（电力电子与电力传动专业论文）基于cdump变换器的无刷直流发电系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sa i r p l a n e s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e mf a s g s ) i sa r ti m p o r t a n tr e s e a r c h i n g d i r e c t i o no fa e r o s p a c ep o w e rs y s t e m an a m e dc d u m pt o p o l o g yi s e m p l o y e da s t h e p o w e rs t a g eo ft h ea s g s ，w i t hs o m ei m p r o v e m e n t so nt h et o p o l o g yt oa c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e i ng e n e r a t i n gm o d e o p e r a t i o n p r i n t i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a t i n g m o d ea r ea n a l y z e d s t e a d y - s t a t ec i r c u i tm o d e l sa n dm o t o rw i n d i n gc u r r e n tm a t h e m a t i c s m o d e l sa r ed e v e l o p e df o rb o t hs q u a r e w a v em o t o r sa n ds i n u s o i d a l 腑p em o t o r s 。w i t h t h e s em o d e l s ，v o l t a g er i p p l eo ft h eg e n e r a t i o ns y s t e mi sc h a r a c t e r i z e d p a r t i c u l a r l yf o rt h e c o n s t r u c t i o no ft h ec d u m pc o n v e r t e r , t h i ss c h e m ec o m e su pw i t han o v e ls w i t c h i n g t i m i n go ft h et w op o w e rs t a g e s i no r d e rt oa r e n u a t et h e v o l t a g er i p p l ee f f e c t i v e l y i n a d d i t i o n ，s m a l ls i g n a lm o d e lo ft h eg e n e r a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d ，p a r a m e t e r so ft h e d o u b l e l o o pf e e d b a c ka r ed e s i g n e da n dd y n a m i cr e s p o n s ei sv e r i f i e d ，ap r o t o t y p eo ft h e b r u s h l e s sd c r e g e n e r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e da n dt e s t e df o rt h es t e a d ys t a t eo p e r a t i o n a n dd y n a m i cr e s p o n s e e m u l a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h e s y s t e md e s i g na n dt h eg o o dq u a l i t yo f t h eo n t p u tv o l t a g ea sw e l la st h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，s t a r t e r g e n e r a t o r ，c d u m p c o n v e r t e r ，r e g e n e r a t i v e o p e r a t i o n ，r e g e n e r a t i v eq u a l i t y , v o l t a g er i p p l e ，v o l t a g ea n dc u r r e n td o u b l e l o o p ，s w i t c h i n g t i m i n g 论文题目： 基于c d u m p 变换器的无刷直流 发电系统的研究 f 航空科举基金1 l 舷窆预料基金资助顼匿i l 南航发明基金j 学科专业：电力电子技术 入学时间；1 9 9 5 9 研究生姓名：窦森 答辩时间：2 0 0 0 3 指导教师：周波教授 申请学位：工学硕士 基于c d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 绪论 随着飞机性能和自动化程度的提高，现代飞机对电源系统的依赖性越来越大。 飞机电源系统的工作可靠性、供电质量等因素都直接影响到飞机的安全和性能。 现代飞机主电源有低压直流电源、恒频交流电源和混合电源三种。随着电力电 子技术、微电子技术和控制技术的发展，飞机电源电源系统出现了两个新的发展反 向：高压直流电源和高频环节交流电源。其中，飞机高压直流发电系统简单、易于 并联、易于实现不中断供电，电能变换效率高，高压直流电源与直流电网重量轻。 因此，高压直流电源不久将得到广泛应用。 由于飞机电源系统的工作环境非常恶劣，一般有刷直流电机存在的电刷和换相 器限制了其在高压直流电源系统的应用。无刷直流发电系统应用于飞机高压直流电 源则具有良好的前景。而且，无刷直流发电系统能构成飞机无刷起动发电双功能系 统，节省专用的起动机并取代有刷直流起动发电双功能系统。 国内对起动发电双功能电机的研究与国外相比有较大差距，交流电机无刷起动 发电研究才刚刚起步，现役飞机仍广泛采用有刷直流起动发电机。而国外已在这 方面做了大量的工作。本文所研究的无刷直流电机系统可应用于无刷直流起动发电 系统中。无刷直流起动发电系统的研究成为飞机电气系统研究领域非常重要的一个 分支。在国内研究无刷起动发电的科研单位中，南航起步较早，近年来做了大量的 工作，取得了许多具有较高价值的科研成果。 本文的研究工作是在前人研究成果的基础之上继续进行的，但以前的无刷直流 起动发电系统的研究集中在基于三相桥式变换器的系统上，由于三相桥式变换器主 电路拓扑已经比较成熟，研究的重点一般在无刷直流电机系统的控制规律方面。本 文的研究工作是寻找一种结构更简单，体积、重量和成本更低的新型双向变换器拓 扑，能够应用于飞机起动发电双功能系统，而且其发电运行的性能不低于基于三相 桥式变换器的无刷直流发电系统。 本文的研究重点是无刷直流起动发电双功能系统的发电部分，起动与电动相 同，详见“。 基于以上考虑，本人研究工作的主要内容是： 1 研究适合无刷直流起动发电系统系统的新型变换器拓扑，以满足无刷直流 发电系统对体积、重量、成本及可靠性等方面的要求； 2 对所选择的变换器拓扑的工作原理和性能进行详细的研究：建立了主电路拓 扑稳态运行的数学模型和电机绕组电流的数学模型，利用建立的模型分析了电机及 变换器的参数对系统稳态性能的影响，为系统的设计提供了指导；针对变换器的独 蒸于c d u m p 变换嚣腑无剩磁流发电蕊统的研究 薅缕擒骥究了可改善疑遥囊薰馥整割綮路； 3 建立了系统的小信号模型，利用所建立的小信号模型设计了闭坏控制系统， 著骏谨系统翁稳定莲张秘态褥性； 4 设计制作基于新型变换器的无刷直流发电系统的原理样机。 本文硬究的是基予薪型静变换嚣柩羚遂行鲍无剥趟滚发电系统，除了在变按器 拓扑方面有剖新以外，还需掰在控制规律的研究上有所突破，以尽可能提高旗于新 型变换嚣的天剃直漉越麓发瞧系统的蛀钱。 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统 的工作原理及变换器拓扑的改进 无刷直流电机系统的发展越来越趋向于追求更低的成本和更小的体积以及机电 一体化的要求，以适应大量出现的中小功率电气设备的需求。对于由无刷方波电机、 功率变换器和转子位置传感器三部分组成的无刷直流电机系统来说，可分别从电机、 功率变换器和转子位置传感器三方面入手降低系统体积、重量和成本。本文将主要 从功率变换器及其逻辑控制电路方面研究无刷直流电机系统，而且很明显这方面的 研究具有见效快、代价小等优点。但近些年来永磁无刷直流电机调速系统在这方面 的尝试很少，大量采用的仍是传统的三相桥式变换器，而开关磁阻电机等类型的调 速系统己做了大量的尝试。 电容储能型的变换器又称为c d u m p 变换器，如图1 1 所示，这种变换器拓扑 被提出后，首先应用于开关磁阻电机调速系统中。1 9 9 7 年k i i s 1 1 1 a 1 1 教授成功地将 c d u m p 变换器应用于永磁无刷直流电机调速系统中”】。c d u m p 变换器与传统的三 相桥式变换器相比，主电路只有四个开关管和四个二极管，由于采用半桥结构不存 在直通的可能性，这将使系统的体积与成本下降，可靠性提高。不足之处是多出一 个储能电容，但在总体上系统体积与成本将降低。更重要的是，这种变换器能实现 四象限运行，并可应用于起动发电双功能系统，因而具有较大的实用价值。 图1 1 c d u m p 变换器拓扑 本文主要对c d u m p 变换器电路用于无刷直流发电系统进行研究。因为这种电 路拓扑以前从未用于无刷直流起动发电系统，所以本研究在一定程度上带有探索的 性质，电路拓扑还需作一定的改进。 基于c d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 1 1c d u m p 变换器发电运行的原理及特性分析 1 1 1 c d u m p 变换器发电运行的原理 无刷直流电机工作于发电模式时，必须给电机提供负转矩。采用三相桥式变换 器的无刷直流电机系统提供反极性的电流即可产生负转矩。但对于采用c d u m p 变 换器的发电系统来说这种方式行不通，因为这种变换器输出单方向的电流。唯一的 办法是在感应电势的负半周时输出电流，在这个时段内只要在电机绕组中通以正向 电流就可得到负转矩。图1 2 为c d u m p 变换器发电运行时的电机绕组相电势和相 电流波形，可以看出气隙功率p 。是负值，表明电机系统工作在发电状态。以a 相为 e p a 0 一e p e p c 0 一e p l p 口 _ 广 扫| 白| 二七白。 图1 2 c d u m p 变换器发电运行时的电机绕组相电势和相电流波形 例详细说明，发电工作时，在感应电势的负平顶阶段开通开关t 。，利用反电势给绕 组电感充电，当p w m 控制系统使t 。关断时，二极管d 。开通续流，将能量从电机绕 组转移到回馈电容，t 。开通和关断时的等效电路分别如图1 3 ( a ) 、( b ) 所示，主要的 变量波形a 相绕组反电势e 。绕组电流i 。绕组端电压v 。气隙功率p 。和输入功 南京航空航天大学硕士学位论文 率p 如图1 3 ( c ) 所示。注意到气隙功率和输入a 相的平均功率都是负的，表明功率 从电机转移到回馈电容c 。，能量通过开关t ，和二极管d ，构成的降压斩波器从c 。回 馈到负载端( 图1 1 变换器拓扑在发电运行时将电源改为负载r 。) ，这就是c d u m p 变换器发电运行的过程。 ( b ) c i 0 。 b i 。 口 v 。0 ( - b k ) p io p f _ p b ，一! ( c ) 图1 3c - d u m p 变换器发电工作状态示意匿 0 rd e g 1 1 2c d u m p 变换器发电运行的性能研究 为分析方便，假设绕组电流理想换相，并将c - d u m p 变换器电路简化为如图1 4 所示的b u c k 、b o o s t 两级电路组合变换器，其中前级b o o s t 变换器的输出是后级b u c k 图1 4c d u m p 变换器发电运行简化电路图 变换器的输入，而b u c k 变换器的输出电压加上相绕组反电势( 设图1 4 中标识方向 为电机绕组反电势正方向1 则为b o o s t 变换器的输入电压。可以看出，c d u m p 这种 双向流变换器发电运行时存在一定的循环能量，即从电机相绕组斗储能电容滤 波电感电机相绕组。下面来分析这种循环能量对于发电模式有否影响。 在图1 4 中，忽略开关损耗和电阻热损耗，有如下关系： l = i ，i ； 其中，i 和v 在这里表示电流和电压平均值 ( 1 1 ) i 。为负载平均电流，i r 为b u c k 斩波器 一5 一 基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 滤波电感l ，中的平均电流，i 。为b o o s t 变换器的平均输入电流，i 。为流过开关管t ， 的平均电流，e 为储能电享平均电压。理想情况下( 电机绕组电阻r ；= o ) 有 f v a c + e t , ) l = e l = m ( 1 2 ) 因此 印厶= m v m , = v a 。一上) = m ( 1 3 ) 了z ：孚 ( 1 4 ) i 。y d c 乩怛半五= ( ，+ 堡e p 五 s ， 却 对于无刷直流电机来说，垄中低转速下其绕组反电势一般低于输出负载电压v 。， 尤其是在低转速时相电势比输出电压小得多。因此，c d u m p 变换器发电运行时大 部分电流是作为循环能量杰电机相绕组、储能电容、滤波电感之间流动，流入负载 的电流只是电机相绕绍奄：毫的- - d , 部分，相电流的利用率很低，特别是b u c k 电路的 滤波电感l t 中流过的电流将是提供给输出负载电流的f 1 + 坠e p ) 倍 l ，设计变的较困难，并且i 盍积、重量及成本都将大大增加。因此 下的c d u m p 变换器拓扑苎构进行改进。 1 2 半波升压式c - d u m p 变换器发电运行的性能分析 过大的电流将使 必须对发电模式 1 2 1 c d u m p 变换器拓扑的改进一一半波升压式c d u m p 变换器 如图1 5 所示，若将三相电机绕组的中点与输出负载端断开，而弓主电路公共 地连接，则c d u m p 变换器拓扑变成了前级为三相半波升压式变换器，后级为降压 式变换器( b u c k ) 的结构：这种变换器发电运行的原理同c d u m p 变换器发电运行 的原理非常相似，也是在每相绕组反电势到达负平顶段时该相开关高频工作，将反 电势升压到一定值，后级b u c k 电路降压工作。但该变换器属于功率单司流动，没有 循环电流，这样就避免了毛惑l r 中电流过大的缺点，因为这时电感l ：中的平均电 流就是负载电流。 1 2 2 考虑电阻损耗的b o o s t 变换器特性研究 考虑电机相绕组电阻_ ；d 开关管导通电阻的情况下三相半波升压电终能否达到系 统所需的性能要求，需要道一步分析研究。仍假设三相绕组理想换相，并将升压电 一 一 南京航空航天大学硕士学位论文 路简化为如图l _ 6 所示非理想b o o s t 电路。r 为考虑电机绕组电阻和开关管导通电 阻的 图1 5 三相半波升压式c d u m p 变换器 + v 一 ；。n c o 毒v 。i i 一 r l ( a ) t n ( b ) t 。f 图1 7 b o o s t 电路开关管开通( t 。) 和关断( t o 口) 的等效电路 等效电阻，下面分析存在r 的非理想b o o s t 变换器的特性m 】。 图1 7 ( a ) 为b o o s t 电路开关开通时的电路等效图。可见t 。时有 v f 一& xt i + v m v o k r c 如图1 7 ( b ) 所示为b o o s t 电路开关关断时的电路等效图。则t 。时有 = 一尼厶+ v 。一v v c o f c 2 b 一一 血 根据稳态条件下电感电压伏一秒平衡规律和电容电流安一秒平衡规律，有 d ( 一r s x 厶+ 卜d ( - 见五+ 一卜o 。( 一针。( 上一笔 = 。 其中d = 1 一口，由( 1 - 1 1 ) 式可得 ( l6 ) ( 1 7 ) ( 1 _ 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 肛瓦g o = = 1 可1 d ( 1 1 2 ) 儿 1 + 、。 庐彘= 古丧笔 ( 1 1 3 ) t ， 令胙等= ( d ) k ，其中 r “ ( d ) = 击= 吉 ( 11 4 ) 肛i 1 e 1 1 5 u ( d ) 是开关变换器理想状态下的稳态电压比，k 是考虑电感寄生电阻后的校正系数。 电源输入功率 只= 眦= 篆 ( 1 i 6 ) 输出功率 p o = g d o = 等 ( 11 7 ) 变换器效率 弘p _ 只z = d 瓦v c o ( 1 t 8 ) 弘只2 瓦 ( 1 由上面的式子可得 _ i 7 乖 ( 1 1 9 ) l 十：一 d 7 2 r l 1 2 3 半波升压式c - d u m p 变换器的性能分析 给定电机参数凡= o 4 q ，在额定状态下代入式( 1 1 2 ) 和( 1 1 9 ) 可得变比m ( d ) 和 效率q ( d 1 的曲线如图1 8 所示。 从图中可以看出，非理想b o o s t 变换器的变比随着占空比的增大并不是一直保 持上升，在占空比d 趋近于1 时，变比m 反而下降。而且，效率也随着占空比的增 大呈下降趋势，这说明，占空比d 较大时的非理想b o o s t 变换器性能较差。 就本课题所研究的实际电机系统来说，若要求输出负载电压v 。为2 0 0 v ；储能 南京航空航天大学硕士学位论文 电容电压为3 0 0 v ，而电机额定转速为1 5 0 0 r p m ，此时相绕组反电势约5 8 v 。因此， 系统若要工作在正常状态，则三相升压电路开关t 。占空比d ，。应在o 8 5 以上，则此 时前级变换器效率低，升压变换器的这种非理想变比特性使得电机系统工作时存在 舀 苫 u 楸 图1 8非理想b o o s t 变换器变比和效率曲线 最低转速限制，限制了采用这种变换器拓扑在发电系统中的应用。 采用半波升压变换器的发电系统出现这种输出特性差的原因在于，电机绕组电 阻及开关管导通电阻上有压降，随着占空比的增大，输入电流增大，寄生电阻上的 压降随之增大，消耗在寄生电阻上的功率增加，变换器效率下降。甚至在占空比达 到一定值时，寄生电阻的压降大到使输出电压随占空比增加而下降的程度，变换器 的功率大量消耗在寄生电阻上，因此，变换器的性能明显变差。可见，这种电路拓 扑在电机低速运行时性能不佳，还需要对电路拓扑进行进一步的改进。 1 3 全波升压式c - d u m p 变换器发电运行的性能分析 1 3 1 全波升压式c d u m p 变换器拓扑的提出 前一节所讨论的电路拓扑因为低速时相电势过低使得系统性能较差，考虑到半 波变换器只利用了电机相电势的一半，如果全部利用的话，升压变换器输入电压增 大使得变换器工作在占空比较小的状态下，将明显改善升压式c d u m p 变换器发电 系统低速性能。因此，将电路拓扑作改进为如图l _ 9 所示的全波升压变换器的形式。 下面比较一下这种全波升压式c d u m p 变换器与半波升压式c d u m p 变换器发电运 行时的性能。 一9 基于c d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 从图1 9 可以看出，这种变换器拓扑与半波升压变换器相比电机利用率提高一 倍：在相同的转速条件下输入电压提高一倍，不考虑损耗时输出功率提高一倍，前 级变换器输电阻相应增加一倍。变换器前级一一全波升压式变换器所对应的等效非 理想b o o s t 电路的变比和效率曲线同半波升压变换器比较有所不同，下面将详细分 析。 图1 9 全波升压式c d u m p 变换器电路拓扑 1 3 2 采用全波与半波升压式c - d u m p 变换器的系统发电特性分析 图1 1 0 为全波升压变换器和半波升压变换器对应的等效非理想b o o s t 变换器的 变比和效率曲线。虽然在相同的占空比下，全波形式的变比和效率都较半波形式的 低，但在相同转速下全波升压变换器输入电压高一倍，因此其占空比要比半波升压 变换器的占空比小。 从图1 1 0 可以看出，非理想b o o s t 变换器变比函数m ( d ) 有最大值，对式( 1 1 2 ) 求导可得最大变比所对应的占空比，即令皇丝旦：0 ，得 d f d m = l 一， ( 1 2 0 ) 对应的最大变比为 1 州d ) 2 寿 1 2 1 ) 。r l 由于升压电路变比的非理想特性，必须对发电系统最低工作转速进行限制，否 则难以保持发电系统的输出电压稳定。最低转速下前级变换器的变比为m 。，占空 比为d 。，假定后级降压变换器的占空比为l ，则储能电容的最低电压为输出负载额 定电压v 。此时要求升压变换器的输入最低电压为 。：上l ；上l m m x 埘m x 全波升压变换器的输入电压为2 e 。，半波升压变换器的输入电压为o p ， 最低工作转速为 ( 1 2 2 ) 则发电系统的 一l o 南京航空航天大学硕士学位论文 全波升压式c d u m p 变换器： 舳。：皇一旦：! 查一 c 12 c 1 2 ( x a 彳一 ( 1 2 3 ) 占空比d 图1 1 0 全波和半波升压式c d u m p 变换器变比和效率曲线 半波升压式c d u m p 变换器： 。：皇一旦：坚一 f 1 2 4 ) c ；c ； c 孟一x 这里，c 为电机绕组反电势常数。 当电机转速升高到大于临界值n 时，绕组反电势增大到使得升压变换器以小于 d 。的占空比工作，储能电容电压将达到并保持在额定值v c 0 后级变换器以额定占 空比工作，此正常工作临界转速为 全波升压式c d u m p 变换器： n ，皇：旦一! 竺 ( 1 2 5 ) ( j2 ( 乙2 ( ，：m m x 半波升压式c d u m p 变换器： m ：竺：兰：! 竺f 1 2 6 1 ( ；( ；( “，x 电机转速继续升高到临界值n ，时，前级升压变换器的占空比下降到零，前级变 换器处于整流状态，储能电容电压开始超过额定值v 。，后级变换器的占空比也将低 于额定值d 。，此整流工作临界转速n ：为 全波升压式c d u m p 变换器： n ：! ：v d c ( 1 + r , r t ) r 1 2 7 ) 2 g2 ( 0 1 1 基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统! ! ! 至塞 半波升压式c d u m p 变换器： n ，一 g i n ：垡! ! 型盟 ( 1 2 8 ) 0 甩2 = 一 i 可见，随着电机转速的变化，发电系统存在四种工作状态。如果忽略后级变换 器的损耗，非理想b o o s t 变换器的效率可近似作为发电系统的效率。下面分析每个 工作状态下的系统性能。 ( 1 ) n n 谢。 前级变换器占空比d 。保持d 。不变，后级变换器占空比d 。为1 。储能电容电 压v 。与转速成正比，。_ m 输出负载电压等于储能电容电压。此阶段系统 不能输出符合要求的负载电压。 ( 2 ) 1 1 t r i 。i 1 n 1 前级变换器仍以最大占空比d 。工作，储能电容电压从v 。到额定电压v 。之间 线性变化，后级变换器则开始以低于1 的占空比工作。这时储能电容电压仍随转速 升高而增大，即k 。= m 一，输出负载电压保持v 。不变；后级变换器占空比为 d ，：丝一：旦，它随转速升高而减小。此阶段发电系统效率很低，系统不宜 v c oc e n m 在此阶段工作。 ( 3 ) n l 耋n n 2 当转速升高到n ，后，储能电容电压达到设定值e 并保持不变，前级变换器开关 占空比为d 。：l 一! 生墼，随转速升高而逐渐下降：但为保持输出负载电 2 朋 压恒定为v 。，d 。应为恒定值，即d ”= 娑。此阶段发电系统的效率较高，为系统 正常工作的主要阶段。 ( 4 ) n n 2 当电机转速升高到n ：时，将使得m = 0 + 。) ，d n 减小为零。此后随者转速 的升高前级变换器开关管将一直关断，前级变换器作三相半波或全波整流工作。这 时储能电容电压与转速成正比，近似为电机反电势，输出负载电压仍保持v 。不变， 胁笔= 掣诽速麟阶段发效率褊蚺表。 1 3 3 全波升压式与半波升压式c d u m p 变换器性能比较 全波升压式c d u m p 变换器与半波升压式c d u m p 变换器的不同之处在于前级 变换器的输入电压大一倍，同时输入电阻也大一倍，显然全波升压式变换器的最大 南京航空航天大学硕士学位论文 变比是半波升压式变换器的半倍，因此由式( 1 2 3 ) 、( 1 2 4 ) 可知采用全波升压式 z c d u m p 变换器的发电系统的最低工作转速。是采用半波升压式c d u m p 变换器的 系统的牟倍。同理可发现，其正常工作临界转速n l 也是后者的睾倍，整流工作 临界转速约n ：为后者的妄。 z 设储能电容稳态工作的额定电压为3 0 0 v ，输出负载额定电压为2 0 0 v ，半波升 压变换器输入电阻为0 4 q ，则全波变换器的为0 8 q 。利用式( 1 1 9 ) 可求得采用全 波与半波升压式c d u m p 变换器的发电系统的效率。将上述参数代入电路系统，可 得发电系统在不同工作转速时，输出负载电压v d 。、前级升压变换器占空比d 。和发 电系统效率n 的工作特性曲线，如图1 1 l 所示。 电机转速n ，r m i n l 1 一全技井压式c - d m 毋变擞器 2 半破舟匿式c d u 坤变嵌器 图1 1 1 采用全波半波升压式c d u m p 变换器的发电系统的工作特性曲线 从图1 1 1 可以看出，采用全波升压式c - d u r l l p 变换器的发电系统的最低工作转 速比采用半波升压式c d u m p 变换器的发电系统的低，前者可以在更低的工作转速 下进入系统效率最高的前级整流工作状态。相对于半波升压式c d u m p 变换器的发 基于c d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 电系统，采用全波升压式c d u m p 变换器的发电系统主电路拓扑改动不大，控制系 统完全相同，三相开关的动作与半波相比也没有变化，但可以拓宽发电系统运行的 转速范围，改善系统低速运行时的性能。三相全波升压式c - d u m p 变换器拓扑应用 于飞机起动发电系统时，因为发动机的工作转速大多较高，所以一般可获得较高的 系统效率。而应用于普通的低速发电系统时，三相全波升压式c d u m p 变换器的低 速性能，主要是发电系统的效率，较三相半波升压式c ，d u m p 变换器好。 图1 1 2 基于c d u m p 变换器的直流无刷起动发电系统电路拓扑 上面讨论了几种以c d u m p 电路为基础的变换器拓扑在发电运行时的性能比 较，为适应系统启动发电双功能电机的要求，可将体积成本的要求适当放宽。因而， 虽然最后一种电路拓扑要多出三个二极管，但系统性能得到较大改善，最适合构成 无刷直流起动发电系统的电路拓扑，如图1 1 2 所示。利用一个开关s 1 可方便地在 电动发电模式下切换。所以，以全波升压式c d u m p 变换器作为无刷直流电机系统 发电运行的变换器拓扑是较理想的选择。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章 基于全波升压式c - d u m p 变换器的无刷 直流发电系统的建模 第一章分析了直流无刷起动发电系统采用c d u m p 变换器作为主电路拓扑的 优、缺点，及为适应系统性能要求而做的必要的拓扑结构的改进。经过简单分析比 较几种改进型变换器的工作特性，最后选定了全波升压式c d u m p 变换器作为直流 无刷起动发电系统的主电路拓扑。 这种变换器的结构是由两部分组成，其中后级是普通b u c k 电路，前级是三相全 波升压式电路。前一章分析三相全波升压变换器时为方便起见，假设电机绕组电流 换相为理想情况，而且这也基本不影响对采用三相全波半波升压式c d u m p 变换器 的发电系统的工作特性比较。但是，电机绕组电流的换相过程不可能完全为理想情 况，换相是否会对系统性能产生影响及影响程度有多大，这都需要对三相全波升压 变换器的工作原理、发电性能和闭环工作特性作出详细的分析。为了对这个相对来 说还比较复杂的电路拓扑进行分析，有必要为其建立简单而准确的模型，从而简化 分析过程，提高分析精确度。后级b u c k 电路的工作原理比较简单而且只要求把储能 电容电压变换为稳定的输出负载电压即可，不象前级三相升压变换器那样有复杂的 三相换相情况，因此本章的重点是对三相全波升压式变换器进行建模。 2 1 三相全波全波升压式变换器的工作原理分析 本文所研究的无刷直流发电系统包括同步电机、三相全波升压式c d u m p 变换 器和位置信号形成电路三部分。电机绕组反电势作为发电系统变换器部分的输入， 其形式的不同将使得发电系统的性能也有所不同，因此分析发电系统的性能时必须 考虑到电机绕组反电势的特点，。 2 1 1 电机形式的分析和选择 无刷直流电机按照反电势波形又可分为方波电机和正弦波电机。方波电机的实 际反电势波形一般为如图2 2 ( a ) 所示的梯形波，产生这种波形的原理在于电机的转 子磁极与电机绕组之间为均匀气隙，磁场空间分布为梯形，因而感应出的每匝线圈 反电势波形也为梯形波，再加上电机采用集中绕组方式，使得每相绕组的反电势为 梯形波。正弦波电机产生正弦电势波形的原因可能包括以下情况：转子磁极设计为 非均匀气隙使气隙磁场分布为正弦波形、电机绕组采取短踞和采用分布绕组。 方波电机发电工作时与正弦波电机相比具有以下优点： 1 ) 电机结构简单，便于制造；采用集中绕组，绕组利用率高。输出相同电压的 一ls 基于c d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 情况下，方波电机每相绕组匝数可以减小，电机体积、重量得到降低。 2 1 理想换相时，方波电机的输出直流电压无脉动，这使实际系统中直流滤波器 的容量较小，将直接减小系统的体积、重量。 3 1 电机输出波形的变化，将直接影响到变换器主功率器件的容量大小，方波电 机整流时电压、电流没有脉动，器件容量最小；对于正弦波电机，输出相同功率， 主功率器件的耐压要增加约4 7 ，输出容性负载时，电流定额更是成倍提高。 综上所述，无刷直流电机系统宜采用方波电机。但是，由于实验条件所限，本 系统的实现还需要采用正弦波电机。所以，本论文的理论分析及仿真分析需要对采 用方波电机和正弦波电机的系统均进行分析。 2 1 2 三相全波升压式变换器的发电运行原理分析 图2 1 三相全波升压式变换器电路图 图2 1 为前级三相全波升压式变换器电路图。理想情况下，三相全波升压式变 换器按照无刷方波或正弦波电机相绕组反电势的变化，在一个周期内可以简单地看 作六个如图2 2 所示的工作模式，各模式器件工作情况如表2 1 所示。设a 相绕组 + e 图2 ，2 三相全波升压式电路每个工作段的示意图 开始正向导通，b 相绕组反向续流时刻的电角为詈。需要注意的是，对于电动机来 说，绕组反电势方向与绕组电流方向相同，而对发电机来说，绕组反电势势在这里 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1各工作阶段下器件工作情况 工作阶段工作时段参与工作的器件升压电路 ( 电角度) l ie id 【t l k e 2d 2 输入电压 1丌霄 l 。e ad “t 。l be bd b 2e a b 一4 i 62 2 _ j ，万 l 。e ad 。lt 。l 。e 。d 。2e 8 c 一 一 26 35 石7 万 l he b d b lt bl 。e cd 。2e h 66 47 芹3 石 l be b d b lt bl 。e ad a 2e b a ， 62 5 3 石1 1 石 l 。e cd c l t 。l 。 e 6d a 2e c a 26 6 1 1 斤1 3 厅 l 。e cd c lt 。l be bd b 2e c b 66 p ii 1 i 霄 厅 oi i 2 舞 i ( a ) 螺1 。1 毒1 。拓 266 t 1 9 ； 霉寸1 l i 。 、二一 浩1 = = 一 ，寸、： 、一 _ l 、 ； 扎； 一一 ii 、 1 1 卜 ，_ 一 j ；i ： 寸 、ij 一。l n 鼍丫 i - j 1 卜r 斗f。i 。i 方波电极 ( b ) 正弦波电机 图2 3 三相全波升压电路理想情况下反电势与电流波形 相当于变换器输入电压。因而为方便起见，设下面所有分析中的电机绕组反电势方 向都以图2 3 所示为正，即这里所讨论的反电势的方向与传统意义上的电动机反电 势方向相反，相当于某相绕组反电势达到正平顶( 方波电机) 阶段或峰值半( 正弦 波电机) 时开通此相开关。可以发现，采用正弦波电机或方波电机的变换器发电运行 时的电机绕组导通的电角度和器件工作情况完全相同，下面以方波电机为例详细说 明。 基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 在一个周期内，各相绕组工作情况如下：第l 阶段，a 相绕组反电势处于正平 顶段，b 相绕组反电势处于负平顶段，a 相绕组正向导通，t 。高频开关工作，b 相绕组 反向续流，升压电路输入电压为e “第2 阶段，a 相绕组正向导通，t 。高频开关工作，c 相绕组反向续流，输入电压为e 。其余各工作模式的详细情况如图2 3 和表2 1 所 示。可见，对于方波电机来说，理想情况下三相全波升压电路的输入电压是恒定不 变的两倍相绕组反电势，即2 e n ，任何时候都有两相绕组导通，输入电压与三相半波 升压电路相比提高一倍，则升压电路的性能将得到较大提高。而采用永磁正弦波电 机的变换器输入电压有脉动，其脉动频率为六倍的电机绕组反电势频率，平均电压 1 7 为正弦波相电势( 有效值) 的尘兰倍，电压脉动量为平均输入电压的1 4 。可见，随 石 着电机转速的提高，电机输入电压脉动频率升高，对系统性能影响降低。 当然，实际情况与此有所不同，因为两相绕组正向或反向换流时并非瞬时完成 的，所以存在三相绕组同时导通的情况，详细情况同电路结构及参数有关，下面将作 详细分析。 2 2 三相全波升压电路的建模 由于三相对称性，下面的建模分析只以a 相为例分析其处于正向导通的半个周 期的工作情况，即如图2 3 所示 on 电角度区间内的工作情况。 2 2 1 电机相绕组反电势的建模 在发电机系统中，电机相绕组反电势相当于变换器的输入电压。下面分别对方 波电机和正弦波电机的相电势进行建模。 1 方波电机 假设电机为理想两对极方波电机，其反电势是电角度护。的函数。设函数 且有 厂。p 。) = 旦以0 护。兰 石6 1三s 秽。s 竺 66 导访以) 里鲰竺 (21)6厅、 7 6 、 一1 竺曰。一1 l z 66 - 6 ( 6 。一2 z ) 坐毋。2 万 7 o 南京航空航天大学硕士学位论文 “币( 以了2 7 ( 2z ) 似) 币( 叭 ( 2 。， 因此三相绕组反电势分别为 p e ) = c 新( 口e ) = 唧工p 。)( 2 4 ) e b ( a e ) = c 锄乒( 护e ) = e n o 。)( 2 j ) “( 口。) = ( 乙n 正( 曰e ) = 唧五p r )( 2 6 ) 式中，c 。o ，伊m 一1 ) 是电机绕组相电势常数，n ( r a d m i n - 1 ) 为转子转速，e p 为绕组相 电势梯形波幅值。电角度是时间的函数护e = 丝t f ，t 为电机相绕组反电势的周期， 丁= 2 6 0 月，因而可将反电势写成时间t 的函数： ( f ) = 1 2 e p - - - - - - 一t 丁 凸 6 凸一1 2 e p f 丁 一凸 一1 2 e d + 1 2 e pt ， 0 f 二 1 2 三f 坚 1 21 2 罂f 一7 t ( 2 7 ) 1 21 2 7 r1 1 丁 1 21 2 l l t s f r 1 2 “( f ) - m ( f 一；) 郇m ( r + 争 2 正弦波电机 两对极正弦波电机的反电势模型比较简单，即为 ( 护e ) = e p s i n ( 0e ) = g ns i n ( oe ) 由( 0 o ) 一s i n ( 缸争= i n ( 粘争 刚e ) = e ，s i n ( o e + 争= i n ( 阱争 舟 门 加 n 他 心 心 亿 她 基于c - d u m p 变换器的无刷直流发电系统的研究 e 。为绕组相电势峰值，c 。为绕组反电势常数。同理，可将反电势写成时间的函数， 如下所示 e o ( t ) = g n s i n ( 等f ) ：巴n s i n ( 罢f ) ( 2 1 3 ) 呻) = g n s i n ( 等r 一等) = c ns i n ( 詈r 一等) ( 2 1 4 ) 郇) = g n s i n ( 等r + 争= g # is i n ( 詈h 争 ( 21 5 ) 2 2 2 方波电机系统中三相全波升压电路的建模及分析 前面已经分析过，三相全波电路按照各相导通情况，在一个周期内分成六个阶 段，实际上由于三相电路的对称性，只要建立某一相绕组从换相到被换相这段时间 内的模型，分析其运行原理，则整个电路的实际工作情况就清楚了。下面以a 相正 向导通为例进行建模及分析。 a 相绕组从开始换相起到被换相完成，包括五个阶段： i c 相向a 相正向换相，b 相反向续流 0 ，t 。 ，此阶段从t 。开始导通到c 相电流 i 。下降到零为止，即对应于图2 3 的；时刻，只不过图2 3 属于理想情况，等效电 o 路如图2 4 所示。 由图可以写出此阶段电路关系式 t 。开通时 t 。关断时 也。业一r ；如+ ：d i _ _ l + 月。玉：e 。- e b - e d td t 厶d i b r ：拈+ 上；皇兰+ 尼厶= 凸一e 6 d td t l s 堕一r 。拓+ l 5 童堡+ r ；i ：e ，一e b e d td t 厶+ 如+ i 。= 0 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) f 2 1 8 ) f 2 1 9 ) 因为此时c 相向a 相换相，c 相电流i 。从峰值下降到零，a 相电流i 。从零快速上升， 由于反馈电流采样的是开关工作的那一相电流，在这里即为a 相电流，因此控制系 统的作用将使开关t 。以最大占空比工作，设开关t 。的最大占空比为d 。，利用平均 图2 4 第1 阶段等效电路图 法则将( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 两式合并成下式 南京航空航天大学硕士学位论文 一三；坐一盔如+ 三，! 上+ r ，如= g 。一9 6 一( 1 一d 。) e f 2 2 0 ) d td t 联立式( 2 1 6 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 可得 厶生主+ r ，i c ：e c - ! 。一1 9 。一i + d - e ：e c - 三里三e o 时，a 相电流i 。的上升率大于c 相电流i 。的下降率，如图2 5 ( b ) 所示；否则，a 相电流i 。的上升率小于c 相电流i 。的下降率，那么，c 相电流i 。下 降到零时，a 相电流i 。仍未达到峰值，如图2 5 ( a ) 所示。 ( a )( b ) 图2 5 正向换相阶段电流变化示意图 i i a 相正向导通，b 相反向续流 t 。，t ： ，这一阶段到电机b 相绕组反电势e b 开始 从负平顶段上升时为止，对应于图2 3 中詈到主时段，等效电路如图2 6 所示。由 图可以写出电路表达式 t 。开通时 t 。关断时 图26 第1 i 阶段等效电路图 2 厶d i + 2 r ，厶：一 d t 2 l 。堕+ 2 r ：厶：嘞- e d t ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 一2 1 j 墅巳垦望竺卫壅垫堡型堕堕垄皇墨竺堑竺塞 如+ 如2 0 ( 2 2 5 ) 设此时开关t 。的占空比为d ，则利用平均值合并( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 两式可得 、 2 厶等+ 2 r , i = e - e b - ( 1 一d 谚：2 印( 1 一( f 归 ( 2 2 6 ) d f 7 一 、。， 由前面的分析可知，若三3e c + e p - - 三寻塾