抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究.pdf

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 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、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 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输出要求以及整流变换模块的功率转换要求 通过电磁仿真可得到发电机本体的输出能力和负载特性图 有限元仿真模型发电机两套独立的三相绕组引出线分别接三相整流桥后得到两通道直流电(未经功率转换 仅做整流处理)图 为发电机两套绕组接整流的外接仿真电路图 发电机整流仿真外接电路通过仿真计算 可得到不同转速、不同温度下的仿真结果 具有更高的准确性数据汇总如表 表 所示转速点的电气输出情况见表 从表 可以看出 在 额定转速(/)下 发电机的输出电流以及带载输出功率能够满足指标要求及整流器转换要求表 电机 额定转速下电气输出特性转速/温度要求值 通道 通道直流电流/输出功率/直流电流/输出功率/额定()常温带载功率 低温带载功率 高温带载功率 额定转速(即 /)仿真时 要求最大带载功率不小于 发电机在高温下交流发 卷电机输出性能最弱 因此只对高温状态进行仿真计算是否满足要求 即可得出发电机在 额定转速下的性能指标符合性情况 从表 可以看出 电机在 额定转速(/)下输出性能满足要求表 电机 额定转速下高温带载情况转速/要求值 通道 通道直流电流输出功率直流电流输出功率额定()带载功率()额定转速(即 /)仿真时 要求最大带载功率不小于 仿真得到发电机在常温、高温和低温情况下的 发电机在额定转速的电气输出特性如表 所示 在 额定转速(/)下输出性能满足任务要求表 电机 额定转速下高温带载情况转速/温度要求值 通道 通道直流电流输出功率直流电流输出功率额定()常温带载功率 低温带载功率 高温带载功率 短路工况仿真考虑发电机处于 最严酷的高温环境工作对发电机 额定转速(/)进行仿真分别两通道同时短路和一通道短路另一通道正常带载的工况()、通道同时短路当、通道同时处于短路状态时、通道短路直流电流如图 所示 交流相电流均约为 直流短路电流均约 图 、短路直流电流波形 ()短路 带载一通道短路另一通道正常带载的工况有两种由于两通道对称 以 通道正常带载、通道短路进行仿真分析 得到两通道的电流波形和正常通道的输出功率曲线如下图所示 短路直流电流约 通道的输出功率为 根据仿真结果 通道短路并不影响 通道的正常输出 产品可实现热备份及冷备份的冗余方式图 、通道的直流电流输出波形图 正常通道 输出功率波形 发电机整流模块联合仿真利用 和 联立仿真 校核整流变换模块的电路设计是否正确并实现输出 稳压直流电利用 建立仿真电路如图、图 所示图 发电机与整流模块联立仿真图 期吴 娜等:抗短路直流发电系统一体化拓扑设计与研究图 调制模块仿真、各转速点下的输出电压 得到图 图 所示的仿真结果图 转速点发电机联立仿真三相线电流图 转速点发电机双通道输出电压图 转速点发电机联立仿真三相线电流图 转速点发电机双通道输出电压图 转速点发电机联立仿真三相线电流图 转速点发电机双通道输出电压由图中仿真结果可知:在转速点时 带载 时 产品输出 稳压直流电 转速点时带载 产品输出 直流稳压电 波形脉冲分量为 时 产品带载 输出 直流电 脉冲分量为 分析仿真数据和波形 可得到以下结论:()发电机与整流模块联立仿真 显示该方案可输出直流稳压电 产品实现了集发电、整流、变换一体的功能()由各转速下的输出相电流波形可知 发电机本体输出的稳态三相正弦波在与整流变换模块联立后发生了小幅度的畸变 可判断为模块在功率变换的过程中电路中产生了谐波 回流至发电机本体而对发电机波形产生了影响 具体的影响因素及影响系数需通过不同的控制方式、电路的反复修正进一步进行研究 同时 由输出相电流数据可知 在控制器工作时 发电机本体在各转速点输出的电流几乎一致 表明工作转速下 经调压器控制后发电机长期处于短路的工况()仿真显示 在控制方式完全确定的情况下产品直流输出波形的脉动分量与转速、负载有关输出的波形质量应通过更改控制参数而重新确定优化前需综合考虑全工况 确保系统的输出电压质量 卷由整流变换模块的原理可知 产品的控制是通过控制输出电流而调节电压 控制斩波占空比主要是通过调节内部控制参数实现的 要想得到产品全范围内均合适的控制量 需要对控制算法进行进一步的优化 使产品具备稳态调节性能好、动态响应快的优点 一体化结构设计 密封连接设计产品与发动机系统连接后 内部有高温滑油通过 整流变换模块在工作过程中自身会发热 经高温滑油后温度更高 模块中电子元器件的温度可能存在高于结温的问题 导致整流变换模块无法工作产品失效 为保证产品的可靠性运行 在设计时需要采取隔离措施 将整流变换模块与发电机本体隔离 以免通过发电机内部的滑油影响到电子元器件的正常工作 以保证产品长期可靠运行 同时 由于发电机与模块之间需要电气连接 两部件的密封衔接是保证发电机可靠性运行的必要条件在考虑结构设计时 为实现结构最小化设计将整流变换模块作为发电机本体的后端盖 一体化结构示意图如图 所示 由图可知 整流变换模块作为发电机的后端 通过接线端子实现电气 连接密封圈、密封胶实现结构密封 接线端子采用焊接与整流模块固成一体并涂密封胶处理 以确保实现发电机与整流变换密封电气连接 避免了发电机内部滑油进入整流模块 从而提高了产品的可靠性图 一体化结构示意图该密封方法是新型的密封手段 利用穿墙密封接线端子实现了发电机与整流变换模块的密封式电气连接 本质是通过金属焊接而实现密封零件加工完成后 对该密封结构进行密封试验验证 试验结果显示该结构可通过 、的气密封性试验 验证了该结构的密封性 轻量化设计根据电气性能仿真下得到的电机参数 建立了准确的产品三维结构如图 所示 并对产品的结构进行优化设计 对机械性能要求不高的结构件进行去重 所有部件进行空间最小化设计 以提高发电机功率密度 将产品的各方面设计进行综合考虑得到最优的设计参数 进行重量计算和重量校核分析图 整流变换模块三维示意图在相同的发电机设计方案、相同的整流变换模块设计方案下 将单独生产发电机、整流变换模块所需的重量与一体化产品进行对比分析 如表 所示表 一体化产品与相同方案下的重量对比类别单发电机单整流变换模块一体化产品总量/总计:体积()由数据可知 对比独立产品 一体化产品集成了发电机与整流变换模块 在独立产品的基础上减轻了整个发电系统的重量 节省了空间有利于发动机系统进一步减小功能模块、进行轻量化设计 结 语通过初步的设计及研究 可得到以下结论:()针对航空发动机小型化、轻量化的发展趋势 提出了发电机与整流变换模块一体化的设计理念 对发电机与整流变换模块一体化的设计技术进行了研究 使单个产品具备发电、整流、变换和稳压的功能 实现了轻量化的一体化设计 为发电机及整流变换模块的发展提供一种新的可能和设计思路()分析了产品的工作原理、一体化设计的可行性分析 设计了抗短路型发电机、并联稳压型控制方式整流变换模块的发电机一体化系统(下转第 页)卷.控制工程 ():.刘志元 孙东阳.含区间铰间隙柔性机械臂控制精度分析.重庆大学学报 ():.张凤英.物联网下并联机械手级联式控制仿真.计算机仿真 ():.杨雨佳 张福泉 王怡鸥.基于仿生群智能优化 神经网络的机械手滑模控制方法研究(英文).机床与液压():.李鹤宇 赵志龙 顾蕾 等.基于深度强化学习的机械臂控制方法.系统仿真学报 ():.鲁文儒 张鑫 张靓 等.基于迭代滑模的机械臂控制策略.电机与控制应用 ():.董玉明 俞立 朱俊威.基于自适应滑模的移动机械臂跟踪控制.控制工程 ():.李德昀 徐德刚 桂卫华.基于时间延时估计和自适应模糊滑模控制器的双机械臂协同阻抗控制.控制与决策():.陈强 丁科新 南余荣.带有输出约束的柔性关节机械臂预设性能自适应控制.控制与决策 ():.刘凌 李志成 张莹.面向双关节机械臂的参数可调 神经网络控制.西安交通大学学报 ():.尚东阳 李小彭 尹猛 等.采用 神经网络辨识的柔性机械臂抑振控制策略.西安交通大学学报 ():.刘晶 普杰信 牛新月.基于神经网络滑模的机械臂轨迹跟踪控制方法.计算机工程与设计 ():.(上接第 页)王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究.沈阳工业大学学报 ():.():.张凤阁 杜光辉 王天煜 等.高速电机发展与设计综述.电工技术学报():.周帆 祖磊 李书欣.高速永磁电机转子碳纤维护套的缠绕张力计算研究.玻璃钢/复合材料():.董剑宁 黄允凯 金龙 等.高速永磁电机设计与分析技术综述.中国电机工程学报 ():.王继强 王凤翔 鲍文博 等.高速永磁电机转子设计与强度分析.中国电机工程学报 ():.肖剑雄 周向 申政.高速永磁电机转子碳纤维护套张力缠绕仿真分析.复合材料科学与工程():.(上接第 页)()采用联立仿真 建立产品电场 磁场的耦合 计算整机输出电压及波形脉冲 同时 针对产品不同部位不同使用环境的状况 进行了部件与部件之间的密封设计 即实现了产品的电气连接也保证了产品的长期可靠运行()设计方案满足产品的技术指标要求 下一步可考虑通过改善稳压 控制算法并优化电路达到提高系统响应时间和调压性能的效果参考文献 秦海鸿 严仰光.多电飞机的电气系统.北京:北京航空航天大学出版社.王毓东.电机学.浙江:浙江大学出版社.陈世坤.电机设计.版.西安:机械工业出版社:.唐任远.现代永磁电机.北京:机械工业出版社:.辜承林 陈乔夫 熊永前.电机学.武汉:华中科技大学出版社.任海英 周波.双凸机起动/发电机系统一体化设计.中国电机工程学报 ():.王成元 夏加宽 孙宜标.现代电机控制技术.北京:机械工业出版社.王兆安 刘进军.电力电子技术.北京:机械工业出版社.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: