（电机与电器专业论文）起动发电系统中双凸极电机应用研究.pdf

a 砀e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y g u a nw e n f e n g a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nz h i h u i s u b m i t t 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 rt 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 f e b r u a r y , 2 0 1 0 l l ， 承诺书 ：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：、宦塞簦 e t 期：垒21 2 二旦主：1 3 心p 鼻 k 发电运行过程中各个环节的工作特性。 介绍了数字起动控制系统的硬件设计以及软件设计流程。介绍了发电系统调压机理和调压 系统结构框图。对s g s 做了大量的实验，包括起动、发电、起动发电切换实验。对系统的软、 硬件进行了完善和验证，并成功实现了航空发动机的冷热开车试验。 设计了改进s g s 硬件电路。原来一体化控制器被分为起动控制器和直流发电控制器两个独 立的控制器，起动控制器放在地面起动航空发动机，而直流发电控制器作为机载设备使用；这 样减小了飞机的载重量，增加了飞机的安全性，同时也减小了系统的耦合程度，增加了起动发 电系统的可靠性。 关键词：双定子电磁式双凸极电机( d 跹强讧) ，起动发电系统( s g s ) ，控制策略，建模仿真， 冷热开车，改进控制系统 南京航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hi t sp r o m i n e n ta d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i 【g l lr e l i a b i l i t y , c o n t r o l l a b l ee x c i t a t i o n ，e a s y r e g u l a t i o no ft h eo u t p u tv o l t a g ea n dd e - e x c i t a t i o nu n d e rf a u l t , t h ed o u b l ys a l i e n te l e c t r o - m a g n e t m o t o r ( d s e m ) h a st h ep o t e n t i a lt ob et h es t a r t e r g e n e r a t o r i ti san e wc h o i c ef o rt h ei n t e g r a t e d s t a r t e r g e n e r a t o ra n di ss u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n si na v i a t i o na n dw i n dp o w e rg e n e r a t i o n t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nt h ed s e ms t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m ( s o s ) i so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h es t r u c t u r eo ft h es g s o f d o u b l es t a r t e rd s e mi sg i v e n t h ep r i n c i p l eo ft h eb i d i r e c t i o n a l p o w e rc o n v e r t e ri sp r e s e n t e d t h em a t h e m a t i cm o d eo ft h ed s e m i sg i v e n t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f s t a r t e ri sd e t a i l e da n a l y s e s e d 1 kp a p e rd e 印l ya n a l y s i st h em a t h e m a t i c sm e c h a n i s mo ft h et w o c o n t r o ls t r a t e g y ( s a c ma n da a c m ) c o n s i d e ro ft h ed e a dt i m e s e c o n d l y , i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d eo fd s e m i se s t a b l i s h e d , t h es i m u l a t i o n h a sb e e ni n c l u d i n gt h ea i r - g a pf l u xd e n s i t y , m a g n e t i cc h a i n s ，e l e c t r i cp o t e n t i a l ，s e l f - i n d u c t a n c e ，m u t u a l i n d u c t a n c ea n do u t p u tv o l t a g ea n do t h e re l e c t r i c a lp a r a m e t e r s t h ei n t e g r a lm o d e lo fs g si s e s t a b l i s h e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l es t a r t e r g e n e r a t o rp r o c e s sa r eg i v e n ，e s p e c i a l l yt h e t r a n s i e n tp r o c e s sf r o ms t a r t e rt og e n e r a t o r i nt h i sp a p e rd e s c r i b e sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rs t a r t i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n p r o c e s s ，t h e n ，d e s c r i b e st h em e c h a n i s ma n dv o l t a g er e g u l a t o rs y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m o nt h es g s ， al o to fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e ，i n c l u d i n gt h es t a r t e r , g e n e r a t i o n ，s t a r t e r g e n e r a t i o ns w i t c h e x p e r i m e n t a n ds u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ea e r o - e n g i n eh o ta n dc o l dd r i v i n gt e s t i m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t i n t e g r a t e dc o n t r o l l e r sa r ed i v i d e di n t ot h es t a r t i n g c o n t r o l l e ra n dt h ed cp o w e rc o n t r o l l e r s t a r t i n gc o n t r o l l e rs t a r tt h ea i r c r a f te n g i n e so nt h eg r o u n d , w h i l et h ed cp o w e rc o n t r o l l e ru s e da sa i e b o m ee q u i p m e n t s or e d u c e st h ea i r c r a f t sl o a d i n gc a p a c i t y , i n c r e a s i n gt h es a f e t yo ft h ea i r c r a f t , a l s or e d u c e sd e g r e eo fc o u p i n gs y s t e m , i n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t y o f t h es g s k e y w o r d s ：d o u b l es t a r t e rd o u b l ys a l i e n t s y s t e m ( s g s ) ，c o n t r o ls t r a t e g y , m o d e l i n ga n d s y s t e m i i e l e c t r o - m a g n e tm o t o r ( d s e m ) ，s t a r t e r g e n e r a t o r s i m u l a t i o n ，h o ta n dc o l dd r i v i n g ，i n p r o v e dc o n t r o l ， ， 捌 奄 1 起动发电系统中双凸极电机应用研究 目录 绪论1 无刷起动发电系统的发展历程与研究现状1 课题研究背景与意义2 课题研究目的与内容3 双定子电励磁双凸极电机起动发电系统介绍5 双定子电励磁双凸极电机起动，发电系统构成5 双定子电励磁双凸极起动发电机5 起动发电双向功率变换器6 双定子起动，发电机参数。7 电励磁双凸电机数学模型7 2 6 电机旋转正方向和转子位置角定义9 2 7 位置传感器及其安装9 2 8 电机电动工作原理及控制策略一9 2 8 1 电机电动时霍尔位置信号、电感、相反电势9 2 8 2 电动时有效转矩形成机理1 0 2 8 3 双定子电励磁双凸机电机双拍运行方式下驱动模式1 0 2 8 4 标准角度控制与提前角度控制1 2 2 8 5 死区时间的确定1 6 2 8 6 最佳提前角的确定。1 7 2 9 电机机械特性1 7 2 1 0 本章小结l8 第三章电磁式双凸极起动，发电机系统的建模与仿真1 9 3 1 电励磁双凸极电机有限元建模仿真1 9 3 1 1 电机发电下空载特性。1 9 3 2 电磁式双凸极起动发电机系统的建模2 0 3 2 1 电机本体模块。j 。2 l 3 2 2 控制模块2 4 3 2 3 切换模块：一2 4 3 3 电磁式双凸极起动发电机系统的仿真分析2 5 i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 3 3 1 起动状态的仿真分析2 5 3 。3 2 起动发电切换状态的仿真分析2 6 3 3 - 3 发电状态的仿真分析2 7 3 4 本章小结2 8 第四章双定子电励磁双凸极电机起动发电系统工程实现2 9 4 1 起动部分2 9 4 1 - 1 功率变换器设计2 9 4 1 2 起动控制软件设计3 0 4 2 发电部分3 2 4 2 1 低压发电系统分析3 2 4 2 2 双定子结构电压脉动仿真效果分析3 3 4 2 3 双定子结构双凸极电机低压控制系统框图3 4 4 3 本章小结3 4 第五章双定子电励磁双凸机电机起动发电系统实验3 5 5 1 发电部分实验3 5 5 1 1 发电机特性测试3 5 5 1 2 发电系统静态性能测试3 6 5 1 3 发电系统动态性能测试。3 9 5 1 4 发电系统温升测试3 9 5 2 电动部分实验4 0 5 2 1 电机测试4 0 5 2 2 霍尔位置传感器的校正。4 1 5 2 3 s a c m 下起动系统带载实验4 1 5 2 4 a a c m 下起动系统带载实验4 3 5 2 5 发动机冷热开车试验4 4 5 3 本章小结4 5 第六章改进起动发电控制系统硬件电路设计4 6 6 1 改进起动控制部分4 6 6 1 1 改进起动控制系统构成。4 6 6 1 2 改进d s p 调理一体版结构4 6 6 1 3 电源管理电路。4 7 6 1 4 e e p r o m 存储器扩展4 7 i v 一 令 庸 ， 可 广 第七章总结与展望5 4 参考文献5 6 致谢6 0 在学期间发表的学术论文。6 l v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 11 8 k w 电励磁双凸极起动发电系统款图。5 图2 21 2 8 结构d s e m 电机截面图6 图2 3 双定子d s e m 结构示意图。6 图2 41 8 k w 双定子d s e m 实物图6 图2 51 8 k w 起动发电系统并联变换器7 图2 6 电机旋转正方向和转子位置角定义9 图2 7d s e m 电动时霍尔位置信号、电感、相反电势逻辑图1 0 图2 8 双定子d s e m 双拍运行方式下的驱动逻辑图1 l 图2 9s a c m 下的驱动逻辑图1 3 图2 1 0 加入死区时间的s a c m 驱动模式1 4 图2 1 1 加入死区时间a a c m 驱动模式1 6 图2 1 2 电机等效电路图。1 6 图2 1 3a a c m 下相电流示意图1 7 图2 1 4 标准角与提前角度控制下的机械特性曲线图1 8 图3 1 软磁材料d w 3 1 0 的b h 曲线1 9 图3 2d s e m 电机二维有限元模型图1 9 图3 3i 产2 5 a 时空载仿真波形2 0 图3 4i = 5 a 时空载仿真波形2 0 图3 “产1 0 a 时空载仿真波形。2 0 图3 6d s e m 起动发电系统框图。2 1 图3 7d s e m 起动发电系统仿真模型结构图2 l 图3 8d s e m 本体模块2 2 图3 9d s e m 本体绕组结构2 2 图3 1 0d s e m 相绕组电压模块2 3 图3 11d s e m 转矩与运动控制模块2 3 图3 1 2d s e m 起动发电控制模块2 4 图3 1 3d s e m 起动发电切换模块：2 5 图3 1 4 起动过程仿真波形2 5 图3 1 5 起动发电切换过程全桥变换器工作状态。2 6 图3 1 6 起动发电切换过程仿真波形2 7 v i 一 一 一 起动发电系统中双凸极电机应用研究 图3 1 7 突卸负载仿真波形2 8 图3 1 8 突加负载仿真波形2 8 图4 1 功率开关管驱动电路。2 9 图4 2 起动控制主程序流程图3l 图4 3t 3 周期中断和c a p 4 中断子程序3 l 图4 4 软件中断子程序。3 2 图4 5c a p l 3 中断子程序3 2 图4 6 发电主电路。3 3 图4 7 双定子和单定子电压脉动仿真曲线3 3 图4 8 调压系统结构图3 4 图5 1 电机空载特性曲线图3 5 图5 2 电机调节特性曲线图。3 6 图5 3 发电系统在转速n = 5 0 0 0 r p m 时不同负载下的实验波形。3 8 图5 4 发电系统在转速n = 4 2 0 0 r p m 时的加卸载输出电压实验波形3 9 图5 51 号电机发电时三相线电势波形4 1 图5 6l 号电机线电势u a c 与位置信号p a 对应实验波形。4l 图5 7s a c m 下单台电机带载实验波形4 2 图5 8a a c m 下单台电机带载实验波形4 3 图5 9 原交流起动系统和发动机联试实验波形。4 4 图5 1 0 本文研究的起动系统的和发动机联试实验波形4 4 图6 1 改进起动控制系统结构图。4 6 图6 2 改进起动d s p 调理一体版结构图i 4 6 图6 3 电源管理芯片t p s 7 3 3 3 连接图。4 7 图6 4e e p r o m 芯片a t l v 0 1 0 连接图。4 7 图6 5s r a m 芯片d t 7 1 v 0 1 6 连接图4 8 图6 6a d 模块连接图4 8 图6 7d a 模块连接图4 9 图6 8 改进直流发电控制系统结构图j 5 0 图6 9 改进直发d s p 板结构图5 0 图6 1 0e e p r o m 芯片a t 2 8 c 0 1 0 e 1 2 d m 8 8 3 连接图5 l 图6 1 1s r a m 芯片i s 6 4 c 6 4 1 鲋正1 5 t a 3 连接图5 l 图6 1 2l o 口扩展电路图5 2 v l i 南京航空航天大学硕士学位论文 图6 1 3 通信模块电路图5 3 表3 1 电机结构尺寸与参数1 9 表4 1 起动发电功率变换器元器件表2 9 表4 2d s p 功能口资源分配表3 0 表5 1 空载稳态调压实验数据3 6 表5 2 负载稳态调压实验数据3 7 表5 3 发电系统动态性能实验数据3 9 表5 4 发电系统温升实验数据。4 0 矗 表6 1 起动d s p 外部扩展地址映射表4 9 表6 2 直发d s p 外部扩展地址映射表5 3 d a m o s f e t i g b t s a c m a a c m 数模转换 功率场效应管 绝缘删型场效应管 标准角度控制模式 提前角度控制模式 二、主要符号与名称 l e m a d p 、 ，m d s ( 记 基本符号 意义基本符号 【吲 磁链矩阵 i 】 【u 】 电压矩阵 【l 】 【e 】 重 垂f k 磊，磊，露 l 眵、l 醪、l 口， 毛、毛、屯 以，玩，玩 飓，风，风 c l ， 正 感应电势矩阵 磁链 励磁绕组磁通 励磁绕组匝数 a 、b 、c 三相绕组磁链 a 、b 、c 相绕组与励磁绕 组互感 a 、b 、c 三相绕组电流 a 、b 、c 三相绕组端电压 a 、b 、c 三相绕组内阻 电机铜耗 转子角速度 磁阻转矩 r 】 9 f l f 矗 厶，厶，厶 k “f 正 w m ， j 电流互感器 模数转换 脉宽调制 双凸极发电方式2 ( 滑入端 和滑出端均发电) 意义 电流矩阵 电感矩阵 电阻矩阵 励磁绕组磁链 励磁绕组自感 励磁绕组电流 a 、b 、c 三相绕组自感 a 、b 两相通电时，电机输出 转矩 励磁电压 电机输出电磁转矩 磁场储能 尸相磁阻转矩 a c 、b c 、c b 线电势 系统的转动惯量 i x 南京航空航天大学硕士学位论文 x t p f 咒 鸭 魄 p 。、p b 、p 。 p 、q 、r e u i c c i p 相励磁转矩 负载转矩 磁场储能 母线电压 转子位置信号 霍尔位置传感器编号 反电势幅值 电压变化量 电流斩波限 t t l 以 e 、e b 、e c 0 a 0 a 踢 口曲t 合成转矩 负载转矩 转子位置角度 a 、b 、c 相反电势 死区时间角 提前角度 电压纹波 最佳提前角度 在使无刷交流发电机无法实现起动、发电双功能，需另设起动设备。直到上世纪7 0 年代末，大 功率半导体器件和集成电路的发展使得用电力电子装置取代机械恒速装置成为可能。采用电力 电子装置控制的三级式同步电机、永磁电机可以实现起动、发电双功能。由于永磁发电机存在 故障时灭磁困难、需脱扣保护问题，变速恒频电源系统大都采用三级式同步电机。然而，三级 式同步电机结构复杂，为交流电源系统寻求一种结构简单、可取代三级式同步电机的新型无刷 起动发电机已成为各方面关注的焦点p 卅。 上世纪7 0 年代以来，半导体功率器件、大规模集成电路和新型磁性材料的发展，为在飞机 上应用高压直流电源提供了技术支持。高压直流电源系统的额定电压为2 7 0 v ，可与1 1 5 v 交流 电源兼容，具有重量轻、效率高、更容易实现不问断供电等突出优点，所以高压直流电源系统 是当今飞机电气系统的发展方向【5 。8 】。直流供电体制重回飞机电气系统使无刷直流起动发电机 技术成为飞机电气技术的一个研究热点。随着多电飞机技术的发展，无刷直流起动，发电机技术 作为多电、全电飞机系统的关键技术之一 9 - i s ，吸引了国内外许多技术研究人员的注意。在国 外，大量的入力、物力用于投入对无刷直流起动发电机技术研究，并且已经取得了突出成果， 若干应用实例也已出现，如f 1 6 ，f - 3 5 等军用飞机采用2 7 0 v 高压直流电源系统。国内由于飞 机、车载系统供电体制的限制，无刷直流起动发电技术目前仍处于低压直流阶段【临1 7 1 ，在国外 无刷直流起动发电技术渐近成熟之时，国内才开始该方面的研究。 目前，国内外研究的无刷直流起动发电系统主要有三级式电磁式同步电机起动发电系统、 开关磁阻电机起动发电系统、异步电机起动发电系统和双凸极电机起动发电系统四种。 三级式同步电机是目前航空电源中最常用的无刷电机，但三级式电磁式同步电机用作起动 机运行时存在励磁困难的问题，必须采用特殊的交流励磁方案或者增加电机复杂度，而这些都 l 南京航空航天大学硕士学位论文 将导致系统过于复杂，可靠性与效率降低。 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，s r m ) 具有结构与控制简单，可靠性高，适 合高速运行等优点，获得了广泛的研究【1 ”5 l 。美国g e 、s u n d s t r a n d 公司在u s a f 和n a s a 支 持下，从飞机供电系统的可靠性、可维护性、余度性、容错性、环境适应性、重量体积、效率 及功率密度等方面论证了s r m 在高压直流电气系统中用作起动发电机( s t a r t e r g e n e r a t o r c - y s t e m ，s g m ) 具有独特的优越性，因此将其作为未来多电和全电飞机电源系统的首选方案。 上世纪八十年代，美国威斯康星( w i s c o n s i n ) 大学t a l i p o 教授将电力电子变换器与鼠笼 。 型异步电机结合，通过采用适当的控制策略使异步电机具有优良的性能，能够被应用于航空起 动发电系统。为了解决异步电机发电励磁的困难，美国o h i o 州立大学进行了主要针对变速恒 一 频电源系统的双馈异步电机起动发电系统研究。双馈电机转子结构复杂，不适合高速运行，因 此在航空领域的应用受到了限制，但是在车载、风力发电系统中它获得了很好的推广。 双凸极电机是由s r m 衍生而来的一种新型无刷直流电机，其结构上与s l i m 类似，均为凸 极齿槽结构，定子轭上镶嵌永磁体或励磁绕组。因此，它继承了s r m 结构简单、转子无绕组、 适用于高速应用场合等突出优点。双凸极电机利用永磁体或励磁绕组产生励磁磁场，其控制方 式类似无刷直流电机，并且它的输出特性也与直流电机相近。永磁双凸极电机( d o u b l ys a l i e n t p e r m a n e n t - m a g n e tm a c h i n e ，d s p m ) 由于磁钢的存在无法实现故障灭磁，不适宜应用于航空起 动发电系统中。电磁式双凸极电机( d o u b l ys a l i e n te l e c t r o - m a g n e tm a c h i n e ，d s e m ) 不仅具有 s r m 的优点，而且发电控制更为简单方便，发电运行时无需位置传感器，直接控制励磁电流即 可控制输出电压，用于构成无刷直流起动发电机系统具有独特的优越性。相比较上述其它三种 电机，该电机的起动发电一体化系统结构最为简单、可靠性最高、调压控制最简单。可见，d s e m 不失为新一代无刷直流起动发电机系统的重要选择之一 2 6 - 2 钔。 1 2 课题研究背景与意义 2 0 世纪9 0 年代，著名电机专家t a l i p o 教授发明了与s r m 相似的d s p m 。国内南京航空 航天大学、东南大学、浙江大学、华中科技大学、山东大学、华南理工大学等均开展了d s p m 调速系统的研究，研究内容主要包括电机本体设计、磁场计算、建模与仿真、控制策略以及数 字控制技术等，研究结果表明d s p m 用于调速领域具有突出的优越性。永磁双凸极电机不足之9 处在于：由于采用了永磁材料，电机高温环境运行能力降低，削弱了开关磁阻电机原有的高温 运行能力强的优势；因为励磁磁场由永磁材料提供，发电时调压困难，且无故障灭磁能力，所 以不宜用作起动发电机。1 9 9 8 年南京航空航天大学航空电源重点实验室在深入研究永磁双凸极 电动机基础上，提出了一种新型d s e m ，并申请了国家发明专利。电励磁双凸极电机具有下列 特点：( 1 ) 励磁转矩远大于磁阻转矩，其大小与电枢电流和励磁电流的乘积成正比，在电感上 2 起动发电系统中双凸极电机应用研究 升区与下降区分别通以正负电流，电机均产生正转矩；( 2 ) 不存在电刷和滑环；( 3 ) 转子结构 简单坚固，适合高速运行；( 4 ) 发电运行不需要位置传感器和可控功率变换器，调节励磁电流 可实现调压，故障时断开励磁电源灭磁，从而实现电机系统故障保护。这种新型电机较适合构 成起动，发电系统( s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m ，s g s ) 2 9 - 3 3 1 。 随着航空领域高压直流供电体制的确立以及多电、全电飞机概念的提出，作为其关键技术 之一的无刷直流起动发电技术已成为航空电气系统研究的热点之一。为赶上国外航空电气技术 的发展，缩小与国外先进技术差距，研究与开发新型航空无刷直流起动_ 发电系统具有重要意义。 随着世界能源危机与环境污染的日益严重，全球范围内掀起了电动汽车、混合动力汽车的 发展热潮；在军用车载中，大量新型设备的应用要求更大容量的电源系统，高压直流供电体制 在装甲车辆系统中推广成为必然的趋势。无刷直流起动，发电技术的发展对车载电气系统具有重 要意义。以集成化的起动发电系统代替起动和发电功能独立的电气系统，可以省去大量的机械 元件，能够有效地减小车载的体积和重量，同时大容量、高品质电能的输出能够满足高技术装 备对供电的需求。因此，无刷直流起动厂发电技术的发展对车载的发展也具有深远的影响。 在风力发电领域，目前大容量的风力发电系统主要有双馈异步电机和永磁电机两种形式， 异步电机需要外加励磁装置和无功调节装置，永磁发电机受风速的影响存在恒压调节和超速保 护等问题，因此寻找新的结构简单、控制方便的风力发电机十分必要。同时，大型风力机在一 定风速范围内存在起动的问题，风力发电机的起动问题也是值得研究的。所以，研究新型具有 起动功能的无刷直流发电技术对国民经济的发展和能源结构的调整也具有重要意义。 虽然本文研究主要是针对航空电源系统而开展的，但新型无刷直流起动j 殳电系统也同样适 合用于坦克、船舶、水下航行器等运动载体。此外，电励磁双凸极电机也很适合用作汽车、电 动车的起动发电机。 1 3 课题研究目的与内容 本课题研究目的在于研究d s e m 作为s g m 运行的相关性能，完成新型起动发电系统的研 制。 本文研究内容包括： 绪论介绍了s g s 发展过程和国内外研究现状，以及本课题的相关研究背景、研究目的与 内容。 第二章系统介绍了双定子d s e m 起动发电系统，深入剖析了双定子d s e m 起动发电系 统工作原理，提别是对标准角度控制模式( s t a n d a r da n g l ec o n t r o lm a d e ，s a c m ) ) 和提前角度控 制模式( a d v a n c e da n g l ec o n t r o lm o d e ，a a c m ) 两种控制模式进行了深入的分析做了较详细的 讲述。 3 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章从d s e m 起动发电机系统一体化建模出发，构建可实现起动发电双功能的d s e m 起动，发电模型。首先应用a n s o f t 软件对d s e m 进行了有限元建模仿真，其次应用m a t l a b 软件搭建了d s e m 起动发电一体化仿真模型，仿真分析了起动发电过程相关特性，重点分析 了起动发电切换过程的瞬态特性。 第四章介绍了以d s p 为核心的起动控制系统硬件设计以及软件的设计；分析了直流发电 原理，给出了发电控制框图。 第五章对新型s g s 做了较详细的系统实验，证明系统的合理性和有效性；并成功对某航 空发动机进行了冷热开车实验，给出了相关实验波形。 第六章给出了改进起动，发电控制系统硬件电路设计。 总结总结了本文的主要工作，并对下一阶段的工作进行了展望。 4 厶 口 关 供 图2 1 1 8 k w 电励磁双凸极起动，发电系统款图 2 2 双定子电励磁双凸极起动发电机 s g m 采用两级电机结构，主电机为1 2 8 极结构的d s e m ，其截面图如图2 2 所示；另一台 小功率的d s p m 作为励磁机。励磁机的作用：一是为主发电机提供励磁；二是为发电机的调压 器提供工作电源。调压器采用励磁机供电，而不依赖于其它电源，有利于提高调压器工作的可 靠性。励磁机采用了1 8 1 2 极结构的永磁双凸极电机。 d s e m 由于其本身的工作原理决定了电动工作时的转矩脉动以及发电工作时的输出电压脉 动都比较大。通常情况下，可以通过斜槽设计来减小转矩脉动和电压波动，但是这样做会造成 电机反电势减小，因而会减小电机的输出功率；另外，也可以在整流后并联很大的滤波电容来 减小电压脉动，但是这样又势必会增大调压器的时间常数，导致电压的动态调节时间增加p 6 】。 为了既能减小电动工作时的转矩脉动，减小发电时的输出电压脉动，又不会增加发电机电压调 节时间，s ( 3 m 设计成双定子结构，二者的定子从端部看完全重合，转子同轴安装，彼此相差 6 0 0 的电角度，电机结构示意图如图2 3 所示，实际上就是共用一套励磁绕组的两台独立的电机。 5 南京航空航天大学硕士学位论文 起动过程中两台子电机的输出转矩叠加，发电过程中两台子电机的输出电压在整流后进行并联， 这样既能够像斜槽结构那样减小输出电压脉动，又不会像斜槽结构那样造成电机反电势减小。 s g m 的每台子电机均包括一套高压绕组和一套低压绕组，在起动过程中，高压绕组不工作， 只用两套低压绕组工作。发电过程中，两套低压绕组发出的电能经过整流后并联直接使用，两 套高压绕组发出的电能经过整流以后串联工作，作为后级逆变器的输入，为机上负载提供1 1 5 v 、 4 0 0 h z 的恒频交流电能。起动过程中由机上蓄电池提供励磁电源，发电过程中由励磁机发出的 电能经过整流后作励磁电源，通过调压器调节励磁电流便可以调节发电机的输出电压分别稳定 在2 8 5 v 和3 6 0 v 。为了避免两台子电机以及励磁机之间相互的电磁耦合，在满足电机体积、重 量等技术指标的前提下，电机内部各部分之间均保留了一定的空隙，电机实物图如图2 4 所示。 图2 21 2 8 结构d s e m 电机截面图图2 3 双定子d s e m 结构示意图 ( 1 ) 转子( 2 ) 电机外形图 图2 41 8 k w 双定子d s e m 实物图 2 3 起动发电双向功率变换器 驱动s g m 的功率变换器具有逆变艉整流双重功能，为双路三相桥式变换器并联( 如图2 5 ) ： 在起动阶段，变换器由机上的4 8 v 蓄电池供电，实时更新开关管开通时序以达到起动航空发动 机的目的；发电运行时，功率开关管关断，s g m 产生的两组三相交流电经过二极管整流成2 8 5 v 直流电，供机上低压负载使用。由于双通道发电，两个独立的整流桥输出并联，这样就使得普 6 传 保 ( 1 ) 发电参数 额定输出功率：直流1 2 k v a ，交流6 k v a 转速范围：4 2 0 0 - - 9 0 0 0 r p m 过载能力( 转速高于6 0 0 0 r p m 时) ：1 5 0 额定电流条件下工作5 m i n ；2 0 0 额定电流条件 下工作5 s ( 2 ) 电动参数 额定供电电压：4 8 v 转速范围：0 - - 8 0 0 0 r p m 起动力矩：术5 0 n - m 转速：负载5 0 n m 时转速术1 1 0 0 r p m 起动电流：牛6 0 0 a ( 3 ) 重量：j r 3 1 k g 2 5 电励磁双凸电机数学模型 d s e m 是典型的多变量强耦合电机 3 7 - 4 0 ，它的数学模型包括磁链方程、电压方程、功率方 程、转矩方程和机械方程。这些数学模型是基于磁路定律、电路定律、牛顿运动定律和能量守 恒定律建立的。由于d s e m 相绕组和励磁绕组电感和互感是转子位置的函数，相绕组间的互感 可以忽略不计，相绕组和励磁绕组自感、相绕组和励磁绕组间互感采用分段线性化【4 1 删。以三 7 南京航空航天大学硕士学位论文 相1 2 8 极电机为例。 ( 1 ) 磁链方程： 】= 虬1 外牛 l v f 、 l 町 锄 o l f ( 2 ) 电压方程： 【u 】= 【r 】【小【三】! 乎+ 百d i l l 科工】掣+ 等w 【，】 其中：【u 】_ “4 心 ”， ，【尺】= 兄 民 足 母 = 引 ，坼为电机转子的角速度。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 3 ) 功翠方程： p 卅阶【盯【帅】+ 【，冲】掣州等哼【叫 _ 【玎懈m