（电力电子与电力传动专业论文）基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g 一洲| | i ll 1lp lr l l ；, r li il 18 0 9 9 3 2 r e s e a r c ho ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o rd i g i t a l b r u s h l e s se x c i t a t i o nb a s e do nr o t a t i n g j 1j u 0 n v e n e r a t h e s i si n e l e c t r i ce n g i n e e r i n g l i u y a n a d v i s e db y p r o f e s s o rh u a n gw e n x i n s u b m i a e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 行研 本学 涉及 明。 论文 进行 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 大规模集成电路、数字控制技术和计算机技术的迅速发展和成熟，使得以微机处理器为主 要特征的数字电子技术逐步应用到现代励磁控制系统中，形成数字式自动励磁控制器，取代了 传统的模拟式励磁控制器。这种数字式励磁控制器通过软件实现励磁系统的各功能，一方面减 小了装置的体积，另一方面简化了连接电路，提高了硬件的可靠性，使维护工作量大大减小。 本文介绍了一种新型同步电机数字无刷励磁方案，即基于高频旋转变换器的数字无刷励磁 方案，该方案基于旋转式感应电能传输技术，利用分离耦合的高频旋转变压器进行能量传输， 它的原边静止、副边集成在同步电机的转子上，随转子的旋转而转动，实现了电源和负载单元 之间不需要物理连接就能进行电能的传递，为同步电机提供稳定且方便可调的励磁直流电。比 传统的电气滑动接触更为可靠、耐用，且不产生火花，不存在机械磨损和摩擦等问题，具有更 广阔的应用前景。 本文以飞思卡尔公司的低成本d s p 5 6 f s 0 1 3 芯片为核心，成功开发了基于移相全桥旋转变 换器的同步电机数字无刷励磁系统的软、硬件平台。文中对整个数字无刷励磁系统的研究主要 包括两大部分：一是对移相全桥旋转变换器的研究，是整个无刷励磁系统研究的基础。主要介 绍了移相全桥旋转变换器的工作原理、z v s 软开关工作模态分析、占空比丢失和旋转变压器的 工作原理与设计特点，二是对整个数字无刷励磁系统的研究。文中分别对这两大部分进行了仿 真和实验研究。仿真和实验结果表明，移相全桥旋转变换器完全能够满足同步电机励磁系统的 要求，是一种可行的控制方案。把旋转变换器应用于无刷励磁不仅是同步电机无刷励磁技术的 新突破，同时也为同步电机无刷励磁技术的研究开辟了新途径。 本课题得到了国家自然科学基金( 5 0 4 7 7 0 1 3 ) 的资助。 关键词：旋转变换器，d s p ，m a t l a b s i m u l i n k ，感应电能传输，旋转变压器，无刷励磁，数字 控制，励磁调节器 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so fl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，d i g i t a lc o n t r o la n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h ed i g i t a le l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e dt om o d e r ne x c i t a t i o ns y s t e m s ， r e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a la n a l o ge x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra n df o r mt h ed i g i t a la u t o m a t i ce x c i t a t i o n c o n t r o l l e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e san o v e ld i g i t a lb r u s h l e s se x c i t a t i o nt e c h n i q u eo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r b a s e do nr o t a t i n gc o n v e r t e r t h i sn e wt e c h n i q u ei sb a s e do nr o t a r yi n d u c t i v ep o w e rt r a n s f e r t e c h n i q u e t h ek e yc o m p o n e n to ft h i ss y s t e mi st h er o t a t i n gt r a n s f o r m e rw h i c hc o n n e c t st h es t a t i cp a r t a n dt h er o t a t i n gp a r t t h ep r i m a r yp a r to ft h i st r a n s f o r m e ri s s t a t i c ，w h i l et h es e c o n d a r yp a r ti s i n t e g r a t e dw i t ht h er o t o rw h i c hc a nr o t a t ew i t ht h es h a f t i tc a ns u p p l yac o n s t a n ta n da d j u s t a b l e e x c i t i n gc u r r e n tt os y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb yt r a n s f e r r i n ge l e c t r i cp o w e rf r o mas t a t i c p a r to ft h e c o n v e r t e rt ot h er o t a t i n gp a r tw i t h o u tar e a lc o n n e c t i o n t h i sn e we x c i t a t i o nt e c h n o l o g yi sm o r e r e l i a b l ea n dd u r a b l et h a nt r a d i t i o n a le l e c t r i c a ls l i d i n g ，a n dh a sam o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo fd i g i t a lb r u s h l e s se x c i t a t i o n s y s t e mw a sd e s i g n e d s u c c e s s f u l l yb a s e do nd s p 5 6 f 8 0 13 ，al o w - c o s td s p p r o d u c t i o no ff r e e s c a l e t h e r ea r et w or e s e a r c h p a r t si nt h i sp a p e r f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ed e s i g no fd i g i t a lp h a s e - s h i f t e d f u l l b r i d g er o t a t i n g c o n v e r t e r , i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo fr o t a t i n gc o n v e r t e r , z v sm o d ea n a l y s i so fr o t a t i n gc o n v e r t e ra n d t h ep r i n c i p l ea n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t a t i n gt r a n s f o r m e r s e c o n d l y , i td o e ss o m er e s e a r c h o ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o ru s e df o rb r u s h l e s se x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o nm o d e la n d e x p e r i m e n t p l a t f o r mf o rt h ew h o l eb r u s h l e s ss y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，t h er e s u l t sb e t w e e ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sa r eg i v e n ，a n di ti l l u s t r a t e st h a tt h er o t a t i n gc o n v e r t e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o ns y s t e m s ot h et e c h n i q u eo fr o t a t i n gc o n v e r t e ri sn o to n l yab r e a k t h r o u g ho nb r u s h l e s se x c i t a t i o no fs y n c h r o n o u sm o t o r b u tan e wd i r e c t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h i s f i e l d t h i ss u b j e c ti ss u p p o r t e db yn s f ( n o 5 0 4 7 7 013 ) k e yw o r d s ：r o t a t i n gc o n v e r t e r , d s p , m a t l a b s i m u l i n k ，i p t , r o t a t i n g t r a n s f o r m e r , b r u s h l e s se x c i t i n g , d i g i t a lc o n t r o l ，e x c i t a t i o nr e g u l a t o r ， 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1j ；i 言1 1 2 无刷励磁的发展现状3 1 3 基于高频旋转变换器无刷励磁技术7 f1 3 1 感应电能传输技术。7 。 1 3 2 旋转变换器数字无刷励磁方案7 t 1 3 2 1 旋转变换器数字无刷励磁方案的提出7 1 3 2 2 旋转变换器数字无刷励磁的原理8 1 4 本文的研究内容和意义1 0 第二章全数字控制移相全桥高频旋转变换器无刷励磁技术1 2 2 1 数字移相全桥无刷励磁系统的基本结构1 2 2 2 移相全桥旋转变换器的研究1 2 2 2 1 旋转变换器的工作原理一1 3 2 2 2 移相控制z v s 旋转变换器的工作模态分析1 4 2 2 3 移相全桥旋转变换器中占空比丢失问题1 7 2 2 4 旋转变压器的工作原理和设计特点1 9 2 3 励磁调节器的组成及工作原理2 0 2 4 本章小结2 l 第三章基于旋转变换器数字无刷励磁系统的建模与仿真2 2 3 1 移相全桥旋转变换器的仿真分析2 2 3 1 1 移相全桥电路的s i m u l i n k 建模2 2 3 1 2 仿真结果与分析2 4 3 2 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的仿真分析2 6 3 2 1 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的s i m u l i n k 建模2 6 3 2 2 仿真结果与分析2 9 3 3 本章小结2 9 第四章基于旋转变换器数字无刷励磁系统的硬件设计3 1 4 1 系统的总体构架3 1 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 4 2 系统功率侧部分电路设计3 2 4 2 1 输入电压模块设计3 2 4 2 2 辅助电源模块设计3 3 4 2 3 单相桥式逆变电路的设计3 5 4 2 4 保护电路设计3 7 4 3 系统控制侧部分电路设计。3 9 4 3 1 采样调理电路的设计3 9 4 3 2 核心控制板的设计4 2 4 4 本章小结4 7 第五章基于旋转变换器数字无刷励磁系统的软件设计4 8 5 1 数字无刷励磁系统的总体设计4 8 5 - 2 基于飞思卡尔5 6 f 8 0 1 3 系统软件的实现4 8 5 2 1 移相角生成策略4 8 5 2 2 数字无刷励磁系统的控制算法设计5 2 5 2 3 系统的程序流程5 5 5 3 本章小结5 9 第六章实验结果与分析6 0 6 1 移相全桥旋转变换器的实验研究6 0 6 1 1 移相全桥旋转变换器实验平台简介6 0 6 1 2 实验结果与分析6 l 6 2 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的实验研究6 5 6 2 1 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的实验平台。6 5 6 2 2 实验结果与分析6 6 6 3 本章小结6 8 第七章总结与展望6 9 7 1 本文的主要研究工作总结6 9 j 7 2 进一步的工作展望7 0 参考文献7 1 致谢7 4 硕士期间的研究成果及发表的学术论文7 5 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 同步发电机的外特性曲线l 图1 2 旋转整流器式无刷同步发电机4 图1 3 文献 5 l 】提出的一种无刷、无励磁机同步发电机结构5 图1 4 电力电子变换器控制的变速无刷励磁同步发电机系统6 图1 5 旋转变换器无刷励磁系统的原理框图9 图1 6 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的原理框图9 图1 7 旋转变压器在同步发电机中位置示意图。1 0 图2 1 无刷励磁系统结构框图1 2 图2 2 旋转式全桥变换器的主电路拓扑1 3 图2 3 开关器件电压、电流和损耗示意图1 4 图2 4 移相全桥旋转变换器的主要工作波形。1 5 图2 5 移相全桥旋转变换器各开关模态的等效电路1 6 图2 6 占空比丢失与频率关系图。1 8 图2 7 旋转变压器的结构示意图1 9 图2 8 线圈绕组的分布结构1 9 图2 9 线圈绕组正、侧面视图1 9 图2 1 0 旋转变压器外观照片1 9 图2 1 2 无刷励磁的控制系统框图2 0 图3 1 移相全桥旋转变换器的p s b 模型。2 3 图3 2 桥式逆变器的p s b 模型2 3 图3 3 桥式整流模块的p s b 模型2 3 图3 4 移相控制模块的p s b 模型2 3 图3 5 不同占空比情况下的仿真波形一2 5 图3 6 变压器副边电压的放大图一2 6 图3 7 基于旋转变换器数字无刷励磁系统的p s b 模型2 8 图3 8 同步发电机的p s b 模型。2 8 图3 9 测量模块的内部结构2 8 图3 1 0 电压外环p i 模块的内部结构2 8 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 图3 1 l 突加负载时发电机端电流波形2 9 图3 1 2 突加负载时发电机端电压波形2 9 图3 1 3 突卸负载时发电机端电流波形2 9 图3 1 4 突卸负载时发电机端电压波形2 9 图4 1 数字无刷励磁系统的整体构架图3 l 图4 2 输入部分功能框图3 2 图4 3 辅助电源功能框图3 2 图4 4 控制核心功能模块图。3 3 图4 5 输入电压部分电路原理图3 3 图4 6 反激式辅助电源原理图3 4 图4 7 + 15 v 电压实验波形3 4 图4 8 + 5 v 电压实验波形3 4 图4 9 单相桥式逆变电路的原理图。3 5 图4 1 0 开关管的驱动电路图3 7 图4 1 l 桥臂过流检测电路3 8 图4 12 电压转换电路3 8 图4 13 保护电路原理图3 9 图4 1 4 原边电流调理电路4 0 图4 1 5 输出电压平均值的检测电路4 l 图4 1 6 电压调理电路4 l 图4 1 7 输出电流检测电路4 1 图4 1 8 输出电流的采样电路4 2 图4 1 9m c 5 6 f 8 0 1 3 芯片封装图4 2 图4 2 0d s p 及外围电路系统的整体构架4 3 图4 2l 核心控制板原理图4 3 图4 2 2d s p 供电电路原理图4 4 图4 2 3 复位电路原理图4 4 图4 2 4p w m 输出显示电路4 5 图4 2 5 调试通信接口应用框图4 5 图4 2 6j t a g 仿真物理连接图4 5 图4 2 7p c m a s t e r 串口通信平台组件4 6 图4 2 8s c i 串行通讯接口一4 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 无刷励磁系统软件总体功能框图一4 8 图5 2p w m 模块内部结构简图4 9 图5 3 中心对齐方式p w m 输出5 0 图5 4 边沿对齐方式p w m 输出一5 0 图5 5 中心对齐方式输出模式。51 图5 6 移相角生成策略5 2 图5 7 基于d s p 无刷励磁系统的算法结构图5 3 图5 8 抑制积分饱和的p i 算法流程图5 5 图5 9 系统软件结构图5 7 图5 1 0 主程序工作流程图5 7 图5 1 l 半周期重载中断程序流程图5 8 图5 1 2 电压环流程图5 9 图5 1 3 电流环流程图5 9 图6 1 实验平台平面结构示意图6 0 图6 2 实验平台实物图6 1 图6 3 不同移相角情况下的波形图。6 3 图6 4 不同转速时空载和带载情况下的波形图一6 4 图6 5 实验测得不同负载时转速与输出电压的关系图一6 5 图6 6 带载时滞后管驱动波形及其漏源极电压波形6 5 图6 7 无刷励磁系统实验平台照片一6 6 图6 8 旋转变压器原边电流波形。6 6 图6 9 发电机端线电压的波形6 6 图6 1 05 0 h z 时输出三相整流后的平均电压6 7 图6 1 1 开环时突加突卸负载时端电压波形6 7 图6 1 2 闭环时突加突卸负载时端电压波形6 8 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 表清单 表3 - 1 变压器模型参数设置表2 3 表3 - 2 同步发电机的额定参数表2 9 表5 - l 实验p i 参数表5 4 表5 - 2m c 5 6 f 8 0 1 3 硬件资源配置表5 5 表5 3 数字无刷励磁系统的软件框架结构表5 6 南京航空航天大学硕士学位论文 一、基本符号和意义 基本符号 u i n a d l r c v 注释表 意义 直流电压；交流电压有效值 直流电流；交流电流有效值 变压器匝数 移相角 占空比 电感 电阻 电容 磁链 二、下标符号和意义 下标符号 s r s r m l n o u t 意义 定子侧 转子侧 定子与转子之间 最小值 输出 基本符号 f t k p k i k s a t t l 0 下标符号 l o s s d e l a y i n m a x a l a ，b 1 6 ，c l c 意义 频率 周期 比例系数 积分系数 抗饱和系数 时间 电流的瞬时值 变压器原边漏感 磁通 意义 损耗 延时 输入 最大值 电机的三相 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 同步发电机采用直流电流励磁，既提供有功功率，也提供无功功率，可满足各种负载的需 要，如果把励磁绕组和电枢绕组分开，易于实现高性能控制【l 】。为达到理想的控制性能，励磁 电流必须是稳定的直流电，才能保证输出电压波形谐波小，并且转矩比较稳定。这些特点使得 同步发电机应用非常广泛，在电力系统中主要采用的就是同步发电机作为发电设备，在航空领 域中具有起动发电双功能先进的波音7 8 7 就采用了基于无刷同步电机的起动发电电源系统。 并且随着人们对新能源的关注，风力发电技术得到了快速发展，从国内外的研究情况来看，目 前应用于高压直流风电厂的大型直驱发电机主要采用的也是电励磁同步发电机。由此可见，同 步电机在国计民生中扮演着重要的角色。 励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，它的特性好坏直接影响到同步发电机运 行的可靠性与稳定性【2 】。励磁控制系统在同步发电机中的主要作用有如下几个方面： l 、通过励磁系统的调节，维持发电机端电压稳定 通常当发电机负载发生变化时，发电机端电压将随着变化，根据端电压的变化情况调整发 电机的励磁电流，可使机端电压维持在一定的水平上。如图1 1 所示为同步发电机的外特性曲 线，曲线a 为没有自动励磁调节器的同步发电机外特性，而曲线b 为有自动励磁调节器时的外 特性。当发电机负载增大时，发电机的端电压下降，装有自动励磁调节器后，其励磁电流可随 负载的增加而增加，使发电机端电压维持在一定的水平上。相反，在电机卸载时，自动励磁调 节器可以及时减小励磁电流，以限制机端电压不致过分升高。 图1 1 同步发电机的外特性曲线 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 2 、提高系统稳定运行的能力【2 】 系统无论受到任何扰动，通过调节同步发电机的励磁，可以提高系统稳定运行的能力，如 当系统受h i , 的干扰或大的干扰，导致电机转速离开同步速出现小的或大的变速状态时，系统 的静态稳定性或动态稳定性亦或暂态稳定性将受到不利的影响。励磁控制器的作用可以使这种 影响得到抑制或消除，保持其同步稳定性。 ( 1 ) 、改善系统的动态性能 系统的动态过程，指电源系统受到扰动后到恢复至原始平衡点或过渡至新的平衡点( 大扰动 后) 的过程。 ( 2 ) 、提高系统的静态稳定性 所谓静态稳定性实质是运行点的稳定性。通常是指稳态时或在小扰动下发电机通过输电系 统稳定地输送功率的能力。 ( 3 ) 、改善系统的暂态稳定性 所谓暂态稳定性实质是指系统发生大干扰( 如短路、接地、断线等) 后发电机或局部系统在 第一次摇摆或第二次摇摆时维持系统不与其他部分失去同步的能力。 同步发电机控制的核心是励磁控制器，励磁控制器硬件结构的发展轨迹与励磁方式的发展 紧密联系。大致可以分为如下三个阶段： l 、机电式励磁控制器 早期的励磁控制器为振动型和变阻器型，它们都具有机械部件，称为机电型励磁控制器。 由于它们不能连续调节，响应速度缓慢，并有死区，早已被淘汰。 2 、模拟式自动励磁控制器 2 0 世纪5 0 年代，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁式励磁控制器。电压 型励磁控制器因为具有时滞性，调节速度比较慢，但是可靠性比较高，通常用于直流励磁机系 统，2 0 世纪6 0 年代，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励磁控制器。由于半导体 元件几乎没有时滞，功率放大倍数也较高。因此，半导体励磁控制器调节速度较快，得到了较 大的发展。到2 0 世纪7 0 年代，半导体励磁控制器已经广泛应用于他励交流励磁机系统。 上述电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟式励磁控制器，所有功能均由硬件完成。若 要增加新的功能如：智能控制、参数在线调节以及保护功能等，必须增加新的硬件电路。因此 这种控制器结构复杂，操作繁琐，维护困难。 3 、数字式励磁控制系统 大规模集成电路、数字控制技术和计算机技术的迅速发展和成熟，使得以微机处理器为主 要特征的数字电子技术逐步应用到现代励磁控制系统中，数字控制逐步取代了模拟控制，除保 留了模拟励磁控制系统的全部功能外，还增加了很多以往在模拟励磁控制系统中难以实现的控 2 南京航空航天大学硕士学位论文 制功能，被人们广泛应用。数字控制技术采用高低两种电平，抗干扰能力强，控制方法可实现 按系统规律设计的智能型控制策略，如自适应控制嘲、变参数p i d 调节引、模糊控制1 0 1 等，并 具有逻辑判断、算术运算等智能化功能。 传统的同步发电机励磁系统采用的励磁方式是通过电刷、滑环将励磁直流电引入到转子励 磁绕组，叫做有刷励磁方式。但这种将电刷和滑环引入励磁绕组的励磁方式带来一系列的问题 口1 ，例如换向时引起的电火花限制了其在特殊工矿下的应用，尤其是在有易爆炸气体的矿井、 带腐蚀性的化工厂、电冶等场所的发电机，随着单机容量的不断扩大，碳刷磨损和碳刷粉末玷 污线圈绝缘和其它零部件等问题，增加了维护的工作量，降低了装置的可靠性。 为了解决这类电励磁同步电机存在的励磁回路可靠性不高的问题，多年来人们在同步电机 的无刷励磁技术上进行了大量研究。并且随着电力电子技术以及数字信号处理技术的发展和电 力电子器件可靠性的提高，无刷励磁技术在同步电机中的应用越来越广泛，对无刷励磁系统新 技术的研究成为越来越多人关注的热点h 1 。 为了解决现有的同步电机无刷励磁方案中存在的结构复杂，励磁电流调节不方便等问题， 本文用微型计算机对同步发电机励磁调节器进行设计，在该数字化励磁调节器a v r ( a u t o m a t i c v o l t a g er e g u l a t o r y ) 采用数字控制技术，以数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为核 心，对开关器件采用一定的脉宽调制来调节励磁电流，在发电机正常运行情况下，励磁系统应 维持发电机端电压为给定值，当发电机负荷改变而端电压随之变化时，励磁调节系统将自动地 增加或减少励磁电流，使发电机端电压恢复到给定值。由于采用了d s p 数字信号处理器，整个 励磁控制器可以实现全数字化控制n 1 儿1 2 1 ，扩展通讯、显示、参数在线修改等功能，对于提高系 统的控制性能，增强市场竞争力等都有重要意义。 1 2 无刷励磁的发展现状 用于同步电机无刷励磁的方案已有多种，如永磁励磁发电机和旋转整流器式无刷同步发电 机都采用了无刷励磁的结构形式，这两种无刷励磁技术是目前在同步电机中应用最为普遍的无 刷励磁技术。此外，还有一些新型的无刷励磁方式，如附加非同步旋转磁场感应耦合无刷励磁 技术以及基于电力电子变换器控制的无刷励磁技术等。 1 、永磁励磁方式 永磁电机实际就是一种无刷同步电机，其转子上安装永磁材料，提供电机所需励磁磁势， 实现了无刷化。特别是近二十年来，随着高磁能积的稀土永磁材料的大量开发应用，使永磁电 机的功率密度与电励磁电机相当。但永磁发电机应用不多，影响永磁发电机应用的根本原因是 永磁发电机不能实现故障时的灭磁保护，并且由于永磁发电机不能通过调节励磁的方法调节输 出电压，要稳压必须采取其他措施。为了克服永磁发电机的不足，近年来提出了混合励磁的永 3 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 磁电机技术【5 1 ，在以永磁励磁为主的电机中引入起调节作用的电励磁结构，虽然能使发电机在 一定范围内进行调节，但也大大增加了电机结构的复杂性。另一个限制其应用的原因是稀土永 磁材料价格昂贵，使得成本增加。 2 、旋转整流器式无刷励磁方式 在航空、军事等领域要求电源系统具有很高的可靠性，上世纪6 0 、7 0 年代，美国等西方国 家开发了旋转整流器无刷励磁技术的同步发电机。这种发电机实际上是将一台旋转电枢式发电 机作为主发电机的励磁机，励磁机的输出经三相旋转整流器为主发电机提供直流励磁，消除了 电刷滑环，可靠性大大提高，它的示意图如图1 2 所示。目前最先进的飞机a 3 8 0 、b 7 8 7 、f 2 2 等的主电源就采用这种旋转整流器式无刷交流发电机。在我国，这种形式的发电机应用在航空、 船舶、战车上也很普遍。但是这种旋转整流器无刷交流发电机也存在几个不足： ( 1 ) 、结构变得复杂，增加了励磁机部分，轴向体积增大，功率密度有所降低； ( 2 ) 、励磁调节器的输出需经励磁机的励磁绕组、励磁机电枢绕组、旋转整流器才能对主发 电机励磁绕组起作用，转变过程复杂； ( 3 ) 、零速、低速时励磁机没有输出或输出不足。 对于第2 个不足，可采用光控励磁系统，它是在普通旋转整流器式无刷励磁系统中采用可 控器件( s c r 或i g b t ) 取代不可控的二极管，并通过光电耦合，实现对励磁电流的直接控制哺1 。 由于光控励磁机可以直接控制发电机的励磁电流，无须经过副励磁机环节，系统响应速度得到 提高。但这使得励磁系统的成本增加，控制变得复杂。对于第3 个不足可采用励磁机为交流励 磁的方案解决，需要改变结构将直流励磁绕组换成交流励磁绕组，采用频率和电压可变的交流 电源为励磁机励磁，这又增加了系统复杂性。 图1 2 旋转整流器式无刷同步发电机 3 、附加非同步旋转磁场感应耦合无刷励磁技术 旋转整流器电励磁同步电机的无刷励磁技术使得电机结构较为复杂，近来又有多篇文献提 出了几种实现无刷励磁的结构形式的方案。这些方案的共同点在于电机气隙中除基波同步旋转 4 磁场 现无 采用 中形 线圈 中输 的输 果不 机中 面恰 磁场 的转 励磁 励磁 心的 基于高频旋转变换器数字无刷励磁的研究 这些方案存在以下部分或全部的不足：励磁电流调节困难或不可调、励磁电流脉动、低速励磁 效果差、输出电压波形偏离正弦、转矩脉动、效率下降等。 4 、基于电力电子变换器控制的无刷励磁技术 电力电子及其控制技术的发展为同步电机的无刷化提出了一种新的途径。s a k u t a r on o n a k a 提出一种这方面代表性的方案1 ，如图1 4 所示。这是一种与电力电子装置很好结合的新型无 刷同步发电机系统，转子为三相交流绕组，由二极管短路。根据转子位置信号，在定子的旋转 磁场中叠加了用于产生励磁的磁场，该磁场由变换器1 根据合适的调制策略产生，这样在转子 绕组中产生感应电势，由于二极管的整流作用，产生所需单向直流励磁电流。显然发电机的输 出波形含有大量的谐波，不能直接利用。发电系统的变换器1 的控制策略采用双磁场调制控制 策略。一方面使转予绕组得到感应励磁电流，同时起p w m 整流作用，将发电机的有功传至直 流母线，再由变换器2 逆变输出所需的频率和幅值的电压，可与交流电网并联。这种系统适合 变速运行，适宜构成变速恒频( v s c f ) 发电系统。 变换器1变换器2 图1 4 电力电子变换器控制的变速无刷励磁同步发电机系统 电力电子变换器由于其灵活的p w m 控制机理，实现了仅用一个定子绕组，将同步电机的 转子激磁磁场和主磁场耦合在一起，而电机的定、转子绕组等结构上无需作大的改动，转速变 化范围大。但是这种无刷化方案增加了控制比较复杂的电力电子变换器，变换器的容量需大于 电机容量，成本较高，不易做到大容量。在大型发电场合应用受限，而在中小容量的v s c f 发 电系统中应用具有一定的竞争力。 为解决现有的同步电机无刷励磁方案中存在的结构复杂，励磁电流调节不方便等问题，本 文研究了一种将电力电子变换器与电机从结构上结合的无刷励磁方案，即基于电力电子旋转变 换器的同步电机无刷励磁方案。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 基于高频旋转变换器无刷励磁技术 由于电力电子变换器基于高频开关电路，具有功率密度大、体积小、重量轻、效率高的特 点，广泛应用于电能变换中n 3 1 4 1 。本文介绍的旋转变换器，是一种基于感应电能传输技术 ( i n d u c t i v ep o w e rt r a n s f e r 简称i p t ) 的新型变换器。该变换器以高频旋转变压器为核心，可分为 动、静两部分，转动的部分可集成在同步电机的转轴上，随电机的旋转而转动，从而为同步电 机提供稳定、可调的励磁直流电。 1 3 1 感应电能传输技术 非接触感应电能传输技术( i p t ) 首先由新西兰奥克兰大学包尔斯教授( p r o f b o y s ) 等从2 0 世 纪9 0 年代开始研究的n 5 卜n 引，是为了弥补在给移动设备进行供电时，由导线直接接触传输所存 在的诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等问题而发明的一种新技术。这种电能 传递方式的特点有： l 、它可以保证系统各部分之间电气绝缘，没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传递能 力不受尘土、污物、水等环境因素的影响。 2 、这种方式比接触式电气连接更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦。 装置中的关键部件是感应变压器，根据初、次级间的运动状态，感应电能传输技术主要分 为以下三种类型n9 1 ：分离式感应电能传输技术、滑动式感应电能传输技术和旋转式感应电能传 输技术。本文所研究的基于高频旋转变换器数字无刷励磁技术是旋转式感应电能传输技术中的 一种，它利用了旋转变压器进行能量传输基本不受转速影响的特点，实现电源和负载单元之间 不需要导线连接就能进