飞机变速恒频交流发电系统.ppt

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1、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，115200V三相四线制交流电。图是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。,4.3.1 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

2、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

3、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4.3.1 VSCF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

4、机的最高工作转速大约为 30000rmin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

5、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

6、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 N+p=1800（）式中N为正组移相角，p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。

7、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，

8、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,简化电路图；等值电路绕组布排图,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

9、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(LM)，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(LM)，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

10、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

11、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

12、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

13、，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

14、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

15、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

16、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

17、一台逆变器的控制信号/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12k5和12k7（k1，2，3）次谐波将相互抵消，输出电压中将只含有基波和12k1次谐波，其富氏级数表达式为（设第一台变压器原副边匝比为1:1）,双通道阶梯波合成逆变器,双通道阶梯波合成逆变器,通过二台逆变器的输出叠加，使输出电压的谐波分量减小，且仅为高次谐波，可使输出滤波器显著减小。同时合成逆变器的输出功率比单台逆变器大一倍，且每台逆变器的输出功率相同。,四通道阶梯波合

18、成逆变器,两台双通道逆变器的级联构成四通道逆变器，输出功率为单台逆变器的4倍。当二台双通道逆变器的晶体管导通信号间相位差为/12时，四通道逆变器内部的12k11和12k13（k1,2,3）次谐波将相互抵消，输出电压中将只含有基波和幅值为基波幅值1/（24k1）的12k1次谐波。实际上，由于控制信号不一致和功率器件的离散性，逆变器输出电压中谐波稍大于理论值。四通道逆变器的总谐波含量为7，即使不加输出滤波器，也可为一般用电设备所接受。,单通道和多通道三相逆变器的技术数据,3.阶梯波合成型交直交变速恒频电源特点,由于逆变器有输出变压器，具有降压功能，因而阶梯波合成型变速恒频电源可以采用输出电压较高的

19、发电机，MD-90VSCF电源发电机相电压为230V左右，为恒速恒频电源发电机输出电压的二倍。发电机输出电压高，则一定功率输出时，其电流小，可以使用较小截面积的导线，减轻了发电机馈线重量。发电机高电压输出还减小了流过功率晶体管的电流，从而减小了功率管电流容量，从而提高工作可靠性。发电机高压输出的缺点是增加了功率晶体管的电压额定值，必须采用高耐压的功率管。,3.阶梯波合成型交直交变速恒频电源特点(续),交直交变速恒频电源系统的发电机设计与恒速恒频电源系统的发电机相比，其主要不同点在于其负载不一样，所要关注的问题也不一样。恒速恒频电源系统发电机要求输出波形为正弦波，主发电机必须采用分布绕组；由于系

20、统的惯性环节少，电机转速变化范围小，较容易实现快速动态响应，对励磁机的要求较简单，既可以采用半波整流器，也可以采用全波整流器。变速恒频电源主发电机负载为整流型负载，不需要考虑低功率因数负载，并可以采用集中绕组，使输出波形为平顶波，以减小整流滤波电容；由于系统中多了一个大电容储能环节和工作转速变化范围大，实现快速动态响应较难，对励磁机的设计要求高，旋转整流器必须要采用桥式整流器，以保证励磁系统的电流线性放大器特性。,3.阶梯波合成型交直交变速恒频电源特点(续),四个180导通型逆变器按阶梯波合成，构成四通道逆变器，它将整流桥的输出变换为三相四线400Hz交流，再经滤波得到失真度小于4的正弦交流电

21、输出。四通道阶梯波合成逆变器有24只晶体管，共需24个控制信号。每个信号的频率均为400Hz。逻辑信号由逻辑电路产生，时钟信号由晶体振荡器产生，因而频率稳定度很高。逻辑信号通过驱动电路实现逆变器功率晶体管的开通与关断控制。由于逆变器每支路两只晶体管的发射极是分离的，24只功率管的驱动电路最小需要13组互相隔离的正负电源供电。,3.阶梯波合成型交直交变速恒频电源特点(续),由于四通道逆变器不具备电压调节能力，输出电压调节电路籍改变励磁机的励磁实现输出电压的稳定和电流限制功能。电压调节器检测电路用三相半波电路，末级功率管的开关频率为1200Hz。电流检测电路使调压器能够实现输出电流限制，由于逆变器

22、功率晶体管的最大集电极电流的限制，必须对输出电流进行限制，使电源系统具有图（b）所示的外特性，可提供200过载和 3倍额定电流的短路电流。在输出电流超过2IN后，调压器的电流限制电路使输出电压随输出电流的增长而下降，在输出端短路时，逆变器的工作电压降低，从而限制了逆变器的损耗和发热。,4.阶梯波合成型变速恒频电源的优缺点,1）输出波形质量好，谐波含量小，由于有输出变压器，输出电压中不含直流分量。2）变换器的可靠性高，如MD-90型飞机中，其变速恒频电源变换器的设计可靠性指标是MTBF18000小时。随着使用经验的增加和设计的更新，下一代产品的可靠性将会更高。3）变换器的效率高，可以实现更大容量

23、的系统。4）设备使用安全性好，即使变换器中一个桥失效，也不致整个变换器失效，内部的失效不会导致输出端出现直流电压而损坏设备。5）两个电源通道能够长时间并联工作，因而较容易实现电源间的不中断转换。6）该电源系统对负载的功率因数没有限制。7）其缺点是内部线路复杂，使用的功率管数量多，输出变压器的体积重量较大。,4.3.4 脉宽调制型交直交变速恒频电源,脉宽调制型交直交变速恒频电源由无刷直流发电机、开关点预置SPWM逆变器和控制器构成。若发电机输出整流器不装在电机内，则系统由无刷交流发电机、变换器和控制器等环节构成。无刷发电机多采用高速油冷电机，对小容量系统也可采用低速风冷电机。变换器和控制器采用风

24、冷结构，冷却空气来自于飞机环控系统。发电机电压调节器、变换器控制器和系统的检测与控制保护电路置于控制器中。,1、开关点预置脉宽调制逆变器,图 是开关点预置SPWM三相脉宽调制型逆变器的主电路图，由输入滤波电容器CDC，过压吸收电路ROV、V0V、三相逆变桥、输出滤波LfCf电路、交流滤波器和中点形成变压器NFT等环节构成。图中所画的中点形成变压器为单绕组自耦变压器结构，用以形成中点，获得三相四线制输出。,1、开关点预置脉宽调制逆变器,开关点预置三相逆变器在较低的开关频率下，其输出电压的谐波含量小，且输出基波电压与逆变器直流电压之比较高。,1、开关点预置脉宽调制逆变器(续),逆变器为三相输出，三

25、相电压相位差120电角，故不含3及3的倍数次谐波。滤波后的电压中谐波与滤波器的参数和负载大小及性质有关，表和中滤波后的谐波含量是按空载计算得到，采用 LC低通滤波器，它的谐振频率为输出电压基波频率的 4.5倍。,1、开关点预置脉宽调制逆变器(续),数字化后的开关角电压谐波分析,若用 2k存储量的 EPROM存储开关点,有 2048个单元，每个单元相当于 0.17578125，输出为400Hz时，每单元维持时间为1.22us。式（）数字化后的开关角为,LC滤波器分析,从表至可见，由于滤波器的谐振频率为4.5400Hz，与5次谐波相近，故5次谐波不仅不衰减，反而升高。为此在选取开关点则应尽量减小滤

26、波之前5次谐波的含量。由LfCf构成的滤波器放大了基波电压，对7次以上的高次谐波有明显的衰减作用 提高调制频率，输出电压中的谐波频率高，则可减小滤波器的重量，但增加了功率器件的损耗。LC滤波器的谐振频率大小决定了滤波器的体积和重量，也决定了滤波器对逆变桥功率大小的影响。,式中U、I为逆变器负载电压和电流的有效值，1为电压基波的角频率。,输出滤波器的矢量图,空载矢量图：由于有滤波器，逆变器空载时支路电流不为零，等于流过滤波电容的电流。滤波电容电流Ic超前输出电压90，故滤波电感电压UL超前输出电压180，从而使输出电压U的基波分量大于它的输入电压基波分量,电阻负载电流与电感性负载电流时的矢量图,

27、负载时，通过电感的电流加大，电感上基波电压降加大，且电感电压矢量顺时钟方向旋转，为了保持输出电压不变，必须增加滤波器的输入电压，即增加逆变器的直流电压。负载电流相同时，负载功率因数越低，所需直流电压越高。由此可见输出滤波器使逆变桥的负担加大，不仅使它的输出电流加大，还要加大它的输入电压。,不平衡负载输出电压分析,当加单相负载时，逆变器三相的负载电流就不相同了，若其中加载相（例如A相）的电流为另两相电流之和。因三相滤波电感量相同，故电感上电压降不相同，导致滤波器输出电压三角形不等边，见图（d）的ABC，从而使三相电压不对称。显然滤波电感越大，导致的三相电压不平衡也越大。,零序电势E0是导致三相电

28、压不对称的基本因素，而它与零序阻抗Zm0和零序电流I0有关。可见Zm0一定，三相电压的对称性与不对称负载大小直接相关。在电压偏移和角度偏移一定时，必须限制不对称负载的大小、若要加大不对称负载则必需进一步减小零序阻抗Zm0。零序阻抗Zm0由中点形成变压器决定。,4.3.6 交流励磁变速恒频发电机,1、双馈无刷交流发电机 旋转整流器式无刷交流发电机由永磁副励磁机、交流励磁机、旋转整流器和主发电机构成。该电机的主发电机由直流电励磁。双馈无刷交流发电机由永磁副励磁机、交流励磁机和主发电机构成，主发电机转子磁极由交流电励磁，因而省去了旋转整流器。,交流励磁发电机工作原理及功率分析,交流励磁发电机工作原理

29、及功率分析,交流励磁发电机输出功率中一部分由转子经变压器耦合而来，转差S越大，变压器耦合的功率也越大。,串级双馈电机及工作原理,双馈无刷交流发电机中，励磁机电枢输出直接接到主发电机的励磁绕组，主发电机从定子输出400Hz三相交流电。励磁机定子励磁绕组由变换器供电，副励磁机是变换器的电源。该电机的励磁机和主发电机都交流励磁，是双馈电机，两电机又互相级联，故称串级双馈电机。,串级双馈电机及工作原理,串级双馈电机及工作原理,故变换器输出功率PC为 PC=S1S2PF(4.3.71),4.3.5 变速恒频无刷起动/发电系统,1起动发电机的构成 无刷直流电动机由永磁电机、功率变换器、电机转子位置检测器和

30、控制器构成。变速恒频电源的起动/发电机，电机可用永磁电机，也可用电磁式无刷同步电机。,无刷直流电动机用的同步电动机为方波电机，即电机气隙磁场空间分布为方波，电机绕组为整距集中式，电动势为顶宽大于电角的矩形波。在电机气隙最大磁密一定时，方波电机气隙磁通比正弦波电机大。又因为采用整距集中绕组，故同样尺寸的电机，方波电机输出功率大。方波电机与电子变换器间配合关系比正弦波电机好，在输出功率相同时对元件容量要求低。上述特点同样适合于方波电机的发电工作状态。电机转子位置检测器RPD用于检测电机转子相对于定子绕组的位置，它输出三个与电机转子位置对应的宽，互差电角的信号。RPD有电磁式，光电式、霍尔元件式和接近开关式等数种类型。起动/发电系统中常用电磁式。,2电动机状态运行原理,电子变换器与电机的主电路图 电子变换器是三相桥式电压型变换器，它与发电系统的逆变桥相同。交直交变速恒频起动/发电系统在起动工作时，通过接触器将逆变桥的三相输出接于电机的三相电枢绕组上，将整流输入端接于起动电源上，构成起动系统。起动完成后，接触器又恢复原来的状态，使系统工作于发电工作状态，接触器上触点闭合。,