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美国海军研制的先进战斗机供电系统由 ".)&高压直流发电系统、固态电气逻辑系统和通用多路传输系统三大部分组成,与目前战斗机的供电系统相比,他具有下述特点:
(’)用高压直流系统取代目前广泛应用的恒频交流系统。因为两者相比他具有下述优点:
重量轻—
—发电系统重量减轻 "%/,航空电子设备中电源装置重量减轻 ()/;
效率高———发电效率提高 ’%/;
易实现不中断供电和余度供电;
更能适应电力作动系统等高技术用电设备的要求,便于向多电飞机、全电飞机过渡。
(")采用可编程的固态开关、’%%,总线、微处理机和负载自动管理技术,使供电系统具有功率和负载自动管理、自检测和故障隔离、系统重新配置以及控制和保护供电系统的能力。该系统由主和备份处理机、固态功率控制器、固态传感器、远置终端和数据总线等组成。
在美国国防部发表的 ’00"年科学和技术发展战略中,已把 ".)&高压直流系统列为
•’,(•
""年的发展目标。近年来又为 一 %%战斗机生产 %&’(高压直流发电和配电系统。看来,下一代战斗机采用 %&’(高压直流系统已成为一种必然的发展趋势。
第二节 )电磁式无刷直流发电机
电磁式无刷直流发电机是电磁式无刷交流发电机和二极管整流器的组合。无刷交流发电机由交流励磁机、旋转整流器和主发电机构成。有的无刷交流发电机还有永磁副励磁机。交流励磁机为旋转电枢式,电枢的交流电经旋转整流器整流后直接送主发电机励磁绕组,给主发电机励磁,主发电机电枢的交流电通过二极管整流器整成直流输出。这样,不用电刷与滑环主发电机就获得了励磁电流,不用电刷与换向器输出端就可以获得直流电压。交流励磁机的电枢、
和有换向器的直流发电机相比,因为取消了换向器与电刷,不再存在火花与电刷磨损等问题,工作可靠性大为提高,特别在高空条件下的工作可靠性高。他的主要缺点是电压脉动大;其次由于受整流元件过载能力的限制,整机的过载能力较低;另外作起动发电机也比较复杂。
主发电机电枢绕组中的交流电压经二极管整流器整流后,输出的电压为脉动的直流电压。整流电压的平均值及电压脉动程度主要由整流电路的形式和电枢绕组的相数决定。
对于三相全波整流假定为理想整流即:二极管的正向压降为零;整流电源即交流发电机的电枢绕组内阻抗为零。现在先讨论这种理想整流与电感性负载下,整流电压的平均值与电压脉动量等问题。
全波整流电路中的三个共阴极二极管使阳极电压最高相导通,这三个二极管称为正组整流器,三个共阳极二极管使阴极电压最低的相导通,称之为负组整流器,可见三个相电压的交点就是二极管的换相点,称这些交点为自然换相点。在一个周期内每组整流器的三个二极管轮流导通,每个二极管各导通三分之一周期。整流器输出电压为
,
-
*+ .+%/,0.
交流发电机相电流为准矩形波,相电流的有效值为
%
1+
1*
, 式中, 1*为整流电路输出的直流电流。若负载感抗较电阻大得多,则常认为 1*为平滑的值流。因而,在理想整流情况下,整流电路输出功率与交流发电机容量之比的交流发电机利用率为
,
-.1*
*1* + ,.1
%
,. 1*
,
对于全波整流系统,由于在全周期内的正、负半周发电机都有功率输出,所以,利用率 •,0"•
要比同样相数的半波整流系统高。
实际上,电枢绕组的电抗 。不为零,因此三相整流二极管轮流导通的转换过程不能瞬时完成,在自然换相点不能结束换相,这就要出现两相同时导通的换相重叠现象,重叠换相过程可用电角度 表示,称 为换相重叠角。 "是作用在换相期间内绕组的电抗,特称为“换相电抗”,换相重叠角 "的大小,与换相电抗 密切相关。
在换相重叠期间整流器输出电压的瞬时值“为重叠换相的两个相电势之和的一半,以 相向 相换相为例,整流器输出电压的瞬时值为
%& ’(() *)))整流电压的平均值 为
+ &(,-./ ’*01
(可见,当 &2时,即为理想整流情况,随着换相电抗 。的增大,换相重叠角 "增大,整流电压的平均值降低。存在换相重叠现象时,整流后的直流电压减小了,电压脉动加大了,电枢相电流也由准矩形波变成了曲边梯形波。
通过整流电路工作情况的分析可知,交流发电机电枢相电流是非正弦波,包含着基波电流与各次谐波电流。绕组中的基波电流除建立基波磁势外,还有一系列谐波磁势,绕组中的谐波电流也要产生自己的一系列谐波磁势。
在三相全波整流系统中,电枢相电流所包含的谐波电流次数为 &34 5’( 4 &’、(、-..),在气隙中的任一点上由卢次谐波电流产生的磁势的频率、极对数和转速分别为 6、 7和 8,其中 8为同步转速为相应于同步转速的基波频率, 7为电机的极对数。由 次谐
波电流产生 9次空间谐波磁场的转速为 ’ 8其中以 :次和 ;次谐波电流建立的相应次数
谐波磁场最强, :次谐波电流磁场以 :倍同步转速反转, ;次谐波电流磁场以 ;倍同步转速正转,所以在磁极(主要在表面)形成 3倍频率的损耗。另外,由基波电流建立的 :次 ;次等空间谐波磁势产生的磁通要在磁极产生涡流损耗,由于他们的极对数多,感应的涡流频率也高,在磁极产生的附加损耗也是明显的。
综合上述,由三相交流发电机和全波整流器构成的无刷直流发电机有两个主要缺点:一是输出整流电压的脉动幅值较大;二是电枢磁场中高次谐波含量较大,谐波电枢反应使电机的损耗加大,效率降低。
采用三相无刷直流发电机,直流电压脉动较小,电枢磁场接近正弦,但发电机的利用率较低。六相双星整流系统,发电机的电枢有两套三相星形绕组,他们在空间彼此错开 -2<电角,每套三相绕组输出端接三相全波整流桥,两套系统经相间变压器接至负载输出。相间变压器也称均衡电抗器。
在六相双星系统中,电枢磁场的 :、;、’;、’=等次空间谐波磁场是存在的,这是因为:在两套三相星形绕组中,由基波电流建立的空间分布的 :、;、’;、’=等次谐波磁场,相位互差 ’>2<,正好互相抵消;两套三相星形绕组中的 :、;、’;、’=等次谐波电流建立的相应次数的基波分布的旋转磁场,也正好互差 ’>2<,他们互相抵消,就是说电枢磁场中不存在由高次谐波
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