[发明专利]一种低压直流永磁起动发电机电源系统及设计方法

说明书

一种低压直流永磁起动发电机电源系统及设计方法，电源系统包括永磁起动发电机，IGBT三相全桥，多个隔离DC/DC模块，二极管D₁、D₂和D₃，控制电路，隔离发电辅助电源，隔离辅助电源，电流传感器S_A、S_B、S_C。起动过程通过控制电路产生起动驱动信号使IGBT三相全桥输出三相变压变频交流电驱动永磁起动发电机由静止到发动机点火转速，进入发电过程后，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的三相变压变频交流电转化为稳定直流电压；IGBT三相全桥使直流电压V_z稳定在200V，通过多个隔离DC/DC模块将200V～330V的直流母线电压V_z转化为28V直流V_o，通过多个隔离DC/DC模块并联来增加输出功率。

技术领域

本发明属于发电机电源系统技术领域，具体涉及一种低压直流永磁起动发电机电源系统及设计方法。

背景技术

对于航空无人机，通过采用28V低压直流来为机载设备供电。通常无人机的用电功率小于4kW。起动时，活塞发动机由静止开始转速不断上升时，阻力矩不断下降，在30r/min以下具有较大的阻力矩，活塞发动机的起动转速为额定转速的5％～8％左右，起动转速相对较低。正常发电时，涡轮发动机转速通常为50％～100％额定转速；在无人机准备降落时，涡轮发动机转速会降低到30％～40％额定转速，此时仍需要起动发电机系统能正常稳输出，只是输出功率允许适当降低。

永磁起动发电机电源系统包括永磁起动发电机和起动发电机控制器两部分，永磁起动发电机用于实现机械能与变压变频交流电能的转化。在起动状态，起动发电机控制器将起动电源提供的直流电能转化为变压变频交流电能，给永磁起动发电机供电；在发电状态，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的变压变频交流电能转化为28V稳压直流来给航空无人机上的设备供电。

航空航天领域对体积和重量较为敏感，如果能提高永磁起动发电机电源系统的效率，使永磁起动发电机电源系统的体积和重量大幅减小，将使永磁起动发电机电源系统具有显著的应用价值。

对于航空活塞发动机，由于发动机启动时所需要的最大力矩通常是发电时发电机输入力矩的1个数量级以上，二者力矩差距较大，启动机系统和发电机系统兼容设计较难，目前发电机系统与启动机系统普遍是独立的。

按照能量输入方式分类，启动机系统通常具有以下几类：

1)手遥启动机，即通过手遥发动机的方式启动活塞发动机，这是利用活塞发动机虽然启动静力矩大，但启动转速要求并不高的原理来实现的；

2)电动启动机，通过电动机将电能转化为机械能带动活塞发动机启动；

3)气动启动机，通过空气起动机带动活塞发动机启动。

按照输入能量是否直接作用于活塞发动机，启动机系统通常具有以下两类：

1)直接启动式，即输入能量直接传递给活塞发动机；

2)间接惯性启动式，输入能量直接传递惯性飞轮，再由惯性飞轮带动活塞发动机启动。

由于活塞发动机在一个周期内阻力并不相等，最大和最小阻力矩相差1个数量级以上，故采用间接惯性启动时，对输入能量的最大力矩要求会显著降低。

启动机系统和发电机系统分离的方案存在的主要缺点包括以下方面：

1)若启动机系统仅为地面设备，则航空飞机在空中发动机熄火后不具有二次启动功能；

2)若启动机系统也为机载设备，在完成发动机启动任务之后，启动机系统则变为死重，显著降低了发动机附件系统的功率密度；

3)启动机系统和发电机系统未实现基于一套硬件装置的功能复用。

发明内容