飞机变速恒频交流发电系统

4.3飞机变速恒频交流电源系统4.3.1变速恒频电源变速恒频电源（简称VSCF电源）是一类以大功率电子技术为基础的新型飞机电源。变速恒频电源和恒速恒频电源一样，也是产生400Hz，115／200V三相四线制交流电。图4.3.1是VSCF电源的构成框图，它由发电机、电子变换器和控制器三部分组成。变频交流发电机电子变换器控制器VFACVnCFAC4.3.1变速恒频电源•变速恒频电源用变换器有二种类型，一类是交交型，一类是交直交型，相应地，变速恒频电源也分为交交型和交直交型两类。交交型变换器是晶闸管变频器，又称循环变换器或周波变换器，它将发电机发出的多相高频交流电直接变换成400Hz交流输出。交直交型变换器先将发电机发出的变频交流电转换成直流电，再逆变为交流电，其中逆变器一般有梯波合成和开关点预置正弦脉宽调制二种方案。发电机／变换器控制器实现对发电机和变换器的控制、保护和自检测（包括使用在线自检和地面维护自检）。控制器的检测保护功能一般用微处理器实现。4.3.1变速恒频电源•变速恒频电源它的优点：•1.电能质量高，输出电压频率稳定。电子变换器没有频率瞬变现象；•2.能量转换效率高，效率可高于80％；•3.旋转部件少，可靠性高；•4.电源系统结构灵活，除发电机必须装在发动机附件机匣外，其它部件安装位置可灵活多样。•5.易实现无刷起动发电；•6.生产和使用维护方便，有利于减少飞机全寿命周期费用。4.3.1变速恒频电源•变速恒频电源缺点：•1.电子器件允许工作结温低，电子变换器的允许工作环境温度没有恒速传动装置高；•2.电子变换器承受短路和过载的能力较低我国也成功地研制了脉宽调制型交直交变速恒频电源系统，并已装机使用。表4.3.1VSCF电源的应用举例4.3.2交交型变速恒频电源交交型变速恒频电源系统由多相高频发电机、晶闸管交交变频器和控制器等装置组成。•1、多相高频发电机为了保证循环变换器输出的400Hz交流电谐波含量满足指标要求，发电机的相数和频率要满足一定的条件。在输出电压波形相同的前提下，发电机的相数越多，则电机的最低工作频率，也就是变频器输入电源的频率可以降低。•发电机的工作频率取决于工作转速和极对数。在现有技术条件下，电机的最高工作转速大约为30000r／min左右。交交型变速恒频电源系统的发电机为多相发电机，一般采用6相或9相。1、多相高频发电机•电机若采用6相，其最低工作频率不低于1140Hz，为减小电机的铁损耗和铜损耗，电机的铁芯叠片较薄，电枢绕组宜采用多股线。发电机的磁极上装有阻尼绕组，以减小换相电抗。•由于交交变频器的功率因数较低，发电机的容量比系统的容量大，如40kVA系统，电机的容量要达到55kVA。•发电机可以是电磁式，也可以是永磁式2、循环变换器•图4.3.2为采用6相发电机时的循环变换器一相主电路，变换器由四组三相半波整流电路、相间变压器和滤波器等环节组成。六相发电机的循环变换器主电路和电机绕组电压矢量图2、循环变换器两正组和两负组间由相间变压器IPT1和IPT2隔开。输出滤波器由电机电枢绕组电感、相间变压器的漏感和电容器组成。由于采用零式可控整流电路，三套相同的上述电路接于同一发电机时，变换器输出有公共点，因而三个相同的电路可以构成三相四线制输出。6相系统主电路中有36只晶闸管，6个相间变压器和3组滤波电容。若电机为9相发电机，则三相输出需54只晶闸管。晶闸管V1、V2、V3构成正一组P1，V7、V8、V9构成负一组N1，这二组形成一个反并联电路，同样，V4、V5、V6和V10、V11、V12构成的正二组和负二组也接成反并联.三相半波可控整流电路2、循环变换器反并联电路有两种工作方式：无环流和有环流。无环流工作时:只触发通过负载电流的那组晶闸管，正向电流时触发正组、反向电流时触发负组，任何时刻仅一组晶闸管工作。无环流工作不能保证电流在任何情况下连续，且电流断续时，输出电压与控制电压不再为线性关系，控制困难，输出电压畸变大，因此交交型变速恒频电源一般不用这种工作方式。有环流工作时:正负组同时加触发信号，为使两组输出电压（平均）相等，应有αN+αp=1800（4.3.1）式中αN为正组移相角，αp为负组移相角。控制电压与输出电压关系2、循环变换器•因两组输出电压平均值相等，组间没有直流环流或交流基波环流，但两电压瞬时值不同，而引起脉动环流，此环流使变换器处于电流连续工作状态。环流的大小靠电抗器限制，相间变压器的作用之一即是环流电抗器。•三相半波可控整流组在电流连续时，整流电压U和发电机相电压有效值Ug及移相角间关系为2、循环变换器即在电流连续时循环变换器的输出电压和控制电压成正比，具有线性放大器特性。如果控制电压为直流，则输出电压也为直流。如控制电压为400Hz交流，则输出电压也为400Hz交流。2、循环变换器这表明，这种控制方式下变换器的输出电压仅与控制电压有关，而与永磁电机的转速无关。3、相间变压器图为忽略换相重叠时的相间变压器简化电路图，任何时刻每组只有一只晶闸管导通，则共有4条通路。在电机1、3、5三相中只有一相作用在正侧的相间变压器IPT1上，电机2、4、6三相电压中也只有一相作用在正侧的IPT1上，它们分别用Ugi和Ugj表示。负侧也类似，用Ugm和Ugn表示。用R、L表示IPT1、2的线圈电阻和电感，用M表示两线圈间互感，则有(a)简化电路图；(b)等值电路(c)绕组布排图3、相间变压器•相间变压器的作用之一为平衡电抗器，它使两正组或负组独立。由于两正组（或负组，下同）间瞬时电压不等，在相间变压器中产生磁化电流iu，iu的大小与方向由两正组间电压差决定。•相间变压器的作用之二为限流电抗。若正负组移相角=180°，则两组间平均电压差为零，但瞬时电压不同，在正组电压大于负组时出现环流ic0。实际上环流大小还与负载电流有关。空载环流ic0为1、3、5三相系统的环流和2、4、6三相系统的环流之和，由于两个三相系统间相位差为60°，因而ico是两个三相系统环流的矢量和。3、相间变压器•相间变压器还可作为输出滤波电感。•作为滤波电感时，电感值为（L-M）/4，相应的基波频率为变换器的输出频率，即400Hz；•作平衡电感时的等效电感值为2(L＋M)，相应的工作频率为发电机频率的三倍；•作限流电感时，电感量为2(L－M)，相应的工作频率也为电机频率的三倍。•相间变压器的这三个功能是协调的，作平衡电抗时电抗最大，使两整流组在较小负载时即可独立，作滤波电感时电抗最小，不致使电源系统外特性太软。由于相间变压器又作为限流电感用，故铁芯必须有气隙（线性）。4、变频器的电压负反馈循环变换器输出电压中含有本征畸变和非本征畸变，前者是由其工作机理产生，后者是由于实际电路非理想造成。本征畸变项的频率同变换器的输入和输出频率有关，其中低次谐波含量较少，若采用适当的滤波器可以有效地减小输出电压中的这类谐波含量。由移相控制不准确和主电路参数不一致等造成的人为谐波，即非本征畸变，其谐波次数较低，并且还有大量的非整数倍谐波分量（次谐波），它们不易为滤波器滤除，宜采用电压负反馈来抑制，通过将输出电压的一部分反馈到输入，可以有效地减小输出电压中的谐波，提高输出电能质量。变换器采用输出电压负反馈还有利于减小变换器的输出阻抗，输出阻抗小使得电源的外特性较硬。同容量的变速恒频电源的输出阻抗低于恒速恒频电源。5、输出电压调节循环变换器本身具有电压调节能力，其输出电压和控制电压间具有线性放大器特性，通过改变移相角可以调节输出电压。由于每一相变换器的输出电压可以单独调节，因而电源的调节精度高，三相电压对称性好，具有较强的带不对称负载能力。若电源系统的电机为电磁式电机，电源系统有两个电压调节环。除变换器调压外，电机的电压调节器使电机输出相电压保持为165V。无论是采用电磁式电机还是永磁式电机，由于电机频率高和变换器可调压，系统的调节响应快，动态特性好。4.3.3阶梯波合成型交直交变速恒频电源1、阶梯波合成型交直交变速恒频电源的组成和工作原理某型飞机阶梯波合成型交直交变速恒频电源的组成框图。发电机为三级风冷无刷交流发电机。主发电机的输出为三相变频交流电，经变换器内的三相桥式整流电路变换为直流电。变换器由桥式整流电路、直流滤波电路、四个180°导通型三相逆变器、输出变压器、交流滤波电路、开关电源、逻辑电路、变换器控制保护单元和电压调节器等组件或模块组成。阶梯波合成型交直交变速恒频电源框图交直交VSCF电源的电压调节变速恒频电源的电压调节系统的特点•调节对象结构复杂，调节对象中的储能元件除发电机外，还包括直流滤波环节和输出滤波环节，调节对象状态方程阶数高；励磁电流变化范围大；•变速恒频电源系统的扰动量除负载变动外还有发电机的转速变化；低转速时，电机磁路较饱和，发电机的放大系数较小，转速升高后电机在磁不饱和区工作，又因线性工作区的放大系数与转速成正比，故最高工作转速时的放大系数比最低工作转速时大数倍；•若电压调节器的功率级直接由永磁副励磁机整流后供给，则调节器的放大系数也将与转速成正比。这些均会导致调压系统高速运行时的稳定性变差。变速恒频电源的电压调节系统设计时采取措施•发电机的励磁系统应具有电流线性放大器特性。将励磁机设计成高电抗，可有效地减小主发电机励磁电路的时间常数；主发电机励磁绕组采用低压大电流设计方案；•加入发电机励磁电流反馈内环等校正措施，以增强调节系统的稳定性，提高动态响应速度；增加励磁电流续流回路的阻尼，采用电阻或负压灭磁措施，加快发电机卸载后励磁电流的下降；•必须有直流环节电压限制电路，直流电压限制环节和交流调压通道一起工作，当发电机负载过大时，降低直流环节电压，以减小功率管的工作应力，限制动态过程中直流环节电压在允许范围内，以免损害逆变桥功率器件；•设置软启动电路，在发电机建压时使励磁机励磁电流逐渐加大，防止输出电压超调过大，减小直流滤波电容的充电电流。变速恒频电源的电压调节系统设计时采取措施•逆变器功率管驱动电路、控制保护和逻辑电路、励磁机励磁系统的电能由开关电源供给。高频开关电源将发电机的永磁副励磁机的输出转化为多路隔离的恒压直流电。•变速恒频电源系统中，电子变换器的接地十分重要。由于逆变器输出有综合变压器，它将原副边电路隔离。又因变换器的控制电源由永磁机供电，与主发电机隔离，故主发电机交流电整流后的负汇流条，永磁机整流后的控制电源负汇流条，逆变器变压器输出端中线可与逻辑电路、保护电路和调压电路的地相接，如图4.3.6所示。交流交换器的接地方案2、阶梯波合成逆变器•阶梯波合成逆变器是由多个180°导通型逆变器组合构成。•晶体管三相逆变器的主电路,由6只晶体管及反并联的6只二极管构成。设负载为对称星型连接三相电阻，负载中点为N，直流电源中点为O。晶体管的导通规律:同一支路上的上下晶体管互补导通，各导通半个周期，即180°，故称180°导通型，相邻支路的同一侧晶体管导通时间差120°电角。UAB，UBC和UCA为宽120°电角的方波交流电压,且三个线电压相位差互为120°。2、阶梯波合成逆变器•负载上的相电压波形，是六阶梯波，该波形中间宽60°电角，电压幅值为2/3Ui，两边各宽60°电角，电压幅值为1/3Ui。180°导通型逆变器输出电压分析•由上二式可见线电压和相电压中没有3及其倍数次谐波。线电压和相电压中的谐波成份相同，但谐波间的相互相位关系不一样，所以线电压和相电压波形不一样。线电压和相电压的各次谐波含量的大小之间差√3倍。双通道阶梯波合成逆变器•两台180°导通型逆变器和相应的三相变压器可构成双通道阶梯波合成逆变器。利用第一台逆变器的相电压和第二台逆变器的线电压叠加得到输出电压。如果将第二台逆变器的控制信号滞后第一台逆变器的控制信号π/6，第二台变压器原副边变比为第一台变压器原副边变比的√3倍，则可以得到如图4.3.8(b)所示的合成输出电压，每一相合成输出电压为12阶梯波。如果采用前述的晶体管控制规律和变压器变比关系，二台变压器副边的12k±5和12k±7（k＝1，2，3…）次谐波将相互抵消，输出电压中将只含有基波