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无刷交流同步发电机动态响应特性研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:130

   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。

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

2 旋转整流器式无刷电机系统的工作原理

2.1旋转整流器式无刷直流同步发电机系统组成

   目前,航空电源都采用了无刷结构,地面发电站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。

   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。

 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UDc≥270V时,采样电压上升,电压调节器的开关Ton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UDC(270 V)保持不变。

3旋转整流器式无刷发电机仿真

    图2为旋转整流器式无刷交流发电机系统在Saher中的仿真原理图。

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

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。

              

          (a)主发电机励磁电流                 (b)励磁机励磁电流

          图3零式(HW)和桥式(FW)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态响应过程。在0.3 s时负载由100→l Ω,在0.6 s时由1 Ω→100 Ω。图4a为主发电机相电压,在O.3s时突减,O.5 s时突加;图4b为主发电机励磁电流,在O.3 s时突加,O.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,O.5 s时突加;图4d为励磁机的励磁电流波形,在O.3 s时突加,O.5 s时突减。

         

      (a)                 (b)                (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if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Uf下降。由于励磁机的相电流增加,利用励磁机的状态方程和励磁机的励磁电压Uf大小不变,可知,励磁机的if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va为相电压,ia为相电流,iF为主发的励磁电流,if为励磁机的励磁电流。

      

           (a)                     (b)                        (c)

图5尢刷电机的短路特性

在300 ms时突然发生短路故障,Ua变为零,ia突然增大,产生很大的冲击电流,可知主发电机励磁电流iF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,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if必然增大。最终随着相电流的衰减,iF和if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

   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300ms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作。

Ø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,提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。

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