基于模糊的三相电压源PWM整流器用于快速变化的有功负载

Bhanu Priya K。¹Rama Rao博士P.V.V²

2 M.Tech[电力电子]学生，Sri Vishnu Engineering College for Women, Bhimavaram, India
印度比希玛瓦拉姆，斯里毗瑟奴女子工程学院，教授兼EEE系主任

摘要

多电力飞机(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，旨在用完全由电力驱动的独立执行器取代液压系统。这是未来电动飞机的最重要的技术之一。然而，MEA对飞机电气系统提出了一些挑战，无论是在所需功率的数量还是在该功率的处理和管理方面。针对三相电压源脉宽调制整流器(VSRs)在动态负载下的柔性电压调节问题，在旋转同步坐标d−q的非线性控制下，提出了一种基于模糊规则的直流母线切换控制方法。针对VSR的不同工作点设计了多个线性控制器，并根据一定的切换规律在VSR系统上实现了模糊控制器。在模糊控制器的基础上，保证了控制方法的稳定性。仿真和实验结果表明，该方法对负载大范围快速变化的VSR调压具有良好的控制性能。与传统的PI控制器相比，模糊控制器在大范围、快速变化的有功负荷下的控制效果较差。

关键字

多电动飞机，电力电子，模糊控制器，负载控制。

介绍

最近，飞机工业在民用和军用领域都取得了巨大的进步，例如目前一些商业客机的重量超过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二次动力类型的组合驱动，如液压、气动、电气和机械动力。三相电压源脉宽调制整流器具有高功率因数、近正弦输入电流、双向功率流能力[1]、[2]、[3]等优点。虽然在许多工业应用中得到了广泛的应用和研究，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。

近年来在电力电子系统、容错电机、电静液致动器、机电致动器和容错电力系统等领域的突破，重新引起了人们对快速变化主动负荷的关注。目前，在航空工业中很少出现应用。随着更多的电动飞机(MEA)成为未来飞机的主要趋势，飞机动力系统中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，肩负着驱动飞机控制面的任务。与一般的电力负载不同，飞机执行机构表现为恒定功率负载(cpl)。此外，在飞机作动器的动作过程中，输入功率会在较大的范围内快速变化。这些负载特性给电源带来了巨大的挑战。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VSRs对航空工业非常重要，特别是在电动执行器负载下。

在过去的几十年里，已经报道了大量关于控制VSRs以获得理想性能的研究[10]。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，在大范围快速变化的负载[7]下，线性控制器无法保证VSR的稳定性和性能。非线性控制策略在过去几年中得到了广泛的研究，例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很大的复杂性，因此有必要开发一种既能实现系统稳定性，又能满足预期性能要求，同时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励磁同步发电机。该机器具有高可靠性和固有安全性，因为可以消除磁场激励，从而使机器断电。因此，在空客A380上，三级同步发电机的额定功率多年来一直在增加，达到150KVA。但是，预计多边环境协定对发电的需求将增加，这表明大功率发电机可能直接连接到发动机上，安装在发动机轴上，并在整体式起动器/发电机(IS/G)方案中用于发动机启动。恶劣的操作条件和高环境温度使大多数材料接近或超出其极限，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，提出了一种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一定的控制器。

电动执行器负载特性

A.电动执行器负载的动态特性

驱动飞机控制面运动的飞机电动执行器是快速位置控制系统。执行器负载需要短期的高峰值功率，稳定状态或背景负载低于峰值需求的10%。这显然取决于具体的应用，通常称为飞机电网的动负荷。

图1显示了电动执行器负载将表面从一个静止位置移动到另一个静止位置时的动态特性。负载循环[9]有三个基本部分。

1.输入功率加速电机和负载的惯性。

2.表面移动对抗负载(电机传递速度和扭矩)。

3.表面保持负载(电机传递扭矩，但没有速度)。

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电平/形式转换到另一个电平/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，这意味着它能够在异常条件下继续工作，而不会造成输出功率的损失或性能的下降。

3.该系统应高效，并具有在高温、低维护等恶劣条件下运行的能力。

C.电动执行器负载配电与管理系统

飞机电源系统通常由115V 400Hz交流电和28V直流电组成，前者用于大负载，后者用于航空电子设备、飞行控制和电池驱动的重要服务。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。系统电压建议设置为270v、350v或540V。采用高值的配电系统具有减轻重量、减小体积和减少损耗的优点，同时提高了传输功率的水平。然而，确切的值是由许多因素决定的，例如，直流开关设备的能力，组件的可用性以及在高海拔和低压[10]下电晕放电的风险。

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R_l连接到输出端。一种改进的三相电压源整流器的线性状态空间模型是[11]

vsr的开关控制

在本节中，将提出一种新颖的三相VSRs开关控制方法。开关控制方法的目的是在大范围快速变化的负载下对电压发生器的直流母线电压进行良好的调节。

A.电流控制器采用经典PI控制器

B.空间矢量脉宽调制(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，需要卓越的性能。最近，电力电子和半导体技术的发展导致电力电子系统的改进。因此，不同的电路结构即多电平逆变器已成为流行，并引起了研究人员的极大兴趣。交流驱动的可变电压和频率供应总是由三相电压源逆变器获得。多种脉宽调制(PWM)方案被用来获得可变电压和频率的电源。在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)由于其易于数字化实现和更好的直流母线利用率，有越来越多的应用趋势。本项目着重于在感应电机上逐步开发SVPWM。

讨论了基于空间矢量理论的三相电压源逆变器模型。在MATLAB/Simulink环境下获得仿真结果，验证了研究的有效性。

由两个PI控制器(PI2和PI3)组成的电流控制器如图4所示。在该控制方案中，在控制器的最后一级采用前馈补偿了(1)和(2)中ωLide和ωLiqe的交叉耦合项。因此，iqe的q轴电流即有功电流可以在ide和u(或)上独立控制，无功电流也可以在ide上独立控制。的变量是ide和iqe的参考值。整流时的单位功率因数为零，由外部电压控制器设定。设变量x5和ξ1分别表示PI2的积分器输出和PI2的输出，则PI2的控制律为

仿真结果

在MATLAB/simulink中对第五节所述整流系统进行建模，飞机电动执行器负载如图1所示。为了比较，对所提出的开关控制方案和经典线性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显示了所提出的开关控制器的响应。可以看出，实现了平衡和优化的dbus响应，在动态过程中具有可接受的小纹波，振荡很小，在上电情况下具有可忽略不计的小超调。

结论

用单一的电力动力取代传统的非推进飞机动力，机械、液压和气动被称为MEA，被认为是未来的趋势引领者。MEA提高了飞机的可靠性、经济性和燃油消耗。此外，MEA降低了拥有成本、操作和维护成本。但是，执行多边环境协定需要在发电、分配和管理领域进行创新。将发电机嵌入到航空发动机中被认为是产生大量动力的关键问题，因为它消除了繁琐的匹配齿轮箱。

本文提出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传统的PI控制器，为克服大范围负载调节问题提供了一种简单、有效的方法。根据推导出的开关电压控制器，设计了几种不同工作点VSR的线性控制器，并根据负载的视阻值选择了某一控制器。为了获得更好的响应，可以合理地增加开关稳压器的子控制器数量。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进行了仿真和实验，结果表明，该开关控制方法对这种大范围、快速变化的动态负载具有良好的直流母线电压调节能力。

致谢

感谢学院管理层、校长和全体教职工为本次工作的开展和论文的发表提供了宝贵的意见和广泛的支持。

参考文献

《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. Cronin，“全电动飞机”，ieee评论，第36卷，第309-311页，1990。
R. I. Jones，《电动飞机:过去与未来?》，" 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, L. Romeral，“飞机上可靠的机电致动器”，IEEE航空工程学报。电子。系统。杂志，第23卷，第2号。8，第19-25页，2008年8月。
王志强，刘志强，刘志强，“基于多功率因数的三相ACDC变换器在电动飞机上的应用”，电子工程学报。印第安纳州。电子。，vol. 52, no. 3, pp. 727–737, Jun. 2005.
郭勇，王晓明，李洪昌，李柏涛。“基于实时多处理的稳压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.
杨志强，“一种电压型PWM变换器的高性能控制”，vol . 11, vol . 11, IEEE Power Electron。Spec. Conf. (PESC ' 88)， 4月，pp. 360-368。
t·s·艾。李，“基于拉格朗日建模和无源控制的三相AC/DC电压源变换器”，IEEE Trans。印第安纳州。电子。，vol. 51, no. 4, pp. 892–902, Aug. 2004.
吴晓辉，潘世凯，徐建新，“基于频率域的PWM升压整流器的直流电压和供电侧电流谐波最小化”，电子工程学报。电力电子。，第23卷，第2期。4, pp. 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，1999,pp. 719-721。
杨晓明，“一种新型的三相PWM变换器的建模与控制方法”，电子工程学报，第32期。《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”，《电气与电子工程学报》。印第安纳州。电子。，vol. 45, no. 2, pp. 263–273, Apr. 1998.