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無刷交流同步發電機動態響應特性研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:180

   摘要:利用Saber仿真軟件,對15 kVA旋轉整流器式無刷交流同步電機工作原理進行了介紹。對無刷直流發電機的空載特性、加載、卸載時動態響應,電流放大規律、三相突然短路,旋轉整流器單管故障等進行建模和仿真分析。結果表明,該系統界面友好、操作方便、可靠性高,對無人駕駛機設計制造,有較好的應用前景。

1引  言

   旋轉整流器式無刷同步發電機是CSCF電源系統的唯一適用發電機,也是VSCF電源系統或高壓直流電源(HVDC)系統的重要部件。由于采用無刷勵磁方式,取消了傳統的滑動接觸部分,因而具有可靠性高、體積小、重量輕及電氣性能好,可長期連續運行而不需要保養,特別適合于無人管理的場合。因此,選擇旋轉整流器式無刷電機加以設計、仿真研究,對無人駕駛機設計制造,起著事半功倍的作用

2 旋轉整流器式無刷電機系統的工作原理

2.1旋轉整流器式無刷直流同步發電機系統組成

   目前,航空電源都采用了無刷結構,地面發電站也開始采用無刷直流發電機。圖1為無刷直流同步發電機系統電原理圖。

   該電機的第一級即主發電機采用旋轉磁極式,其勵磁電源來自勵磁機。主發電機發出的電能經過整流橋的整流濾波為用電設備提供電能。主發電機額定輸出為400 Hz、115 V三相交流電,整流濾波后得到270 V直流電。

 圖1旋轉整流器式無刷直流同步發電機系統電路圖

2.2旋轉整流器式無刷電機系統的工作原理

   勵磁機的勵磁電源由可調電壓源提供,勵磁機發出的交流電經旋轉整流器整流得到的直流電作為主發電機的勵磁電源。主發電機發出交流電經過整流得到270 V直流電源。整個控制過程如下:

  當UDc≥270V時,采樣電壓上升,電壓調節器的開關Ton減小,勵磁機勵磁電壓下降,從而勵磁機輸出電壓下降,導致主發電機勵磁電壓下降,則主發電機輸出電壓下降,輸出電流減小,最終使得UDC(270 V)保持不變。

3旋轉整流器式無刷發電機仿真

    圖2為旋轉整流器式無刷交流發電機系統在Saher中的仿真原理圖。

圖2旋轉整流器式無刷交流發電機系統

在Saber中的仿真原理圖

3.1旋轉整流器對無刷交流發電機動態性能的影響

常用旋轉整流器有兩種:三相零式(HW)和三相橋式(FW)。在電機轉速4 000 r/min,主發電機空載條件下仿真了該16.5 kVA電機,仿真波形如圖3所示。

              

          (a)主發電機勵磁電流                 (b)勵磁機勵磁電流

          圖3零式(HW)和橋式(FW)整流動態響應

由圖3可見,發電機、勵磁機參數相同,僅整流器形式不同,電機的動態性能就有差異。采用橋式整流電路時,勵磁機的動態響應速度加快,進而主發電機動態響應明顯加快。

同樣勵磁機工作狀況和同樣主發電機勵磁繞組的情況下,無刷發電機正常工作時,采用橋式整流比零式整流多了一個二極管,因此橋式整流電路電阻比零式整流大一個二極管的導通電阻,又由時間常數=電感/電阻,可知采用橋式整流比零式整流的時間常數小,所以橋式整流比零式整流動態響應快。鑒于此,無刷發電機系統的旋轉整流器多選擇橋式整流。

3.2無刷發電機加載卸載動態響應仿真

 圖4為無刷發電機加載和卸載時主發電機的動態響應過程。在0.3 s時負載由100→l Ω,在0.6 s時由1 Ω→100 Ω。圖4a為主發電機相電壓,在O.3s時突減,O.5 s時突加;圖4b為主發電機勵磁電流,在O.3 s時突加,O.5s時突減;圖4c為勵磁機發出的電壓經旋轉整流器整流的電壓,作為主發電機的勵磁電壓,在0.3 s時突減,O.5 s時突加;圖4d為勵磁機的勵磁電流波形,在O.3 s時突加,O.5 s時突減。

         

      (a)                 (b)                (c)                 (d)

   圖4無刷電機突加、突卸負載動態響應

主發電機的勵磁電流if突然增加,即勵磁機的相電流會突增,同樣導致勵磁機的相電壓下降,使得勵磁機整流電壓Uf下降。由于勵磁機的相電流增加,利用勵磁機的狀態方程和勵磁機的勵磁電壓Uf大小不變,可知,勵磁機的if會突然增加,這是無刷電機突加負載時的動態過程。卸載的動態過程剛好與之相反。

3.3無刷電機的三相突然短路仿真波形

圖5為從額定負載穩定運行突然三相短路的仿真波形,其中va為相電壓,ia為相電流,iF為主發的勵磁電流,if為勵磁機的勵磁電流。

      

           (a)                     (b)                        (c)

圖5尢刷電機的短路特性

在300 ms時突然發生短路故障,Ua變為零,ia突然增大,產生很大的沖擊電流,可知主發電機勵磁電流iF必然增大,即勵磁機的相電流必然增大,從勵磁機的狀態方程可知,在勵磁機的勵磁電壓保持不變的情況下,勵磁機的勵磁電流if必然增大。最終隨著相電流的衰減,iF和if也衰減。從圖中可見,在短路的瞬間會產生很大的電流沖激,這對電機是不利的。

3.4無刷電機的旋轉整流器單管故障仿真波形

無刷交流發電機旋轉整流器故障時,有兩種概率較大的單一性故障,即單管短路和單管開路時的工作情況。

圖6是單管短路時流經二極管的電流波形。從圖可見當6管發生短路時,2和4管會承受遠遠大于正常工作的電流,這勢必會造成管子損壞,很快就會使得該電機系統不能正常工作。圖7為單管開路

   圖6單管短路時    圖7單管開路時各二極管

各二極管電流波形    流過的電流波形時各二極管流過的電流波形。從圖中可見,在300ms時由于發生了單管開路故障,從整流波形明顯可見發生缺相情況,這必然使得主發電機的勵磁電流降低,造成發電機提供的電能不足,主發電機的相電壓低,不能滿足正常的工作。這種情況僅能短時工作。

?結  語

利用Saber仿真軟件,建立無刷電機仿真模型,通過旋轉整流器式無刷電機性能仿真,波形比較和數據分析,提示了旋轉整流器式無刷電機性能特點,為對無人駕駛機設計制造奠定了一定的理論基礎。

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