基于多環調壓控制的混合勵磁航空變頻交流發電系統

楊善水 張卓然 楊春源 王 莉 周 波

（南京航空航天大學自動化學院 南京 210016）

1 引言

與傳統的恒速恒頻交流電源相比，航空變頻交流發電系統具有體積小、重量輕、可靠性高、效率高等優點，成為飛機電源系統的發展方向[1]，被空客380和波音787等飛機采用。變頻交流發電系統中發動機轉速的變化將直接引起發電機輸出電壓頻率的變化，并導致交流同步發電機輸出特性發生變化。發電機輸出電壓表達式為

式中U——發電機端電壓；

E0——發電機的電動勢；

Id——發電機電流直軸分量；

Iq——發電機電流交軸分量；

I——發電機電樞電流；

xd——直軸電樞反應電抗；

xq——交軸電樞反應電抗；

ra——發電機電樞電阻。

可見，發電機的壓降主要包括兩部分：一部分為電樞反應壓降，另一部分為電樞電阻壓降。對于電樞電阻的壓降部分，只受輸出電流大小的影響，不受輸出電壓頻率的影響。電樞反應壓降部分，不但受輸出電流大小的影響，還受輸出電壓頻率的影響。交直軸同步電抗值與輸出電壓頻率成正比，輸出電壓頻率越高，由電樞反應產生的壓降值越大，從而導致發電機輸出特性隨發電機轉速的變化而變化。因此要求變頻交流發電系統的電壓調節器（簡稱調壓器）有良好的穩態和動態調壓性能，快速調壓響應能力。

本文提出，將調節點電壓、頻率、負載電流、勵磁電流多環調節技術應用到飛機變頻交流發電機的調壓器中，并在新型混合勵磁交流發電系統上進行了驗證。

2 發電機調壓控制方法

在發電系統中調壓方法有很多，目前常用的單閉環反饋結構的數字調壓算法主要有：電壓偏差的比例控制、PID控制、模糊控制控制、自適應控制、非線性勵磁控制、自適應控制等。特別是近些年來，人們對電力系統的研究比較深入，己經將上述方法應用于電力系統中，部分技術也已經應用到飛機發電系統中。

單閉環調壓控制的電源系統穩態和動態性能都不能滿足目前航空電源的要求。常用的是雙閉環控制，主要由調節點電壓反饋環和勵磁電流反饋環組成[2]，其帶負載的動態性能也較差。文獻[3]研究的調壓系統中不僅包括雙閉環控制中的反饋量，還考慮到負載電流對勵磁電流的影響，采取了負載電流限制的策略，實現了電源系統的輸出外特性和輸出功率限制，但是負載電流只是在兩倍過載時才參與調節；文獻[4]中，讓負載電流參與發電機電壓的調節，用負載電流來補償負載電流變化所引起的擾動。設計時將負載電流與發電機勵磁電流對應的值預先列表，實際運行中采取查表的方式求取勵磁電流值，對應不同轉速制定了很多表格。文獻[5,6]研究了非線性PI調壓和雙向勵磁調壓控制技術。由于文獻[4-6]都是針對直流發電系統，不需要考慮到負載性質對電樞反應帶來的增磁和去磁的不同影響，不適合變頻交流電源系統。

本文提出，在電壓、負載電流、勵磁電流三環反饋控制的基礎上，增加頻率反饋檢測環節，計及頻率變化帶來的影響，能解決變頻交流發電系統中負載電流在發電機電樞電感變化和負載電流性質不同情況下帶來的調壓性能的影響，取得較好的調壓效果。

3 基于多環控制的發電機調壓控制原理

在變頻交流發電系統里，轉速的變化會引起電機電抗值和電機輸出電壓的變化。為了抵消這部分的影響，提高系統的響應速度，在原有電壓環和勵磁電流環的基礎上，增加工作在欠補償模式下的負載電流反饋環，以抵消負載電流的擾動，提高系統突加、突卸負載的響應速度，原理如圖1所示。

圖1 多環控制原理圖Fig.1 Multi-loop feedback control system

圖1中Cv為電壓環調節器，將給定基準電壓與反饋電壓比較后經過計算得到勵磁電流調節量iexreg。通過檢測負載電流iL大小，計算出所需的勵磁電流iexgive大小，與電壓環輸出的勵磁電流調節量iexreg相疊加后，作為勵磁電流環的給定量iexref。Cex為勵磁電流環調節器，將給定勵磁電流量iexref和檢測得到的實際勵磁電流量iex做比較，得到勵磁電流誤差量，計算得到勵磁調節電路的驅動 PWM占空比D，驅動勵磁調節電路的開關管。

負載電流反饋補償是基于電機的電樞反應理論進行計算的。圖2為同步發電機電動勢相量圖。

圖2 同步發電機電勢相量圖Fig.2 Vector dagram of synchronous generator

同步發電機的電樞反應可以分為直軸電樞反應和交軸電樞反應，xd，xq分別為同步發電機的直軸同步電抗和交軸同步電抗，ra為電樞繞組電阻，θ為功率角，φ為功率因數角，即輸出電壓和輸出電流之間相位角。φ反映了負載的性質，區別了阻性、容性和感性負載對調壓系統的不同影響。φ1為內功率因數角，即空載電動勢與輸出電流之間的相位角。通過分析，可以得到內功率因數角φ1的計算公式

通過給定要求穩定的輸出電壓U，測量實際輸出電流I以及功率因數角φ，就可以計算出所需的空載電勢E0大小，三相電壓的測量采取半周期積分法[7]。

在變頻發電時，發電機電抗值與頻率成正比，隨著轉速的增加，輸出電壓頻率增加，發電機的電抗值增大。在上述計算過程中需要根據頻率的變化，更新電抗值，通過采樣輸出電壓的頻率，計算出實際的電抗值為

實際運行中，由于發電機工作狀態的變化，如重載和輕載情況下，磁場的飽和程度不一樣，發電機的電抗值是變化的。要精確計算出當前負載下所需的勵磁電流大小是非常復雜的，因此實際只能粗略計算出勵磁電流大小，勵磁電流反饋的主要作用是加快負載擾動時的系統響應速度，實際勵磁電流值由電壓環的調節控制。

4 混合勵磁變頻交流發電機特性分析

傳統的三級式交流同步發電機技術成熟[8]，但其旋轉整流器使得發電機的結構復雜，可靠性低。文獻[9-10]提出的新型混合勵磁同步發電機——轉子磁分路混合勵磁發電機，是在永磁同步發電機和電勵磁同步發電機的基礎上發展而來，它不僅繼承了永磁同步發電機的特點，而且具有氣隙磁場增磁或弱磁的雙向調節能力，效率高、可靠性好，在航空變頻交流電源系統中具有良好的應用前景。

按照永磁體的勵磁形式，又可以分為切向結構和徑向結構，本文針對切向結構的轉子磁分路混合勵磁同步發電機。該發電機在切向永磁同步發電機的基礎上，將轉子的N極極靴和S極極靴沿同一方向進行軸向延伸，對應于轉子延伸的導磁體，定子上設置有勵磁繞組及相應的環形磁橋結構。

飛機變頻發電系統中的發電機轉速變化范圍較寬，輸出功率范圍大，因此要求發電機有較寬的勵磁調節范圍。該發電機氣隙磁通主要由永磁磁動勢提供，可以避免勵磁電流建立氣隙磁場需要勵磁安匝大的缺點，較小的勵磁安匝就能獲得氣隙磁場的寬范圍調整。

發電機在轉速n=2 000r/min和2 500r/min時，測得的空載特性曲線如圖 3所示。圖 4為轉速為2 500r/min時不同勵磁電流下測得的外特性曲線。

圖3 發電機空載特性曲線Fig.3 Open-circuit characteristic curve of synchronous generator

圖4 發電機外載特性曲線Fig.4 External characteristic curve of synchronous generator

5 實驗驗證

本文在仿真[11]、設計的基礎上，構建了實驗系統。轉子磁分路混合勵磁同步發電機變頻交流發電實驗時勵磁電源采用外部的直流供電，勵磁電壓為30V。通過控制勵磁調節電路的四個開關管，實現對電機勵磁電流的調節。由于受加工制約，實際電機沒有達到高速，實驗都是在低轉速進行，因此穩定電壓值根據電機的空載特性和外特性選擇為60V，轉速變化范圍為2 000～3 000r/min。

發電機的勵磁電流和輸出電流通過電流傳感器檢測后，經過調理電路變成可接受的輸入電壓范圍，送到數字控制芯片 TMS320F2812的 ADC采樣模塊。發電機的輸出電壓經過調理電路調理后，送到ADC采樣模塊。在數字控制芯片內部實現調壓算法，最后由PWM生成模塊產生PWM驅動信號，驅動勵磁調節電路的開關管，實現調壓目的。

分別進行了轉速為2 000r/min、3 000r/min下的突加、突卸約50%額定功率負載的動態實驗。圖5～圖8為實驗結果。

圖5 轉速為2 000r/min突加負載調壓波形Fig.5 Generator terminal voltage in response to application of load with AVR when speed is 2 000r/min

圖6 轉速為2 000r/min突卸負載調壓波形Fig.6 Generator terminal voltage in response to rejection of load with AVR when speed is 2 000r/min

圖7 轉速為3 000r/min突加負載調壓波形Fig.7 Generator terminal voltage in response to application of load with AVR when speed is 3 000r/min

圖8 轉速為3 000r/min突卸負載調壓波形Fig.8 Generator terminal voltage in response to rejection of load with AVR when speed is 3 000r/min

整理實驗結果，并與針對該發電機做的電壓環加勵磁電流環的雙環控制實驗結果相比較，見下表。由下表可知，兩種調壓控制方式都有抗負載擾動的能力，在負載發生變化的情況下，都能實現穩定輸出電壓的功能。實驗結果也表明了采用多環調壓方法能夠明顯提高發電系統的響應速度，減小了系統的調節時間。

表 調節時間比較結果Tab. Regulation time

6 結論

發電機頻率的變化反映了發電機轉速的變化，又帶來了發電機電感等參數的變化，使得不同轉速時負載電流變化會帶來不同的勵磁電流變化。本文研究了發電機電壓、勵磁電流、負載電流和發電機輸出電壓頻率四個反饋參數作用下的發電機電壓調節技術，并將該技術應用到混合勵磁無刷變頻交流發電系統中。實驗表明了多環技術能減小動態調節時間。

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