基于模糊的三相电压源PWM整流器用于快速变化有源负载

巴努·普丽娅·K。¹和拉玛·拉奥博士²

II M.Tech[电力电子]学生，EEE系，Sri Vishnu女子工程学院，印度比玛瓦拉姆
印度比玛瓦拉姆斯里毗瑟奴女子工程学院电子工程学院教授兼系主任

摘要

多电动飞机(MEA)强调利用电力为非推进飞机系统提供动力。飞机电动执行器(AEA)是一项新兴的航空航天技术，旨在用完全由电力操作的独立执行器取代液压系统。这是未来电动飞机最重要的电力负载技术之一。然而，MEA对飞机电气系统提出了一些挑战，无论是所需功率的数量还是这些功率的处理和管理。针对三相电压源脉宽调制整流器(VSRs)在旋转同步坐标d−q下的非线性控制，提出了一种基于模糊规则的直流总线电压切换控制方法，解决了动态负载下的柔性调压问题。在VSR的不同工作点上设计了几个线性控制器，并根据一定的切换规律在VSR系统上实现了模糊控制器。基于模糊控制器的控制方法保证了控制的稳定性。仿真和实验结果表明，在大范围快变负载下，VSR调压取得了理想的控制性能。与经典PI控制器相比，模糊控制器在大范围快速变化有源负载下的控制效果较差。

关键字

电动飞机，电力电子，模糊控制器，负载控制。

介绍

近年来，飞机工业在民用和军事领域都取得了巨大的进步，例如目前一些商用客机的重量超过30万公斤，能够以1000公里/小时的速度不间断飞行1.6万公里。非推进飞机系统通常由不同的二次动力类型组合驱动，如液压、气动、电气和机械动力。三相电压源脉宽调制整流器(vsr)具有功率因数高、输入电流接近正弦、双向功率流动能力[1]、[2]、[3]等优点。虽然在许多工业应用中被广泛使用和研究，但VSRs越来越多地被用作传统二极管整流器和相控整流器的替代品。

电力电子系统、容错电机、电静压执行器、机电执行器和容错电力系统领域的最新突破重新引起了人们对快速变化的主动负荷的兴趣。目前，在航空工业中很少出现应用。随着多电动飞机(MEA)成为未来飞机的主要趋势，飞机动力系统[4]的电力负荷急剧增加。飞机电动执行器是未来MEA和全电动飞机电网[5]的重要负载之一。它是一个位置伺服系统，承担着驱动飞机操纵面的任务。与一般的电力负载不同，飞机执行器表现为恒定功率负载(cpl)。此外，在飞机作动器的动作过程中，输入功率会在大范围内快速变化。这些负载特性给电源带来了重大挑战。随着人们对飞机电网电能质量和能效的日益重视，先进的PWM整流器在这些方面发挥着重要作用。因此，进一步研究气动致动器在电动执行器载荷下的性能对航空工业具有重要意义。

在过去的几十年里，关于控制VSRs以获得理想性能的广泛研究已被报道。经典的旋转坐标电压定向控制是一种线性设计方法，已成为工业应用的标准解决方案。然而，采用线性控制器，在大范围快速变化的负载[7]下，VSR的稳定性和性能无法得到保证。近年来，非线性控制策略得到了广泛的研究，如反馈线性化策略和基于无源的控制方法[8]。这些提出的非线性设计策略具有较大的复杂性，因此有必要开发一种既能实现系统稳定性、期望性能又易于设计的控制方法。

目前大多数商用和军用飞机上采用的发电机技术是三级绕线磁场同步发电机。这台机器是高度可靠和固有的安全，因为场激励可以被删除，这使机器断电。因此，在空客A380上，三级同步发电机的额定值多年来不断提高，达到150KVA。然而，对MEA预计增加的发电需求表明，大功率发电机可以直接连接到发动机上，安装在发动机轴上，并用于发动机的整体启动器/发电机(IS/G)方案的启动。恶劣的操作条件和高温环境使大多数材料接近或超过其极限，因此需要在材料、工艺和热管理系统方面进行创新。

针对负载大范围快速变化的特点和工业应用背景，提出了基于切换系统概念的VSR切换控制策略。针对VSR的不同工作点设计了几种线性控制器，并根据负载电阻值选择相应的控制器。

电动执行器负载特性

A.电动执行器负载的动态特性

驱动飞机操纵面运动的飞机电动执行器是快速位置控制系统。执行器负载需要短时间的高峰值功率，具有相当低的稳态或小于峰值需求10%的背景负载。这显然要看具体的应用而定，通常称之为飞机电网的动态负荷。

图1说明了电动执行器负载的动态性质，因为它移动一个表面从休息在一个位置到休息在另一个位置。加载循环[9]有三个基本部分。

1.电机输入功率的加速度和负载的惯量。

2.表面反负载移动(电机传递速度和扭矩)。

3.表面保持负载(电机传递扭矩但无速度)。

B. MEA中的电力处理

在飞机电气系统中，有许多场合需要将电力从一个级别/形式转换为另一个级别/形式。因此飞机电气系统有大量的电力电子电路，如AC/DC、DC/DC、DC/AC和矩阵变换器。这些电路应满足的一般要求是:

1.系统重量轻，体积小。

2.系统应该是容错的，这意味着它能够在不正常的条件下继续工作，而输出功率不会有很大损失或性能下降。

3.该系统应高效，并具有在高温和低维护等恶劣条件下运行的能力。

C.电动执行器负载配电管理系统

飞机电源系统通常由用于大负载的115V 400Hz交流电源和用于航空电子设备、飞行控制和电池驱动的重要服务的28V直流电源组成。然而，采用新一代选项作为VF需要使用电力电子设备将所有电机/发电机输出转换为单个高压直流配电系统。建议系统电压值为270、350或540V。采用高值配电系统具有减小重量、体积和损耗，同时提高传输功率水平的优点。然而，确切的值是由许多因素决定的，如直流开关柜的能力、组件的可用性以及在高空和减压[10]时电晕放电的风险。

PWM变换器的建模

三相VSR的功率电路如图2所示。通常假定电阻性负载为R_l连接到输出终端。改进的三相电压源整流器线性状态空间模型为[11]

vsr的切换控制

在本节中，我们将介绍一种新型的三相VSRs开关控制方法。开关控制的目的是在大范围快速变化的负载下很好地调节VSRs的直流母线电压。

A.电流控制器采用经典PI控制器

B.空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)控制器

脉宽调制变速驱动器越来越多地应用于许多新的工业应用，要求优越的性能。近年来，电力电子技术和半导体技术的发展带动了电力电子系统的发展。因此，不同的电路配置，即多电平逆变器已经成为流行的，并引起了研究者的极大兴趣。交流驱动器的可变电压和频率供应总是从三相电压源逆变器获得。许多脉冲宽度调制(PWM)方案被用来获得可变电压和频率的电源。三相电压源逆变器中应用最广泛的PWM方案是基于载波的正弦PWM和空间矢量PWM (SVPWM)。空间矢量PWM (SVPWM)由于其易于数字实现和较好的直流母线利用率而成为越来越多的应用趋势。本项目着重于逐步开发SVPWM在感应电机上的实现。

基于空间矢量理论，讨论了三相电压源逆变器的模型。为了提高研究的有效性，在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真。

电流控制器由两个PI控制器(PI2和PI3)组成，如图4所示。在该控制方案中，(1)和(2)中ωLide和ωLiqe的交叉耦合项在控制器的最后阶段通过前馈进行补偿。因此，iqe的q轴电流即有源电流可以在ide和u (or)上独立控制，无功电流ide也可以独立控制。的变量为ide和iqe的参考值。整流时，单位功率因数为零，由外部电压控制器设定。设变量x5和ξ1分别表示PI2的积分器的输出和PI2的输出，则PI2的控制律为

仿真结果

在MATLAB/simulink中，采用图1所示的飞机电动执行器负载对V节中规定的整流系统进行建模。为了进行比较，对所提出的开关控制方案和经典的线性PI控制方案([12]中的第二种直流电压控制方法，如图5 (a)和(b)所示)进行了仿真。

图6所示为所述切换控制器的响应。可以看出，实现了平衡和优化的直流总线响应，具有可接受的小纹波，动态过程中振荡小，在上电情况下可忽略不计的小超调。

结论

以单一电力动力取代传统的非推进飞机动力、机械动力、液压动力和气动动力被称为MEA，被认为是未来的潮流引领者。MEA提高了飞机的可靠性、可承受性和燃油消耗。此外，MEA降低了拥有成本、运行和维护成本。然而，多边环境协定的实施需要在发电、配电和管理领域进行创新。将发电机嵌入航空发动机被认为是产生大量电力的关键问题，因为它消除了笨重的匹配变速箱。

本文介绍了一种新的开关控制方法来控制VSR。所提出的开关电压控制方法可以有效地替代经典PI控制器，为克服大范围负荷调节问题提供了一种简单、有效的方法。根据导出的开关电压控制器在不同工作点设计了几种线性控制器，并根据视负载电阻值选择了某一控制器。为了获得更好的响应，可以合理增加开关调节器的子控制器数量。基于切换系统的概念，所提出的控制方案具有一定的稳定性。对带电动执行器负载的开关控制VSR的仿真和实验结果表明，所提出的开关控制方法对这种大范围快速变化动态负载的直流母线电压具有较好的调节能力。

确认

感谢学院管理层、校长和工作人员为开展这项工作和发表本文提供了宝贵的建议和广泛的支持。

参考文献

Moir和A. Seabridge，飞机系统:机械、电气和航空电子子系统集成。伦敦,2001年
M. J. J.克罗宁，“全电动飞机”，IEE评论，第36卷，第309-311页，1990。
r·i·琼斯，《更电动的飞机:过去和未来?》，" in IEE Colloquium on Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft, , pp. 1/1-1/4, 1999.
A. Garcia, J. Cusido, J. A. Rosero, J. A. Ortega，和L. Romeral，“飞机中可靠的机电致动器”，IEEE Aerosp。电子。系统。杂志，第23卷，no。8，页19-25,2008年8月。
G. Gong, M. L. Heldwein, U. Drofenik, J. Minibock, K. Mino，和J. W. Kolar，“三相高功率因数ACDC转换器概念在未来更多电动飞机中的应用的比较评估”，IEEE Trans。印第安纳州。电子。，vol. 52, no. 3, pp. 727–737, Jun. 2005.
郭玉云，王晓光，李海昌，及b . t。Ooi，“通过实时多处理的稳压PWM整流器的极位控制”，IEEE Trans。印第安纳州。电子。，vol. 41, no. 2, pp. 224–230, Apr. 1994.
H. Sugimoto, S.Moritomo和M. Yano，“电压型PWM变换器的高性能控制”，载于《IEEE电力电子学报》。规格文件(PESC ' 88)， 4月，第360-368页。
t·s·艾。Lee，“三相AC/DC电压源变换器的拉格朗日建模和无源控制”，IEEE Trans。印第安纳州。电子。，vol. 51, no. 4, pp. 892–902, Aug. 2004.
吴晓红，熊世凯，徐剑霞，“基于频率域重复电流控制器的三相PWM升压整流器直流链路电压和电源侧电流谐波最小化”，IEEE。电力电子。，第23卷，no。第4页，1987-1997,2008年7月。
A. Brockschmidt，“航空航天应用中的电气环境”，《电机与驱动学报》，1999。国际会议IEMD '99, 1999，第719-721页。
Y. Ye, M. Kazerani和V. H. Quintana，“三相PWM变换器的一种新型建模和控制方法”，在Proc. 32 Power Electron中。《技术规范》，2001年6月17-22日，第1卷，第102-107页。
P. Verdelho和G. D. Marques，“PWM电压型可逆整流器的直流电压控制和稳定性分析”，IEEE Trans。印第安纳州。电子。，vol. 45, no. 2, pp. 263–273, Apr. 1998.