一种航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法技术方案

一种航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法，系统包括三级式起动发电机和起动发电机控制器，三级式起动发电机包括永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流管、主电机、旋变，起动发电机控制器包括MOS管三相全桥、交流励磁电源、调压器、辅助电源、控制电路、电流传感器S

【技术实现步骤摘要】
一种航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法


[0001]本专利技术属于电子电路
，具体涉及一种航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法。

技术介绍

[0002]对于航空有人机，通过对可靠性要求较高，需要电机在故障发生后可以通过灭磁来防止故障扩散；需要在正常发电稳压输出时具有 1.5倍额定电流、5min，2倍额定电流、5s的过载能力；需要具备可输出3倍短路电流的能力；需要具有较小的高频段纹波。对于12kW以下的航空有人机，通常采用28V低压直流来为机载设备供电。
[0003]三级式起动发电机电源系统包括三级式起动发电机和起动发电机控制器两部分，三级式起动发电机用于实现机械能与变压变频交流电能的转化。在起动状态，起动发电机控制器给起动发电机提供交流励磁电流，并将起动电源提供的直流电能转化为变压变频交流电能，给三级式发电机供电，驱动电机由静止状态到达发动机点火转速；在发电状态，起动发电机控制器通过调节励磁电流来稳定三级式起动发电机输出的变频交流电压，并将恒压交流电压转化为28V稳压直流来给航空机载设备供电。
[0004]对于三级式电机，在高压电源系统和发电机电源系统被普遍使用，但是，三级式电机电源系统存在以下方面的不足：
[0005]1)普遍应用于高压电源系统，在低压直流电源系统领域应用仍较少；
[0006]2)普遍应用于发电机电源系统，在起动发电机电源系统的应用还处在发展阶段。
[0007]对于用于低压直流电源系统的起动发电机系统，目前，有人机普遍采用的是直流有刷起动发电机系统。直流有刷起动发电机系统具有功率密度高，控制简单的优化。但是，直流有刷起动发电机具有以下方面的不足：
[0008]1)直流有刷起动发电机换相器故障率较高，尤其是在高空运行环境下；
[0009]2)直流有刷起动发电机的碳刷使用时间较短，需要定期更换；
[0010]3)工作时，碳刷掉落的碳灰，会使电机的绝缘性能下降。
[0011]在航空无人机领域的普遍采用永磁起动发电机电源系统，永磁起动发电机系统具有电机设计简单和效率高的优化，但是，永磁起动发电机电源系统具有以下方面的不足：
[0012]1)永磁起动发电机采用永磁体励磁，在故障发生后，无法通过灭磁来保证起动发电机电源系统的安全性；
[0013]2)发电时，永磁起动发电机无法通过调节励磁电流方式来时行发电稳压，起动发电机控制器功率密度较低，且实现4kW以上的发电功率较为困难；
[0014]3)永磁起动发电机电源系统，在考虑1.5倍额定电流、5min，2 倍额定电流、5s的过载能力后，功率密度与三级式起动发电机相比已经无明显优势；
[0015]4)永磁起动发电机电源系统很难实现3倍短路电流输出能力；
[0016]5)发电时，起动发电机控制器需要采用高频开关电源技术进行发电稳压，虽然输出电源纹波较小，但是高频段纹波频谱很难满足相关标准要求。

技术实现思路

[0017]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法。
[0018]本专利技术通过以下技术方案得以实现。
[0019]本专利技术提供的一种航空低压直流用三级式发电机电源系统，包括三级式起动发电机与起动发电机控制器，所述三级式起动发电机包括永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流管、主电机与旋变；所述起动发电机控制器包括MOS管三相全桥、交流励磁电源、调压器、辅助电源、控制电路、电流传感器S
F
与电流传感器S
dc
；所述永磁副励磁定子电枢绕组W
PMG
输出三相交流v
PWM
的A、B和C端分别与辅助电源和调压器的A、B和C输入端连接，所述主励磁机的转子电枢绕组W
EM
输出三相交流v
EM
经旋转整流器与主电机转子励磁绕组W
ME
连接，主励磁机的定子励磁绕组W
EE
的F+端和F
‑
端与交流励磁电源输出端以及调压器输出端连接，所述主电机的定子电枢绕组W
MM
三相交流v
M
的A、B和 C端分别与MOS管三相全桥的A、B和C端连接，旋变定子输出转速位置信号P与控制电路连接，直流母线
Vdc
的+端和
‑
端分别与MOS管三相全桥的直流母线V
Adc
的+端和
‑
端、交流励磁电源输入V
Bi
的+端和
‑
端、输出电源输入的+端和
‑
端以及控制电路连接，调压器的
‑
端与直流母线V
dc
的
‑
端连接，MOS管三相全桥输出的三相交流电流信号i
ABC
与控制电路连接，控制电路输出的驱动信号G
A
与MOS管三相全桥连接，控制电路输出的驱动信号G
B
和开关控制信号S
B
与交流励磁电源连接，控制电路输出的驱动信号G
C
和开关控制信号S
C
与调压器连接，辅助电源的两路电源输出V
c1
、V
c2
与控制电路连接，辅助电源输出的电流信号I
D
与控制电路连接，控制电路输出的电源使能信号E
n
与辅助电源连接，电流传感器S
dc
的功率端、输出信号I
dc
分别与直流母线V
dc
的+端、控制电路连接，电流传感器S
F
的功率端、输出信号iF分别与励磁绕组 W
EE
的F+端、控制电路连接。
[0020]进一步的，所述MOS三相全桥包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂、滤波电容C
dc
、电流传感器S
A1
、S
A2
和S
A3
，驱动信号G
A
包括G
A1
、 G
A2
、G
A3
、G
A4
、G
A5
与G
A6
，三相交流电流i
ABC
包括i
A
、i
B
和i
C
；所述 MOS三相全桥的A端与A相桥臂上管Q
A1
的源极和下管Q
A2
的漏极连接， A相桥臂上管Q
A1
的漏极与直流母线V
Adc
的+端连接，A相桥臂下管Q
A2
的源极S与直流母线V
Adc
的
‑
端连接，MOS三相全桥的B端与B相桥臂上管Q
A3
的源极S和下管Q
A4
的漏极D连接，B相桥臂上管Q
A3
的漏极与直流母线V
Adc
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空低压直流用三级式发电机电源系统，其特征在于：包括三级式起动发电机与起动发电机控制器，所述三级式起动发电机包括永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流管、主电机与旋变；所述起动发电机控制器包括MOS管三相全桥、交流励磁电源、调压器、辅助电源、控制电路、电流传感器S
F
与电流传感器S
dc
；所述永磁副励磁定子电枢绕组W
PMG
输出三相交流v
PWM
的A、B和C端分别与辅助电源和调压器的A、B和C输入端连接，所述主励磁机的转子电枢绕组W
EM
输出三相交流v
EM
经旋转整流器与主电机转子励磁绕组W
ME
连接，主励磁机的定子励磁绕组W
EE
的F+端和F
‑
端与交流励磁电源输出端以及调压器输出端连接，所述主电机的定子电枢绕组W
MM
三相交流v
M
的A、B和C端分别与MOS管三相全桥的A、B和C端连接，旋变定子输出转速位置信号P与控制电路连接，直流母线
Vdc
的+端和
‑
端分别与MOS管三相全桥的直流母线V
Adc
的+端和
‑
端、交流励磁电源输入V
Bi
的+端和
‑
端、输出电源输入的+端和
‑
端以及控制电路连接，调压器的
‑
端与直流母线V
dc
的
‑
端连接，MOS管三相全桥输出的三相交流电流信号i
ABC
与控制电路连接，控制电路输出的驱动信号G
A
与MOS管三相全桥连接，控制电路输出的驱动信号G
B
和开关控制信号S
B
与交流励磁电源连接，控制电路输出的驱动信号G
C
和开关控制信号S
C
与调压器连接，辅助电源的两路电源输出V
c1
、V
c2
与控制电路连接，辅助电源输出的电流信号I
D
与控制电路连接，控制电路输出的电源使能信号E
n
与辅助电源连接，电流传感器S
dc
的功率端、输出信号I
dc
分别与直流母线V
dc
的+端、控制电路连接，电流传感器S
F
的功率端、输出信号iF分别与励磁绕组W
EE
的F+端、控制电路连接。2.如权利要求1所述的航空低压直流用三级式发电机电源系统，其特征在于：所述MOS三相全桥包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂、滤波电容C
dc
、电流传感器S
A1
、S
A2
和S
A3
，驱动信号G
A
包括G
A1
、G
A2
、G
A3
、G
A4
、G
A5
与G
A6
，三相交流电流i
ABC
包括i
A
、i
B
和i
C
；所述MOS三相全桥的A端与A相桥臂上管Q
A1
的源极和下管Q
A2
的漏极连接，A相桥臂上管Q
A1
的漏极与直流母线V
Adc
的+端连接，A相桥臂下管Q
A2
的源极S与直流母线V
Adc
的
‑
端连接，MOS三相全桥的B端与B相桥臂上管Q
A3
的源极S和下管Q
A4
的漏极D连接，B相桥臂上管Q
A3
的漏极与直流母线V
Adc
的+端连接，B相桥臂下管Q
A4
的源极与直流母线V
Adc
的
‑
端连接，MOS三相全桥的C端与C相桥臂上管Q
A5
的源极和下管Q
A6
的漏极连接，C相桥臂上管Q
A5
的漏极与直流母线V
Adc
的+端连接，C相桥臂下管Q
A6
的源极与直流母线V
Adc
的
‑
端连接，滤波电容C
Adc
两端分别与直流母线V
Adc
的+端和
‑
端连接构成，电流传感器S
A1
、S
A2
和S
A3
的功率端分别与A、B和C端连接，电流传感器S
A1
、S
A2
和S
A3
分别与输出信号i
A
、i
B
和i
C
对应连接，所述驱动信号G
A1
、G
A2
、G
A3
、G
A4
、G
A5
以及G
A6
分别与Q
A1
、Q
A2
、Q
A3
、Q
A4
、Q
A5
以及Q
A6
对应的栅极连接。3.如权利要求2所述的航空低压直流用三级式发电机电源系统，其特征在于：所述交流励磁电源包括二极管D
B1
，多个升压DC/DC模块，滤波电容C
B
，功率管Q
B1
、Q
B2
、Q
B3
以及Q
B4
，继电器SCR，驱动信号G
B
包括G
B1
、G
B2
、G
B3
以及G
B4
；是由输入V
Bi
的+端与二极管D
B1
的阳极连接，二极
管D
B1
的阴极分别与多个升压DC/DC模块输入的+端连接，输入V
Bi
的
‑
端与多个升压DC/DC模块输入的
‑
端连接，多个升压DC/DC模块输出的+端和
‑
端分别与直流母线V
s
的+端和
‑
端连接，输入V
Bi
的
‑
端与直流母线V
s
的
‑
端连接，滤波电容C
B
两端分别直流母线V
s
的+端和
‑
端连接，Q
B1
的漏极与直流母线V
s
的+端连接；继电器SCR设有两个开关，其中第一开关的输入端与Q
B1
的源极和Q
B2
的漏极连接，Q
B2
的源极与直流母线V
s
的
‑
端连接，Q
B3
的漏极与直流母线V
s
的+端连接，继电器SCR的第二开关的输入端与Q
B3
的源极S和Q
B4
的漏极连接，Q
B4
的源极与直流母线V
s
的
‑
端连接，继电器SCR中开关的输出端与输出v
Bo
连接，驱动信号G
B1
、G
B2
、G
B3
以及G
B4
分别与Q
B1
、Q
B2
、Q
B3
以及Q
B4
的栅极连接，开关控制信号S
B
与继电器SCR的控制端连接。4.如权利要求3所述的航空低压直流用三级式发电机电源系统，其特征在于：所述调压器包括二极管D
C1
、D
C2
、D
C3
、D
C4
、D
C5
、D
C6
以及D
C7
，功率管Q
C1
、Q
C2
以及Q
C3
，滤波电容C
C
，继电器GCR，驱动信号G
C
包括G
C1
～G
C3
；调压器的A端与D
C1
的阳极和D
C2
的阴极连接，调压器的B端与D
C3
的阳极和D
C4
的阴极连接，调压器的C端与D
C5
的阳极和D
C6
的阴极连接；D
C1
、D
C3
和D
C5
的阴极与直流母线V
G
的+端连接，D
C2
、D
C4
和D
C6
的阳极与直流母线V
G
的
‑
端连接，滤波电容C
C
两端分别直流母线V
G
的+端和
‑
端连接，Q
C1
的漏极与直流母线V
G
的+端连接，继电器GCR第一开关的输入端与Q
C1
的源极和Q
C2
的漏极连接，Q
C2
的源极与直流母线V
G
的
‑
端连接，D
C7
的阴极与直流母线V
G
的+端连接，继电器GCR中第二开关的输入端与D
C7
的阳极和Q
C3
的漏极连接，Q
C3
的源极与直流母线V
G
的
‑
端连接，继电器GCR中开关的与输出v
Co
的+端和
‑
端连接，驱动信号G
C1
、G
C2
以及G
C3
分别与Q
C1
、Q
C2
以及Q
C3
的栅极连接，开关控制信号S
C
与继电器SCR的控制端连接。5.如权利要求4所述的航空低压直流用三级式发电机电源系统及设计方法，其特征在于：所述辅助电源包括二极管D
D1
、D
D2
、D
D3
以及D
D4
，非隔离DC/DC模块，第一隔离DC/DC模块，第二隔离DC/DC模块，电流传感器S
D
；辅助电源的+端与D
D1
阳极连接，D
D1
阴极与非隔离DC/DC模块输出的+端连接，D
D2
、D
D3
和D
D4
阳极分别与A、B和C端连接，D
D2
、D
D3
和D
D4<...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛开昶，甘忠文，袁光伟，龙江，顾兴阳，
申请(专利权)人：贵州航天林泉电机有限公司，
类型：发明
国别省市：