混合励磁同步电机变频交流发电系统技术分析-technical analysis of frequency conversion ac power generation system for hybrid excitation synchronous motor.docx

摘要变频交流电源系统以其结构简单、单机容量更大、效率较高的优点成为多电/全电飞机交流电源系统的发展方向。转速和负载变化范围大是变频交流电源系统的典型特征，这对变频交流电源发电机及其电压调节系统提出了更高要求。本文在讨论飞机变频交流电源系统特点和要求的基础上，探索研究混合励磁电机变频交流发电系统在飞机电源系统中应用的基础问题。研究了不同附加气隙结构对新型转子磁分路混合励磁同步电机磁场调节性能和输出功率的影响，轴向附加气隙结构有利于增大转子磁分路混合励磁电机的励磁绕组嵌绕空间，减小励磁绕组功率损耗。根据变频交流发电系统要求完成30kVA混合励磁同步发电机的电磁设计。为拓宽该混合励磁发电机的磁场调节范围，适应宽转速范围要求，提出轴向非均匀气隙混合励磁同步电机结构形式，采用三维有限元法完成该混合励磁同步电机的静磁场和瞬态场分析，得到其空载特性和负载特性，结果表明该混合励磁电机可以实现气隙磁场宽范围调节和完全灭磁，为其在变频交流电源系统应用奠定了基础。系统讨论了基于混合励磁同步电机的变频交流发电系统的保护和控制方法。根据转子磁分路混合励磁同步发电机的运行原理和工作特点，给出了混合励磁同步电机变频交流发电系统结构，并讨论了发电系统的工作原理和保护方案。对变频交流数字调压器的三相交流电压采样、控制方法进行了研究。讨论了根据转速状态变PI参数调节和基于输出电压反馈、励磁电流反馈和负载电流反馈的三环调压控制方法。在MATLAB中建立了混合励磁同步电机发电系统仿真模型，仿真验证了变PI参数控制和三环调压算法对改善系统稳态和动态性能的有效性。研制了混合励磁同步电机变频交流发电系统数字电压调节器原理样机，在3kVA混合励磁同步电机的实验平台上完成了实验验证，在两倍工作转速范围（1250rpm～2500rpm）内，变PI参数可以保证低速时快速的调节和消除高速时的电压调制，采用三环调压控制方法大大减小了系统低速时突加突卸负载的调节时间。关键词：飞机变频交流电源，混合励磁同步电机，非均匀气隙，三维有限元分析，发电系统建模，数字控制，电压调节，变PI参数控制ABSTRACT.Variable-Frequency(VF)ACpowersystemhasbecomethedevelopmentdirectionofmore/allelectricaircraftACpowersystemforitsoutstandingadvantagesofsimplerstructure,higherunitcapacityandhigherefficiency.LargevariablerangesofspeedandloadisthetypicalofVFpowersystem.IthasbroughthigherdemandstothevariablefrequencyACsynchronousgeneratorandtheGeneratorControlUnit(GCU).BasedondiscussionoftheVFpowersystemcharacteristicandrequirement,thispaperexploresthefundamentalproblemofvariablefrequencyACpowergenerationsystemwithhybridexcitationmachine(HEM)foraircraftpowersystemapplications.Theeffectsofthedifferentstructuresofauxiliaryair-gapsonmagneticfieldregulatingandoutputcharacteristicsofthenewhybridexcitationsynchronousmachine(HESM)withmagneticshuntrotorareinvestigated.Theaxialauxiliaryair-gapstructureishelpfultoincreasethetheroomofthemagneticbridgeforembeddingexcitationwindingsandreducethelossofexcitationwinding.AccordingtotherequirementsofvariablefrequencyACpowersystem,theelectromagneticdesignofa30kVAhybridexcitationsynchronousgenerator(HESG)isdone.TobroadenthemagneticfieldregulatingrangeofHESGandadapttothewidespeedrangere