航空供电系统第八章(1)-王莉2018.6.12 tos
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Ø高压供电体制下的直流发电机和电动机必须无刷 化——无刷结构电机 Ø额定电压270V——必须采用没有触点的固态功率 控制器（SSPC）或混合式功率控制器—解决拉弧问 题 Ø具备无刷直流起动发电系统功能，无须再为主发 动机配置专用起动机，可以有效减轻机载设备的重 量——起动发电。
7
航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
38
p开关磁阻起动发电机样例
70kW开关磁阻起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
39
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
40
系统组成
外置式
航空航天器供电系统@2017
34
p开关磁阻起动发电机样例
时间 1993 研发机构 Wright Lab Honeywell 功率等级 125kW 性能 额定转速输出140kW峰值功率， 最大输出功率达到250kW 转速达到55000r/min 功率密度 400hp/ft3
内置式
航空航天器供电系统@2017
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
1
高压直流电源系统
典型特征：
（1）汇流条额定电压为270 V，与115/200V三相交 流电经桥式整流后的输出电压值相同，即高压直流 电源可和115/200 V三相交流电源相兼容。 （2）采用无刷结构的电机 （3）无触点的配电开关
斩波控制（CCC）
固定θ1、θ2 调节d电流斩波门限ich
航空航天器供电系统@2017
18
开关磁阻电机电流控制方式
脉宽调制（PWM）
调节占空比控制
航空航天器供电系统@2017
19
开关磁阻电机发电运行
原动机拖动转子旋转过程中，定子绕组在转子转离“极 对极”位置时通电，转子上产生的电磁转矩，阻碍转子 的运行——产生电能。
主电源：
无刷直流发电机和发电机控制器构成； 无刷直流发电机：无刷交流发电机+整流滤波器 无刷交流发电机+不可控整流滤波 无刷交流发电机+可控整流滤波 易于起动发电
三级式电励磁同步电机（F-22） 开关磁阻电机 （F-35） 双凸极电机 (南航)
航空航天器供电系统@2017
4
高压与低压直流电源的区别
航空航天器供电系统@2017
开关磁阻电机工作原理
气隙磁通走最小磁阻路径的趋势，产生转矩！
13
航空航天器供电系统@2017
开关磁阻电机工作原理
相绕组中有电流流过时，产 生磁场，磁场总是趋向于 “磁阻最小” p任一时刻单相绕组工作 p绕组电流的方向对转子 的转向是没有影响的 p需要根据转子位置改变 导通相 p电机绕组非正弦波供电
感应电势方向与电流方向相反——发电运行
航空航天器供电系统@2017
28
双凸极电机发电系统的特点
整流器
n电励磁双凸极无刷直流发电 机系统由电机本体、整流桥 和调压器构成。
调 压 器
电枢绕组
励磁绕组
n负载或转速变化时，和三级 式同步电机一样可通过调节励 磁电流大小以保持输出电压恒 定。
优点：发电时无需可控功率变换器与位置传感器、调压 控制简单、可靠
起动/ 发电切 换过程 位置传 感器
电机运行状态从起动转换至发电 切换前后均要控制主功率 电路 切换后，主功率电路不控，作 为全桥整流电路工作，控制励 磁回路调节输出电压
起动过程均需要位置传感器判断转子位置 发电状态仍需位置传感器
航空航天器供电系统@2017
发电时无需位置传感器
46
35
p开关磁阻起动发电机样例
性能 转速达到22000r/min（采用磁轴承 1995~20 肯塔基大学 双通道 达42000r/min ）电机功率密度 00 Sundstrand 250kW 5.3kW/kg，电机的效率高达91.4%， GE 美国 系统的功率密度为2.56kW/kg 时间 研发机构 功率等级
15
开关磁阻电机电动运行
不对称半桥变换器拓扑
根据位置检测器检测到定子、转子间的相对位置信息，导通相应 的定子相绕组的对应变换器中开关器件，即可实现电动运行。
航空航天器供电系统@2017
16
开关磁阻电机电流控制方式
角度控制（APC）
固定θ2,改变θ1
航空航天器供电系统@2017
17
开关磁阻电机电流控制方式
电压等级
270V 28V
发电机
无刷 有刷
接触器
固态功率控制器 有触点
二次电源效率
高 低
航空航天器供电系统@2017
5
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
1
典型双发270VDC高压直流电源方案
航空航天器供电系统@2017
20
开关磁阻电机发电运行
开关磁阻发电机转子无磁性材料， 为在定子绕组中产生感应电动势， 需要在开关磁阻电机发电运行前外 接电源为定子绕组励磁，使其内部 产生磁场——励磁过程。 发电工作特点:需要通过外部电源给定子绕组励磁，待发电机 起励建压后，就可以依靠定子绕组的输出电压维持励磁电流的 供给，并将机械能转化为电能给负载供电。
内置式
航空航天器供电系统@2017
37
p开关磁阻起动发电机样例
6kW开关磁阻起动发电系统 技术指标：
• • • • • • • • 额定发电功率： 6kW 发电转速：7000～12000r/m 电压精度：270±1% 电压脉动：<6V 电压瞬变特性：符合MIL-STD-704E 起动电压：270V 起动转速：0～6000 r/m 静起动转矩：25.4 N.m
外置式
航空航天器供电系统@2017
36
p开关磁阻起动发电机样例
时间 研发机构 功率等级 30kW 100kW 研究内容 针对转子结构及耐高温高压材料 展开研究 24/18结构，15000~20000r/min， 环境温度300~400°C Lucas Industry 2002 Limited 英国 谢菲尔德大 学
航空航天器供电系统@2017
8
F-22 高压直流供电系统
主发电机：2X65kW，270V； IPUG：22KW，270V； DC-DC变换器：4X2.1kW DC-AC逆变器：2X6kVA，115V/200V，400Hz
航空航天器供电系统@2017
9
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
21
开关磁阻电机发电运行电流控制方式
角度控制（APC） 斩波控制（CCC） 脉宽调制（PWM）
航空航天器供电系统@2017
22
开关磁阻发电机系统的特点
可控功率 变换器
优点： n转子结构简单，可靠性高 n适合高温、高速运行 缺点： n发电时需要可控功率变换 器和位置传感器，控制系 统复杂
位置传感器
航空航天器供电系统@2017
控 制 器
23
3、电励磁双凸极电机
（double Salient Electric Machine）
定子 电枢绕组
L La
转子
励磁绕组
0
θ
典型6/4结构电励磁双凸极电机
电机自感随转子位置变化曲线
24
增了励磁绕组——工作原理也有区别与SRM
航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
14
开关磁阻电机工作原理
1 2 L 转矩表达式： T i 2 磁阻性电磁转矩
开关磁阻电机产生的转矩将使转子转向“定转子极对极”的 位置，到达θm位置，此时输出转矩为零，为使电机继续旋转 需要换到另一相出力，即SRM在电感的半周期出力。
航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
29
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
30
系统组成
G S
包括：原动机（发动机）、开关磁阻电机、功率变换器、控 制器、蓄电池、负载
航空航天器供电系统@2017
异同点 电机 本体 结构 变换器 拓扑 结构 同 异 同 开关磁阻电机 双凸极电机 定子上除具有电枢绕组外，还 含有励磁绕组 定转子均为双凸极结构，转子无绕组 定子上只有电枢绕组
具有能量双向流的功能 采用三相不对称半桥结构 ，主功率电路分时工作， 完成励磁功能 励磁与主功率电路分开，主功 率电路采用三相桥式，励磁回 路采用单相不对称半桥结构
31
起动运行
G
S
航空航天器供电系统@2017
32
发电运行
G
航空航天器供电系统@2017
33
p开关磁阻起动发电机样例
时间 19891995 美国 研发机构 功率等级 Sundstrand GE 30kW 性能 最高转速达52000r/min，系统有效 功率密度达到 3.89kW/kg，系统效 率：79.8%
异
起动 转矩
同 异
电机输出转矩中均存在磁阻转矩 磁阻转矩为起动转矩 起动输出转矩主要为励磁转矩 ，磁阻转矩不出力
45
航空航天器供电系统@2017
开关磁阻、双凸极起动发电系统对比
异同点 同 调压 控制 异 同 异 同 异 开关磁阻电机 双凸极电机 均通过调节励磁控制输出直流电压 通过控制开通、关断角度 实现励磁调节，等效于自 励 励磁控制为他励方式，控制简 单，可靠性高
双凸极电机工作原理
励磁绕组绕组在电机内部产生励磁磁 场，转子旋转过程中，由于各相绕组 匝链的磁链发生变化，会感应出电势， 通入电流之后，则会产生电磁转矩。
若绕组电流与感应电势方向相同，则电机输出转矩 ——电动运行
航空航天器供电系统@2017
25
双凸极电机发电工作
Ø由于励磁磁场的存在，转子旋转过程 中将在电枢绕组中感应出电势，直接 通过整流输出即可获得直流电 Ø双凸极电机为电励磁方式，励磁电流 可控，可以简单实现发电调压控制。
航空航天器供电系统@2017
1
1、电磁式无刷直流发电机
结构：三级式：(1)永磁副励磁机； （2）励磁机； （3）主发电机+整流滤波器。
wk.baidu.com
航空航天器供电系统@2017
11
2、开关磁阻电机
（Switched Reluctance Machine）
典型6/4结构开关磁阻电机
电机自感随转子位置变化曲线
12
航空航天器供电系统@2017
2
高压直流电源系统
组成：
Ø主电源：发动机直接传动的无刷直流发电机，能 够实现起动发电双功能 Ø辅助电源：辅助动力装置传动的无刷直流发电机 （APU或IPU） Ø应急电源：应急发电机或蓄电池 Ø二次电源：直-直、直-交
航空航天器供电系统@2017
3
高压直流电源系统结构特点：
包括：原动机（发动机）、双凸极电机、功率变换器、控制 器、调压器、起动电源、电气负载
航空航天器供电系统@2017
41
航空航天器供电系统@2017
42
航空航天器供电系统@2017
43
系统特点
n具有开关磁阻电机结构简单的优点 n发电时无需可控功率变换器与位置传感器
航空航天器供电系统@2017
44
开关磁阻、双凸极起动发电系统对比
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航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
38
p开关磁阻起动发电机样例
70kW开关磁阻起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
39
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
40
系统组成
外置式
航空航天器供电系统@2017
34
p开关磁阻起动发电机样例
时间 1993 研发机构 Wright Lab Honeywell 功率等级 125kW 性能 额定转速输出140kW峰值功率， 最大输出功率达到250kW 转速达到55000r/min 功率密度 400hp/ft3
内置式
航空航天器供电系统@2017
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
1
高压直流电源系统
典型特征：
（1）汇流条额定电压为270 V，与115/200V三相交 流电经桥式整流后的输出电压值相同，即高压直流 电源可和115/200 V三相交流电源相兼容。 （2）采用无刷结构的电机 （3）无触点的配电开关
斩波控制（CCC）
固定θ1、θ2 调节d电流斩波门限ich
航空航天器供电系统@2017
18
开关磁阻电机电流控制方式
脉宽调制（PWM）
调节占空比控制
航空航天器供电系统@2017
19
开关磁阻电机发电运行
原动机拖动转子旋转过程中，定子绕组在转子转离“极 对极”位置时通电，转子上产生的电磁转矩，阻碍转子 的运行——产生电能。
主电源：
无刷直流发电机和发电机控制器构成； 无刷直流发电机：无刷交流发电机+整流滤波器 无刷交流发电机+不可控整流滤波 无刷交流发电机+可控整流滤波 易于起动发电
三级式电励磁同步电机（F-22） 开关磁阻电机 （F-35） 双凸极电机 (南航)
航空航天器供电系统@2017
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高压与低压直流电源的区别
航空航天器供电系统@2017
开关磁阻电机工作原理
气隙磁通走最小磁阻路径的趋势，产生转矩！
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航空航天器供电系统@2017
开关磁阻电机工作原理
相绕组中有电流流过时，产 生磁场，磁场总是趋向于 “磁阻最小” p任一时刻单相绕组工作 p绕组电流的方向对转子 的转向是没有影响的 p需要根据转子位置改变 导通相 p电机绕组非正弦波供电
感应电势方向与电流方向相反——发电运行
航空航天器供电系统@2017
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双凸极电机发电系统的特点
整流器
n电励磁双凸极无刷直流发电 机系统由电机本体、整流桥 和调压器构成。
调 压 器
电枢绕组
励磁绕组
n负载或转速变化时，和三级 式同步电机一样可通过调节励 磁电流大小以保持输出电压恒 定。
优点：发电时无需可控功率变换器与位置传感器、调压 控制简单、可靠
起动/ 发电切 换过程 位置传 感器
电机运行状态从起动转换至发电 切换前后均要控制主功率 电路 切换后，主功率电路不控，作 为全桥整流电路工作，控制励 磁回路调节输出电压
起动过程均需要位置传感器判断转子位置 发电状态仍需位置传感器
航空航天器供电系统@2017
发电时无需位置传感器
46
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p开关磁阻起动发电机样例
性能 转速达到22000r/min（采用磁轴承 1995~20 肯塔基大学 双通道 达42000r/min ）电机功率密度 00 Sundstrand 250kW 5.3kW/kg，电机的效率高达91.4%， GE 美国 系统的功率密度为2.56kW/kg 时间 研发机构 功率等级
15
开关磁阻电机电动运行
不对称半桥变换器拓扑
根据位置检测器检测到定子、转子间的相对位置信息，导通相应 的定子相绕组的对应变换器中开关器件，即可实现电动运行。
航空航天器供电系统@2017
16
开关磁阻电机电流控制方式
角度控制（APC）
固定θ2,改变θ1
航空航天器供电系统@2017
17
开关磁阻电机电流控制方式
电压等级
270V 28V
发电机
无刷 有刷
接触器
固态功率控制器 有触点
二次电源效率
高 低
航空航天器供电系统@2017
5
8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
1
典型双发270VDC高压直流电源方案
航空航天器供电系统@2017
20
开关磁阻电机发电运行
开关磁阻发电机转子无磁性材料， 为在定子绕组中产生感应电动势， 需要在开关磁阻电机发电运行前外 接电源为定子绕组励磁，使其内部 产生磁场——励磁过程。 发电工作特点:需要通过外部电源给定子绕组励磁，待发电机 起励建压后，就可以依靠定子绕组的输出电压维持励磁电流的 供给，并将机械能转化为电能给负载供电。
内置式
航空航天器供电系统@2017
37
p开关磁阻起动发电机样例
6kW开关磁阻起动发电系统 技术指标：
• • • • • • • • 额定发电功率： 6kW 发电转速：7000～12000r/m 电压精度：270±1% 电压脉动：<6V 电压瞬变特性：符合MIL-STD-704E 起动电压：270V 起动转速：0～6000 r/m 静起动转矩：25.4 N.m
外置式
航空航天器供电系统@2017
36
p开关磁阻起动发电机样例
时间 研发机构 功率等级 30kW 100kW 研究内容 针对转子结构及耐高温高压材料 展开研究 24/18结构，15000~20000r/min， 环境温度300~400°C Lucas Industry 2002 Limited 英国 谢菲尔德大 学
航空航天器供电系统@2017
8
F-22 高压直流供电系统
主发电机：2X65kW，270V； IPUG：22KW，270V； DC-DC变换器：4X2.1kW DC-AC逆变器：2X6kVA，115V/200V，400Hz
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8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
21
开关磁阻电机发电运行电流控制方式
角度控制（APC） 斩波控制（CCC） 脉宽调制（PWM）
航空航天器供电系统@2017
22
开关磁阻发电机系统的特点
可控功率 变换器
优点： n转子结构简单，可靠性高 n适合高温、高速运行 缺点： n发电时需要可控功率变换 器和位置传感器，控制系 统复杂
位置传感器
航空航天器供电系统@2017
控 制 器
23
3、电励磁双凸极电机
（double Salient Electric Machine）
定子 电枢绕组
L La
转子
励磁绕组
0
θ
典型6/4结构电励磁双凸极电机
电机自感随转子位置变化曲线
24
增了励磁绕组——工作原理也有区别与SRM
航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
14
开关磁阻电机工作原理
1 2 L 转矩表达式： T i 2 磁阻性电磁转矩
开关磁阻电机产生的转矩将使转子转向“定转子极对极”的 位置，到达θm位置，此时输出转矩为零，为使电机继续旋转 需要换到另一相出力，即SRM在电感的半周期出力。
航空航天器供电系统@2017
航空航天器供电系统@2017
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8.1 概述 8.2 高压直流电源系统的结构组成 8.3 高压直流发电机 8.4 开关磁阻电机起动发电系统 8.5 双凸极电机起动发电系统
航空航天器供电系统@2017
30
系统组成
G S
包括：原动机（发动机）、开关磁阻电机、功率变换器、控 制器、蓄电池、负载
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异同点 电机 本体 结构 变换器 拓扑 结构 同 异 同 开关磁阻电机 双凸极电机 定子上除具有电枢绕组外，还 含有励磁绕组 定转子均为双凸极结构，转子无绕组 定子上只有电枢绕组
具有能量双向流的功能 采用三相不对称半桥结构 ，主功率电路分时工作， 完成励磁功能 励磁与主功率电路分开，主功 率电路采用三相桥式，励磁回 路采用单相不对称半桥结构
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起动运行
G
S
航空航天器供电系统@2017
32
发电运行
G
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33
p开关磁阻起动发电机样例
时间 19891995 美国 研发机构 功率等级 Sundstrand GE 30kW 性能 最高转速达52000r/min，系统有效 功率密度达到 3.89kW/kg，系统效 率：79.8%
异
起动 转矩
同 异
电机输出转矩中均存在磁阻转矩 磁阻转矩为起动转矩 起动输出转矩主要为励磁转矩 ，磁阻转矩不出力
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开关磁阻、双凸极起动发电系统对比
异同点 同 调压 控制 异 同 异 同 异 开关磁阻电机 双凸极电机 均通过调节励磁控制输出直流电压 通过控制开通、关断角度 实现励磁调节，等效于自 励 励磁控制为他励方式，控制简 单，可靠性高
双凸极电机工作原理
励磁绕组绕组在电机内部产生励磁磁 场，转子旋转过程中，由于各相绕组 匝链的磁链发生变化，会感应出电势， 通入电流之后，则会产生电磁转矩。
若绕组电流与感应电势方向相同，则电机输出转矩 ——电动运行
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25
双凸极电机发电工作
Ø由于励磁磁场的存在，转子旋转过程 中将在电枢绕组中感应出电势，直接 通过整流输出即可获得直流电 Ø双凸极电机为电励磁方式，励磁电流 可控，可以简单实现发电调压控制。
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1
1、电磁式无刷直流发电机
结构：三级式：(1)永磁副励磁机； （2）励磁机； （3）主发电机+整流滤波器。
wk.baidu.com
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11
2、开关磁阻电机
（Switched Reluctance Machine）
典型6/4结构开关磁阻电机
电机自感随转子位置变化曲线
12
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2
高压直流电源系统
组成：
Ø主电源：发动机直接传动的无刷直流发电机，能 够实现起动发电双功能 Ø辅助电源：辅助动力装置传动的无刷直流发电机 （APU或IPU） Ø应急电源：应急发电机或蓄电池 Ø二次电源：直-直、直-交
航空航天器供电系统@2017
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高压直流电源系统结构特点：
包括：原动机（发动机）、双凸极电机、功率变换器、控制 器、调压器、起动电源、电气负载
航空航天器供电系统@2017
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航空航天器供电系统@2017
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航空航天器供电系统@2017
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系统特点
n具有开关磁阻电机结构简单的优点 n发电时无需可控功率变换器与位置传感器
航空航天器供电系统@2017
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开关磁阻、双凸极起动发电系统对比