[發明專利]一種高速永磁起動發電機的電源變換器及其控制方法

有效

• 申請號: 201810414807.8
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN108712093B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 薛開昶;羅宗鑫;施道龍
• 申請（專利權）人: 貴州航天林泉電機有限公司
• 主分類號: H02M7/219
• 分類號: H02M7/219;H02M1/14
• 代理公司: 貴州派騰知識產權代理有限公司 52114
• 代理人: 谷慶紅

本發明提供的一種高速永磁起動發電機的電源變換器及其控制方法，包括電流檢測電路、SiC器件全控全橋、SCR器件相控全橋、切換電路、電壓檢測電路和控制電路；將發電機輸出電頻率提高至1～2kHz，可顯著降低起動發電機系統的重量；可適應的發動機轉速范圍也更寬；所采用的升降壓電源變換器拓撲結構，使起動發電機的電樞繞組電壓高壓高于采用全控全橋升壓拓撲所對應的繞組電壓，可有效降低繞組電流，增加電機繞組的可實現性；可增加起動發電機的自身同步電感，不再需要在電源變換器中再添加輔助大電感，并減小三相全控全橋注入電機高頻紋波電流帶來的附加損耗；使電源變換器中的功率器件工作于直流母線電壓附近，工作電壓和電流對功率器件的要求較為溫和。

技術領域

本發明涉及一種高速永磁起動發電機的電源變換器及其控制方法。

背景技術

起動發電機的電源變換器是一種與起動發電機配合使用的電源變換器。起動發電機可分時工作于電動和發電兩種狀態，具有一機兩用功能。起動發電機工作于電動狀態時，電源變換器作為源動力，能量先由電源變換器流向起動發電機，再由起動發電機將電能轉化為機械能，帶動發動機；電源變換器通過對起動發電機進行轉矩控制，使發動機由零轉速上升到正常自穩定工作轉速。起動發電機工作于發電狀態時，發動機作為源動機，能量先經過起動發電機將機械能轉化為交流電能，再經過電源變換器將交流電能轉化為直流電能。電源變換器通過對起動發電機進行發電穩壓控制，使發動機在轉速變化時，保證輸出直流電壓穩定。

航空航天領域對搭載設備的體積和重要求較為嚴格，為了滿足高功率密度，發動機通常工作轉速較高，在發電時，起動發電機的電頻率可達1～2kHz。與新能源汽車等其它民用起動發電機相比，電機電頻率高1個數量級左右，使得電源變換器的實現難度增大。同時，航空航天領域的大功率飛行器正由低壓直流(LVDC)和變速恒頻(VSCF)向高壓直流(HVDC)和恒壓變頻交流(VFAC)系統轉變，以獲得更高的系統工作效率。

對于起動發電機的復用電源變換器，目前主要的實現策略有以下幾種：

1)對于采用三級式無刷同步電機的飛機變速恒頻(VSCF)系統，其起動發電復用電源變換器包括轉接器、整流器、逆變器和交流濾波器。通過轉接器的切換實現起動和發電功能的切換，實現硬件的復用。在起動時，400Hz恒頻穩壓交流電經整流器實現AC/DC變換，再經逆變器產生變壓變頻交流電來為三級式無刷同步電機提供轉矩；在發電機，三級式無刷同步電機產生的恒壓變頻交流經整流器實現AC/DC變換，再經逆變器形成400Hz恒壓恒頻交流，最后通過交流濾波器濾除逆變器產生的高頻諧波成份。

2)對于采用開關磁阻的飛機高壓直流(HVDC)系統，其起動發電復用電源變換器采用不對稱半橋拓撲。A、B和C三相分別采用一組不對稱半橋進行控制。起動過程和發電過程中，不對稱半橋工作于不同角度范圍。通過調節相角和勵磁電流大小來實現起動轉矩控制和發電穩壓控制。

3)對于采用永磁同步的電機的民用直流系統，其起動發電復用電源變換器采用由三相六開關組成的三相全控全橋拓撲。起動時，三相全控全橋拓撲作為逆變器使用，通常采用SVPWM控制實現電機轉矩控制；發電時，三相全控全橋拓撲作為整流器使用，通常采用SVPWM控制實現發電穩壓控制。

方案1)所述的電源變換器在飛機上應用最為廣泛，但其主要缺點是硬件結構較為復雜，且不適用于高壓直流(HVDC)系統，而高壓直流(HVDC)相對變速恒頻(VSCF)系統具有更高的系統效率，代表未來發展的主流方向。方案2)所述的電源變換器硬件結構簡單、效率高、可靠性高，但其主要缺點是電樞繞組電流極度不規則，對電源變換器沖擊大，且發電時直流電的電源品質極點。方案3)所述的電源變換器硬件簡單，但不足是由Si器件實現的三相全控全橋拓撲工作頻率通常小于20kHz，通常應用于開關頻率高于電機電頻率1個量級以上的工況，難以直接應用于電頻率可達1～2kHz飛行器起動發電系統；輸入電壓范圍有限；功率管電流偏大，功率管工作條件惡劣。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種高速永磁起動發電機的電源變換器及其控制方法。