【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空电源系统领域，具体涉及一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统及其设计方法。
技术介绍
1、三级式发电系统由三级式发电机和控制器组成，三级式发电系统具有功率密度高、效率高、可靠性高和安全性高的特点；在航空领域，三级式发电系统被广泛应用于主发动机驱动的主电源、辅助动力装置驱动的辅助电源和冲压空气涡轮驱动的应急电源中；在辅助主源中，发电机工作转速通常保持为定值；在主电源和应用电源中，发电机工作转速范围通常在1.5倍左右；但是，随着宽变频交流电源系统和无人机电源系统的发展，发电系统的工作转速范围需要达到2～2.5倍。
2、航空发电系统通常需要在20％至170％额定负载间加载和甩载切换时，电压跃落和过冲符合瞬态特性要求，对于三级式发电系统而言，当发电转速超过1.5倍时，电源的瞬态特性通常很难通过电机设计和调压器励磁电流控制来保证。由于随着发电转速增加，电频率增加，主发电机电枢感抗增加，导致主发电机电枢电感上的压降增加，使得最高工作转速成为三级式发电系统瞬态特性设计的最恶劣工作工况点。导致三级式发电系统瞬态特性较差的原因主要包括主发电机定子与转子间的气隙小和励磁绕组的时间常数较大。由于发电机的时间常数较大，故在负载切换5ms以内的瞬态特性并不能通过调节励磁电流得到明显改善。气隙和时间常数由三级式发电机的固有特性决定，通过发电机设计很难有大幅的提升；因此，在控制器端，需要对主发电机的电枢绕组采取一定措施，来解决宽转速三级式发电系统的瞬态特性问题。
3、目前，输出交流电源频率为360hz～800hz的宽
4、1)仅对甩载造成的过压瞬态特性进行了补偿，对加载造成的瞬态电压跌落并不具有补偿效果；
5、2)由于在交流电源系统中，发电机输出直接与负载连接，并经过电力电子装置，很难通过添加电力电子装置的途径来提升瞬态特性；
6、3)由于发电机输出为交流量，很难利用应急电源中的电池作为支撑，对加载造成的瞬态电压跌落进行补偿。
7、对于三级式发电机进行稳压控制的调压器，目前国内主流的实现策略仍基于模拟电路实现励磁调压控制，但模拟调压器存在以下方面的不足：
8、1)普遍采用单纯电压环控制，或者电压环与电流软反馈环构成联合控制，系统开环传递函数的截止频率较低，瞬态特性较差；
9、2)瞬态特性控制的参数由硬件配置，控制参数整定困难；
10、3)参数整定的元器件存在分散性和温度漂移，导致控制效果存在一定差异性。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统；
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法。
3、本专利技术通过以下技术方案得以实现。
4、本专利技术提供的一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统，包括三级式发电机和控制器，所述三级式发动机包括主发电机、主励磁机、副励磁机和位置传感器，所述控制器包括半控全桥、过压瞬态保护单元、支撑电容cdc、欠压支撑电池、调压电路、整流桥、控制电路和电压传感器；
5、所述主发电机定子电枢绕组wms的三相交流输出am、bm和cm端分别与半控全桥的三相交流输入am、bm和cm端连接；
6、所述半控全桥输出端正极和负极分别与高压直流母线的正极和负极、过压瞬态保护单元的两端、支撑电容cdc的两端、欠压支撑电池的两端、电压传感器输入端的正极和负极连接；
7、所述主励磁机定子励磁绕组wfs的f+端和f-端分别与调压电路输出的f+端和f-端连接；
8、所述副励磁机定子电枢绕组wa的三相交流输出aa、ba和ca端分别与整流桥的三相交流输入aa、ba和ca端连接；
9、所述整流桥直流输出端分别与调压电路和控制电路的供电端连接；
10、所述位置传感器输出电机位置信号θ端与控制电路连接；
11、所述电压传感器输出信号vdc端与控制电路连接；
12、所述控制电路输出驱动信号g1端、驱动信号g2端和驱动信号g3端分别与调压电路、半控全桥和过压瞬态保护单元连接。
13、所述过压瞬态保护单元包括功率管q和电阻r，所述功率管q的集电极与半控全桥输出端正极连接，发射极经电阻r与半控全桥输出端负极连接。
14、所述欠压支撑电池包括电池e和二极管d，所述二极管d的阴极与半控全桥输出端正极连接，阳极与电池e的正极连接，电池e的负极与半控全桥输出端负极连接。
15、所述主励磁机转子电枢绕组wfr经旋转整流器与主发电机转子励磁绕组wmr连接。
16、一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，设三级式发电机最低发电转速为nmin，最高发电转速为nmax，在三级式发电机最低发电转速nmin时过载能力满足使用要求的情况下，按发电转速范围nmax/nmin>1.5倍的宽转速工作范围进行三级式发电系统设计，包括以下步骤：
17、步骤1：在nmin～1.5nmin转速范围内，在半控全桥工作于自然整流状情况下，通过三级式发电机、支撑电容cdc、调压电路和控制电路保证20％至170％额定负载间加载和甩载切换时的瞬态特性；
18、步骤2：在1.5nmin～nmax转速范围内，通过半控全桥、过压瞬态保护单元和控制电路保证170％至20％额定负载甩载切换时的瞬态特性；
19、步骤3：在1.5nmin～nmax转速范围内，通过欠压支撑电池保证20％至170％额定负载加载切换时的瞬态特性。
20、所述步骤1包括以下步骤：
21、步骤101：设三级式发电机主发电机转子励磁电流为imf，主励磁机定子励磁电流为iff，定义电流放大系数为imf/iff，使电流放大系数imf/iff呈高线性度；
22、步骤102：三级式发电机主发电机定子电枢绕组进行低感抗xms设计；
23、步骤103：在三级式发电机散热满足要求的情况下，通过提高三级式发电机主发电机转子励磁绕组的电流密度，减小时间常数lmr/rmr；
24、上述中：lmr和rmr分别为主发电机转子励磁绕组的电感值和电阻值；
25、步骤104：对调压电路的高动态特性控制进行设计；
26、步骤105：通过选取支撑电容cdc的容量值，使电压过冲和电压跌落在甩载和加载切换时不超过电压上限和下限。
27、所述步骤2包括以下步骤：
28、步骤201：控制电路通过相控整流控制控制半控全桥，使半控全桥工作于降压型可控制整流状态，实现降压限幅；
29、步骤202：控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：包括三级式发电机和控制器，所述三级式发动机包括主发电机、主励磁机、副励磁机和位置传感器，所述控制器包括半控全桥、过压瞬态保护单元、支撑电容Cdc、欠压支撑电池、调压电路、整流桥、控制电路和电压传感器；
2.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述过压瞬态保护单元包括功率管Q和电阻R，所述功率管Q的集电极与半控全桥输出端正极连接，发射极经电阻R与半控全桥输出端负极连接。
3.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述欠压支撑电池包括电池E和二极管D，所述二极管D的阴极与半控全桥输出端正极连接，阳极与电池E的正极连接，电池E的负极与半控全桥输出端负极连接。
4.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述主励磁机转子电枢绕组Wfr经旋转整流器与主发电机转子励磁绕组Wmr连接。
5.一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，应用于如权利要求1～4任意一项所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统
6.如权利要求5所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
7.如权利要求5所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
8.如权利要求6所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，其特征在于，所述步骤104的对调压电路的高动态特性控制设计的具体步骤包括：
9.如权利要求6所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，其特征在于：所述步骤101的电流放大系数Imf/Iff呈高线性度通过使旋转整流器的负载因数Xfr/Rmr＝0.5～0.7，包括以下步骤：
10.如权利要求6所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，其特征在于：所述步骤102的低感抗Xms设计，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：包括三级式发电机和控制器，所述三级式发动机包括主发电机、主励磁机、副励磁机和位置传感器，所述控制器包括半控全桥、过压瞬态保护单元、支撑电容cdc、欠压支撑电池、调压电路、整流桥、控制电路和电压传感器；
2.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述过压瞬态保护单元包括功率管q和电阻r，所述功率管q的集电极与半控全桥输出端正极连接，发射极经电阻r与半控全桥输出端负极连接。
3.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述欠压支撑电池包括电池e和二极管d，所述二极管d的阴极与半控全桥输出端正极连接，阳极与电池e的正极连接，电池e的负极与半控全桥输出端负极连接。
4.如权利要求1所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，其特征在于：所述主励磁机转子电枢绕组wfr经旋转整流器与主发电机转子励磁绕组wmr连接。
5.一种降压可控整流的宽转速三级式发电系统的设计方法，应用于如权利要求1～4任意一项所述的降压可控整流的宽转速三级式发电系统，...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛开昶，陈强，杨剑波，罗宗鑫，袁光伟，
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：
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