无刷交流同步发电机动态响应特性研究

２旋转整流器式无刷电机系统的工作原理
也开始采用无刷直流发电机。图１为无刷直流同步 发电机系统电原理图旧Ｊ。
该电机的第一级即主发电机采用旋转磁极式， 其励磁电源来自励磁机。主发电机发出的电能经过 整流桥的整流滤波为用电设备提供电能。主发电机 额定输出为４００ Ｈｚ、１１５ Ｖ三相交流电，整流滤波后 得到２７０ Ｖ直流电。
幼设计争新，． …己；２１／ｇ翻西乒》≯占》钕∥ｄ＇２ｄ％§脚 …一……………………………………………………………… 议…持…电…棚………２０… ０６年 …第…１… ｌ期……
无刷交流同步发电机动态响应特性研究
周玲１，龚春英２
（１．淮阴工学院，江苏淮阴２２３００１；２．南京航空航天大学，江苏南京２１００１６）
ｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａ Ｈｉｇｈ—Ｐｏｗｅｒ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．
ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１９９３：２５—８７
作者简介：周玲（１９６６一），女，主要研究方向为电力电子技术和 电气传动。
（上接第２９页）
５结语
图２为旋转整流器式无刷交流发电机系统在 Ｓａｂｅｒ中的仿真原理图。
２．１旋转整流器式无刷直流同步发电机系统组成
无刷交流同步发电机动态响应特性研究
目前，航空电源都采用了无刷结构，地面发电站
收稿日期：２００４—０４—１６ 改稿日期：２００４—０８—０４
万方数据
图２旋转整流器式无刷交流发电机系统 在Ｓａｂｅｒ中的仿真原理图
［１］ 谢少军．飞机交直交变速恒频电源系统［Ｄ］．南京航空航天大 学博士论文，１９９５
『２］ 严仰光．飞机高压直流电气系统的构成与发展［Ｄ］．南京航空
用价值。
参考文献
［１］Ｄｅｐｅｎｂｏｏｋ Ｍ．Ｄｉｒｅｋｔｅ Ｓｅｌｂｓｔｒｅｇｅｌｕｎｇ（ＤＳＲ）ｆｕｈｒｈｏｃｈｄｙ—ｎａ— ｍｉｓｃｈｅ Ｄｒｅｈｆｅｌｄａｎｔｒｉｅｂｅ ｍｉｔｔ ｓｔｒｏｍｒｉｃｈｔｅｒｓｐｅｉｓｕｎｇ［Ｊ］．ＥＴＺ Ａｒ· ｃｈｉｖ，１９８５，７（７）：２１１～２１８
３０ ｒａｄ／ｓ。图４ａ为系统的转速特性曲线，图４ｂ为系 统的转矩特性曲线。仿真结果表明系统起动快，超
调小，而且对转速的突变响应速度迅速，脉动幅度
小，具有较好的动态性能。
６０ ５０
乙４０
目
鼍３０
吞
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
鼍２０
１０
０
０．２ ０．４
０．６ ０．８
ｔ／ｓ
（ａ）转速特性曲线
（ｂ）转矩特性曲线
图４ 系统仿真结果
４结语
［２］ 李夙．异步电动机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９４ ［３］ 胡俊达，李永坚．基于模糊自适应速度调节器的直接转矩控制
系统［Ｊ］．大电机技术，２００３，（６）：５８～６１ ［４］连丽艳．直接转矩控制系统的神经网络控制［Ｊ］．电气传动自动
化，２００４，２６（１）：３０～３１ ［５］诸静．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９ ［６］ 陈理君，杨立，俞嘉等．新型智能算法的研究［Ｊ］．武汉工业大学
励磁机的励磁电流波形，在０．３ ｓ时突加，０．５ Ｓ时
突减。
二。０：０照烹 乱硅！二
阢大小不变，可知，励磁机的ｉ，会突然增加，这是无 刷电机突加负载时的动态过程。卸载的动态过程刚 好与之相反。 ３．３无刷电机的三相突然短路仿真波形
图５为从额定负载稳定运行突然三相短路的仿 真波形，其中秽。为相电压，ｉ。为相电流，ｉ，为主发的
２０
…蔓壁宴堕．婴！竺！塑……………………………………缀塑豫西：…？
３．１旋转整流器对无刷交流发电机动态性能的影响 常用旋转整流器有两种：三相零式（ＨＷ）和三
相桥式（ＦＷ）。在电机转速４ ０００ ｒ／ｍｉｎ，主发电机 空载条件下仿真了该１６．５ ｋＶＡ电机，仿真波形如 图３所示。
２０．０
（ａ）主发电机励磁电流
作。
（下转第３２页）
万方数据
２１
苫，乏，二历／矿膨驱锣动蹋控傻彩制盘—劂磁…………………………………一
微持电棚 ２００６年第１１期
ｙ，Ｒ。＝５．７３５ Ｑ，Ｒ，＝３．４１６ Ｑ，Ｌ。＝Ｌ，＝０．１８６ Ｈ，Ｌ。
＝０．２６３ Ｈ，Ｊ＝０．０２６７ ｋｇ·ｍ２，仿真开始时电机空载 运行，给定转速为６０ ｒａｄ／ｓ，经过０．５ Ｓ后给定突变为
ｈｉ曲ｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒ－
ａｔｏｒ ｉｎ ｕｎｐｉｌｏｔｅｄ—ａｉｒｐｌａｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１引 言
旋转整流器式无刷同步发电机是ＣＳＣＦ电源系 统的唯一适用发电机，也是ＶＳＣＦ电源系统或高压 直流电源（ＨＶＤＣ）系统的重要部件。由于采用无刷 励磁方式，取消了传统的滑动接触部分，因而具有可 靠性高、体积小、重量轻及电气性能好，可长期连续 运行而不需要保养，特别适合于无人管理的场合。 因此，选择旋转整流器式无刷电机加以设计、仿真研 究，对无人驾驶机设计制造，起着事半功倍的作用…。
“ｓ
图６单管短路时
图７单管开路时各二极管
各二极管电流波形
流过的电流波形
时各二极管流过的电流波形。从图中可见，在３００ ｍｓ时由于发生了单管开路故障，从整流波形明显可
见发生缺相情况，这必然使得主发电机的励磁电流 无刷交流同步发电机动态响应特性研究
降低，造成发电机提供的电能不足，主发电机的相电
压低，不能满足正常的工作。这种情况仅能短时工
态响应过程。在０．３ Ｓ时负载由１００＿÷１ Ｑ，在０．６ Ｓ
时由１ ｎ－÷１００ Ｑ。图４ａ为主发电机相电压，在０．３
ｓ时突减，０．５ Ｓ时突加；图４ｂ为主发电机励磁电
流，在０．３ Ｓ时突加，０．５ｓ时突减；图４ｃ为励磁机发
出的电压经旋转整流器整流的电压，作为主发电机
的励磁电压，在０．３ Ｓ时突减，０．５ Ｓ时突加；图４ｄ为
于正常工作的电流，这势必会造成管子损坏，很快就
会使得该电机系统不能正常工作。图７为单管开路
（ｂ）
·。‰－ｍｉｔｒｅ
簧３｝ｌ，＿—一’——－，‘一
（ｃ）
（ｄ）
图４无刷电机突加、突卸负载动态响应
主发电机的励磁电流ｉ，突然增加，即励磁机的 相电流会突增，同样导致励磁机的相电压下降，使得
励磁机整流电压阢下降。由于励磁机的相电流增 加，利用励磁机的状态方程㈨和励磁机的励磁电压
图１旋转整流器式无刷直流同步发电机系统电路图
２．２旋转整流器式无刷电机系统的工作原理 励磁机的励磁电源由可调电压源提供，励磁机
发出的交流电经旋转整流器整流得到的直流电作为 主发电机的励磁电源。主发电机发出交流电经过整 流得到２７０ Ｖ直流电源。整个控制过程如下：
当ｕ。。≥２７０Ｖ时，采样电压上升，电压调节器 的开关咒。减小，励磁机励磁电压下降，从而励磁机 输出电压下降，导致主发电机励磁电压下降，则主发 电机输出电压下降，输出电流减小，最终使得ｕ。。 （２７０ Ｖ）保持不变。 ３旋转整流器式无刷发电机仿真
最终随着相电流的衰减，ｉ，和ｉ，也衰减。从图中可
见，在短路的瞬间会产生很大的电流冲激，这对电机
是不利的。
３．４无刷电机的旋转整流器单管故障仿真波形
无刷交流发电机旋转整流器故障时，有两种概
率较大的单一性故障，即单管短路和单管开路时的
工作情况。
图６是单管短路时流经二极管的电流波形。从
图可见当６管发生短路时，２和４管会承受远远大
航天大学，２００１
［３］
Ｊａｈｎｓ ＴＭ，Ｍａｌｄｏｎａｄｏ ＭＡ．Ａ Ｎｅｗ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｌｉｎｋ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｐｏｗｅｒ
Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＡＥＳ，１９９３：１５～４６ ［４］ Ｊａｈｎｓ ＴＭ，ＤＥ Ｄｏｎｃｋｅｒ ＲＷ，Ｒａｄｕｎ ＡＶ．Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａ－
零式整流多了一个二极管，因此桥式整流电路电阻
比零式整流大一个二极管的导通电阻，又由时间常
数＝电感／电阻，可知采用桥式整流比零式整流的时
间常 数小，所以桥式整流比零式整流动态响应快。
鉴于此，无刷发电机系统的旋转整流器多选择桥式
整流。
３．２无刷发电机加载卸载动态响应仿真
图４为无刷发电机加载和卸载时主发电机的动
睾 励磁电流，ｉ，为励磁机的励磁电流。
３·Ｏ
丛吣簧磊 １．５
（ｂ）
岳
ｆ，ｓ
（ｅ） 图５无刷电机的短路特性
在３００ ｍｓ时突然发生短路故障，ｕ。变为零，ｉ。
突然增大，产生很大的冲击电流，可知主发电机励磁
电流ｉ，必然增大，即励磁机的相电流必然增大，从
励磁机的状态方程可知旧ｊ，在励磁机的励磁电压保
持不变的情况下，励磁机的励磁电流ｉ，必然增大。
ｒｏｒ ｏｆ ３——ｐｈａｓｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｈｅｒｅ．Ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｆｒｉｅｎｄｌｙ—
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｅａｓｙ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
由于分段解析模糊控制思想的引入，全数字直 接转矩系统在电机起动阶段以及转速突变时提高了 反应速度，增强了实时控制效果，改善了动态性能， 具有较好的鲁棒性。实验表明该系统特别适用于负 载变动较大、起动性能要求较高的场合，有一定的实
（上接第２１页）
４结语
利用Ｓａｂｅｒ仿真软件，建立无刷电机仿真模型， 通过旋转整流器式无刷电机性能仿真，波形比较和 数据分析，揭示了旋转整流器式无刷电机性能特点， 为对无人驾驶机设计制造奠定了一定的理论基础。 参考文献
学报，１９９８，（１０）：６８～７２
作者简介：黄祯祥（１９７０一），男，硕士研究生，讲师，主要从事电 动传动与智能控制方面的教学与科研工作。
郭延文（１９７１一），男，硕士研究生，讲师，主要从事机械制造与 自动化智能控制方面的教学与科研工作。
邓怀雄（１９６４一），男，工程师，主要从事电动传动与数控机床方 面的教学与科研工作。
摘要：利用Ｓａｂｅｒ仿真软件，对１５ ｋＶＡ旋转整流器式 无刷交流同步电机工作原理进行了介绍。对无刷直流发电
机的空载特性、加载、卸载时动态响应，电流放大规律、三相
突然短路，旋转整流器单管故障等进行建模和仿真分析。结 果表明，该系统界面友好、操作方便、可靠性高，对无人驾驶
机设计制造，有较好的应用前景。
（ｂ）励磁机励磁电流
图３零式（ＨＷ）和桥式（ｒｗ）整流动态响应
由图３可见，发电机、励磁机参数相同，仅整流
器形式不同，电机的动态性能就有差异。采用桥式
整流电路时，励磁机的动态响应速度加快，进而主发
电机动态响应明显加快。
同样励磁机工作状况和同样主发电机励磁绕组
的情况下，无刷发电机正常工作时，采用桥式整流比
ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓａｂｅｒ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｅｕｒｒｅｎｔ砌一 ｓｕｃｈ ａｓ ｅｍｐｔｙ—ｌｏａｄ，ｌｏａｄ—ｕｐ ｏｒ ｌｏａｄ—ｄｏｗｎ，ａｎｄ
ｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｈｅｒｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ Ｓａｂｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｅ卜
Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ＺＨＯＵ Ｌｉｎ９１，ＧＯＮＧ Ｃｈｕｎ—ｙｉｎ９２
（１．Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｙｉｎ ２２３００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
关键词：无刷电机；整流器；仿真
中图分类号：ＴＭ３４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—７０１８（２００６）１１－００２０—０２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ １５
ｋＶＡ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
矢量控制仅实现了动态过程中磁链子系统的部 分解耦，转速子系统并不解耦，当仅当磁链达到稳态 时，转速子系统才可实现解耦；而基于微分几何的感 应电机解耦方案却实现了动态过程中磁链子系统和 转速子系统的完全解耦。因此，从控制性能而言，后 者控制方案优于前者。