[发明专利]一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法

说明书

本发明提供的一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法，包括电流检测电路、SiC器件全控全桥、SCR器件相控全桥、切换电路、电压检测电路和控制电路；将发电机输出电频率提高至1～2kHz，可显著降低起动发电机系统的重量；可适应的发动机转速范围也更宽；所采用的升降压电源变换器拓扑结构，使起动发电机的电枢绕组电压高压高于采用全控全桥升压拓扑所对应的绕组电压，可有效降低绕组电流，增加电机绕组的可实现性；可增加起动发电机的自身同步电感，不再需要在电源变换器中再添加辅助大电感，并减小三相全控全桥注入电机高频纹波电流带来的附加损耗；使电源变换器中的功率器件工作于直流母线电压附近，工作电压和电流对功率器件的要求较为温和。

技术领域

本发明涉及一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法。

背景技术

起动发电机的电源变换器是一种与起动发电机配合使用的电源变换器。起动发电机可分时工作于电动和发电两种状态，具有一机两用功能。起动发电机工作于电动状态时，电源变换器作为源动力，能量先由电源变换器流向起动发电机，再由起动发电机将电能转化为机械能，带动发动机；电源变换器通过对起动发电机进行转矩控制，使发动机由零转速上升到正常自稳定工作转速。起动发电机工作于发电状态时，发动机作为源动机，能量先经过起动发电机将机械能转化为交流电能，再经过电源变换器将交流电能转化为直流电能。电源变换器通过对起动发电机进行发电稳压控制，使发动机在转速变化时，保证输出直流电压稳定。

航空航天领域对搭载设备的体积和重要求较为严格，为了满足高功率密度，发动机通常工作转速较高，在发电时，起动发电机的电频率可达1～2kHz。与新能源汽车等其它民用起动发电机相比，电机电频率高1个数量级左右，使得电源变换器的实现难度增大。同时，航空航天领域的大功率飞行器正由低压直流(LVDC)和变速恒频(VSCF)向高压直流(HVDC)和恒压变频交流(VFAC)系统转变，以获得更高的系统工作效率。

对于起动发电机的复用电源变换器，目前主要的实现策略有以下几种：

1)对于采用三级式无刷同步电机的飞机变速恒频(VSCF)系统，其起动发电复用电源变换器包括转接器、整流器、逆变器和交流滤波器。通过转接器的切换实现起动和发电功能的切换，实现硬件的复用。在起动时，400Hz恒频稳压交流电经整流器实现AC/DC变换，再经逆变器产生变压变频交流电来为三级式无刷同步电机提供转矩；在发电机，三级式无刷同步电机产生的恒压变频交流经整流器实现AC/DC变换，再经逆变器形成400Hz恒压恒频交流，最后通过交流滤波器滤除逆变器产生的高频谐波成份。

2)对于采用开关磁阻的飞机高压直流(HVDC)系统，其起动发电复用电源变换器采用不对称半桥拓扑。A、B和C三相分别采用一组不对称半桥进行控制。起动过程和发电过程中，不对称半桥工作于不同角度范围。通过调节相角和励磁电流大小来实现起动转矩控制和发电稳压控制。

3)对于采用永磁同步的电机的民用直流系统，其起动发电复用电源变换器采用由三相六开关组成的三相全控全桥拓扑。起动时，三相全控全桥拓扑作为逆变器使用，通常采用SVPWM控制实现电机转矩控制；发电时，三相全控全桥拓扑作为整流器使用，通常采用SVPWM控制实现发电稳压控制。

方案1)所述的电源变换器在飞机上应用最为广泛，但其主要缺点是硬件结构较为复杂，且不适用于高压直流(HVDC)系统，而高压直流(HVDC)相对变速恒频(VSCF)系统具有更高的系统效率，代表未来发展的主流方向。方案2)所述的电源变换器硬件结构简单、效率高、可靠性高，但其主要缺点是电枢绕组电流极度不规则，对电源变换器冲击大，且发电时直流电的电源品质极点。方案3)所述的电源变换器硬件简单，但不足是由Si器件实现的三相全控全桥拓扑工作频率通常小于20kHz，通常应用于开关频率高于电机电频率1个量级以上的工况，难以直接应用于电频率可达1～2kHz飞行器起动发电系统；输入电压范围有限；功率管电流偏大，功率管工作条件恶劣。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速永磁起动发电机的电源变换器及其控制方法。