（电机与电器专业论文）电励磁双凸极电机数字调压技术研究.pdf

电励磁双凸极电机数字调压技术研究 a b s t r a c t d o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ri sar e l a t i v e l yn e wt y p eo fa c b r u s h l e s sm a c h i n e ，w h i c ho f f e r sa l le x c e l l e n tb a l a n c eb e t w e e nc o s t ，r e l i a b i l i t y , p o w e r d e n s i t y , a n dh i 曲一s p e e dc a p a b i l i t y , t h eu s eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o n t r o l l e rs i m p l i f i e st h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dm a k e si tp o s s i b l et oi m p l e m e n ta d v a n c e d c o n t r o la l g o r i t h m s f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，o p e r a t i o n p r i n c i p l eo fd o u b l ys a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o r t h e ni ti n t r o d u c e st h e s y s t e mm o d e l i n go fd o u b l ys a l i e n te l e c t r o - m a g n e t i cg e n e r a t o ru s i n gm a t l a b t h i s m e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm e t h o do fs u b s e c t i o nl i n e a r i t yi n d u c t a n c e ，i ti st o b u i l du p o ng e n e r a t o rm o l d eb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sg e n e r a t o rm a g n e t i cf i e l d c o n t r o la l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep r e c i s i o no f v o l t a g er e g u l a t o rs y s t e m ，t h r e e d i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h m s ：p i dc o n t r o la l g o r i t h m ，n o n l i n e a rp i dc o n t r o la l g o r i t h m a n dp i dc o n t r o la l g o r i t h mw i t hl o a dc u r r e n tf e e d b a c ka r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fd o u b l y s a l i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ra r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ed e s i g n i n c l u d e ss i g n a lm e a s u r ec i r c u i t ，d s pc i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i t t h es o f t w a r ei s i m p l e m e n t e di nd s pp r o g r a m m i n gl a n g u a g e p r o t o t y p e so fd o u b l ys a l i e n te l e c t r o - m a g n e t i cg e n e r a t o rv o l t a g er e g u l a t o r s y s t e mi ss e tu p t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eo b t a i n e do l lt h ep r o t o t y p e s ，w h i c hp r o v e t h a tt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n ds y s t e ms i m u l a t i o n sa r ec o r r e c t 。 k e vw o r d s ： d ce l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，d o u b l e - s a l i e n te l e c t r o - m a g n e t i cg e n e r a t o r ，d i g i t a lv o l t a g e r e g u l a t o r s ，m a t l a bs i m u l a t i o n ，d i g i t a lp i dc o n t r o l ，l o a dc u r r e n tf e e d b a c k ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京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。 作者签名：莹，盔、 f t 期：玉丛：3 j 石 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 符号表 一、缩略词与名称 基本缩略词名称 d s p m 永磁双凸极电机 d s p数字信号处理芯片 二、基本符号与名称 基本符号名称 e 电势瞬时值 日 磁场强度 电感 r电阻 ， 时间 、| ，磁链 角频率 乙 定子长度 三、主要下标符号及意义 下标符号意义 c 1 , 平均 ，负载 基本缩略词名称 d s e m 电励磁双凸极电机 基本符号 ) z p 丁 w b 0 6 下标符号 a 、b 、c p w m 名称 频率、励磁绕组 电流瞬时值 功率 特斯拉 电压瞬时值 磁通量 角度 气隙 意义 三相 p w m 波 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 双凸极电机发展及现状 在上世纪8 0 年代，一种新型调速电机开关磁阻电机正式得到国际社会 的承认。开关磁阻电机的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，其转子 上无任何绕组，转子结构简单、坚固，所以特别适合高速运行，其定子上只有 集中绕组，制造工艺简单。因此，开关磁阻电机以其调速性能好，效率高，成 本低等特点，得到了迅速的发展，并在许多场合得到应用，但其发电运行需要配 功率变换器。 双凸极发电机电机是在开关磁阻电机的基础上，由t a l i p o 教授等人在9 2 年首先提出的一种新型电机“。“，该电机不仅保留了开关磁阻电机结构简单、 控制灵活、效率高的优点，而且具有动态响应快、调速性能好、转矩电流比大， 在作为发电机运行时，输出功率密度大、效率高等优点。使得该电机成为继开 关磁阻电机之后又一全新的研究方向。现在双凸极电机中研究较多的为d s p m 电 机，即双凸极永磁电机，该电机是在开关磁阻电机上加一永磁体而成。我国对 d s p m 电机的研究刚刚起步，在小功率调速和伺服领域取得初步应用。近来，我 校设计出了一种新型双凸极电机，即电励磁双凸极电机，它是在双凸极永磁电 机基础上，用电励磁代替原电机的永磁结构，电机的结构和制造工艺都非常简 单，可靠性高，成本低，特别适用于作高速运行。作为电动机运行时具有直流 电机的运行效率高，调速性能好，可方便的实现四象限运行等优点。在作为发 电机运行时，取消了原电机中的功率变换器和转子位置传感器，励磁电流可通 过外部控制调节，这就使得电励磁双凸极电机在发电调压方面较永磁双凸极电 机有优势，另外由于双凸极电机本身的优点，使得电励磁双凸极电机在飞机直 流电源供电系统中应用得到重视，是一种应用前景非常好的新型电机。 1 2 飞机供电系统的发展 现代飞机主电源是有航空发动机传动的发电机提供，其主要经历了以下发 展过程：低压直流电源、恒速恒频( c s c f ) 交流电源、变速恒频( v s c f ) 交流电源 及高压直流电源。 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 低压直流电源是较早采用的飞机电源，其电源调节点电压是2 8 5 v 。低压直 流电源的电刷和换向器限制了电机的转速，从而限制了发电机的最大容量，另 外随着电源系统容量的加大，使得整个电网的重量显著增加，这些都限制了低 压直流电源在飞机电源系统中的应用。恒速恒频交流发电机具有功率重量比高、 过载能力强的优点，但恒速恒频交流电源系统的电能变换效率低，恒速传动装 置结构复杂、制造与维护困难的缺点使其逐渐被v s c f 所取代“。v s c f 具有易维 护，电源质量高，效率高等优点，从7 0 年代开始在飞机上得到了应用。在功率 晶体管代替了晶闸管后，使得变换器在v s c f 电源中被广泛应用，提高了电源系 统的可靠性。高压直流电源系统则是最近提出的新方案，它具有重量轻、效率 高、更容易实现不问断供电和余度供电等优点，为实现供电系统的智能化打下 基础，目前在国外某些先进的飞机上己开始得到了应用，这是我国飞机电源系 统发展的一个新方向。 1 3 飞机发电机电压调节器的发展 在早期飞机上由于发电机容量较小，常用振动式电压调节器，使用这种调 压器，发电机励磁电流受振动触点容量限制，所以这种调节方式只能用于小容 量发电机。到上世纪4 0 年代，随着发电机容量的增大，电压调节器也改为碳片 式，炭片式调压器的缺点是炭柱损耗大，炭片易磨损，抗冲击与振动能力差， 调压精度低，动态响应慢。随着模拟电子技术及功率电子器件的发展，6 0 年代 出现了晶体管式电压调压器，其具有体积小、重量轻、损耗小、调压精度较高 和动态响应快等优点，现役飞机电源系统中使用的都是这种调压器。 虽然模拟电路构成的调压器具有以上优点，但也存在着一些固有的缺点， 如调整参数困难，不易设计获得对各种状态均适合的电路参数且硬件设计较为 复杂等。近年来随着数字控制技术的迅速发展，飞机上的飞行控制系统、火力 控制系统均实现了数字化控制，飞机供电系统的数字化已成为今后发展的必然 趋势，这其中飞机发电机控制的数字化是一项很重要的内容，因此飞机发电机 数字调压器也就应运丽生。与模拟调压器相比，数字调压器具有以下优点：控 制参数调节简便、可以实现先进的控制算法、具有信息通信功能、可实现数据 共享和数据记录。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 课题背景及本文研究内容 目前我国飞机上电源系统基本上都是交流供电系统，而且其发电机已达到 相当大的容量，但由于交流供电具有固有难以克服的缺点，如维护性差、效率 低，同时交流电源难于实现不中断供电，不能满足计算机、飞行控制、电传及 发动机控制等数字控制系统的供电要求，这些都限制了交流供电系统在高性能 飞机上的应用，因此直流供电系统的研究非常必要。本文所研究的直流供电系 统是以3 0 k w 电励磁双凸极发电机作为主发电机的电源系统，以该电机作为飞机 直流供电系统的主发电机目前还处于试验研究阶段，具有一定的研究价值。由 于发电机输出电源的品质直接影响了飞机电源系统的供电性能，因此针对发电 机设计一个高性能的调压器非常的必要，本文所研究主要内容就是直流供电系 统中电励磁双凸极发电机调压器的设计。 早在7 0 年代初，国外就已经开始将数字计算机应用于发电机励磁电流控制 的研究，但直到近几年，随着微电子技术的迅猛发展，数字计算机控制电机励 磁电流进行调压才变的切实可行。对于航空发电系统，由于其组成及应用的特 殊性，公开刊物上很少有相关的设计资料。南航“十五”期间在无刷电机数字 调速、数字调压方面做了大量的研究工作，在控制方案上也做了一些卓有成效 的探索，为双凸极发电机数字调压的实现积累了不少硬件和软件上的宝贵经验。 在数字控制器件上我们选择了美国t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 作为双凸极电机 的数字信号处理器，该型号的d s p 是专门为数字电机控制推出的一种低价格、 高性能的1 6 位定点运算数字处理器，其将高性能的d s p 内核和丰富的微控制器 外设功能集于单片之中，从而成为传统的多微处理器单元和昂贵的多片设计的 理想替代。每秒执行2 0 兆条指令的运算能力，使得该d s p 能提供比传统1 6 位 微控制器和微处理器强大得多得功能。另外值得一提的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 是目前中 国市场上唯一的一种具有军品级的d s p 产品。 本文研究的主要内容包括： 第二章重点介绍了调压器的控制对象新型3 0 k w 电励磁双凸极发电机的基本 结构及工作原理并对该电机的各重要特性进行了测试，为后面调压器的硬件设 计及控制方法的选择提供参考。 第三章给出了整个调压系统的系统框图及硬件电路设计原理图，着重分析 了各个环节硬件电路功能并给出了硬件设计的参数。 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 第四章主要讨论的是基于有限元分析的电励磁双凸极发电机非线性仿真模 型的建立，在建立电机模型之后测试了仿真模型的各种特性并与实际电机特性 进行比较，以验证仿真模型的正确性。 笫五章建立起了电励磁双凸极电机数字调压系统的仿真模型并给出了本系 统中采用的几种数字控制算法。 第六章介绍了系统的软件结构并完成了电励磁双凸极发电系统的仿真及实 验调试工作，仿真及实验验证了般p i d 控制算法、非线性的p i d 控制算法及 加负载电流反馈的的p i d 控制算法在数字调压器中应用的可行性，分析比较了 各算法的优缺点。 最后一章总结了本文的主要工作，提出了进一步的工作设想。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章3 0 k w 双凸极电机结构及特性测试 由于本文所研究的双凸极电机是一种新型电机，该电机是在开关磁阻电机 的基础上加励磁绕组构成，其特性与永磁双凸极电机有所不同，该电机可通过 调节励磁电流大小来调节输出电压。电机的结构及电机励磁电流和负载电流大 小直接关系到输出电压幅值及纹波大小，因此，弄清楚电机的结构及其特性对 调压器的设计有非常重要的指导意义。 2 23 0 k w 双凸极电机的结构 双凸极电机是在丌关磁阻电机的基础上发展起来的一种新型高效节能电 机，其具有结构简单、控制灵活、动态响应快、功率密度高等特点1 ”1 。目前研 究较多的双凸极电机是永磁双凸极电机，该电机是在开关磁阻电机的基础上嵌 入永磁体而成，一般为8 6 极结构。本文所研究的是电励磁双凸极电机，该电机 的结构与永磁双凸极电机基本类似，但用励磁线圈代替了永磁双凸极电机的永 磁体，这样在双凸极电机作为发电机运行时。可以通过改变励磁电流的大小调 节输出电压，该电机结构如图2 1 所示。 ，励磁绕组 相绕组 图2 1 电励磁双凸极电机结构图 该电机为1 2 8 极结构，其结构与开关磁阻电机类似。“，定、转子均为凸 极齿槽结构，铁芯均采用硅钢片叠压而成，定子上装有集中电枢绕组和励磁绕 组，转子上无绕组。空间相对的四个定子齿上的绕组串联构成一相。转子极弧 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 等于定子极弧，均为定子齿距的1 2 ，定转子极弧取15 0 机械角，在理想情况下 从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅保证电机在空载时励磁绕组所匝链的 磁链将不随转子位置角吕而改变，励磁绕组不会产生感应电势，而且在电机静止 加励磁时无定位力矩，另外任意相定子绕组所交链的互感磁链仅与该相磁导成 正比。 2 33 0 k w 双凸极电机发电工作原理 电机在旋转运行时，各相绕组所交匝的磁链会随转子位置角的变化而改变， 这样会在各绕组上感应产生电势，该电势的大小与相绕组磁链的大小及旋转速 度有关，为了说明该电机工作原理，我们先分析电机的磁场分布情况。 2 3 1 双凸极电机磁场分布 为了理解双凸极电机的发电工作原理，我们采用有限元分析的方法得到了 电机在各种工作状态下的磁链值、电感值及磁场分布图。有限元是工程上常用 的一种精确的数值计算方法，多用来计算磁场分布、物体内力、流体压力等。 蹙囊 口：0 0 时 口= 1 5 0 时 图2 2 有限元分析得到空载时双凸极电机的磁场分布 该电机在作为发电机运行时，励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建 立起磁场，产生的磁通将经过定子轭部、定子齿部、气隙、转子齿部、转子轭 部形成闭合磁路，如图2 2 所示( 图中横纵坐标单位为m m ) 。此时在a 、b 、c 三 相绕组中交匝有磁链，当电机按照逆时针方向旋转1 5 0 时，电机内部磁场的分布 由图2 2 ( a ) 转变到2 2 ( b ) ，此时a 、b 、c 三相绕组中的磁链值随着电机旋转在改 6 南京航空航天大学硕士学位论文 变，根据楞次定律，在a 、b 、c - - _ g 绕组中分别会感应产生电势，相电压“。可 表示为： 。，：争( p = a 、b 、c ) “，3 亍邗、趴。j 当发电机有负载电流时，其磁场不仅由励磁电流决定 影响。图2 3 为有负载电流时电机内部磁场分布图。 ( 2 1 ) 还受到负载电流的 0 ：0 00 = 1 5 0 图2 3 双凸极电机加载时磁场分布图 从以上磁场分布图可以直观的看出，在任意时刻相绕组中的磁链值大小与 励磁电流、相电流及此时的转子位置角有关，因此相绕组中的磁链值用数学表 达式可表示为： 。= ( 矿，屯，f c ，0 )( p 5a 、b 、c ) ( 2 2 ) 2 3 2 双凸极电机发电工作原理 由于该电机是作为直流供电系统的主发电机，而其输出三相电压、u 。 是交流电，为了给直流负载供电，发电机输出端要接一个整流桥和电容滤波， 如图2 4 所示。 一 jz lz u 。n r l 二 ， u zsz 一。 l l 图24 发电机输出负载电路 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 从前面分析可以看出，电机在正常工作时相绕组中的磁链由励磁电流及相 电流产生，相绕组磁链的变化感应产生电势。在空载时绕组磁链仅有励磁电流 产生，以a 相为例，当定转子极弧相互靠近时，a 相绕组中交匝的磁链逐渐增 加，a 相绕组中感应产生电势；当定转子极弧相互分离时，a 相绕组中交匝的磁 链逐渐减小，a 相绕组中感应产生反相的电势。从该电机的结构来看，当a 相 定转子极弧刚重合时只要转子继续旋转a 相定转子极9 日就立即分离，中间没 有过渡的过程；当a 相定转子完全分离后需要转过1 5 0 定转子才能再次重合。因 此在理想状况下空载时相电压波形可分为正、负、零三段，但在实际电机中由 于磁场的磁饱和效应及磁场的边缘效应等，使得电机在旋转时a 相绕组磁链并 非线性变化。实际电压波形如图2 5 、2 6 所示。 图2 5 空载相电压波形图2 6 加载时输出相电压波形 i ，= 5 ai f2 0 a ，i f = 3 0 a 在加载时相绕组中通有电流，电机存在电枢反应，当定、转子相互靠近， 相绕组磁通增加时，电枢反应会减小磁链的增加；当定、转子分离，相绕组磁 链减小时，电枢反应会阻碍磁链的减小。因此在加载有电枢反应时一方面会减 小电机的输出电压值：另一方面由于整流桥的存在相电流有突变，由于相电流 的突变及相绕组相互之间的影响，使得输出相电压波形出现尖峰和毛刺。 2 43 0 k w 双凸极发电机特性测试 由于双凸极电机是一种新型电机，我们对其特性还不是很了解，所以在进 行系统调压之前，我们对该电机的空载特性、调节特性、外特性、纹波特性及 效率作了测试，测试环境及结果如下所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4 1 电励磁双凸极发电机测试环境 本文所研究的双凸极发电机性能测试都是在航空电源重点实验室的k 9 3 8 5 0 0 飞机试验平台上完成的，该试验平台是由美国a r t r o n 公司生产，是目前世界 上先进的航空电机试验平台。它适用于恒速恒频、变速恒频电源、高压直流电 源、组合传动发电机等各种通用电动机和发电机的实验。 由于是对发电机单独测试，励磁电源由外部直流电源提供，励磁电流的大 小可通过直流电源上端的调压器调节励磁电压的来实现。电机输出端按有整流 桥和滤波电容，发电实验平台只给电机提供恒定的转速，其实验环境及接线如 图2 7 所示。 k 9 3 8 - 5 0 0 实 图2 7 发电机测试环境示意图 在该测试装置中，直流电源可提供o 6 0 v 的直流电压，使得励磁电流可 在0 4 0 a 之间进行调节：负载箱在稳定输出2 7 0 v 时可提供0 6 0 k w 的负载； 整流滤波电容为4 7 0 0 , u ；k 9 3 8 - - 5 0 0 飞机实验平台可提供3 0 0 0 0 r m i n 的恒定转 速，输出功率最大可达5 0 0 马力。 3 0 k w 双凸极发电机主要性能要求指标如下： 额定工作转速：6 0 0 0 r m i r a 额定输出电压：直流2 7 0 v ： 额定输出电流：1 1 0 a ： 额定功率：3 0 k w ； 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 玲却方式：强迫风冷； 效率： 不小于8 0 2 4 2 电励磁双凸极发电机测试结果 由于电机的特性与电机内部的结构密切相关，在整个调压实验过程中电机 的结构曾做过多次改进，以下测试结果都是在气隙盯= 0 5 r a m ，转子长为 l ：1 7 0 r a m 得至的。 2 4 2 1 空载特性 与其他电机类似，双凸极电机的空载特性是指在一定转速下，空载端电压己b 随励磁电流i ，变化的关系。它反应了电机磁路的磁化特性，是表述电机性能的 重要指标之一。 3 0 k w 双凸极机电机额定转速为6 0 0 0 r m i n ，实验测出了6 0 0 0 r m i n 及 7 0 0 0 r m i n 的空载特性，测试数据见表2 1 、2 2 。根据测试得到的数据画出u ，与 f ，的关系曲线：既= f ( i ，) ，并对该曲线上的线性不饱和段作出气隙线。两根曲 线上对应发电机额定工作电压2 7 0 v 时的励磁电流比值为电机的磁路饱和系数。 在n = 6 0 0 ( h - m i n 时电机的饱和系数为： k h = l 州i f7 3 6 8 = 1 0 7 3 5 在n = 7 0 0 0 f r a i n 时电机的饱和系数为： k h 一刊ii f 6 1 5 6 1 = 1 0 0 8 2 表2 1n = 6 0 0 0 r m i n 时双凸极电机空载特性数据 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 0 ( a ) 2468 2l o21 21 3 6 乩( v ) 8 21 5 82 3 8 53 0 0 53 3 0 3 5 1 5 3 5 7 0 ( a ) 1 6 11 7 6 2 0 2 22 5 4 乩( v ) 3 6 4 5 3 6 7 3 6 9 3 7 2 53 6 9 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 ，2n = 7 0 0 0 r m i n 时双凸极电机空载特性数据 审( a ) 24 568 21 0 41 41 6 碥( v ) 8 51 9 62 6 6 53 4 7 53 8 94 0 7 4 2 0 寸( a ) 1 8 52 0 32 3 u o ( v ) 4 2 7 54 3 44 3 1 5 一般航空电机的磁路饱和系数约为1 0 2 1 4 5 ，由此可见3 0 k w 电励磁双凸 极发电机的磁饱和系数较小，额定工作点n = 6 0 0 0 r m i n 、输出电压2 7 0 v ，充 分利用了发电机磁路的线性不饱和段。转速增加时会降低电机的磁饱和系数， 但从电机本身特性来看，电机转速增加可以提高电机的输出电压，加大电机的 输出功率。 2 4 2 2 外特生 图2 8n = 6 0 0 0 r n i n 对顽凸板发电机空载特性益线 f i 图29n = 7 0 0 0 r m i n 时双凸极发电机空载特性曲线 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 外特性是指发电机在一定的转速和励磁电流下，端电压随负载电流的变化 规律，本文所研究的负载都是纯阻性负载。发电机的输出端电压一方面与励磁 电流有关，在负载及转速不变时，励磁电流越大，输出端电压也越大：另一方 面输出端电压也与负载电流有关，当转速和励磁电流不变时，负载电流越大， 电枢反应越强，负载电流产生的去磁作用越强，使得输出端电压越小。3 0 k w 双 凸极发电机在额定转速6 0 0 0 r m i n 及7 0 0 0 r m i n 时的纯阻性负载的外特性测试 结果如表2 3 、2 4 所示。 表2 3n = 6 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 双凸极电机纯阻性负载外特性数据 碥( v ) 3 2 82 7 22 1 41 7 91 6 2 51 4 9 5 i ，2 1 0 a 0 ( a ) o2 63 95 05 4 6 5 ( v ) 3 6 83 3 83 1 0 2 9 62 引2 6 9 i ，2 2 5 a ( a ) 03 35 8 6 49 21 1 0 表2 4n = 7 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 双凸极电机纯阻性负载外特性数据 u o ( v ) 3 8 83 6 83 5 22 9 22 4 01 9 71 8 8 i ，5 1 0 a ( a ) 01 52 23 44 45 6 6 3 u o ( v ) 4 2 54 1 43 9 6 3 4 83 0 82 8 22 7 0 f ，= 1 82 a 由( a ) o1 73 36 58 79 51 1 0 表中所示i ，= 2 5 a 及i ，= 1 8 2 a 时的数据为3 0 k w 双凸极电机分别在 6 0 0 0 r m i n 及7 0 0 0 r m i n 转速额定工作( u 。= 2 7 0 v 、f ，= l1 0 a ) 时的外特性数 据。由表2 3 及2 4 可以分别画出如图2 。l o 、2 。1 1 所示的3 0 k w 双凸极电机的 外特性曲线。从图中可以看出当输出相同负载电流时，如果励磁电流越大，电 枢反应对输出端电压影响越小，输出端电压越大：当励磁电流一定时，如果负 载电流越大，电枢反应越强，输出端电压会越小。 图2 1 0n ：6 0 0 0 r 揣时电机外特性曲线图2 1 1n = 7 0 0 0 r m i n l 舒电机外特性曲线 扭蚰蜘锄地知佃佃o s 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 1 2i ，= i o a 时n = 6 0 0 0 、7 0 0 0 r m i n 外特性比较 发电机输出电压随负载变化大小用电压调整率a u 衡量。a u 为发电机额定 电压和额定负载下，切除负载而不改变励磁电流时，端电压变化相对额定电压 的百分数。所以我们可以得到3 0 k w 发电机在n = 6 0 0 0 r m i n 及n = 7 0 0 0 r m i n 时的 电压调整率为： n = 6 0 0 0 r m i n 时： a u 。3 6 8 - 2 7 0 1 0 0 = 3 6 3 0 ( 2 - 5 ) 2 7 0 n = 7 0 0 0 r m i n 时： u 。4 2 5 - 2 7 0 1 0 0 ：5 7 4 1 ( 2 6 ) 2 7 0 电压调整率反应了电机的输出电压随负载变化情况，电压调整率越小电机 输出电压随负载变化越小，电机工作状态越稳定。从上两式可以看出6 0 0 0 r m i n 为电机的额定工作转速，此时的电压调整率比在7 0 0 0 r m i n 时要小，说明在额 定工作转速时电机的运行状态要比在7 0 0 0 r m i n 时好，此时电机的效率及输出 纹波特性都较7 0 0 0 r m i n 时好。 2 4 2 3 调节特性 从前面发电机的外特性可知，在励磁电流不变时，输出端电压u 。随负载电 流f j 增大而减小，为了维持输出电压不变，必需要增大励磁电流。航空发电机一 般都和电压调节器配套工作，以便在负载变化时，可以自动调节励磁电流以维 持发电机输出端电压不变。调节特性曲线就是反映这一规律，即输出电压和转 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 速维持不变时，励磁电流随负载电流变化的关系。调节特性反映了电机的一个 基本舰律，是电压调节系统设计的依据。表2 5 和表2 6 分别表示的是3 0 k w 电 励磁双凸极发电机在n = 6 0 0 0 r m i n 及n ：7 0 0 0 r m i n 下的调节特性数据。 表2 ，5n = 6 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 敝凸极电机筋调谛特性数据 励磁电流f ，( a ) 8l9 81 3 21 7 22 0 2 2 5 负载电流n ( a ) 1 12 44 87 68 7 1 0 9 输出电压砺( v ) 2 7 02 7 02 7 02 7 0 2 7 02 7 0 输出功率( k w ) 2 9 76 4 81 2 9 62 0 5 22 3 4 9 2 9 4 3 表2 6n = 7 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 取凸极电机的调= 宵特性数据 励磁电流j ，( a ) 6 88 ，6l l 。31 4 41 6 1 8 2 负载电流0 ( a ) 1 12 75 07 69 1 1 1 2 输出电压( v ) 2 7 02 7 02 7 02 7 0 2 7 02 7 0 输出功率( k w )2 9 7 7 2 91 3 52 0 5 22 4 5 73 0 2 4 根据表2 5 和表2 6 的数据，可得3 0 k w 双凸极电机在6 0 0 0 r m i n 及 7 0 0 0 r m i n 下的调节特性曲线如图2 1 3 及图2 1 4 所示。从图中可以看出电机转 速提高，在输出相同功率时，可减小励磁电流，电机的调节性能得到了提高。 图2 1 3n = 6 0 0 0 r m i n 时 电机调节特性曲线 2 4 ，2 ，43 0 k w 双凸极发电机输出绞波的测试 图2 1 4n = 7 0 0 0 r m i n 时 电机调节特性曲线 发电机输出电压纹波的测试在以前的电机当中做的很少，但是由于双凸极 电机是作为直流供电系统的主电源，直流电源质量的一个重要指标是纹波的大 南京航空航天大学硕士学位论文 小，测试双凸极电机在各种状态下的纹波大小，找出该电机纹波变化的规律并 提出合理的降低纹波的方法，对提高整个直流供电系统的电源质量，非常的有 意义。在测试过程中要将整流桥后4 7 0 0 p f 的滤波电容去掉，纹波的幅值出示波 器读出。 表2 7 数据是3 0 k w 双凸极电机在n ：6 0 0 0 r m i n 时所测的在额定励磁电流情 况下的纹波随负载变化特性，额定励磁电流是指电机额定工作时的励磁电流大 小。表2 8 数据是该电机在n = 6 0 0 0 r m i n 输出恒定2 7 0 v 时，纹波与励磁电流的 关系。 表2 7n = 6 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 双凸极电机纹波大小随负载电流变化数据( i ，= 2 5 a ) a u o ( v ) 1 4 6 1 9 0 1 8 01 6 01 5 41 4 6 打( a ) o3 35 86 49 21 1 0 u o ( v ) 3 6 93 3 83 1 92 9 6 2 8 l 2 6 9 表2 8n = 6 0 0 0 r mi n 时3 0 k w 双凸极电机输出稳定在2 7 0 v 时纹波与励磁电流关系 a u o ( v ) 1 0 62 8 02 6 52 0 5 2 0 01 9 0 如( a ) 02 54 87 58 01 0 7 u o ( v ) 2 7 9 52 7 0 2 7 02 7 2 52 7 0 52 6 7 打( a )7 】9 61 2 91 7 1 9 22 38 画出纹波随负载电流及输出恒定2 7 0 v 时纹波随励磁电流的变化关系图，更 能直观的得到纹波变化的规律。 图2 1 5n = 6 0 0 0 r m i n 时电机纹波大小 随负载电流变化关系( i ，。2 5 a ) 图2 1 6 在n = 6 0 0 0 r m i n 电机恒定2 7 0 v 输出时纹波大小随励磁电流变化关系 在分析所测数据时，由于该电机在空载和加载时电机的纹波大小会发生明 显的变化，从所拍波形来看空载时相电压波形与加载时相电压波形相差很大， 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 因此可以肯定加载时电枢反应对电机电压的波形有很大的影响。实验结果表明： 在励磁电流一定时，负载电流越大，电枢反应越强，波形产生的畸变越大，输 出纹波也越大；如果负载电流不变，增加励磁电流，使得电机磁场受励磁电流 的影响增强，那么输出相电压畸变会减小，输出纹波相对也会减小。空载及轻 载时的相电压及输出端电压波形比较如图2 1 7 所示。 辨缓矽度一_ ) | 二。jo ( a ) 空载相电压波形( b ) 3 n 载相电压波形 图2 1 7f ，= 2 0 a 时空载及加载( 2 6 6 a ) 时相电压波形 由于空载与加载时波形的差别使得纹波随负载电流及励磁电流变化在空载 及加载时呈现不同的变化规律，且正常情况下电机都是带有负载工作的，因此 在分析纹波的变化规律时，我们主要注重考虑加载时的情况。从图2 1 5 、2 1 6 两图可以看出，在负载电流及输出电压不变时，输出电压的纹波大小随励磁电 流增大而减小，与前面的分析一致；在励磁电流一定时，虽然此时随着负载的 增加电枢反应增强，但由于此时输出电压也由于负载电流的增大而减小，使得 此时纹波大小的变化规律与输出端电压的变化规律相似，随负载电流增大而减 小。 在转速为7 0 0 0 r m i n 时，从所测纹波的变化规律与n = 6 0 0 0 r m i n 时基本相 同，但是在输出电压、负载电流在与n = 6 0 0 0 r m i n 相同时，其输出纹波值较 6 0 0 0 r m i n 时要大。数据表如表2 9 所示，6 0 0 0 r m i n 与7 0 0 0 r m i n 纹波比较图 如图2 1 8 所示。 表2 9n = 7 0 0 0 r m i n 时3 0 k w 双凸极电机输出稳定在2 7 0 v 时纹波与励磁电流关系 a u o ( v ) 3 0 52 8 02 4 02 3 0 2 2 0 卉( a ) 2 44 87 58 01 0 7 u o ( v ) 2 7 12 7 02 7 3 52 7 42 7 4 ( a )8 41 1 41 4 41 5 8l84 南京航空航天大学硕士学位论文 从图2 1 8 可以看出，当电机在输出电压恒定不变且负载电流大小相同时， n = 7 0 0 0 r m i n 时的纹波值要比6 0 0 0 r m i n 时大，这是由于在7 0 0 0 r m i n 时，要输 出与6 0 0 0 r m i n 时相同的功率，此时的励磁电流要比在6 0 0 0 r m i n 时小，这也 就使得在7 0 0 0 r m i n 时负载电流对输出电压波形产生的畸变要比在6 0 0 0 r m i n 时强，因此在7 0 0 0 r m i n 时发电机输出的纹波幅值要比在6 0 0 0 r m i n 时大。这 也进一步验证了前面分析的纹波变化规律。 l l 图2 1 83 0 k w 双凸极电机在转速6 0 0 0 r m i n 及7 0 0 0 r m i n 时纹波比较 2 4 25 双凸极电机效率测试 为了保证双凸极电机在高压直流供电系统中作为主发电机的可行性，我们 测出了该电机在工作时效率，实验验证了该电机具有较高的效率，较适合在飞 机供电系统中应用。实验效率数据如表2 1 0 、2 1 1 所示。 表2 1 03 0 k w 双凸极电机效率数据( n = 6 0 0 0 r m i n ) 输入力矩励磁电压励磁电流输入功率输出电压输出电流输出功率效率 ( n m )( v )( a )( w )( v )( a )( w )( ) 6 0 9 6 61 483 9 4 0 6 6 52 7 01 23 2 4 08 22 1 9 1 6 0 3 1 81 9 51 081 0 2 7 8 5 72 7 23 28 7 0 48 4 6 8 l 2 5 1 7 6 72 41 241 6 1 0 8 5 72 7 44 91 3 4 2 68 3 3 4 6 3 9 5 1 53 31 8 22 5 4 1 6 0 22 7 67 72 1 2 5 28 3 6 1 6 4 3 6 9 2 33 6 1 9 8 2 8 1 5 l5 62 7 1 8 72 3 5 7 7 8 3 7 5 0 5 4 4 1 7 84 92 5 23 5 4 0 9 1 82 7 01 1 02 9 7 0 08 3 8 7 6 5 7 5 7 9 5 62 93 7 7 8 3 6 12 7 21 1 63 1 5 5 28 3 5 0 7 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 表2 n3 0 k w 双凸极电机效率数据( n = 7 0 0 0 r l l i n ) 输入力矩励磁电压励磁电流输入功率输出电压输出电流输出功率效率 ( n 斟)( v )( a )( 群) ( v ) ( a ) ( w )( ) 5 4 6 4 3 64 02 14 0 8 7 5 5 42 8 01 2 l3 3 8 8 08 2 8 8 5 4 8 ，9 9 8 63 61 93 6 5 8 3 6 42 7 41 1 13 0 4 1 48 3 1 3 5 3 8 8 3 7 6 3 0 1 62 8 9 3 5 0 l 2 7 38 82 4 0 2 48 3 0 2 7 3 3 8 72 81 52 5 2 3 5 4 2 2 7 47 6 2 0 8 2 4 8 2 5 1 8 2 3 0 3 1 62 21 1 61 7 1 2 9 6 9 2 7 45 11 3 9 7 48 15 7 7 1 2 6 4 4 8 1 799 4 1 7 4 2 32 7 82 77 5 0 67 97 0 3 2 5 总结 本章主要分析了双凸极电机的工作原理，并且较为详细的测出了该电机的 外特性、调节特性及纹波特性，为后面调压器硬件电路参数设计及调压实验提 供了参考依据。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章双凸极直流发电系统数字调压器的设计 3 1 引言 本章首先介绍了双凸极直流发电系统调压器的系统构成，并着重介绍了调 压器各环节的功能及硬件电路的设计。 3 2 双凸极直流发电系统数字调压器的功能及原理 双凸极直流发电系统是通过调节发电机励磁电流来实现输出电压的稳定。 双凸极直流调压系统的原理框图如图3 1 所示，其中数字调压器主要由输出电压 检测、励磁电流检测负载电流检测、数字信号处理器( d s p ) 、功率驱动放大电 路及功率主电路等部分所组成。 图3 ，1 双凸直流调压系统原理框图 从上图可以看出，直流调压系统控制器的硬件电路可以分成三部分：检测 电路、数字信号处理电路( d s p 电路) 及功率驱动电路。检测电路用来检测电机 的输出端电压、励磁电流及负载电流的大小，并将其送给d s p 。d s p 主要用来采 样电机输出端电压、励磁电流及负载电流的大小，并通过一定的控制算法计算 输出相应占空比的p w m 波。d s p 的所有功能是通过软件编程来实现的，与模拟调 压器相比，d s p 软件编程时可以进行输出端电压参考值的给定、p 1 v m 波频率 ( 兀。= 2 k ) 的选取、采样周期( t o = o 1 2 5 m s ) 、控制周期( i ，= 1 2 5 m s ) 给定及实 现特定的控制算法等。功率驱动电路一方面要可实现m o s 管正常的开通与关断， 电励磁双凸极电机数字调压技术研究 以调节励磁电流的大小：另一方面在电机输出出现欠压、过压或励磁电流过流 等非正常状态时，可以对m o s 管进行关断封锁，避免调压系统的损坏。 3 33 0 k w 双凸直流调压器的硬件设计 直流调压器的原理图如图3 2 所示。整个调压系统电路分为检测电路、d s