[发明专利]一种具有开路容错能力的永磁起动发电系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种具有开路容错能力的永磁起动发电系统及其控制方法，永磁起动发电机为高阻抗永磁同步电机，双向桥式变换器具有冗余桥臂，在发动机起动以及系统输出稳定的直流电压过程中，不断检测电机绕组电流，以实现矢量控制和故障检测。当检测出开关管开路故障，封锁故障开关管所在桥臂的驱动信号，相应双向晶闸管导通，冗余桥臂替代该故障桥臂进行工作，当检测出电机绕组开路故障，封锁绕组所连接桥臂的驱动信号，相应双向晶闸管导通，使电机绕组中性点连接到冗余桥臂中点，通过一定的电流补偿算法可以实现电机的转矩或者直流侧电压的稳定输出。本发明起动转矩平稳，发电控制简单，在开关管开路或者电机绕组开路状态下能够稳定运行，容错能力强，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种起动发电系统，尤其涉及一种具有开路容错能力的永磁起动发电系统及其控制方法，属于起动发电技术领域。

背景技术

多电/全电飞机能够减轻飞机重量，降低燃料消耗，而实现多电/全电飞机的一项关键技术在于发动机采用电起动技术，即起动/发电一体化技术。根据电机的可逆运行原理，将发电机一机两用，作为起动/发电机。在发动机起动阶段，电机处于电动运行状态，将电能转化为机械能，带动发动机起动，起动结束后，发动机反过来带动电机旋转，将机械能转化为电能，此时电机处于发电运行状态。该系统省去了起动机以及一些附加的管道，使得系统的体积以及重量减轻，效率得到提高

永磁电机采用高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁体进行励磁，具有高功率密度、高效率的优点，使其在航空起动发电领域具有很大的应用潜力。但是由于永磁体的存在，故障时不能灭磁，一旦发生短路故障特别是匝间短路将产生很大的短路电流，对绕组绝缘构成极大威胁。高阻抗永磁电机能够很好的解决这一问题，当发生匝间短路故障后，通过控制双向变换器使匝间短路变为外部三相短路，利用电机本身的高阻抗特性来限制短路电流。

变换器开关管的短路和开路是最常见的故障，短路故障因存在时间极短而难以被检测，可以在电路中加入快速熔丝将短路故障变为开路故障。开路故障的原因主要有器件破裂、绑定线断裂、焊接脱落、驱动信号丢失或电路失效等。开关管故障会使逆变器工作在非正常状态，导致电机输出转矩降低和波动，影响系统性能，并且增加其他器件的电压和电流应力。永磁起动发电机在受潮、受热、外力冲击、老化以及过载、过电压条件下运行时会造成电枢绕组开路故障，使电机不对称运行，增加铜耗和铁耗，并且不平衡的电磁力可能会引起转子偏心，造成永磁体脱落等现象。因此，需要对开关管开路故障以及电机绕组开路故障进行检测并且采取一定的主电路结构和控制策略，使电机在故障状态下仍能输出一定的功率，从而提高系统的容错能力以及可靠性。

目前，针对开关管故障，简单有效的方法是增加一个冗余桥臂，当开关管出现故障并被检测后，故障开关管所在的桥臂被隔离，冗余桥臂替代故障桥臂进行工作，该方法简单可靠，控制策略和调制方式无需改变，故障前后系统的性能基本不发生变化，不足之处在于无法处理电机绕组开路故障。针对电机绕组开路故障，通常有两种方法，一是绕组中性点连接至母线电容中点，二是绕组中性点连接至冗余桥臂中点，方法一容易造成直流母线侧电压的波动，并且增大了系统的体积和重量。因此，通常采用方法二，但是针对开关管故障该方法降低了系统性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的永磁起动发电系统开关管开路和电机绕组开路故障的问题，提供一种结构简单、可靠性高、控制灵活的具有开路容错能力的永磁起动发电系统及其控制方法。

本发明的具有开路容错能力的永磁起动发电系统，包括：高阻抗永磁起动发电机、双向桥式功率变换器、永磁起动发电系统控制器、发电机断路器、起动接触器、实时采集电机转子位置信号的旋转变压器、解码电路、实时采集电机三相电枢绕组电流的电流传感器、实时采集直流母线侧电压的电压传感器、电气负载、机载电源/外部电源、故障处理晶闸管。

进一步地，所述高阻抗永磁起动发电机绕组中性点通过故障处理晶闸管VT4和冗余桥臂中点相连，且高阻抗永磁起动发电机的三相绕组通过故障处理晶闸管VT1、VT2、VT3与冗余桥臂中点相连。