航空三级式起动发电系统GCU冗余控制结构及方法

航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构及方法
技术领域
1.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：

2.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。
3.三级式电机起动/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。
4.三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”。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，包括三级式起动发电机、gcu、
起动控制单元、切换开关单元、机载电力系统负载，其特征在于：所述的切换开关单元包括三组切换开关，切换开关组一s1为双刀单掷开关，用于起动、发电及gcu故障时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s11和s12分别与起动控制单元中励磁功率电路两个桥臂的输出中点相连，输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12分别与单相励磁机定子绕组端部相连；切换开关组二s2为双刀单掷开关，用于起动和发电时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s21和s22分别与发电控制单元的输出相连，输出侧与切换开关组一s1双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12共用；切换开关组三s3为三刀单掷开关，用于发电状态下为机载电力系统负载供电，三刀单掷开关的输入侧s31、s32和s33分别与起动控制单元中的三相功率电路桥臂中点相连，该三相中点同时与主发电机三相定子绕组相连，输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33分别与机载电力系统负载相连。
8.进一步地，所述的开关包括继电器、接触器和电力电子开关器件。
9.进一步地，所述的三级式起动发电机类型还包括两相励磁三级式起动发电机、三相励磁三级式起动发电机。
10.进一步地，所述的起动控制单元中主电机功率控制电路工作整流状态，包括三相可控整流状态、三相不控整流状态、单相可控整流状态和单相不控整流状态。
11.进一步地，所述结构的励磁功率输出电路，包括h桥输出励磁功率电路和buck型输出励磁功率电路。
12.本发明还提供一种如上所述的航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制方法，其特征在于步骤如下：
13.步骤一：起动时，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，切换开关组二s2的输入侧s21和s22与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持断开，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连；切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与三刀单掷开关的输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33断开，使起动控制单元中的主电机控制功率电路只与主电机三相定子绕组相连，机载电力系统负载与其断开；励磁机控制功率电路输出交流电或直流电为励磁机提供励磁，主电机控制功率电路输出三相变频交流电，使主电机运行在电动状态，拖动航空发电机起动到脱开转速后，撤去外部供电电源；
14.步骤二：发电时，切换开关组一s1的输入侧s11和s12与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12断开，切换开关组二s2的输入侧s21和s22分别与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与gcu相连；切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与三刀单掷开关的输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33保持接触，使机载电力系统负载与起动控制单元中的主电机控制功率电路和主电机三相定子绕组相连；励磁机定子绕组由gcu提供直流励磁，主发电机工作在发电状态下为机载电力系统提供三相交流电，同时由起动控制单元中的主电机控制功率电路经过整流形成直流母线电压；
15.步骤三：gcu发生故障后，切换开关组二s2的输入侧s21和s22分别与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12断开连接，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连；起动控制器中主电机控制功率电路工作在整流状态，继续
提供直流母线电压，励磁机控制功率电路的两个桥臂形成h桥输出励磁功率电路，为主励磁机定子绕组提供直流励磁，并通过控制占空比大小调节直流励磁，使机载电力系统负载交流电源保持在额定值。
16.本发明的有益效果是：(1)在发电状态下，起动控制单元由“死重”变为gcu故障时的冗余备份而得到新的利用，对原有系统结构改变较小甚至无改变，但增强了系统的可靠性；(2)冗余备份单元与gcu单元中的电路拓扑结构几乎相同，因而gcu中的励磁控制方法仅作较小改动即可移植到备份单元的励磁控制中，励磁调节方便可控，方法成熟可靠；(3)备份单元中的励磁功率回路形式可根据不同需求或工况作出灵活选择，提高了冗余备份的适用性。
附图说明
17.图1是本发明基于单相励磁机的航空三级式起动/发电系统结构示意图；
18.图2是本发明基于单相励磁机的航空三级式起动/发电系统起动状态下接线示意图；
19.图3是本发明基于单相励磁机的航空三级式起动/发电系统发电状态下接线示意图；
20.图4是本发明基于单相励磁机的航空三级式起动/发电系统发电状态下gcu故障时冗余控制接线示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
22.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，以基于单相励磁机的航空三级式起动/发电系统为例，如图1所示，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切换开关。切换开关组一s1为双刀单掷开关，用于起动、发电及gcu故障时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s11和s12分别与起动控制单元中励磁功率电路两个桥臂的输出中点相连，输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12分别与单相励磁机定子绕组端部相连；切换开关组二s2为双刀单掷开关，用于起动和发电时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s21和s22分别与发电控制单元的输出相连，输出侧与切换开关组一s1双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12共用；切换开关组三s3为三刀单掷开关，用于发电状态下为机载电力系统负载供电，三刀单掷开关的输入侧s31、s32和s33分别与起动控制单元中的三相功率电路桥臂中点相连，该三相中点同时与主发电机三相定子绕组相连，输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33分别与机载电力系统负载相连。
23.上面所述的开关包括继电器、接触器和电力电子开关器件。
24.起动控制单元包括励磁机控制功率电路和主电机控制功率电路，且这两个功率电路共直流母线。励磁机控制功率电路由igbt功率器件组成的h桥功率电路构成，主电机控制功率电路由igbt功率器件组成的三相全桥功率电路构成。
25.针对图1所示拓扑结构，起动、发电及gcu故障时冗余控制方法实施步骤如下：
26.1、如图2所示，起动时，起动控制单元直流母线接通外部270v或540v直流电源，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，切换开关组二s2的输入侧s21和s22与触点组一g1的两个触点g11和g12保持断开，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连。切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与触点组三g3的三个触点g31、g32和g33断开，使起动控制单元中的主电机控制功率电路只与主电机三相定子绕组相连，机载电力系统负载与其断开。励磁机控制功率电路输出交流电或直流电为励磁机提供励磁，主电机控制功率电路输出三相变频交流电，使主电机运行在电动状态，拖动航空发电机起动到脱开转速后，撤去外部270v或540v供电电源。
27.2、如图3所示，发电时，切换开关组一s1的输入侧s11和s12与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12断开，切换开关组二s2的输入侧s21和s22分别与触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与gcu相连。切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与触点组三g3的三个触点g31、g32和g33保持接触，使机载电力系统负载与起动控制单元中的主电机控制功率电路和主电机三相定子绕组相连。该状态下，励磁机定子绕组由gcu提供直流励磁，主发电机工作在发电状态下为机载电力系统提供三相交流电，同时由起动控制单元中的主电机控制功率电路经过整流形成直流母线电压。
28.3、如图4所示，gcu发生故障后，切换开关组二s2的输入侧s21和s22与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12断开连接，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连。起动控制器中主电机控制功率电路工作在整流状态，继续提供直流母线电压，励磁机控制功率电路的两个桥臂形成h桥输出励磁功率电路，为主励磁机定子绕组提供直流励磁，并可通过控制占空比大小调节直流励磁，使机载电力系统负载交流电源保持在额定值。
29.本发明的单相三级式起动发电系统gcu冗余结构也可用于两相三级式起动发电系统和三相三级式起动发电系统。
30.起动控制单元中主电机功率控制电路工作整流状态，包括三相可控整流状态、三相不控整流状态、单相可控整流状态和单相不控整流状态。
31.励磁功率输出电路，包括h桥输出励磁功率电路和buck型输出励磁功率电路。

技术特征：
1.一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，包括三级式起动发电机、gcu、起动控制单元、切换开关单元、机载电力系统负载，其特征在于：所述的切换开关单元包括三组切换开关，切换开关组一s1为双刀单掷开关，用于起动、发电及gcu故障时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s11和s12分别与起动控制单元中励磁功率电路两个桥臂的输出中点相连，输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12分别与单相励磁机定子绕组端部相连；切换开关组二s2为双刀单掷开关，用于起动和发电时的励磁功率回路切换，双刀单掷开关的输入侧s21和s22分别与发电控制单元的输出相连，输出侧与切换开关组一s1双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12共用；切换开关组三s3为三刀单掷开关，用于发电状态下为机载电力系统负载供电，三刀单掷开关的输入侧s31、s32和s33分别与起动控制单元中的三相功率电路桥臂中点相连，该三相中点同时与主发电机三相定子绕组相连，输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33分别与机载电力系统负载相连。2.如权利要求1所述的一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，其特征在于：所述的开关包括继电器、接触器和电力电子开关器件。3.如权利要求1所述的一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，其特征在于：所述的三级式起动发电机类型还包括两相励磁三级式起动发电机、三相励磁三级式起动发电机。4.如权利要求1所述的一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，其特征在于：所述的起动控制单元中主电机功率控制电路工作整流状态，包括三相可控整流状态、三相不控整流状态、单相可控整流状态和单相不控整流状态。5.如权利要求1所述的一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构，其特征在于：所述结构的励磁功率输出电路，包括h桥输出励磁功率电路和buck型输出励磁功率电路。6.如权利要求1所述的一种航空三级式起动/发电系统gcu冗余控制结构控制方法，其特征在于步骤如下：步骤一：起动时，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，切换开关组二s2的输入侧s21和s22与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持断开，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连；切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与三刀单掷开关的输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33断开，使起动控制单元中的主电机控制功率电路只与主电机三相定子绕组相连，机载电力系统负载与其断开；励磁机控制功率电路输出交流电或直流电为励磁机提供励磁，主电机控制功率电路输出三相变频交流电，使主电机运行在电动状态，拖动航空发电机起动到脱开转速后，撤去外部供电电源；步骤二：发电时，切换开关组一s1的输入侧s11和s12与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12断开，切换开关组二s2的输入侧s21和s22分别与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与gcu相连；切换开关组三s3的输入侧s31、s32和s33分别与三刀单掷开关的输出侧触点组三g3的三个触点g31、g32和g33保持接触，使机载电力系统负载与起动控制单元中的主电机控制功率电路和主电机三相定子绕组相连；励磁机定子绕组由gcu提供直流励磁，主发电机工作在发电状态下为机载电力系统提供三相交流电，同时由起动控制单元中的主电机控制功率电路经过整流形成直流母线电压；
步骤三：gcu发生故障后，切换开关组二s2的输入侧s21和s22分别与双刀单掷开关输出侧的触点组一g1的两个触点g11和g12断开连接，切换开关组一s1的输入侧s11和s12分别与输出侧触点组一g1的两个触点g11和g12保持接触，使励磁机定子绕组与起动控制单元中的励磁机控制功率电路相连；起动控制器中主电机控制功率电路工作在整流状态，继续提供直流母线电压，励磁机控制功率电路的两个桥臂形成h桥输出励磁功率电路，为主励磁机定子绕组提供直流励磁，并通过控制占空比大小调节直流励磁，使机载电力系统负载交流电源保持在额定值。

技术总结
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。为三级式起动发电系统提供直流励磁。为三级式起动发电系统提供直流励磁。


技术研发人员：张小科 焦宁飞 刘卫国 韩旭 樊昱琨
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/5/25