一种航空三相变频交流发电机调压方法及系统与流程

1.本发明属于航空电气设计技术领域，涉及一种航空三相变频交流发电机调压方法及系统。


背景技术：

2.航空变频交流电源系统利用发动机的变速输出直接驱动发电机，以产生变频交流电供负载使用，使电源系统效率更高、重量更轻、可靠性更好、维护更为便利。与传统的恒频交流电源相比，由于变频交流发电机输入转速范围大，励磁电流的变化范围也很大；同时，为适应变频交流供电体制，飞机用电负载中大量采用电力电子变换装置，所产生的谐波电流会产生谐波污染和电压波形畸变。
3.对于恒频交流电的正弦波，其平均值与有效值之间成正比。当波形中含有谐波时，虽然总的整流平均值仍然为各次谐波整流平均值的累加，但与总的有效值之比将发生变化。此时，均值调压同样也不能有效地进行电压跟随。
4.同时，随着发动机的输入转速变化，变频交流发电机输出电压的频率会随之变化。根据gjb 181b《飞机供电特性》，变频系统的频率变化范围为360hz～800hz。采用整流-滤波-取平均值的方案，对于这种电压频率变化时的三相交流输出电压，不能有效地进行电压跟随，容易引起电压漂移。
5.因此，当变频交流发电机的输出电压发生波形畸变及频率变化时，传统均值调压方式中的电压检测电路输出的波形将发生变化，其调节点电压的平均值不再与有效值成正比，基于传统均值的调压方式不再适应于这种频率变化、波形畸变情况下的调压。而基于有效值的调压需要至少采集一个波形周期的数据(对应360hz～800hz宽变频变化的交流电，一个周期的检测时间为1.25～2.78ms)，检测速度过慢。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：提出一种航空三相变频交流发电机调压方法及系统，兼顾传统均值调压速度快和有效值调压精确的优点，实现航空变频交流发电机电压的有效调节，以满足系统的性能指标。
7.本发明技术方案如下：
8.一种航空三相变频交流发电机调压方法，包括以下步骤：
9.步骤一：对三相变频交流发电机输出的三相电压进行分压及滤波处理得到小电压信号；
10.步骤二：对所述小电压信号进行峰值保持后进行a/d采样得到小电压信号峰值up；
11.步骤三：对所述小电压信号进行有效值解算得到变频交流发电机输出电压有效值uv；
12.步骤四：计算小电压信号峰值up与变频交流发电机输出电压有效值uv的比值，并对所述比值进行实时监测，当所述比值大于第一阈值时，进入步骤六，否则进入步骤五；
13.步骤五：对所述小电压信号进行平均值信号处理后得到含纹波的直流电压，基于含纹波的直流电压进行pid调节，输出pwm波；
14.步骤六：基于变频交流发电机输出电压有效值uv进行pid调节，输出pwm波；
15.步骤七：对输出的pwm进行功率驱动，并用功率驱动后的pwm波调节励磁电流。
16.进一步，所述步骤一中，对三相电压进行分压及滤波处理通过分压滤波电路进行：
17.所述分压滤波电路包括第一电阻r1～第七电阻r7、电容c1、三个二极管；
18.第一电阻、第二电阻、第三电阻一端分别连接三相变频交流发电机的三相输出电压，另一端分别连接三个二极管的正极，三个二极管的负极分别连接第四电阻、第五电阻和第六电阻一端，第四电阻、第五电阻和第六电阻另一端通过第七电阻和电容组成的rc滤波子电路接地。
19.进一步，所述步骤四中，还对永磁机输出频率进行监测，当永磁机频率发生变化且频率变化超出第二阈值时，进入步骤六，否则进入步骤五。
20.进一步，第一阈值取值范围为：1.55～1.6。优选为1.57；
21.进一步，第二阈值取值范围为：其中，p
pmg
为永磁机极对数，p
主发
为主发电机极对数。优选为
22.进一步，pid调节电路通过由c3、r8与r10形成的微分网络，r9与r10形成的比例调节网络，以及r10与c2形成的积分网络构成，通过调节pid网络的参数对系统的稳态精度和响应时间进行调节。
23.进一步，基于有效值电压的pid调节经过下述的pid数字调压算法进行。
24.u
p
(k)＝k
p
e(k)
[0025][0026]
(其中，)
[0027]upresat
(k)＝u
p
(k)+ui(k)+ud(k)
[0028][0029]usaterr
(k)＝u
out
(k)-u
presat
(k)
[0030]
其中，kp为比例系数，up为比例环节输出，ki为积分系数，ui为积分环节输出，kc为积分校正系数，kd为微分系数，ud为微分环节输出，u
presat
为未经限幅的pid计算输出，u
saterr
为积分预饱和输出，u
outmax
为pid输出最大限幅值，u
outmin
为pid输出最小限幅值，u
out
为pid最
终输出。
[0031]
一种航空三相变频交流发电机调压系统，所述系统用于实施所述的方法，所述系统包括：三相变频交流发电机、三相电压分压与滤波模块、峰值保持模块、平均值信号处理模块、pid调节电路、a/d采样模块、有效值计算模块、pid计算模块、pwm波输出模块、功率驱动模块、功率管；
[0032]
所述三相电压分压与滤波模块连接三相变频交流发电机的三相输出电压，将三相输出电压分压滤波为小电压信号后分别输出至平均值信号处理模块、高相限制电路和峰值保持模块；
[0033]
平均值信号处理模块对小电压信号进行处理得到含纹波的直流电压发送至pid调节电路，pid调节电路根据含纹波的直流电压输出一定占空比的pwm波信号，
[0034]
高相限制模块用于限制在任何情况下，系统输出最高瞬变电压有效值不大于180vac；
[0035]
峰值保持模块对小电压信号进行峰值保持后送至a/d采样模块进行模数转换，并根据转换后的数字信号进行有效值计算，得到变频交流发电机输出电压有效值uv，pid计算模块根据变频交流发电机输出电压有效值uv调解pwm波输出模块输出的pwm波占空比；pwm波输出模块输出pwm波发送至功率驱动模块；
[0036]
经功率驱动模块放大后的pwm波通过功率管输出三相变频交流电机励磁机的励磁+和励磁-，以调节励磁电流；
[0037]
所述有效值计算模块还计算小电压信号峰值与变频交流发电机输出电压有效值uv的比值，当比值大于第一阈值时，禁止脉宽调节模块输出，使能pwm波输出模块输出；否则，使能脉宽调节模块输出，禁止pwm波输出模块输出。
[0038]
进一步，所述系统还包括：频率检测模块，所述频率检测模块检测永磁机输出频率，当永磁机输出频率变比超过第二阈值时，禁止脉宽调节模块输出，使能pwm波输出模块输出；否则，使能脉宽调节模块输出，禁止pwm波输出模块输出。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明提出一种航空三相变频交流发电机调压方法及系统，通过对传统的均值调压引入有效值调压环节，兼顾传统均值调压速度快和有效值调压精确的优点，实现航空变频交流发电机电压的有效调节，能够更好地满足系统的性能指标。
附图说明
[0041]
为了更清晰地说明本发明具体实施方案，下面将对方案具体的附图加以说明。
[0042]
图1为一种航空三相变频交流发电机调压方法示意图；
[0043]
图2为一种航空三相变频交流发电机调压系统原理框图；
[0044]
图3为电压平均值信号处理电路示意图；
[0045]
图4为pid调节电路示意图；
[0046]
图5为pid调节器原理框图；
[0047]
图6为永磁机频率采样电路原理框图。
具体实施方式
[0048]
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
[0049]
本发明在传统均值调压的基础上，针对三相变频交流发电系统宽范围的输入转速变化以及输出电压波峰系数改变的情况，引入有效值调压；而在其它情况下采用均值调压，从而保持了在一般情况下均值调压的快速性，也弥补了在转速变化、电压畸变情况下的准确调压。
[0050]
航空三相变频交流发电机的具体调压步骤如下：
[0051]
步骤1：对变频交流发电机的输出电压进行分压、滤波处理后，送入跟随与峰值保持电路，跟随与峰值保持电路输出小电压信号，小电压信号范围为0～7v，对该电压在a/d转换过程中进行峰值保持，经a/d采样该电压值为up；
[0052]
步骤2：进行永磁机输出频率检测；
[0053]
步骤3：针对步骤1中的小电压信号进行有效值解算后得到变频交流发电机的输出电压有效值uv；
[0054]
步骤4：对着步骤1中的电压up和步骤3中的电压uv的比值(up/uv)进行监测，如果up/uv＞阈值1,则进入步骤7，否则，进入步骤6；阈值1范围为(1.55，1.6)最优阈值为1.57；
[0055]
步骤5：监测步骤2中的永磁机频率检测结果，如果永磁机频率发生变化，则转至步骤7，否则，转至步骤6；频率变化大于阈值2，阈值2范围为(骤7，否则，转至步骤6；频率变化大于阈值2，阈值2范围为()最优阈值为其中，p
pmg
为永磁机极对数，p
主发
为主发电机极对数；
[0056]
步骤6：基于均值电压进行pid调节，并输出一定占空比的pwm；
[0057]
步骤7：基于有效值电压进行pid调节，并输出一定占空比的pwm；
[0058]
步骤8：对步骤6、步骤7输出的pwm波进行功率驱动后，通过功率管向变频交流发电机的励磁机输出励磁+和励磁-，以调节励磁电流。
[0059]
具体调压步骤如图1所示。
[0060]
三相变频交流发电系统的原理框图见图2所示。航空变频交流发电机由永磁机、励磁机和主发电机构成。通过三相电压分压与滤波1将输入有效值电压范围(0,200vac)的电压转换为有效值(0,7vac)的交流小电压信号；当未发生发电机输入转速变化(变频交流三级发电机的永磁机频率变化小于阈值2并且发电机输出电压的峰值/有效值值采样比例小于阈值1)及未发生发电机输出电压畸变时，该交流小电压信号经过平均值信号处理2后，将交流小电压信号转换为含纹波的直流电压；该电压经pid调节电路3，并和三相电压分压与滤波处理1输出的交流小电压信号经高相限制电路4进行逻辑“与”5后输出一定占空比的pwm信号，该pwm信号经过功率驱动6后经过功率二极管7输出三相变频交流电机励磁机的励磁+和励磁-，以调节励磁电流。但当三相电压分压与滤波1后的交流小电压信号并通过峰值保持12后通过a/d采样8的峰值电压信号，与三相电压分压与滤波1后的交流小电压信号经a/d采样8并经有效值计算9后进行比较，当峰值/有效值值采样比例大于阈值1时，进行基于有效值的pid计算10并禁止pid调节电路5的输出，同时输出pwm11，该pwm信号与高相限制电路4的输出进行逻辑“与”5后，通过功率驱动6后,经过功率二极管7输出三相变频交流电机励磁机的励磁+和励磁-，以调节励磁电流。
[0061]
当经过永磁机pmg定子端输出电压进行频率采样12,当检测到发电机输入转速发生变化大于阈值2时，同样进行pid计算10并禁止pid调节电路5的输出，同时输出pwm11。
[0062]
三相交流电压均值信号处理
[0063]
当航空三相变频交流电机输出电压进行采集与分压后的平均值信号处理电路如图3所示。por电压平均值敏感电路把por电压进行半波整流，二极管v1、v2、v3，并经电阻，r1、r2、r3、r4、r5、r6和r7，c1组成的rc滤波后得到一个含交流纹波的直流电压，该电压的大小和por电压平均值成比例，纹波频率是por频率的3倍，其电路原理图见图3所示。
[0064]
pid调节电路
[0065]
pid调节电路是通过比例、积分、微分调节网络，由c3、r8与r10形成的微分网络，r9与r10形成的比例调节，以及r10与c2形成的积分网络，调节pid网络的参数可以对系统的稳态精度和响应时间进行调节。当发电机输出电压与115v电压产生偏差时，通过该电路就可以将误差进行放大，从而起到快速开通或关断开关管的作用。pid调节电路原理框图见图4所示。
[0066]
基于有效值的pid计算
[0067]
当通过有效值解算后的变频交流发电机输出电压有效值与参考点ref比较后，得到误差e(k)＝ref(k)-fdb(k)
[0068]
该误差经图5所示的pid调节后，输出参数u，再以该参数u为变量产生一定占空比的pwm波。图5中各pid参数的计算具体如下：
[0069]up
(k)＝k
p
e(k)
[0070][0071]
(其中，)
[0072]upresat
(k)＝u
p
(k)+ui(k)+ud(k)
[0073][0074]usaterr
(k)＝u
out
(k)-u
presat
(k)
[0075]
其中，kp为比例系数，up为比例环节输出，ki为积分系数，ui为积分环节输出，kc为积分校正系数，kd为微分系数，ud为微分环节输出，u
presat
为未经限幅的pid计算输出，u
saterr
为积分预饱和输出，u
outmax
为pid输出最大限幅值，u
outmin
为pid输出最小限幅值，u
out
为pid最终输出。
[0076]
频率采样电路
[0077]
永磁机频率采样电路经过二极管v1、v2、v3、v4、v5、v6三相全波整流，并经电容c1
和二极管v7、v8后，进入电压比较器n1，将来自永磁机的交流电压信号转换为方波信号，通过对方波信号周期的测量实现转速信号的采集。

技术特征：
1.一种航空三相变频交流发电机调压方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：对三相变频交流发电机输出的三相电压进行分压及滤波处理得到小电压信号；步骤二：对所述小电压信号进行峰值保持后进行a/d采样得到小电压信号峰值up；步骤三：对所述小电压信号进行有效值解算得到变频交流发电机输出电压有效值uv；步骤四：计算小电压信号峰值up与变频交流发电机输出电压有效值uv的比值，并对所述比值进行实时监测，当所述比值大于第一阈值时，进入步骤六，否则进入步骤五；步骤五：对所述小电压信号进行平均值信号处理后得到含纹波的直流电压，基于含纹波的直流电压进行pid调节，输出pwm波；步骤六：基于变频交流发电机输出电压有效值uv进行pid调节，输出pwm波；步骤七：对输出的pwm进行功率驱动，并用功率驱动后的pwm波调节励磁电流。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，对三相电压进行分压及滤波处理通过分压滤波电路进行：所述分压滤波电路包括第一电阻r1～第七电阻r7、电容c1、三个二极管；第一电阻、第二电阻、第三电阻一端分别连接三相变频交流发电机的三相输出电压，另一端分别连接三个二极管的正极，三个二极管的负极分别连接第四电阻、第五电阻和第六电阻一端，第四电阻、第五电阻和第六电阻另一端通过第七电阻和电容组成的rc滤波子电路接地。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，还对永磁机输出频率进行监测，当永磁机频率发生变化且频率变化超出第二阈值时，进入步骤六，否则进入步骤五。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：第一阈值取值范围为：1.55～1.6。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：第二阈值取值范围为：其中，p
pmg
为永磁机极对数，p
主发
为主发电机极对数。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：pid调节电路通过由c3、r8与r10形成的微分网络，r9与r10形成的比例调节网络，以及r10与c2形成的积分网络构成，通过调节pid网络的参数对系统的稳态精度和响应时间进行调节。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：基于有效值电压的pid调节经过下述的pid数字调压算法进行。u
p
(k)＝k
p
e(k)e(k)(其中，)u
presat
(k)＝u
p
(k)+u
i
(k)+u
d
(k)
u
saterr
(k)＝u
out
(k)-u
presat
(k)其中，kp为比例系数，up为比例环节输出，ki为积分系数，ui为积分环节输出，kc为积分校正系数，kd为微分系数，ud为微分环节输出，u
presat
为未经限幅的pid计算输出，u
saterr
为积分预饱和输出，u
outmax
为pid输出最大限幅值，u
outmin
为pid输出最小限幅值，u
out
为pid最终输出。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第一阈值为1.57；第二阈值为9.一种航空三相变频交流发电机调压系统，所述系统用于实施权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述系统包括：三相变频交流发电机、三相电压分压与滤波模块、峰值保持模块、平均值信号处理模块、pid调节电路、a/d采样模块、有效值计算模块、pid计算模块、pwm波输出模块、功率驱动模块、功率管；所述三相电压分压与滤波模块连接三相变频交流发电机的三相输出电压，将三相输出电压分压滤波为小电压信号后分别输出至平均值信号处理模块、高相限制电路和峰值保持模块；平均值信号处理模块对小电压信号进行处理得到含纹波的直流电压发送至pid调节电路，pid调节电路根据含纹波的直流电压输出一定占空比的pwm波信号，高相限制模块用于限制在任何情况下，系统输出最高瞬变电压有效值不大于180vac；峰值保持模块对小电压信号进行峰值保持后送至a/d采样模块进行模数转换，并根据转换后的数字信号进行有效值计算，得到变频交流发电机输出电压有效值uv，pid计算模块根据变频交流发电机输出电压有效值uv调解pwm波输出模块输出的pwm波占空比；pwm波输出模块输出pwm波发送至功率驱动模块；经功率驱动模块放大后的pwm波通过功率管输出三相变频交流电机励磁机的励磁+和励磁-，以调节励磁电流；所述有效值计算模块还计算小电压信号峰值与变频交流发电机输出电压有效值uv的比值，当比值大于第一阈值时，禁止脉宽调节模块输出，使能pwm波输出模块输出；否则，使能脉宽调节模块输出，禁止pwm波输出模块输出。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述系统还包括：频率检测模块，所述频率检测模块检测永磁机输出频率，当永磁机输出频率变比超过第二阈值时，禁止脉宽调节模块输出，使能pwm波输出模块输出；否则，使能脉宽调节模块输出，禁止pwm波输出模块输出。

技术总结
本发明属于航空电气设计技术领域，涉及一种航空三相变频交流发电机调压方法及系统。方法如下：步骤一：对三相变频交流发电机输出的三相电压进行分压及滤波处理得到小电压信号；步骤二：对所述小电压信号进行峰值保持后进行A/D采样得到小电压信号峰值Up；步骤三：对所述小电压信号进行有效值解算得到变频交流发电机输出电压有效值Uv；步骤四：计算小电压信号峰值Up与变频交流发电机输出电压有效值Uv的比值，并对所述比值进行实时监测，当所述比值大于第一阈值时，基于变频交流发电机输出电压有效值Uv进行PID调节，输出PWM波；否则，对所述小电压信号进行平均值信号处理后得到含纹波的直流电压，基于含纹波的直流电压进行PID调节，输出PWM波。输出PWM波。输出PWM波。


技术研发人员：姚贞羽 胡锦 赵鹏 张艳芳 侯昊
受保护的技术使用者：陕西航空电气有限责任公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/16