[发明专利]航空三级式起动/发电系统GCU冗余控制结构及方法

说明书

本发明提供了一种航空三级式起动/发电系统GCU冗余控制结构及方法。包括传统三级式起动发电机、GCU、起动控制单元、切换开关单元、机载电力系统负载，其中切换开关单元包括三组起动发电切换开关，用来实现系统在起动、发电及发电GCU故障状态下励磁功率传输回路的切换。通过合理配置切换开关单元内的开关状态，完成起动后发电状态下GCU故障时的控制，使起动控制单元中主电机功率控制电路工作整流状态，除用于整流的功率管外，其他共母线功率管通过切换开关形成励磁功率输出电路，替代发生故障的GCU，为三级式起动发电系统提供直流励磁。

技术领域

本发明属电机传动控制和电力电子冗余控制技术领域，具体涉及一种航空三级式起动/发电系统GCU冗余控制结构及方法。

背景技术

随着多电飞机的发展，起动发电一体化技术作为其关键技术之一而受到越来越多的关注，航空三级式无刷同步电机(简称三级式电机)因为结构成熟、可靠性高以及发电技术成熟而成为该技术的重点研究对象，美国波音787飞机上已成功实现起动发电一体化应用。三级式航空无刷同步起动发电系统主要由主电机、励磁机、永磁副励磁机、旋转整流器、GCU、起动控制器和切换单元组成，其中主电机、励磁机、永磁副励磁机和旋转整流器同轴安装。

三级式电机起动/发电过程可分为三个阶段：起动阶段、过渡阶段和发电阶段。起动阶段，励磁机定子励磁绕组既可由机载电源直接提供不控励磁，也可通过逆变电路提供可控励磁。励磁机转子电枢绕组感应产生的三相电压经由旋转整流器为主电机转子绕组提供直流励磁，主电机定子三相绕组由三相全桥逆变器驱动运行在电动模式并输出起动转矩带动发动机起动。过渡阶段，励磁机励磁绕组以及主电机电枢绕组与逆变器、机载电源等相连的接触器均断开，三级式电机既不提供起动转矩也不给机载用电设备供电。在发电阶段，永磁副励磁机由发动机带动运转，运行在发电模式，定子绕组经由GCU为励磁机励磁绕组提供直流励磁，主电机电枢绕组产生的三相电为机载用电设备供电。

三级式电机起动阶段时间较短，其长期工作在发电状态。由三级式电机起动/发电过程可以看出，起动阶段起动控制器在发电状态下不起作用，成为“死重”。

与电机和起动控制器相比，GCU中的开关管、二极管等电力电子器件故障率相对较高，且长期在发电状态下运行，而发电状态下起动控制器并没有被利用。冗余控制技术通过在发电状态下对起动控制器进行利用，并备份冗余控制算法，使GCU发生故障时，系统仍能正常运行，从而显著提高了系统的可靠性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，结合多电飞机系统“死重小”、飞行可靠性高等方面的需求，本发明提供一种航空三级式起动/发电系统GCU冗余控制结构及方法。包括传统三级式起动发电机、GCU、起动控制单元、切换开关单元、机载电力系统负载，其中切换开关单元包括三组起动发电切换开关，用来实现系统在起动、发电及发电GCU故障状态下励磁功率传输回路的切换。通过合理配置切换开关单元内的开关状态，完成起动后发电状态下GCU故障时的控制，使起动控制单元中主电机功率控制电路工作整流状态，除用于整流的功率管外，其他共母线功率管通过切换开关形成励磁功率输出电路，替代发生故障的GCU，为三级式起动发电系统提供直流励磁。