发电控制器及发电系统的制作方法

1.本技术涉及电机发电技术领域，尤其涉及一种发电控制器及发电系统。


背景技术：

2.在航空大功率交流电源系统中，三级式电励磁同步电机作为发电机已得到广泛应用。在起动/发电一体化系统中，使用该电机运行在起动和发电模式。在传统三级式电励磁同步电机的发电模式下，发电控制器将永磁机的电能经过整流为励磁机提供励磁电能，电压调理模块采用集成控制芯片实现“脉宽调制”，设定电压调理模块的基准电压不变，当发电机转速或者负载发生变化时，主电机输出电压发生变化，通过变化的电压与基准电压相比较，使得电压调理模块输出的pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号脉宽发生变化，通过闭环自动调节励磁功率开关的占空比来改变励磁控制输出模块的输出电压，从而达到精确调节主电机输出电压的目的。
3.对于传统的恒频或窄变频发电机，发电机的转速几乎是不变的或者变化范围较小，永磁机的输出电压几乎不变或者变化范围较窄。对于宽变频三级式电励磁同步电机，发电机转速越高，永磁机输出电压越高，由于在高转速或轻负载时，发电机需要的励磁电流较小，因此必然会存在以下两个问题：
4.在低转速时，永磁机输出的电压较低，但是此时励磁机需要的励磁电压很大，必将会导致发电控制器励磁功率管的占空比d过大，甚至会出现不够用的情况，导致发电机无法输出基准电压；在高转速时，永磁机的输出电压较高，此时励磁机需要的励磁电流很小，必将会导致发电控制器励磁功率管的占空比d很小，占空比d受外界一点干扰将会引发发电机端电压振荡，难以稳定，控制较为困难。因此，很有可能导致发电机在高转速和轻载条件下无法正常工作。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种发电控制器及发电系统，用于在全转速范围内实现较高的调压精度和较好的动态特性，进而提升发电系统的电能质量和系统稳定性。
6.本发明实施例提供一种发电控制器，所述发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块：
7.每个所述整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；所述整流模块用于将对应定子绕组的输出电压不控整流成直流电压；
8.所有的整流模块的输出端以及所述控制保护模块的输出端分别与所述励磁切换模块的输入端连接；所述励磁切换模块用于基于所述控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；
9.所述励磁切换模块的输出端和所述电压调理模块的输出端分别与所述励磁控制输出模块的输入端连接；所述励磁控制输出模块用于输出励磁电压。
10.在本发明提供的一个可选实施例中，所述励磁切换模块包括n-1个开关组件，n为
整流模块的数量。
11.在本发明提供的一个可选实施例中，所述整流模块中输出的最低直流电压直接连接至所述励磁切换模块的输出端；所述整流模块中输出的其他直流电压分别通过对应的开关组件连接至所述励磁切换模块的输出端。
12.在本发明提供的一个可选实施例中，所述开关组件包括：mos管、二极管和电阻；
13.所述mos管的栅极(g)与所述控制保护模块的输出端连接，用于接收所述控制模块输出的控制信号；
14.所述mos管的漏极(d)与所述整流模块的输出端连接；
15.所述mos管的源极(s)分别通过所述电阻接地、通过所述二极管连接励磁切换模块的输出端。
16.在本发明提供的一个可选实施例中，所述控制保护模块与所述永磁机电机连接，用于获取所述永磁机输出电压的频率对应的三级式励磁同步发电机转速，并根据所述三级式励磁同步发电机转速确定所述控制信号。
17.在本发明提供的一个可选实施例中，所述控制保护模块通过比对所述发动机转速和n-1个切换转速点确定所述控制信号，n为整流模块的数量。
18.在本发明提供的一个可选实施例中，根据所述三级式电励磁发电机在全发电转速范围和全负载工况下励磁机所需励磁电压需求，在不同转速范围内选择对应的永磁机输出电压，以拟合出永磁机输出电压曲线，根据所述永磁机输出电压曲线确定所述n-1切换转速点。
19.在本发明提供的一个可选实施例中，所述电子绕组的匝数与定子绕组的输出电压成正比。
20.本发明实施例提供一种发电系统，所述发电系统包括：航空发动机、三级式励磁同步电机、机载用电设备以及上述的发电控制器；
21.所述三级式励磁同步电机分别与所述航空发动机、所述机载用电设备及所述发电控制器连接；
22.其中，所述三级式励磁同步电机包括永磁机，所述永磁机内包括多个定子绕组，不同的电子绕组的匝数是不同的。
23.在本发明提供的一个可选实施例中，所述三级式励磁同步电机还包括：励磁机和主电机；
24.所述励磁机与所述发电控制器内励磁控制输出模块连接，用于接收所述励磁控制输出模块输出的励磁电压；
25.所述主电机与所述机载用电设备连接。
26.本发明提供一种发电控制器及发电系统，发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块。其中，每个整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；整流模块用于将对应定子绕组的输出电压不控整流成直流电压；所有的整流模块的输出端以及控制保护模块的输出端分别与励磁切换模块的输入端连接；励磁切换模块用于基于控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；励磁切换模块的输出端和电压调理模块的输出端分别与励磁控制输出模块的输入端连接；励磁控制输出模块用于输出励磁电压。本
发明永磁机的定子绕组设计为多套，通过相应的整流模块进行不控整流后输出直流电压，然后通过励磁切换模块控制在不同转速下选择相应的永磁机输出电压，从而在全转速范围内实现较高的调压精度和较好的动态特性，进而提升发电系统的电能质量和系统稳定性。
附图说明
27.图1为本技术提供的一种发电系统结构示意图；
28.图2为本技术提供的永磁机输出电压曲线图；
29.图3为本技术提供的拟合后的永磁机输出电压曲线图；
30.图4为本技术提供的本发明和传统方案输出占空比曲线对比图；
31.图5为本技术提供的励磁切换模块内电路原理图；
32.图6为本技术提供的励磁切换电路开关状态示意图。
具体实施方式
33.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术实施例技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
34.请参阅图1，为本发明实施例提供的一种发电系统，所述发电系统包括：航空发动机、三级式励磁同步电机、机载用电设备以及上述的发电控制器。
35.其中，所述三级式励磁同步电机分别与所述航空发动机、所述机载用电设备及所述发电控制器连接；所述三级式励磁同步电机包括永磁机，所述永磁机内包括多个定子绕组，不同的电子绕组的匝数是不同的。
36.具体的，所述三级式励磁同步电机还包括：励磁机和主电机；所述励磁机与所述发电控制器内励磁控制输出模块连接，用于接收所述励磁控制输出模块输出的励磁电压；所述主电机与所述机载用电设备连接。
37.如图1所示，本发明实施例提供的一种发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块：
38.每个所述整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；所述整流模块用于将对应定子绕组的输出电压不控整流成直流电压；所述电子绕组的匝数与定子绕组的输出电压成正比。
39.所有的整流模块的输出端以及所述控制保护模块的输出端分别与所述励磁切换模块的输入端连接；所述励磁切换模块用于基于所述控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；
40.所述励磁切换模块的输出端和所述电压调理模块的输出端分别与所述励磁控制输出模块的输入端连接；所述励磁控制输出模块用于输出励磁电压。
41.在本实施例中，根据三级式励磁同步电机内励磁机所需的励磁功率及励磁电源需求，永磁机的定子绕组设计为2套或多套绕组，定子绕组匝数分别n1、n2、
……
、nn，在同一转速下，可输出多组不同电压值的永磁机电压：vpmg1、vpmg2、
……
、vpmgn。
42.发电机在高转速时，永磁机输出电压较高，整流模块输出的直流电压也较高，而励
磁机需要较小的励磁电压vf即可将发电机输出电压调节至基准电压，由于电压调理模块输出pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)波的占空比d＝vf/vo，为避免占空比过小，因此需要选用较小的励磁直流电源vo，可保持较高的调压精度和较好的动态性能。
43.在低转速时，永磁机输出电压较低，整流模块输出的直流电压也较低，而励磁机需要较高的励磁电压vf才可将发电机输出电压调节至基准电压，因此需要电压调理模块输出的pwm波具有较高的占空比才能保证励磁控制输出模块输出足够的励磁电压vf，当发电机处于满载或过载工况下对励磁电流的需求更高，占空比过大，导致发电控制器无法输出足够的励磁电压。因此，选用较大的励磁直流电源vo，可降低发电机在低转速下的占空比，从而保证在满载或过载的工况下发电机控制器具备足够的励磁输出能力。
44.本发明实施例综合三级式励磁同步电机在不同转速下的对励磁电压的需求，通过励磁切换模块选择不同的pmg电压，拟合出一条实际提供励磁电源的pmg电压曲线，可将励磁切换模块的输出电压vo控制在较小的范围内，且随转速变化较小，进而将电压调理模块输出pwm的占空比d控制在较优的范围内，可提高调压精度，并获得较好的动态性能。
45.本实施例提供一种发电控制器及发电系统，发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块。其中，每个整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；整流模块用于将对应定子绕组的输出电压不控整流成直流电压；所有的整流模块的输出端以及控制保护模块的输出端分别与励磁切换模块的输入端连接；励磁切换模块用于基于控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；励磁切换模块的输出端和电压调理模块的输出端分别与励磁控制输出模块的输入端连接；励磁控制输出模块用于输出励磁电压。本发明永磁机的定子绕组设计为多套，通过相应的整流模块进行不控整流后输出直流电压，然后通过励磁切换模块控制在不同转速下选择相应的永磁机输出电压，从而在全转速范围内实现较高的调压精度和较好的动态特性，进而提升发电系统的电能质量和系统稳定性。
46.在本发明提供的一个可选实施例中，所述控制保护模块与所述永磁机电机连接，控制保护模块用于获取永磁机输出电压的频率对应的三级式励磁同步发电机转速，并根据所述三级式励磁同步发电机转速确定所述控制信号。即励磁切换模块的切换指令来自于发电控制器的控制保护模块，通过检测永磁机输出电压的频率获得发电机转速，根据发电机转速选择相应通道的永磁机输出电压，即确定控制保护模块向励磁切换模块输出的控制信号。
47.具体的，本实施例首先根据所述三级式电励磁发电机在全发电转速范围和全负载工况下励磁机所需励磁电压需求，在不同转速范围内选择对应的永磁机输出电压，以拟合出永磁机输出电压曲线，根据所述永磁机输出电压曲线确定所述n-1切换转速点。然后控制保护模块通过比对发动机转速和n-1个切换转速点确定所述控制信号，n为整流模块的数量。
48.在本发明提供的一个可选实施例中，所述励磁切换模块包括n-1个开关组件，n为整流模块的数量。所述整流模块中输出的最低直流电压直接连接至所述励磁切换模块的输出端；所述整流模块中输出的其他直流电压分别通过对应的开关组件连接至所述励磁切换模块的输出端。
49.其中，所述开关组件包括：mos管、二极管和电阻；所述mos管的栅极(g)与所述控制保护模块的输出端连接，用于接收所述控制模块输出的控制信号；所述mos管的漏极(d)与所述整流模块的输出端连接；所述mos管的源极(s)分别通过所述电阻接地、通过所述二极管连接励磁切换模块的输出端。
50.以飞机电源系统实际应用场景为示例进行说明，本发明提供的发电控制器及发电系统弥补了传统三级式恒频或窄变频发电机调压方法的不足，提高了宽变频发电机调压精度、动态特性，并且易于实现。
51.具体的，根据励磁机在全转速范围内和全负载工况下确定所需的励磁功率及励磁电压vf。根据永磁机空载输出电压vpmg≈e＝4.44nkfφ(其中：n为永磁机定子绕组匝数；k为常系数(约为1.1-1.25)；f为频率(n＝60f/p，其中：n永磁机的转速；f为永磁机的极对数)；φ为磁通量)，可知，在永磁机匝数n一定的情况下，其输出电压vpmg正比于永磁机转速n，永磁机转速n一定的情况下，其输出电压vpmg正比于永磁机定子绕组匝数n。不同永磁机绕组的输出电压曲线如图2所示，其中，vpmg1、vpmg2、和vpmg3对应的绕组匝数分别为n1、n2、n3，且n1＜n2＜n3，因此在同一转速下，vpmg1＜vpmg2＜vpmg3。
52.由于发电机在高转速时，所需励磁电压较小，因此选取较小的永磁机电压；在低转速时，所需励磁电压较大，因此选取较大的永磁机电压。选取两个切换转速点ns1和ns2，当发电机转速小于ns1时，永磁机输出电压取vpmg3；当发电机转速大于ns1小于ns2时，永磁机输出电压取vpmg2，当发电机转速大于ns2时，永磁机输出电压取vpmg1，拟合后的永磁机输出电压曲线如图3所示。其中，切换转速点ns1和ns2一般就是按永磁机输出电压曲线中最大转速和最小转速之间取1/3和2/3位置确定的。
53.永磁机输出电压vpmg1、vpmg2、vpmg3经过整流模块进行不控整流后分别得到vo1、vo2、vo3，根据拟合后永磁机输出电压曲线可得，当发电机转速小于ns1时，vo＝vo3；当发电机转速大于ns1小于ns2时，vo＝vo2，当发电机转速大于ns2时，vo＝vo1。电压调理模块输出pwm的占空比d＝vf/vo，在全转速范围内空载状态下，本发明中占空比的曲线和传统方案占空比的曲线分别如图4所示。在高转速下，本发明的占空比有所提高，可在高速下获得更好的调压精度和动态响应；在低转速下，本发明的占空比有所降低，但依然位于合理的占空比范围内，可以满足在满载或过载状态下，发电机控制器有足够励磁输出能力。
54.通过图1中的励磁切换模块可选择不同的永磁机输出电压，励磁切换电路原理图如图5所示，其中，vo1为vpmg1不控整流后输出的直流电压，直接连接至励磁切换电路的输出端vo；vo2为vpmg2经过整流模块进行不控整流后输出的直流电压，通过切换mos管q2连接至励磁切换电路的输出端vo；vo3为vpmg3经过整流模块进行不控整流后输出的直流电压，通过切换mos管q3连接至励磁切换电路的输出端vo。
55.通过mos管q2、q3的导通过关断实现不同整流模块输出直流电压通道的切换，开关逻辑状态如图6所示，其中状态1表示导通，状态0表示关断。当发电机转速小于ns1时，q3导通，q2关断，由于vo3大于vo1，因此，励磁切换模块输出vo＝vo3；当发电机转速大于ns1小于ns2时，q2导通，q3延时一定时间后关断，此时，励磁切换模块输出vo＝vo2；当发电机转速大于ns2时，q2和q3均关断，此时，励磁切换模块输出vo＝vo1。为避免永磁机输出电压通道切换过程中瞬时掉电导致的发电机输出电压波动，将永磁机输出电压的最低电压vpmg1经过整流模块不控整流后输出的直流电压vo1直接连接至输出端，可避免在切换过程中导致的
励磁电源vo瞬时失电。
56.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种发电控制器，其特征在于，所述发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块：每个所述整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；所述整流模块用于将对应定子绕组的输出电压不控整流成直流电压；所有的整流模块的输出端以及所述控制保护模块的输出端分别与所述励磁切换模块的输入端连接；所述励磁切换模块用于基于所述控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；所述励磁切换模块的输出端和所述电压调理模块的输出端分别与所述励磁控制输出模块的输入端连接；所述励磁控制输出模块用于输出励磁电压。2.根据权利要求1所述的发电控制器，其特征在于，所述励磁切换模块包括n-1个开关组件，n为整流模块的数量。3.根据权利要求2所述的发电控制器，其特征在于，所述整流模块中输出的最低直流电压直接连接至所述励磁切换模块的输出端；所述整流模块中输出的其他直流电压分别通过对应的开关组件连接至所述励磁切换模块的输出端。4.根据权利要求2或3所述的发电控制器，其特征在于，所述开关组件包括：mos管、二极管和电阻；所述mos管的栅极(g)与所述控制保护模块的输出端连接，用于接收所述控制模块输出的控制信号；所述mos管的漏极(d)与所述整流模块的输出端连接；所述mos管的源极(s)分别通过所述电阻接地、通过所述二极管连接励磁切换模块的输出端。5.根据权利要求1所述的发电控制器，其特征在于，所述控制保护模块与所述永磁机电机连接，用于获取所述永磁机输出电压的频率对应的三级式励磁同步发电机转速，并根据所述三级式励磁同步发电机转速确定所述控制信号。6.根据权利要求5所述的发电控制器，其特征在于，所述控制保护模块通过比对所述发动机转速和n-1个切换转速点确定所述控制信号，n为整流模块的数量。7.根据权利要求6所述的发电控制器，其特征在于，根据所述三级式电励磁发电机在全发电转速范围和全负载工况下励磁机所需励磁电压需求，在不同转速范围内选择对应的永磁机输出电压，以拟合出永磁机输出电压曲线，根据所述永磁机输出电压曲线确定所述n-1切换转速点。8.根据权利要求1所述的发电控制器，其特征在于，所述电子绕组的匝数与定子绕组的输出电压成正比。9.一种发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：航空发动机、三级式励磁同步电机、机载用电设备以及如权利要求1-8任一项所述的发电控制器；所述三级式励磁同步电机分别与所述航空发动机、所述机载用电设备及所述发电控制器连接；其中，所述三级式励磁同步电机包括永磁机，所述永磁机内包括多个定子绕组，不同的电子绕组的匝数是不同的。10.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述三级式励磁同步电机还包括：励
磁机和主电机；所述励磁机与所述发电控制器内励磁控制输出模块连接，用于接收所述励磁控制输出模块输出的励磁电压；所述主电机与所述机载用电设备连接。

技术总结
本申请提供了一种发电控制器及发电系统，涉及电机发电技术领域，用于在全转速范围内实现较高的调压精度和较好的动态特性，提升发电系统的电能质量和系统稳定性。发电控制器包括：多个整流模块、控制保护模块、励磁切换模块、电压调理模块和励磁控制输出模块。每个整流模块的输入端分别与永磁机内对应的定子绕组连接，不同的电子绕组的匝数是不同的；所有的整流模块的输出端以及控制保护模块的输出端分别与励磁切换模块的输入端连接；励磁切换模块用于基于控制保护模块输入的控制信号选择对应整流模块输出的直流电压；励磁切换模块的输出端和电压调理模块的输出端分别与励磁控制输出模块的输入端连接；励磁控制输出模块用于输出励磁电压。用于输出励磁电压。用于输出励磁电压。


技术研发人员：初文婷 回彦年
受保护的技术使用者：中国商用飞机有限责任公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/12