矢量的特点为①有效电压矢量的幅值增加了倍，可以在低压起动时达到较高的转速与较大的转矩；②对应的有效电压矢量均逆时针移了30°。
表1 Y型与Δ型连接电机的电压矢量 实施Δ型接法电机的直接转矩控制时，因6个有效电压矢量相对于Y接法的电机中逆时针移了30°，要注意道扇区划分有差别，并且根据开关状态决定的电压矢量计算磁链的公式也不同。Y型、Δ型连接磁链与转矩的滞环控制环节相同，电压矢量的优选开关表相同。
起动运行结束，发动机点火运转，系统换至“Y”接法发电运行。发电运行控制策略结构如图6所示。当发生负载变化时，电压调节器根据检测到的负载功率(输出电压电流之积)的变化及电压与给定电压的偏差，输出发电机的给定转矩，前者用于转矩前馈调节，后者用于PI调节以保证电压精度。给定转矩可反映负载功率的变化，问题是必须控制发电机的电磁转矩Te跟上这种变化，越快越好。已知改变电磁转矩最快的办法，是直接转矩控制技术。该转矩控制技术转化到电力电子变换器控制的异步电机发电运行中，为区别起见，称为“异步发电机的瞬时转矩控制技术”(已获发明专利)。发电运行时扇区的划分及电压矢量为“Y”接法形式，转矩给定为负。通过优选空间电压矢量来快速改变电磁转矩，使系统满足瞬时转矩控制技术的要求。通过瞬时控制电机的电磁转矩来动态调节电机的机电能量转换与负载的平衡，维持系统输出电压的恒定，这是异步发电机瞬时转矩控制策略的根本所在。
权利要求
1.一种低压起动高压发电的三相异步电机直流起动发电系统，包括三相异步电机、起动电源和主回路功率开关变换器，其特征在于，所述主回路功率开关变换器包括两个三相逆变桥，其中一个直流母线与起动电源相连的三相逆变桥的三个桥臂的中点与异步电机三相绕组一侧的三个出线端相连，另一个直流母线与输出负载相连接的三相逆变桥的三个桥臂中点与异步电机三相绕组另一侧的三个出线端相连，由功率开关构成低压起动“Δ”连接，高压发电“Y”连接，两个三相逆变桥的直流母线通过转换开关相互并联起来，起动运行并联，发电运行分断。
全文摘要
一种低压起动高压发电的三相异步电机直流起动发电系统，包括三相异步电机、起动电源和主回路功率开关变换器，其特点是所述主回路功率开关变换器包括两个三相逆变桥，其中一个直流母线与起动电源相连的三相逆变桥的三个桥臂的中点与异步电机三相绕组一侧的三个出线端相连，另一个直流母线与输出负载相连接的三相逆变桥的三个桥臂中点与异步电机三相绕组另一侧的三个出线端相连，由功率开关构成低压起动“Δ”连接，高压发电“Y”连接，两个三相逆变桥的直流母线通过转换开关相互并联，起动运行并联，发电运行分断。本系统解决了电机低压起动和高压发电输出的矛盾，应用于航空、战车、船舶等独立电源系统。
文档编号H02P27/04GK101064460SQ20071002100
公开日2007年10月31日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者黄文新, 胡育文 申请人:南京航空航天大学