刘陵顺，  周洪庆，  胡育文

（1海军航空工程学院，山东烟台264001；2南京航空航天大学，江苏南京250016）

    摘要：提出通过提高定子双绕组感应发电机控制绕组与功率绕组的匝数比来升高控制绕组的电压，从而降低控制绕组励磁变换器电流的设计策略，同时可以省去功率侧的励磁电容器和控制侧的滤波电感，由此构成一种小电流励磁控制大电流功率输出的新型励磁控制系统。利用改进的粒子群算法对1台整流桥输出18 kW、28 V的样机在转速变比为1:25的运行条件下进行了优化设计。结果表明，该优化设计策略有效降低了控制绕组励磁变换器的电流及系统的成本、体积和重量。

  关键词：低压大电流；双绕组感应发电机；优化设计

  中图分类号：TM346文献标识码：A文章编号：1673-6540( 2009) 11-0001-05

0 引 言

低压直流电源系统在战车、飞机中仍有广泛应用，如现役坦克电源是28 V直流输出，现役飞机电源电有一部分是28 V直流输出，当它们输出18 kW的功率时，直流输出电流将达642 A，要采用电力电子变换器直接控制这种低压大电流的电源系统将会非常困难。新型的定子双绕组感应发电机系统(DWIC)如图1所示，其定子具有两套统组，一套为功率绕组，输出端通常接有整流桥负载，可以输出直流电或输出变频交流电；另一套为控制绕组，接有静止的励磁变换器( SEC)，由变换器提供所需的无功电流，采用一定的控制策略，可以有效地调节功率绕组输出电压的幅值保持恒定。两套定子绕组的极数相同，共用同一个旋转磁场^【1-2】。因此可以利用DWIC定子上具有两套绕组的特点，即在功率绕组中只接有整流桥负载，输出低压大电流的电能，将可控的电力电子变换器放在与功率电路完全隔离的控制绕组回路中，通过改变两套绕组匝数比可以把励磁回路的电压等级适当地提高，使励磁电流降低，为系统的控制提供了极大的方便，从而实现了用小电流的励磁变换器控制大电流的功率输出的目的，这是双绕组感应发电机的一大优点。

    国内外对于双绕组感应发电系统已取得一系列的研究成果，其中文献[14]的分析是在原动机转速基本不变的情况下进行的。对于转速变化范围较宽的双绕组感应发电系统，为了实现控制绕组励磁容量的最小，文献[5]分析了功率绕组在不同励磁电容下所对应的控制绕组励磁电流的变化规律及励磁电容的选择原则。在此基础上，文献[6]提出了通过电机本体参数与励磁电容同时优化的设计策略，并对一台18 kW、270 V高压整流输出的样机在1:2.5宽转速变比下进行了优化设计，可使控制绕组励磁变换器的容量降到额定输出功率的1/3左右，从而使励磁变换器的电流降低到15A以下，励磁电容只有120μF左右，实现了用小容量的变换器控制大功率输出的目的。

    对于转速范围较宽的大功率整流桥低压直流输出的双绕组感应发电机系统，因其输出电流很大，电机的电感值较小，发电机需要的无功电流会很大。为了降低控制绕组励磁变换器的电流，如果仍然在功率绕组侧并接励磁电容，则系统需要的优化励磁电容值会很大，文献[7]对一台28 V输出的样机进行了优化设计，该励磁电容高达2000μF以上。试验表明，过大的励磁电容会对控制侧励磁变换器的交流谐波产生较大的振荡放大作用，因此需要在控制绕组交流输出侧串联较大的滤波电感，这对于降低系统的体积、重量非常不利。如果将功率侧并接的过大的励磁电容器去掉，只靠控制绕组励磁变换器单独励磁，会省去控制绕组励磁变换器交流端的滤波电感，使系统的结构得到很大的简化，如图1所示。采用本文提出的提高控制绕组与功率绕组匝数比的设计策略，即可实现这个目标，同时使控制绕组励磁电流得到较大程度的降低。下面将从电机绕组结构、目标函数、数学模型及优化算法等方面进行阐述。

1  优化设计策略

1.1  电机参数对控制绕组电流的影响

为分析电机等效电路参数对控制绕组电流的影响规律，假定：(1)忽略电机的磁滞和涡流损耗；(2)控制绕组提供纯无功电流，即与励磁电流同相位；(3)负载等效为纯阻性负载。则定子双绕组感应发电机的等效电路及相量图见图2。