抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究.pdf
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1、第 卷 年第 期 月.抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究吴 娜 陈宣任 杨 都 赵 玄(.贵州航天林泉电机有限公司 贵阳 .空装成都局驻贵阳地区第三军代表室 贵阳.中国航发控制系统研究所 江苏 无锡)摘 要:交流发电机作为直流供电系统的能量来源 后端需要进行整流变换后输出直流电 为提高 直流供电系统的集成度 本文研究了将小型交流发电机与整流变换器结构一体化的新型设计方案 基于产品的电路 磁路进行联合仿真 同时针对发电机体系和电子元器件耐温程度不同、耐滑油程度不同的固有问题 设计了密封电气衔接结构 产品集成了发电、整流及稳压 输出功率 重量 实现了 直流供电系统轻量化、小型化设计 为后续 小
2、型直流供电系统提供了一种新方案关键词:一体化设计 并联稳压 直流发电系统中图分类号:文献标志码:文章编号:().:.:收稿日期:基金项目:双端输入高速起动/发电技术研究(项目)作者简介:吴 娜()工程师 研究方向为发电机/起动电机设计和研究 引 言目前 航空发动机日益趋于小型化、轻量化设计的发展方向 发电机作为其附件系统的主、备电源 是发动机系统的组成部分 但航空用主要电系统多为直流供电系统 三相交需控制模块对输出的三相电源系统进行功率变换 电机与控制器采用电缆连接 增加了整个供电系统的重量及空间使用负担针对 供电系统 本文提出了一种新型发电机 研究发电机与整流变换一体化的设计技术 拟采用了一
3、种新的设计思路 将整流变换功能模块集成到交流发电机上 实现发电机在工作转速范围下直接为用电系统提供 直流稳压电的一体化设计 节省空间并减轻系统重量 同时 由于发电机的绝缘体系与电子元器件的耐温程度、耐滑油能力 期吴 娜等:抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究需要并将发电机与由电子元器件封装而成的模块进行结构隔离 在实现两者电气连接的同时实现内部结构密封设计 以保证发电机工作时所产生的大量热源不影响产品内部的电子元器件 并保证发电机内部的滑油不渗透到电机模块中 提高 供电系统的可靠性 在整个设计中 发电机采用双通道抗短路发电机设计方案 整流变换选用可进行宽转速范围调节的并联稳压电流型控制方式
4、该控制方式简单 且可实现高达十几倍的电压控制范围 该发电机带整流模块一体化的 供电系统设计意义在于:能够实现发电、整流、变换集一体 实现输出 稳压直流电 为发动机系统减少了需要的功能模块 提高集成度 从整体上减小重量 推进航空发动机轻质化、集成化设计 发电机/整流变换一体化设计 技术指标本文研究的发电机整流模块一体化设计技术以成熟双通道抗短路发电机以基础 开展发电机与整流变换模块(控制器)一体化设计 开展小型发电机耐大电流的电磁设计和研究、整流模块小型化耐高温研究 将整流模块集成到发电机上 向航空发动机用电设备直接提供 直流电源 以突破发电机整流模块一体化结构设计技术、耐高温设计技术产品需要达
5、到的主要技术指标如下:()输出电压:()()额定功率:单通道 ()工作转速:/()整流变换模块效率:()产品总重量:系统组成该产品由发电机本体及整流变换器两大部件组成 根据产品的特点 确定选用双通道抗短路型发电机、并联稳压电流控制型整流变换器的设计方案产品的整体系统框图如图 所示图 产品整体系统框图该产品三维示意图如图 所示 工作原理如图所示在设计进行发电机 整流变换模块一体化结构设计时 可将整流变换模块视为发电机的后端盖以实现发电机与整流变换模块的电气连接和一体化设计该产品发电机本体的设计采用分装式结构 由定子、转子两大部分组成 定子由机壳、挡圈及电枢组成 整流变换模块由支架、件整流变换模块
6、、块印制板、滤波电路、电连接器以及外罩构成能够实现两通道独立输出 直流稳压电发电机本体与整流变换模块之间采用接线端子的新型密封方法连接 整流变换模块引出线与电连接器之间采用高温焊锡焊接图 发电机与整流变换一体化三维模型图 产品工作原理图 工作压力抗短路发电机能够长时间工作在短路的工况下本文所涉及的发电机为双通道抗短路发电机 具有冗余功能 能够实现发电机一通道短路后另一通道仍正常工作 保护用电设备的可靠性抗短路发电机的设计可归结为绕组设计和磁路设计 目标是使发电机具有抗短路的性能 在满足输出功率的条件下将短路电流限制在允许的范围内并在全转速范围内达到短路电流基本恒定 简言之发电机在达到工作转速后
7、 可近似认为是恒流源发电机的电压矢量图如图 所示 卷图 抗短路发电机电压矢量图图中 为电阻 为漏抗 为电流矢量 为输出电压矢量 为电势矢量 当短路时 输出电压矢量为 为零 从电压矢量图可以得到短路电流的计算方法如式()所示 ()从式 可知 抗短路发电机需要具有较大的电阻和漏抗或较小的负载电势 以防止发电机短路时产生较大电流增加匝数虽然能够达到降低短路电流的目的但实际设计中 常受限于产品的外形结构、空间尺寸和重量要求 不可无限的增加匝数 设计中需要考虑在匝数不变的情况下增加漏抗的设计方法发电机与整流变换模块引出线实现通过电气连接 整流变换模块将发电机产生的两路独立的三相交流电直接分别经过整流、变
8、换后输出 直流电为用电设备提供两个通道的供电电源上文提到 抗短路发电机在工作状态中可近似认为是恒定的电流源 针对此特性采用并联稳压的方法 可以实现以 管为控制器件的降压型可控整流 这是一种创新的电路方案 该方案可以用图 的原理框图表示 其主电路拓扑是一个以 管作为控制器件的半控桥图 降压型可控整流方案原理框图恒流源的端电压由负载确定 对抗短路发电机而言 流过 管的电流和整流变换模块的输出电流均是负载电流 采用 管降压型可控整流电路不仅能够稳定输出电压 而且能够将输入电压嵌位到接近输出电压的水平 这就是该方案能够适应很宽的输入电压范围的原因并联稳压控制的原理为让多余的电流量从旁路通过来控制负载电
9、流 达到使负载两端的电压稳定 图 的方案可以图 的并联稳压控制模型来等效 工作原理如图 所示图 并联稳压电路示意图设输入电流为、输出电压为 和负载电阻为 采用开关控制时输入电流、输出电压和负载电阻之间的关系如式()所示 ()其中 开关管 导通时间的占空比式()表明 输出电压仅决定于电流源电流、负载电阻和占空比 这就是这种稳压技术能适应超宽输入电压的理论依据整流变换模块在该产品中具备整流、变换功能其部件框图如图 所示图 整流模块部件框图整流变换模块以降压 模块和内部控制电路为核心 可控整流采用 管实现电路半控整流 前端的 滤波器分别用于滤除电子元器件中产生的电纹波 以防干扰发电机 后端的滤波器用
10、于滤除产品电源中的纹波分量 提高产品输出电压质量该设计电路的工作原理为:发动机刚开始起动时交流发电机输出的电压比较低“稳压控制电路”还没有开始工作“半控桥”工作于不控整流状态 有电压输出 但电压不高 当整流电路输出的电压达到一定的电压值后“辅助电源”输出的电压使“控制”电路工作 对可控整流电路的输 期吴 娜等:抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究出电压进行控制 当整流电路的输出电压低于稳压点时 控制电路将输出脉宽调窄 使输出电压升高 直至稳压 反之 当整流电路的输出电压高于稳压点时 控制电路将输出脉冲调宽 使输出电压降低 直至稳压 性能仿真由于产品为一体化设计 为减小控制器的设计难度 在进行
11、发电机本体的设计时 不仅需满足指标要求 还需满足控制器调压、功率转换的要求通过计算得到发电机的主要参数如表 所示表 产品主要电磁参数项目参数项目参数极数槽数绕组形式星形槽满率 相电阻()磁钢材料/根据产品的主要电磁参数 利用 有限元分析软件进行分析 得到发电机本体的电气性能判断发电机是否满足整流变换器进行功率变换的要求 若满足 则利用 对产品进行联立仿真判断整流变换器经转换输出 稳压电 发电机性能仿真 运行工况仿真针对所选用的并联稳压控制方式 可知该方案实际主要调节电流 为满足发电机本体所需的电气特性(满足技术指标及调压要求)应对交流发电机的电流和带载输出功率进行仿真交流发电机长期工作环境在较
12、宽温度范围内正常()短时 最高温度 温度会影响发电机的电枢绕组电阻值和永磁体的磁性能 进而影响产品的电气性能 因此 需要将发电机的性能仿真计算分为常温、低温和高温下的仿真计算 同时 发电机的输出性能随着发电机各运行转速点的不同而有所不同 在仿真时 根据指标要求 仿真、转速点下不同温度下的发电机性能该发电机在进行电磁设计时 采用 软件辅助设计 针对技术协议中对发电机的电气性能工作状态要求 使用 软件进行电磁场仿真计算 在 中建立的 发电机本体的二维有限元全周期模型如下图 所示 图中黄、绿、蓝分别表示、三相绕组 红、白、黑分别表示、三相绕组永磁体、极分别用红、蓝表示根据指标要求 发电机应能满足功率
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