基于多环调压控制的混合励磁航空变频交流发电系统

杨善水 张卓然 杨春源 王 莉 周 波

（南京航空航天大学自动化学院 南京 210016）

1 引言

与传统的恒速恒频交流电源相比，航空变频交流发电系统具有体积小、重量轻、可靠性高、效率高等优点，成为飞机电源系统的发展方向[1]，被空客380和波音787等飞机采用。变频交流发电系统中发动机转速的变化将直接引起发电机输出电压频率的变化，并导致交流同步发电机输出特性发生变化。发电机输出电压表达式为

式中U——发电机端电压；

E0——发电机的电动势；

Id——发电机电流直轴分量；

Iq——发电机电流交轴分量；

I——发电机电枢电流；

xd——直轴电枢反应电抗；

xq——交轴电枢反应电抗；

ra——发电机电枢电阻。

可见，发电机的压降主要包括两部分：一部分为电枢反应压降，另一部分为电枢电阻压降。对于电枢电阻的压降部分，只受输出电流大小的影响，不受输出电压频率的影响。电枢反应压降部分，不但受输出电流大小的影响，还受输出电压频率的影响。交直轴同步电抗值与输出电压频率成正比，输出电压频率越高，由电枢反应产生的压降值越大，从而导致发电机输出特性随发电机转速的变化而变化。因此要求变频交流发电系统的电压调节器（简称调压器）有良好的稳态和动态调压性能，快速调压响应能力。

本文提出，将调节点电压、频率、负载电流、励磁电流多环调节技术应用到飞机变频交流发电机的调压器中，并在新型混合励磁交流发电系统上进行了验证。

2 发电机调压控制方法

在发电系统中调压方法有很多，目前常用的单闭环反馈结构的数字调压算法主要有：电压偏差的比例控制、PID控制、模糊控制控制、自适应控制、非线性励磁控制、自适应控制等。特别是近些年来，人们对电力系统的研究比较深入，己经将上述方法应用于电力系统中，部分技术也已经应用到飞机发电系统中。

单闭环调压控制的电源系统稳态和动态性能都不能满足目前航空电源的要求。常用的是双闭环控制，主要由调节点电压反馈环和励磁电流反馈环组成[2]，其带负载的动态性能也较差。文献[3]研究的调压系统中不仅包括双闭环控制中的反馈量，还考虑到负载电流对励磁电流的影响，采取了负载电流限制的策略，实现了电源系统的输出外特性和输出功率限制，但是负载电流只是在两倍过载时才参与调节；文献[4]中，让负载电流参与发电机电压的调节，用负载电流来补偿负载电流变化所引起的扰动。设计时将负载电流与发电机励磁电流对应的值预先列表，实际运行中采取查表的方式求取励磁电流值，对应不同转速制定了很多表格。文献[5,6]研究了非线性PI调压和双向励磁调压控制技术。由于文献[4-6]都是针对直流发电系统，不需要考虑到负载性质对电枢反应带来的增磁和去磁的不同影响，不适合变频交流电源系统。

本文提出，在电压、负载电流、励磁电流三环反馈控制的基础上，增加频率反馈检测环节，计及频率变化带来的影响，能解决变频交流发电系统中负载电流在发电机电枢电感变化和负载电流性质不同情况下带来的调压性能的影响，取得较好的调压效果。

3 基于多环控制的发电机调压控制原理

在变频交流发电系统里，转速的变化会引起电机电抗值和电机输出电压的变化。为了抵消这部分的影响，提高系统的响应速度，在原有电压环和励磁电流环的基础上，增加工作在欠补偿模式下的负载电流反馈环，以抵消负载电流的扰动，提高系统突加、突卸负载的响应速度，原理如图1所示。

图1 多环控制原理图Fig.1 Multi-loop feedback control system

图1中Cv为电压环调节器，将给定基准电压与反馈电压比较后经过计算得到励磁电流调节量iexreg。通过检测负载电流iL大小，计算出所需的励磁电流iexgive大小，与电压环输出的励磁电流调节量iexreg相叠加后，作为励磁电流环的给定量iexref。Cex为励磁电流环调节器，将给定励磁电流量iexref和检测得到的实际励磁电流量iex做比较，得到励磁电流误差量，计算得到励磁调节电路的驱动 PWM占空比D，驱动励磁调节电路的开关管。

负载电流反馈补偿是基于电机的电枢反应理论进行计算的。图2为同步发电机电动势相量图。

图2 同步发电机电势相量图Fig.2 Vector dagram of synchronous generator

同步发电机的电枢反应可以分为直轴电枢反应和交轴电枢反应，xd，xq分别为同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗，ra为电枢绕组电阻，θ为功率角，φ为功率因数角，即输出电压和输出电流之间相位角。φ反映了负载的性质，区别了阻性、容性和感性负载对调压系统的不同影响。φ1为内功率因数角，即空载电动势与输出电流之间的相位角。通过分析，可以得到内功率因数角φ1的计算公式

通过给定要求稳定的输出电压U，测量实际输出电流I以及功率因数角φ，就可以计算出所需的空载电势E0大小，三相电压的测量采取半周期积分法[7]。

在变频发电时，发电机电抗值与频率成正比，随着转速的增加，输出电压频率增加，发电机的电抗值增大。在上述计算过程中需要根据频率的变化，更新电抗值，通过采样输出电压的频率，计算出实际的电抗值为

实际运行中，由于发电机工作状态的变化，如重载和轻载情况下，磁场的饱和程度不一样，发电机的电抗值是变化的。要精确计算出当前负载下所需的励磁电流大小是非常复杂的，因此实际只能粗略计算出励磁电流大小，励磁电流反馈的主要作用是加快负载扰动时的系统响应速度，实际励磁电流值由电压环的调节控制。

4 混合励磁变频交流发电机特性分析

传统的三级式交流同步发电机技术成熟[8]，但其旋转整流器使得发电机的结构复杂，可靠性低。文献[9-10]提出的新型混合励磁同步发电机——转子磁分路混合励磁发电机，是在永磁同步发电机和电励磁同步发电机的基础上发展而来，它不仅继承了永磁同步发电机的特点，而且具有气隙磁场增磁或弱磁的双向调节能力，效率高、可靠性好，在航空变频交流电源系统中具有良好的应用前景。

按照永磁体的励磁形式，又可以分为切向结构和径向结构，本文针对切向结构的转子磁分路混合励磁同步发电机。该发电机在切向永磁同步发电机的基础上，将转子的N极极靴和S极极靴沿同一方向进行轴向延伸，对应于转子延伸的导磁体，定子上设置有励磁绕组及相应的环形磁桥结构。

飞机变频发电系统中的发电机转速变化范围较宽，输出功率范围大，因此要求发电机有较宽的励磁调节范围。该发电机气隙磁通主要由永磁磁动势提供，可以避免励磁电流建立气隙磁场需要励磁安匝大的缺点，较小的励磁安匝就能获得气隙磁场的宽范围调整。

发电机在转速n=2 000r/min和2 500r/min时，测得的空载特性曲线如图 3所示。图 4为转速为2 500r/min时不同励磁电流下测得的外特性曲线。

图3 发电机空载特性曲线Fig.3 Open-circuit characteristic curve of synchronous generator

图4 发电机外载特性曲线Fig.4 External characteristic curve of synchronous generator

5 实验验证

本文在仿真[11]、设计的基础上，构建了实验系统。转子磁分路混合励磁同步发电机变频交流发电实验时励磁电源采用外部的直流供电，励磁电压为30V。通过控制励磁调节电路的四个开关管，实现对电机励磁电流的调节。由于受加工制约，实际电机没有达到高速，实验都是在低转速进行，因此稳定电压值根据电机的空载特性和外特性选择为60V，转速变化范围为2 000～3 000r/min。

发电机的励磁电流和输出电流通过电流传感器检测后，经过调理电路变成可接受的输入电压范围，送到数字控制芯片 TMS320F2812的 ADC采样模块。发电机的输出电压经过调理电路调理后，送到ADC采样模块。在数字控制芯片内部实现调压算法，最后由PWM生成模块产生PWM驱动信号，驱动励磁调节电路的开关管，实现调压目的。

分别进行了转速为2 000r/min、3 000r/min下的突加、突卸约50%额定功率负载的动态实验。图5～图8为实验结果。

图5 转速为2 000r/min突加负载调压波形Fig.5 Generator terminal voltage in response to application of load with AVR when speed is 2 000r/min

图6 转速为2 000r/min突卸负载调压波形Fig.6 Generator terminal voltage in response to rejection of load with AVR when speed is 2 000r/min

图7 转速为3 000r/min突加负载调压波形Fig.7 Generator terminal voltage in response to application of load with AVR when speed is 3 000r/min

图8 转速为3 000r/min突卸负载调压波形Fig.8 Generator terminal voltage in response to rejection of load with AVR when speed is 3 000r/min

整理实验结果，并与针对该发电机做的电压环加励磁电流环的双环控制实验结果相比较，见下表。由下表可知，两种调压控制方式都有抗负载扰动的能力，在负载发生变化的情况下，都能实现稳定输出电压的功能。实验结果也表明了采用多环调压方法能够明显提高发电系统的响应速度，减小了系统的调节时间。

表 调节时间比较结果Tab. Regulation time

6 结论

发电机频率的变化反映了发电机转速的变化，又带来了发电机电感等参数的变化，使得不同转速时负载电流变化会带来不同的励磁电流变化。本文研究了发电机电压、励磁电流、负载电流和发电机输出电压频率四个反馈参数作用下的发电机电压调节技术，并将该技术应用到混合励磁无刷变频交流发电系统中。实验表明了多环技术能减小动态调节时间。

[1]Chang Jie, Wang Anhua. New VF-power system architecture and evaluation for future aircraft[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2006, 42(2): 527-539.

[2]张卓然, 杨善水, 陈志辉, 等. 一种新型双凸极起动发电系统电压调节器设计[J]. 电力电子技术,2004, 38(3): 76-78.

Zhang Zhuoran, Yang Shanshui, Chen Zhihui, et al.Design of voltage regulator in a new double salient starter/generator system[J]. Power Electronics, 2004,38(3): 76-78.

[3]张卓然, 杨善水, 陈志辉. 交流发电机电压调节器负载电流限制电路的研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2003, 35(2): 143-147.

Zhang Zhuoran, Yang Shanshui, Chen Zhihui.Research on load-current-limiting circuit in voltage regulator of AC generator[J]. Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2003, 35(2): 143-147.

[4]王莉, 杨善水, 张卓然, 等. 负载电流反馈法在双凸极无刷直流发电机数字调压器中的研究[J]. 航空学报. 2006, 27(5): 934-938.

Wang Li, Yang Shanshui, Zhang Zhuoran, et al.Application of load current feedback compensation in digital voltage regulation for doubly salient brushless DC generator[J]. Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica, 2006, 27(5): 934-938.

[5]王莉, 曹小庆, 张卓然, 等. 电励磁双凸极无刷直流发电机非线性 PI调压技术的研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(5): 153-158.

Wang Li, Cao Xiaoqing, Zhang Zhuoran, et al.Research of nonlinear PI voltage regulation for doubly salient brushless DC genrator[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(5): 153-158.

[6]戴卫力, 高翔, 陈志辉, 等. 混合励磁双凸极发电机双向励磁调压器的研制[J]. 中国电机工程学报,2008, 28(26): 104-110.

Dai Weili, Gao Xiang, Chen Zhihui, et al. Design and research of bidirectional excitation voltage regulator of doubly salient hybrid excitation generator[J].Proceedings of the CSEE, 2008, 28(26): 104-110.

[7]陈志辉, 姜长生, 严仰光. 数字电压调节器三相电压数字检测方法的研究[J]. 电工技术学报, 2002,17(2): 96-100.

Chen Zhihui, Jiang Changsheng , Yan Yangguang.Digital voltage measurement algorithms in a digital voltage regulator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2002, 17(2): 96-100.

[8]Olaiya M, Buchan N. High power variable frequency generator for large civil aircraft[C]. IEE Colloquium(Digest), 1999 : 13-16.

[9]张卓然, 陈志辉, 严仰光. 新型切向磁钢混合励磁同步电机结构与原理[J]. 南京航空航天大学学报,2007, 39(5): 565-569.

Zhang Zhuoran, Chen Zhihui, Yan Yangguang.Configuration and operating principle of novel hybrid excitation synchronous machine[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2007, 39(5): 565-569.

[10]Zhang Zhuoran, Yan Yangguang, Yang Shanshui, et al. Principle of opertation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008,44(9): 2174-2180.

[11]张卓然, 陈志辉, 杨善水, 等. 飞机发电机电压调节系统数学模型的建立与研究[J]. 航空学报, 2004,25(5): 490-494.

Zhang Zhuoran, Chen Zhihui, Yang Shanshui, et al.Research on building the mathematical model of voltage regulation system in aero-power[J]. Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica, 2004, 25(5):490-494.