[發(fā)明專利]一種適用于航空電源系統(tǒng)的發(fā)電機H橋勵磁裝置及方法

在審

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• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107733306A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉岳;程焱
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西航空電氣有限責(zé)任公司
• 主分類號: H02P9/30
• 分類號: H02P9/30;H02P101/30
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于發(fā)電機勵磁驅(qū)動領(lǐng)域，涉及一種適用于航空電源系統(tǒng)的發(fā)電機H橋勵磁裝置及方法。

背景技術(shù)

對于飛機系統(tǒng)來說，其電源系統(tǒng)肩負著整個飛機的供電功能，電源系統(tǒng)的功率、品質(zhì)等至關(guān)重要。高功率密度、高品質(zhì)的電源不僅可以為機上用電設(shè)備提供優(yōu)良的電力能源，還可以節(jié)省機上空間、重量，是航空技術(shù)人員在設(shè)計中遵從的最終目標。

航空電源系統(tǒng)一般由發(fā)電機、發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器以及電流互感器等產(chǎn)品組成。其中電壓調(diào)節(jié)器主要完成對發(fā)電機勵磁電流的調(diào)節(jié)，從而由發(fā)電機端輸出滿足飛機供電需求的電力能源。

針對上述現(xiàn)象，目前航空電源系統(tǒng)的做法是采用單晶體管式電壓調(diào)節(jié)器，通過改變導(dǎo)通比來調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，如圖1所示。其中V為電壓調(diào)節(jié)器末級晶體管，W為發(fā)電機勵磁繞組，在勵磁繞組上還并接續(xù)流管D。圖中(a)為勵磁狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通，勵磁電流在增長狀態(tài)，圖中(b)為滅勵磁狀態(tài)，晶體管截止，勵磁電流通過D進行續(xù)流。電壓調(diào)節(jié)器通過脈寬調(diào)制方式控制晶體管的截止與導(dǎo)通。

單晶體管式電壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)曲線如圖2所示，其開關(guān)周期T為導(dǎo)通時間ton、截止時間toff、開通過程時間tr、關(guān)斷過程時間tf之和。晶體管開關(guān)工作與勵磁電流的波形如圖3所示，其中ΔI為勵磁電流的脈動。

傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中，在電壓調(diào)節(jié)器開關(guān)頻率為1200Hz時，勵磁電流脈動率大于1％。由于勵磁電流的脈動會導(dǎo)致發(fā)電機輸出端電壓的脈動，從而直接影響輸出電源的品質(zhì)。隨著航空電源系統(tǒng)發(fā)展需求的不斷提升，例如發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍更寬、輸出電壓更高、輸出功率更大、電源品質(zhì)要求更高等，需提高脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率，提高發(fā)電機調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度，并優(yōu)化控制算法，進而降低勵磁電流脈動。而傳統(tǒng)的單晶體管式電壓調(diào)節(jié)器由于器件固有特性、勵磁電流產(chǎn)生與續(xù)流方式等的局限性，當(dāng)脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率按數(shù)量級提高時，其導(dǎo)通時間、截止時間、勵磁電流續(xù)流時間在控制周期內(nèi)的影響突顯，即在截止時間內(nèi)，勵磁電流消耗所需的時間比例過大，導(dǎo)致在截止時發(fā)電機端電壓不受控。

由于單晶體管式電壓調(diào)節(jié)器在高頻脈寬調(diào)制時喪失調(diào)節(jié)精度，甚至不受控，故已無法滿足當(dāng)前需求。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種適用于航空電源系統(tǒng)的發(fā)電機H橋勵磁裝置，實現(xiàn)高控制精度、高效率的航空發(fā)電機勵磁方法。

本發(fā)明對發(fā)電機勵磁電路采用H橋功率模塊方案設(shè)計，拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中V1-V4為功率開關(guān)器件，按H橋的方案進行布局設(shè)計，驅(qū)動控制信號可對V1-V4進行獨立控制其開通與關(guān)斷。V1為左上管，V2為左下管，V3為右上管，并與V2互稱對管，V4為右下管，并與V1互稱對管。控制使用時，可在單側(cè)兩路控制信號中采用死區(qū)等方法避免單側(cè)上下兩管同時導(dǎo)通。L為發(fā)電機勵磁繞組，當(dāng)V1、V4對管導(dǎo)通時流經(jīng)L的電流方向與V2、V3對管導(dǎo)通時的電流方向相反，從而為發(fā)電機勵磁電流的產(chǎn)生與控制提供了全新的方法。

其中，在勵磁狀態(tài)下，H橋中對角的功率管的驅(qū)動控制采用重疊導(dǎo)通。即當(dāng)某一對角功率管控制導(dǎo)通時，勵磁電流產(chǎn)生的時間為該對管同時導(dǎo)通的時間。如圖7所示，對角中上管先導(dǎo)通，隨后下管導(dǎo)通，總的有效導(dǎo)通時間為驅(qū)動控制信號的重疊導(dǎo)通時間。

而在滅勵磁狀態(tài)下，通過H橋中下管的單管導(dǎo)通及功率管的器件特性實現(xiàn)勵磁回路的續(xù)流及滅磁。在對角功率管導(dǎo)通時，上管先導(dǎo)通，下關(guān)后導(dǎo)通，其重疊部分為勵磁電流產(chǎn)生時間。當(dāng)上管關(guān)斷后，下管仍導(dǎo)通一段時間，如圖7中t3段，H橋中僅一個下管導(dǎo)通，該段時間內(nèi)，由于功率器件內(nèi)部存在續(xù)流二極管，結(jié)合圖4的拓撲結(jié)構(gòu)，續(xù)流回路為：從L流出經(jīng)V4再經(jīng)V2內(nèi)部的二極管形成閉環(huán)，從而實現(xiàn)勵磁回路的續(xù)流及滅磁。

此外，通過對H橋功率模塊中的功率管進行分時導(dǎo)通，實現(xiàn)在發(fā)電機勵磁繞組L上勵磁電流方向的轉(zhuǎn)變。如圖4中拓撲結(jié)構(gòu)所示，L為發(fā)電機勵磁繞組，當(dāng)V1、V4對管導(dǎo)通時流經(jīng)L的勵磁電流流向為：從V1流經(jīng)L再經(jīng)V4后閉環(huán)；當(dāng)V2、V3對管導(dǎo)通時流經(jīng)L的勵磁電流流向為：從V3流經(jīng)L再經(jīng)V2后閉環(huán)。通過兩組對管的分時導(dǎo)通，即實現(xiàn)了在發(fā)電機勵磁繞組L上勵磁電流方向的轉(zhuǎn)變。

基于上述原理性分析，本發(fā)明的技術(shù)方案為：