一种双绕组异步电机交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交直流起动发电系统的控制方法，用于多控制双绕组异步电机交直流起动发电系统向电飞机供电，属于交直流混合发电的技术领域。

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的转速，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。

飞机电源系统经历了几十年的发展，从低压直流电源系统、恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统演变到如今的高压直流电源系统和变频交流电源系统，逐步实现了飞机电源系统大容量、高性能、高功率密度、高效率、高可靠性等要求。纵观国内外飞机电源系统的发展、研究及应用情况，高压直流电源系统和变频交流电源系统是飞机电源的发展趋势。

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。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，南京航空航天大学的研究人员从2012年开始又针对航空变频交流电源，提出了基于DWIG的航空变频交流发电系统。

随着多电/全电飞机技术的快速发展，飞机用电负载趋于多样化，这就要求飞机发电系统既要向电源频率不敏感的负载提供变频交流电，又要向对电源具有较高动态性能要求的负载提高压直流电的交直流混合电源系统。从现有的研究来看，国内还没有关于多电飞机交直流发电系统控制方法的研究。

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交直流起动发电系统的控制方法，针对将双绕组异步电机应用于多电飞机的交直流发电系统提出了控制方法，解决了现有多电飞机交直流发电系统不能满足飞机用电负载多样化带来的用电需求的技术问题。

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交直流起动发电系统的控制方法，

双绕组异步电机交直流起动发电系统，包括：集成在多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机单元、集成在多电发动机低压轴上的第二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、整流桥、第一至第四断路器，第一双绕组异步电机单元控制侧经第三断路器与起动发电驱动单元的一侧功率输出端连接，第一双绕组异步电机单元功率侧经第一断路器与交流电网进线连接，第二双绕组异步电机单元控制侧经第四断路器与起动发电驱动单元的另一侧功率输出端连接，第二双绕组异步电机单元功率侧经第二断路器与整流桥交流侧连接，整流桥直流侧接直流电网进线，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；

控制方法：采用交流电压传感器实时检测第一双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电压，采用直流电压传感器实时检测直流电网进线电压，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，数字信号处理器根据第一双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电压、直流电网进线电压、高压轴转速、低压轴转速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作用下向第一、第二双绕组异步电机单元控制侧提供功率，

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双绕组异步电机单元控制侧输出励磁无功功率和有功功率，运行在电动状态的第一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双绕组异步电机单元控制侧输出励磁无功功率和有功功率，多电发动机高压轴拖动第一双绕组异步电机运行直至第一双绕组异步电机的转速逐渐上升至其发电转速，多电发动机低压轴拖动第二双绕组异步电机运行直至第二双绕组异步电机转速逐渐上升至其发电转速，

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三断路器向第一双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第一双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端经第四断路器向第二双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第二双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，第一、第二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保持合闸状态、断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元与第三断路器连接的功率输出端向第一双绕组异步电机单元控制侧输出使第一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的励磁无功功率，起动发电驱动单元与第四断路器连接的功率输出端向第二双绕组异步电机单元控制侧输出使第二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的励磁无功功率，第一双绕组异步电机功率侧经第一断路器恒定输出目标交流电，第二双绕组异步电机功率侧经第二断路器输出交流电至整流桥交流侧，整流桥直流侧恒定输出目标直流电。

进一步的，一种双绕组异步电机交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三断路器向第一双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第一双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，起动发电驱动单元的另一侧功率输出端经第四断路器向第二双绕组异步电机单元控制侧输出足以使第二双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，具体的方法为：

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的励磁无功功率给第一双绕组异步电机单元，第一双绕组异步电机功率侧经第一断路器输出的交流电压逐渐上升，第一双绕组异步电机在其功率侧输出的交流电压上升至交流发电目标值时进入发电状态，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双绕组异步电机单元，所述初始频率高于第一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的励磁无功功率给第二双绕组异步电机单元，第二双绕组异步电机功率侧经第二断路器输出逐渐上升的交流电至整流桥交流侧，第二双绕组异步电机在整流桥直流侧输出的直流电压上升至直流发电目标值时进入发电状态，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双绕组异步电机单元，所述初始频率高于第二双绕组异步电机转子转速所对应的频率。

再进一步的，一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的控制方法中，起动发电驱动单元与第三断路器连接的功率输出端向第一双绕组异步电机单元控制侧输出使得第一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的励磁无功功率，起动发电驱动单元与第四断路器连接的功率输出端向第二双绕组异步电机单元控制侧输出使得第二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的励磁无功功率，具体的方法为：

第一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双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第一双绕组异步电机恒定输出目标交流电的励磁无功功率给第一双绕组异步电机单元；

第二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双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持整流桥恒定输出目标直流电的励磁无功功率给第二双绕组异步电机单元。

作为一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的控制方法的进一步优化方案，双绕组异步电机交直流起动发电系统中的起动发电驱动单元包括：起动电源、二极管、电容、两个变换器以及断路器组，其中，

起动电源正极接二极管阳极，二极管阴极、电容正极板与两个变换器任意一侧桥臂的公共连接点相连，起动电源负极、电容负极板与两个变换器另一侧桥臂的公共连接点相连，一个变换器的输出端端子经断路器组与另一个变换器的输出端端子连接。

作为一种双绕组异步电机交直流起动发电系统的控制方法的再进一步优化方案，起动发电驱动单元中，一个变换器包含的桥臂数目和第一双绕组异步电机的相数相同，另一个变换器包含的桥臂数目和第二双绕组异步电机的相数相同，每个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交直流起动发电系统的控制方法的更进一步优化方案，变换器中，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：

提出了一种多电飞机交直流发电系统的控制方法，尤其是针对将双绕组异步电机应用于多电飞机的交直流起动发电系统的控制方法，填补了现有研究的空白，实时检测高压轴转速、低压轴转速、第一双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电压、直流电网进线电压，通过生成多电发动机不同转速区域内控制策略实现对双绕组交直流起动发电系统中各断路器开关状态的控制以及对起动发电驱动单元中开关管的驱动，在控制集成在多电电动机高压轴上DWIG单元输出交流电的同时，控制集成在多电电动机低压轴上DWIG单元输出交流电，对低压轴上DWIG单元输出交流电整流得到直流电，实现了多电飞机电源的交直流供给。

附图说明

图1为双绕组异步发电机的交直流起动发电系统的拓扑结构。

图2为起动发电驱动单元的电路图。

图中标号说明：1、第一双绕组异步电机，2、第二双绕组异步电机，3、起动发电驱动单元，4、整流桥，5、第一滤波电感，6、第二滤波电感，7、第一励磁电容，8、第二励磁电容，9、直流母线电容，10、交流电网，11、直流电网，12、第一断路器，13、第二断路器，14、第三断路器，15、第四断路器，16、数字信号处理器，17、驱动电路，18、交流电压传感器，19、直流电压传感器，20、第一速度传感器，21、第二速度传感器，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，B5、第五断路器，B6、第六断路器，B7、第七断路器，P、起动电源，D、二极管，C、电容。

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。

双绕组异步电机交直流起动发电系统如图1所示，包括：集成在多电飞机多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机1、第一滤波电感5、第一断路器12、第二断路器13、第一励磁电容7、起动发电驱动单元3、集成在多电飞机多电发动机低压轴上的第二双绕组异步电机2、第二滤波电感6、第三断路器14、第四断路器15、第二励磁电容8、整流桥4、直流母线电容9。第一双绕组异步电机1、第一滤波电感5、第一断路器12、第三断路器14、第一励磁电容7组成集成在多电飞机多电发动机高压轴上的第一双绕组异步电机交流发电单元，第二双绕组异步电机2、第二滤波电感6、第二断路器13、第四断路器15、第二励磁电容8、整流桥4、直流母线电容9组成集成在多电飞机多电发动机低压轴上的第二双绕组异步电机直流发电单元，起动发电驱动单元3具有两侧功率输出端。

第一双绕组异步电机1功率绕组的出线经过第一断路器12与第一励磁电容7并联，第一双绕组异步电机1功率绕组在第一断路器12闭合时直接与交流电网10连接，第一双绕组异步电机1控制绕组的出线与第一滤波电感5的一端连接，第一滤波电感5另一端经过第三断路器14与起动发电驱动单元3一侧功率输出端子连接，起动发电驱动单元3另一侧功率输出端子经第四断路器15与接在第二双绕组异步电机2控制绕组出线上的第二滤波电感6连接，第二双绕组异步发电机2功率绕组的出线经过第二断路器13与整流桥4的交流侧连接，整流桥4的直流侧并联有直流母线电容9，整流桥4的直流侧与直流电网11连接。

起动发电驱动单元如图2所示，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组成的一个变换器，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组成的另一个变换器，第五断路器B5、第六断路器B6、第七断路器B7组成的断路器组，以及起动电源P、二极管D、电容C。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，串联的第十一开关S11、第十二开关S12组成一相桥臂。并联在两个变换器的输入侧的电容C、起动电源P和二极管D组成的串联支路，以及并联的六相桥臂组成一个对称结构的起动发电驱动单元。a、b、c三个连接点引出起动发电驱动单元的一侧交流输出端子(即为一侧功率输出端子)，d、e、f三个连接点引出起动发电驱动单元的另一侧交流输出端子(即为另一侧功率输出端子)。a、b、c三个连接点分别经过第五断路器B5、第六断路器B6、第七断路器B7与d、e、f三个连接点连接。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，两个变换器用于向第一、第二双绕组异步电机提供励磁无功功率和有功功率在系统起动时，通过闭合断路器组使两个变换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，两个变换器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。

图1所示系统中，第一、第二双绕组异步电机均为三相电机，第二双绕组异步电机也可以选用其它相数的电机，相应地，向第二双绕组异步电机提供功率的变换器相数、与第二双绕组异步电机功率侧连接的整流桥相数也与第二双绕组异步电机相数相同。当第二双绕组异步电机相数大于三时，驱动发电驱动单元中的断路器组包括三个断路器，与第一双绕组异步电机连接的变换器的各相桥臂中点分别经过一个断路器和与第二双绕组异步电机连接的变换器中三相桥臂中点连接。

图1所示发电系统的控制方法，采用交流电压传感器18实时检测第一双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电压，采用直流电压传感器19实时检测直流电网进线电压，采用安装在多电发动机高压轴上的第一速度传感器20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21实时检测低压轴转速，数字信号处理器16根据第一双绕组异步电机单元功率侧输出的交流电压、直流电网进线电压、高压轴转速、低压轴转速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17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作用下向第一、第二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，大体分为：起动阶段、起动向发电转换的阶段、发电建压阶段、稳定发电阶段。

在起动阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器合闸、第二断路器分闸、第三断路器分闸，第四断路器分闸、断路器组合闸，起动发电驱动单元中的两侧三相桥臂输出短接，起动发电驱动单元一侧三相桥臂输出经过第三断路器、第一滤波电感向第一双绕组异步电机的控制绕组提供励磁无功功率和有功功率，此时运行在电动状态的第一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。

在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、第二断路器分闸、第三断路器分闸，第四断路器分闸，断路器组分闸，起动发电驱动单元停止向第一双绕组异步电机的控制绕组提供励磁无功功率和有功功率，此时高压轴拖动第一双绕组异步电机运行直至第一双绕组异步电机的转速逐渐上升至其发电转速，低压轴拖动第二双绕组异步电机运行直至第二双绕组异步电机的转速逐渐上升至其发电转速。

在发电建压阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器合闸、第二断路器合闸、第三断路器合闸，第四断路器合闸、断路器组保持分闸状态，起动发电驱动单元中的一侧三相桥臂输出经过第三断路器、第一滤波电感向第一双绕组异步电机的控制绕组提供足自初始频率(略高于第一双绕组异步电机转子转速所对应的频率)开始递减的励磁无功功率，第一双绕组异步电机功率绕组经第一断路器输出的交流电压逐渐上升，第一双绕组异步电机在其功率绕组输出的交流电压上升至交流发电目标值115V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双绕组异步电机单元，起动发电驱动单元中的另一侧三相桥臂输出经过第四断路器、第二滤波电感向低压轴双绕组异步发电机的控制绕组提供自初始频率(略高于第二双绕组异步电机转子转速所对应的频率)开始递减的励磁无功功率，第二双绕组异步电机功率绕组经第二断路器输出逐渐上升的交流电至整流桥交流侧，第二双绕组异步电机在整流桥直流侧输出的直流电压上升至直流发电目标值270V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断路器合闸、第二断路器合闸、第三断路器合闸、第四断路器合闸、断路器组分闸，起动发电驱动单元中的一侧三相桥臂输出经过第三断路器、第一滤波电感向第一双绕组异步电机的控制绕组输出使第一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的励磁无功功率(当第一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双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持第一双绕组异步电机恒定输出目标交流电的励磁无功功率给第一双绕组异步电机单元)，起动发电驱动单元中的另一侧三相桥臂输出经过第四断路器、第二滤波电感向第二双绕组异步电机的控制绕组输出使第二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的励磁无功功率(当第二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双绕组异步电机转速相适应、幅值足以维持整流桥恒定输出目标直流电的励磁无功功率给第二双绕组异步电机单元)，第一双绕组异步电机功率绕组经第一断路器恒定输出目标交流电，第二双绕组异步电机功率绕组经第二断路器输出交流电至整流桥交流侧，整流桥直流侧恒定输出目标直流电，此时，集成在高压轴上的第一双绕组异步电机和集成在低压轴上的第二双绕组异步电机均运行在发电状态，系统输出交直流电能，能够满足多电飞机的多样化用电需求。