一种两相励磁结构三级式起/发电机直流励磁控制方法与流程

本发明属于两相励磁结构三级式起/发电机控制技术领域，涉及一种基于恒转速电压积的直流励磁控制方法。

背景技术：

目前，航空交流电源系统多采用三级式无刷电机作为交流发电机，该类电机主要由主发电机、主励磁机、副励磁机(永磁机)和旋转整流器构成，三级式无刷电机还被广泛应用于电动汽车及风力发电系统领域。为了减轻设备重量，提高功率密度，该类电机往往被设计成既能运行在发电状态又能运行于电动状态，其技术难度主要在于两种状态的励磁问题。随着机载用电设备及功率等级的提高，三级式起/发电机容量越来越大，其励磁容量和功率也相应随之增加。

为了解决三级式起/发电机的励磁问题，传统的解决方案有两种：单相交流励磁与三相交流励磁。其中单相交流励磁因为受到励磁机本体容量及供电电压幅值限制，励磁效率不高，定转子能量传输较差。三相交流励磁则需要大幅度改变电机本体结构设计，绕组利用率较差，且交直流励磁切换方式复杂。

在上述相关研究的基础上，中国专利CN103457427A，CN103532454A公开了采用励磁绕组为两相对称绕组的两相励磁方式，当电机处于起动状态下时，励磁机采用相差90°的两相交流电进行励磁；电机处于发电状态下时，将两相励磁绕组反向串联后通入直流电进行励磁。

针对发电状态，上述专利仅描述了直流励磁电流的通入方式，却未提出一种具体的控制方法，也没有说明励磁电流的控制规律，使得采用两相励磁结构的三级式起/发电机直流励磁控制的具体实现变得困难。

技术实现要素：

本发明的目的：提出一种能够实现三级式起/发电机发电时励磁电流的稳定控制的方法。

本发明的技术方案：一种两相励磁结构三级式起/发电机直流励磁控制方法，其特征为：将直流励磁输入电压U_dc与起/发电机转速n的乘积定为常数，根据起/发电机转速n的采集值，计算直流励磁输入电压U_dc，根据计算得出的直流励磁输入电压U_dc得到励磁机转子三相输出目标电压Ua、Ub、Uc。

优选地，根据以下公式计算励磁机转子三相输出目标电压Ua、Ub、Uc，

其中，θ_r＝ω_rt，R_s为励磁机定子绕组内阻，ω_r为励磁机转子电角速度，θ_r为励磁机转子电角度，L_m为励磁机定转子互感，L_s为励磁机定子绕组自感。

本发明的优点：本发明提出的一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法，通过调节电机转速与主励磁机定子外加直流励磁电压幅值的乘积，使其保持不变从而能够保证主励磁机三相交流电输出幅值稳定，进而为主发电机发电过程提供足够的平稳的励磁电流，保证三级式起/发电机发电输出电压的平稳控制。

与现有技术相比，该方法的有益效果在于：

(1)采用两相励磁结构的三级式起/发电机既能保证起动过程中的励磁容量同时又能保证发电过程中的励磁容量；

(2)与传统直流励磁控制方法相比，该方法能够适用于三级式起/发电机从交直流励磁切换点运行至额定转速点阶段的主发电机励磁电流控制，同时也能满足三级式起/发电机达到额定转速后主发励磁电流的平稳控制；

(3)在控制方法的实现方面，相比于传统的模拟调压电路，可以采用体积更小、功重比更高的集成数字电路予以实现，编程操作简单，有利于减小控制器体积重量；

(4)该方法能够实现励磁电流的稳定控制，有利于主发电机输出电压幅值的可靠调节。

附图说明：

图1为采用两相励磁结构的三级式起/发电机直流励磁结构图；

图2为一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制框图；

图3为一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法Matlab仿真模型；

图4为Matlab仿真主励磁机定子直流励磁电压U_dc以及模拟转速变化曲线；

图5为Matlab仿真主励磁机转子三相电压及定子电流变化曲线；

图6为Matlab仿真主发电机励磁电压及励磁电流的变化曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提出一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法，该控制方法能够保证三级式起/发电机在发电过程中主发电机励磁电流保持稳定。

一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法，其特征在于三级式起/发电机主励磁机定子采用两相对称励磁绕组，电机起动达到一定转速之后通过相应的接触器将主励磁机两相励磁绕组反串联形成一相绕组，通过调节控制副励磁机经可控整流产生的直流电压幅值与电机转速的乘积保持恒定实现恒转速电压积控制。该控制方法能够保证主励磁机输出的三相交流电幅值稳定，进而为主发电机的发电运行提供足够的平稳的励磁电流。

具体特征在于步骤如下：

步骤1：采用直流励磁方式的两相励磁绕组通过外部接触器实现反向串联，如附图1所示，此时流过α、β两相绕组中的电流大小相等，方向相反，即i_α＝i_dc、i_β＝-i_dc。

步骤2：主励磁机定子绕组α、β相电流通过两相静止坐标系变换为dq0旋转坐标系可得：

其中，i_ds、i_qs分别为定子交、直轴绕组电流；θ_r＝ω_rt为转子电角度。

步骤3：将i_ds、i_qs带入下式两相主励磁机电压方程中：

在主励磁机转子绕组空载情况下，各相电流i_dr、i_qr为0。稳态时式(2)中微分项均为0，据此可得主励磁机转子输出电压的dq轴分量为：

式(2)、(3)中，u_ds、u_qs分别为主励磁机定子交、直轴绕组电压；u_dr、u_qr分别为主励磁机转子交、直轴绕组电压；R_s、R_r分别为定转子绕组内阻；ω_r为转子电角速度；p为微分算子，θ_r为转子电角度，L_m为主励磁机定转子互感。

步骤4：由于两相直流励磁由α、β相反向串联构成，则上式(1)、(2)、(3)中i_dc可由下式进行表示：

式中，L_s为定子绕组自感。

步骤5：由同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系的变换公式为：

其中，U_a、U_b、U_c分别为主励磁机转子a、b、c相绕组电压；θ_r＝ω_rt。

步骤5：经dq反变换后可得出直流励磁方式下，主励磁机的三相输出电压为：

其中，称作直流励磁状态下的电压转换系数，K_udc反应了采用直流励磁方式的两相励磁机的电压转换效率。

式(6)即为直流励磁时主励磁机的三相输出电压表达式，直流励磁效果与直流电压转换系数K_udc及直流励磁电压U_dc有关，而直流电压转换系数则与电机的转速ω_r成正比，直流励磁电压U_dc则由副励磁永磁机产生的三相输出电压经可控整流得到，副励磁机三相输出电压幅值与电机的转速也呈现正比例关系，因而可以通过控制直流励磁电压幅值随着电机转速发生变化，从而能够保证主励磁机产生的转子输出电压电流保持恒定。

一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法其控制框图如附图2所示。

为给定主励磁机定子外加直流电电压与电机转子转速的乘积，三级式起/发电机转子转速可通过相应的转子位置检测得到，通过控制电机转速与主励磁机定子外加直流励磁电压幅值的乘积保持恒定就可以保证主励磁机转子输出的三相电压幅值恒定，从而使得提供给主发电机的励磁电流保持稳定。

为验证本发明控制方法的可行性和有效性，采用Matlab8.1进行仿真验证。

图3为在Matlab软件中建立的恒转速电压积直流励磁控制模型，其中Excitator DC Mode模块为根据式(6)方程由Simulink封装的主励磁机模型，输出三相绕组通过Rotating Rectifier Bridge旋转整流器接阻感负载(用以等效主发电机转子绕组)，输出观测量I_f、U_f为主发电机的励磁电流、励磁电压，要求主发电机励磁电流I_f在电机起动过程中平均值为36A，波动不超过5％。

仿真采用1e-5Fixed-Step定步长，ode3(Bogacki-shampine)解算器；仿真时间2.0s。

一种两相励磁结构三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制方法仿真实施方式分为以下几个步骤：

1.主励磁机转速给定为斜坡输入，额定转速值3800rpm，如附图4所示；

2.主励磁机转速电压积给定量为4.2855×10⁴，该给定值可通过理论计算和仿真实验得到；

3.将该转速电压积通过乘除运算计算得到主励磁机定子直流输入电压U_dc，将U_dc与转速n输入主励磁机直流励磁模块，经过运算得到转子三相输出电压Ua、Ub、Uc。

4.主励磁机转子三相输出电压经旋转整流器整流后输出励磁电压U_f至主发电机转子绕组，图3模型中主发电机转子等效为RL阻感负载，电压U_f在主发电机转子上产生励磁电流I_f；

5.在主发电机励磁电流I_f及外接三相交流电压的作用下主发电机转速上升，其理想的转速上升曲线由斜坡函数进行模拟等效，限幅为3800r/min；

6.主发电机转速随之继续上升，在此过程中励磁电压及电流保持相对恒定。

图5为仿真过程中主励磁机定子两相电流及转子三相输出电压，采用直流励磁方式的主励磁机定子两相绕组反向串联，因此i_α、i_β大小相等，方向相反，主励磁机转子输出三相电压正弦度较好。

图6为三级式起/发电机恒转速电压积直流励磁控制仿真输出波形，从仿真结果看，主发电机励磁电流基本保持34A恒定，平均波动量3.25％，励磁电流较为平稳。平均励磁电流能够满足三级式起/发电机的发电需求，证明了本发明的有效性。

本专业的技术人员从上述说明可以理解本发明的控制方法能够以各种方式实现。所以，虽然已结合具体实例对本发明作了说明，但本发明的真正范围并不局限于此。