[发明专利]一种高速双凸极起动发电机控制器及其控制方法

说明书

本发明提供的一种高速双凸极起动发电机控制器及其控制方法，其特征在于：包括发电机、发电机控制器、三相全桥电路、相电流比较电路、励磁电流控制电路、FPGA控制电路、DSP控制电路、输出电容C；本发明的SiC MOS的三相全桥拓扑，实现了起动和发电的硬件复用，相对Si IGBT器件三相全桥拓扑，开关管导通时克服了IGBT导通压降不能低于某一固定值的不足，使导通损耗降低；FPGA占空比控制的三相电流比较电路，电路简便易行；电励磁双凸极电机的新型相序检测和零位校准方法，相对于将将电励磁双凸极电机拖转后再通过电枢电压判断相序和零位的方法，所提出新方法更为简便高效。

技术领域

本发明涉及一种高速电励磁双凸极起动发电机的控制器及其控制方法。

背景技术

起动发电机控制器用于驱动起动发电机工作，在起动阶段，起动发电机作为电动机使用，能量由起动发电机控制器流向起动发电机，拖动发动机由静止到点火转速，并在点火后助推发动机。在发电阶段，起动发电机作为发电机使用，发动机给发电机输入机械能，发电机将机械能转化为变压交流电能，起动发电机控制器将变压交流电能转化为稳压直流电能输出。由起动发电动发机控制器及起动发电发机构成的起动发电机系统具有双向能量流动性，具备起动和发电两种功能，可有效提高设备利用率。

航空领域对机载设备有较为严格的体积和重量要求，同时，航空领域普遍使用涡轮发动机，涡轮发动机通常工作转速较高，为了减轻起动发电机系统的重量且与高速涡轮发动机相匹配，通常需要起动发电机工作转速较高，达到20000r/min-70000r/min。相同输出电压下，起动发电机的电枢绕组匝数N与转速n的关系为N∝1/n，电枢绕组的自身电感L与绕组匝数N的关系为L∝N²，因此随着起动发电机工作转速提高，起动发电机电枢绕组匝数下降，进而导致电枢绕组自身电感显著下降。除了高速起动发电机的自身电感较小外，高速起动发电机的输出电频率也较高，高速起动发电机的高频、小电感特点显著增加了起动发电机控制器的设计难度。

航空电源系统包括低压直流(LVDC)、恒速恒频(CSCF)交流、变速恒频(VSCF)、变频交流(VFAC)和高压直流(HVDC)，随着飞机“多电”和“全电”化的发展，机载设置用电量不断增加，HVDC的优势越来越来明显，代表未来发展的主流方向。

对于电励磁双凸极起动发电机的控制器，现有技术通常采用以下三种方式实现：

1)采用由三相全桥作为起动控制器硬件，三相整流桥作为发电控制器硬件。起动和发电过程分别使用独立的硬件结构，起动时，通过由Si IGBT构成的三相全桥输出变压变频交流驱动电机工作，以调节电枢电流为主、调节励磁电流为辅，实现起动时的转矩、转速及功率控制，起动的控制方式有三相三状态、三相六状态、三相α+β控制和三相九状态控制，通过上管或下管斩波的方式实现调压。发电时，通过由Si快恢复二极管构成的三相整流桥将交流电转化为直流电，通过调节励磁电流的方式来实现发电稳压。

2)采用前级变换器+三相全桥作为起动控制器硬件，三相整流桥作为发电控制器硬件。起动和发电过程仍分别使用独立的硬件结构。起动时，由于随着电机转速增高，通过三相全桥进行斩波来进行调压的实现难度较高，故通过前级变换器实现调压功能，三相全桥仅按电枢绕组电频率作相应切换。前级变换器通常采用Buck变换器，专利 CN106357164B中采用了推挽正激变换器。发电时，工作原理与方案 1)相同。

3)采用三相全桥作为起动/发电复用硬件。采用Si IGBT模块构成的三相全桥。发电时，利用Si IGBT模块集成的二极管构成三相整流桥。实现起动和发电时的硬件复用。起动和发电时的工作原理与方案1)相同。

方案1)的主要缺点在于起动时高速起动发电机的电枢电流纹波大，未复用起动/发电硬件导致控制器体积、重量大。方案2)虽说解决了方案1)起动时高速起动发电机的电枢电流纹波大的不足，但硬件更为复杂。方案3)的主要缺点在于Si IGBT的上限频率有限，起动时高速起动发电机的电枢电流纹波大；高速发电时，集成快恢复二极管的导通压降高且反向恢复不可忽视，导致导通损耗和反向恢复损耗较高。