一種基于自動(dòng)能耗匹配的超高速發(fā)電機(jī)整流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子變換器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 一直以來，包括多電飛機(jī)在內(nèi)的飛行器的應(yīng)急輔助電源系統(tǒng)通常由機(jī)載蓄電池組 提供。為有效減輕飛行器重量，實(shí)現(xiàn)高比功率，以電力系統(tǒng)取代液壓、氣動(dòng)以及機(jī)械系統(tǒng)的 多電、全電飛行器已經(jīng)成為當(dāng)代新的發(fā)展方向。在研宄過程中，國內(nèi)外均推出了以超高速發(fā) 電機(jī)為核心的飛行器獨(dú)立供電系統(tǒng)，研宄用飛行過程帶來的高能氣體或發(fā)出的燃?xì)馕惭鎭?發(fā)電的可行性。通過這種高速氣流推動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)同軸永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子繞 組切割磁力線，輸出三相交流電。考慮到體積和重量的限制，機(jī)載超高速發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一般不 設(shè)置高能氣源壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，也不設(shè)置勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部件。因此，超高速發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一 個(gè)開環(huán)的發(fā)電機(jī)。
[0003] 由于飛行器的高能氣體提供的功率與負(fù)載消耗的功率具有不可預(yù)計(jì)性，當(dāng)二者處 于不匹配的狀態(tài)時(shí)，開環(huán)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出電壓將發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)大幅偏離其額定 值。如果電負(fù)載過輕，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)大大升高，導(dǎo)致其輸出電壓、頻率增大，發(fā)電機(jī)的發(fā)熱增 大，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱燒毀，為供電系統(tǒng)帶來嚴(yán)重安全隱患。如果電負(fù)載過重，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速急劇下降，效率降低。以上兩種情況都是嚴(yán)重的能量失配情況，是工作過程中我們要避免 的。此外，在氣源壓力和負(fù)載變化時(shí)，超高速發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)還會(huì)存在頻繁的不匹配和重新 匹配。此時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行就是一個(gè)能量不匹配和系統(tǒng)調(diào)節(jié)在匹配的動(dòng)態(tài)過程。
[0004] 由于發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅僅與氣體做功相關(guān)，還與負(fù)載功率、發(fā)電機(jī)內(nèi)部損耗 相關(guān)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓變化范圍極大，輸出頻率范圍極大，轉(zhuǎn)速范圍也非常大。而負(fù)載通 常要求恒定的供電電壓，這就要求在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間必須設(shè)置恒電壓輸出電能變換器。 恒電壓輸出電能變換器的主拓?fù)浞矫?，盡管boost和buck-boost以及包括橋式變換器在內(nèi) 的其他可升壓變換器能夠?qū)⒌碗妷鹤儞Q為較高的輸出電壓，但是對于氣源壓力和勵(lì)磁均不 可調(diào)節(jié)的超高速發(fā)電機(jī)來說，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓較低意味著發(fā)電機(jī)的氣體做功相對于負(fù)載 用電是不足的，此時(shí)采用這些拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)升壓保證輸出電壓恒定是不可能的，這樣調(diào)節(jié)的后 果是由于從發(fā)電機(jī)過分汲取電能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，輸出電壓更低，最終結(jié)果是發(fā)電機(jī) 效率降低、輸出電壓仍然不能保證。而采用降壓型變換器則不必考慮這一問題，在發(fā)電機(jī)氣 體做功相對于負(fù)載用電較高時(shí)，可以通過降壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。而在不足的情況下， 則采用最大占空比運(yùn)行，使負(fù)載跟隨整流器輸出電壓。
[0005] 恒電壓輸出電能變換器并不能解決負(fù)載用電和發(fā)電機(jī)氣體做功之間的能量不匹 配問題。這是因?yàn)椋谪?fù)載阻抗不變的情況下，恒定電壓輸出的電能變換器相對于發(fā)電機(jī)來 說是一個(gè)恒功率負(fù)載。這一恒功率與較大的氣體做功之間的能量差將轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的內(nèi)部 損耗，威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。另一方面，在氣體處理不足時(shí)，恒定電壓輸出也得不到滿足。
[0006] 基于以上分析，威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行和影響平穩(wěn)供電的原因是開環(huán)超高速發(fā)電機(jī)的 出力與負(fù)載用電之間的能量不匹配。因此，所配置的電能變換器不但需要保證恒定電壓輸 出，而且還必須具有能量匹配功能，以保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的功率管理與控制系統(tǒng) 采用多個(gè)兩端口變換器組合的形式，系統(tǒng)功率密度低，成本高，穩(wěn)定性差。為解決以上問題， 近年來效果更優(yōu)的三端口變換器成為研宄與應(yīng)用的熱點(diǎn)。三端口拓?fù)浯篌w上可以分為：非 隔離式，部分端口隔離式和隔離式幾類，根據(jù)電源與負(fù)載的實(shí)際要求擇優(yōu)選配。按照能量匹 配的方式，三端口變換器可分為儲(chǔ)能緩沖型和能耗型兩種。
[0007] 用于能量管理的三端口系統(tǒng)的端口之一通常連接儲(chǔ)能元件，如電池、超級電容 等，如文獻(xiàn)"QianZ，Abdel_Rahman0，Al_AtrashH，etal.Modelingandcontrolof three-portDC/DCconverterinterfaceforsatelliteapplications[J].Power Electronics,IEEETransactionson, 2010, 25(3) :637-649"所述為例。但對于飛行器系統(tǒng) 應(yīng)用，由于對電能變換器的體積和重量要求苛刻，且連續(xù)運(yùn)行時(shí)間較短，帶儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的三端 口變換器并非最佳方案。
[0008] 如圖1所示是傳統(tǒng)的技術(shù)方案，希望通過電能變換器把輸出電壓變化非常大的發(fā) 電機(jī)輸出變換為恒電壓輸出，為負(fù)載供電。然而，這里存在問題：當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，由于供電 電壓恒定，負(fù)載消耗的功率是恒定的，可以認(rèn)為，此時(shí)電能變換器相對于發(fā)電機(jī)來說是一個(gè) 恒功率負(fù)載，而由于氣源壓力不可調(diào)節(jié)，當(dāng)氣體做功大于所需的用電能量時(shí)，多余的氣體出 力就轉(zhuǎn)化為其他能量。氣體做功除了發(fā)電機(jī)的輸出電能之外，還包括發(fā)電機(jī)內(nèi)部熱損失、銅 損、鐵損、轉(zhuǎn)子動(dòng)能以及摩擦損耗。
[0009] 當(dāng)出現(xiàn)以上情況時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)嚴(yán)重超速，燒毀發(fā)電機(jī)。
[0010] 因此，必須采用負(fù)載匹配環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。不但實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速限制，而且保證負(fù)載平穩(wěn)供 電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有發(fā)電機(jī)通過電能變換器輸出恒定電壓為負(fù)載供電時(shí)，發(fā)電 獨(dú)立電源系統(tǒng)與負(fù)載之間能量失配問題，本發(fā)明提供了一種基于自動(dòng)能耗匹配的超高速發(fā) 電機(jī)整流器。
[0012] 一種基于自動(dòng)能耗匹配的超高速發(fā)電機(jī)整流器，它為串聯(lián)式能耗匹配的發(fā)電機(jī)整 流器，它包括三相整流橋、buck降壓功率變換器、能耗匹配電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制器和1號(hào)電 容C1;
[0013] buck降壓功率變換器包括1號(hào)功率開關(guān)管、2號(hào)功率開關(guān)管、電感和2號(hào)電容C2;
[0014] 能耗匹配電路包括3號(hào)功率開關(guān)管和電阻R，
[0015] 三相整流橋的三相電流輸入端用于與超高速發(fā)電機(jī)的三相電流輸出端連接，
[0016] 三相整流橋正極電源輸出端同時(shí)與1號(hào)電容Q的一端、控制器的母線電壓信號(hào)輸 入端、1號(hào)功率開關(guān)管正極電源輸入端和3號(hào)功率開關(guān)管正極電源輸入端連接；
[0017] 三相整流橋負(fù)極電源輸出端同時(shí)與電源地、1號(hào)電容Ci的另一端、2號(hào)功率開關(guān)管 負(fù)極電源輸出端、2號(hào)電容C2的另一端和負(fù)載的負(fù)向電源輸入端連接；
[0018] 1號(hào)功率開關(guān)管負(fù)極電源輸出端同時(shí)與2號(hào)功率開關(guān)管的正極電源輸入端和電感 的一端連接，電感的另一端與2號(hào)電容C2的一端、負(fù)載的正向電源輸入端、控制器的負(fù)載電 壓信號(hào)輸入端和電阻R的一端連接；
[0019] 電阻R的另一端與3號(hào)功率開關(guān)管的負(fù)極電源輸出端連接
[0020] 3號(hào)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)電路的2號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接，
[0021] 1號(hào)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)電路的1號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端連接，
[0022] 控制器的1號(hào)控制信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的1號(hào)控制信號(hào)輸入端連接，控制器的 2號(hào)控制信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的2號(hào)控制信號(hào)輸入端連接。
[0023] 控制器包括母線電壓采樣模塊、處理模塊、能耗匹配控制模塊、輸出電壓采樣模 塊、脈寬調(diào)制模塊和輸出恒壓閉環(huán)控制模塊；
[0024] 母線電壓采樣模塊的母線電壓信號(hào)輸入端作為控制器的母線電壓信號(hào)輸入端，
[0025] 母線電壓采樣模塊的母線電壓信號(hào)輸出端與處理模塊的電壓信號(hào)輸入端連接，處 理模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出端與能耗匹配控制模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端連接，
[0026] 能耗匹配控制模塊的控制信號(hào)輸出端作為控制器的1號(hào)控制信號(hào)輸出端；
[0027] 輸出電壓采樣模塊的負(fù)載電壓信號(hào)輸入端作為控制器的負(fù)載電壓信號(hào)輸入端，
[0028] 輸出電壓采