起动/发电机是利用电机可逆运行原理，发动机起动时作电动机用，起动结束后作发电机运行，一机基金项目：国防预研基金项目（ H44. 6. 1）和航空基础科学基金项目（97F52052）。

　　两用，减小了机载设备体积和重量，提高了飞机的可靠性。有刷直流起动/发电机虽然起动与发电性能良好，但存在电刷和换向器，使维护复杂、使用寿命短、功率等级低，从而限制了进一步发展。于是无刷起动/发电技术便应运而生，并成为航空机载电气技术研究的一个热点。

　　无刷起动/发电系统的关键技术之一是双向功率变换器。电容储能型C2dump变换器与传统的桥式变换器比较，所用功率器少，不存在直通的可能性，因此是无刷直流电动机的一种较理想的变换器。但直接应用于发电存在能量在变换器-电机内部循环、发电效率低、对滤波电感要求高等问题。为此，本文对C2dump变换器进行了改进，提出了一种可作电动与发电运行的全波升压式C2dump双向变换器，它与梯形波同步电机构成一种新型无刷直流起动/发电机。本文对这种起动/发电机起动过程变换器主开关占空比与电机转速的关系，发电工作的外特性、调节特性以及对电机转速范围的限制、效率、输出电压脉动等进行了详细的理论分析和仿真研究。C2dump变换器作为一种新型功率变换电路拓扑从未用于发电系统，因此，本文的研究很大程度上带有探索性质。

　　2C 2 dump双向变换器的拓扑及运行原理C2dump双向变换器采用前后级串联工作结构，前级由T a、T b、T c、D a1、D b1、D c1、D a2、D b2、D c2及C o构成三相全波升压式变换器，后级由T r、D r、L r和C d构成降压式变换器。S 1为起动、发电转换开关。起动时，S 1闭合，这时负载R L改为直流电源。

　　理想换相情况下一相导电，等效电路如所示。，T s表示主开关T a、T b、T c，D表示二极管D a1、D b1、D c1。前级将电源能量传输给电机，使电机处于电动状态，起动发动机；后级将主开关关断时绕组电感磁能和制动时机组机械能转变为电能后回馈电源。这时起动/发电机采用无刷直流电动机工作方式，工作原理与电动工作原理相同。

　　一旦起动结束，S 1断开，系统作为无刷直流发电机运行。电机输出的三相变压变频电压由前级升压变换为直流电压V co，然后由后级调整为符合要求的输出电压V N。假设电机三相绕组对称，相反电势为波项宽120°的梯形波。则理想换相时三相绕组可合并为一相，等效电路如所示。正常转速范围内，前后级分别以一定的占空比串联运行。

　　3工作特性的理论分析3. 1起动特性假设R s和L s分别为电机相绕组电阻和电感，e p为相反电势幅值， C e为电势系数， n为转速， i s为相电流， I s为其幅值， u s为相绕组电压， U s为其在120°导通期内的平均值， V o为变换器直流母线电压， T为开关周期， D s为前级变换器的占空比，则主开关T s通断过程电机相电压分别为u s = V 0 = L s d i s d t + i s R s + e p 0≤t < D s T（1）u s = V 0 - V co = L s d i s d t + i s R s + e p D s T≤t < T （2）由此可得相电压平均值U s = V 0 -（1 - D s） V co = e p + I s R s（3）因此，前级主开关占空比与电机转速为D s = e p + I s R s + V co - V 0 V co（4）n = e p C e = V 0 -（1 - D s） V co C e - I s R s C e（5）显然，改变D s即可实现无刷直流电机的无级调速，从而可在起动过程对发动机转速进行控制。

　　2外特性由于功率器件导通等效电阻相对电机绕组电阻较小，分析工作特性时忽略。这时前级的输入电阻为2 R s，呈非理想升压式变换器特性。由文可知其输入输出关系为V co = 1 1 - D s 2 e p 1 + 2 R s / < （1 - D s）2 R l >（6）V 0 = D r V co（7）式中R l为前级等效负载电阻； D r为后级占空比。设I c为前级的输出平均电流，则I c与电机电流幅值及起动/发电机输出负载I 0的关系为I c = I s（1 - D s）= I 0 D r（8）因此，前级的等效负载电阻可表示为R l = V co I c = V co D r I 0 = V 2 co V 0 I 0 = V 0 D 2 r I 0（9）由式（6）、（7）和（9）可得V 0 = 2 D r 1 - D s e p - 2 D 2 r（1 - D s）2 R s I 0 = 2 D r 1 - D s C e n - 2 D 2 rR s I 0（1 - D s）2 = C′e n - R′s I 0（10）式（10）为无刷直流发电机的外特性方程，其中C′e = 2 D r 1 - D s C e和R′s = 2 D 2 r（1 - D s）2 R s分别为等效电势系数和等效内阻。当D s与D r一定时， C′e与R′s保持不变。可见，基于C2dump变换器的无刷直流发电机具有与一般直流发电机相同的外特性。

　　3调节特性无刷直流发电机采用电压闭环控制，使输出电压V o等于额定直流电压V N，由于前级输出电压V co一般设置为恒值E ，这时D r为常数。因此，为了在输出负载及发动机转速变化时，仍能保持V o为额定值，需通过控制D s进行调压控制。将V 0 = V N， V c 0 = E代入式（6）、（9） ，整理得D s = 1 - e p + e 2 p - 2 V N R s I 0 E（11）当D s与n满足上式关系时， V o等于额定电压。

　　由式（8）、（11）得到电机相电流幅值I s = I 0 D r 1 - D s = I 0 V N e p + e 2 p - 2 V N R s I 0（12）I s随负载I 0增加而增大，电机绕组电阻压降的作用使电机输出电压降低，但采用电压闭环的双向变换器将通过调节占空比，使输出电压保持不变，即系统在工作范围内具有平直的外特性。　

　　4对转速范围的限制由式（11）可知，前级正常工作的条件是e 2 p - 2 V N R s I 0与D s≥0，整理得e p≥2 V N R s I 0（13）e p≤E 2 + 2 V N R s I 0 2 E（14）显然，电机应在下列转速范围内工作2 V N R s I 0 C e≤n≤E 2 + 2 V N R s I 0 2 C e E（15）转速变化范围随负载I 0变化。由于允许的最低转速n min和最高转速n max与I 0直接相关，应分别按最大负载与最小负载计算，即n min = 2 V N R s I 0max C e（16）n max = E 2 + 2 V N R s I 0min 2 C e E（17）超过n max时，采用单级工作方式，即前级仅作全波整流电路工作，输出电压的调节由后级降压式电路完成。

　　5效率无刷直流发电机（）的损耗包括电机损耗和变换器损耗。负载越大，电机铜耗和变换器损耗增加，但电机铁耗减小。小负载时，随着负载增大，铁耗减小的程度大于铜耗和变换器损耗增大的程度，效率将提高；但负载增大到一定程度时，铜耗及变换器损耗占主导地位，随着负载增大效率将减小。

　　为分析与计算方便，仅考虑较大负载时情况，这时电机损耗只考虑铜耗，即近似认为2 I 2 s R s。若所用功率器件通态压降为U ces，前级变换器的开关管和二极管的通态损耗分别为U ces I s D s、U ces I s（1 - D s） ，则变换器通态损耗为U ces I s，近似认为功率管的开关损耗等于通态损耗，因此，前级总的损耗为2 U ces I s。同理可得后级总的损耗为2 U ces I s。所以，起动/发电机发电运行效率近似为η= V N I 0 V N I 0 + 2 U ces I s + 2 U ces I 0 + 2 I 2 s R s（18）3。

　　6输出电压脉动输出电压脉动ΔV 0是直流电源一个重要指标。

　　双向变换器ΔV 0不仅与开关管工作频率f s、输出滤波电感与电容有关，而且与储能电容电压V c 0及其脉动大小ΔV c 0有关。由于储能电容电压脉动为ΔV c 0 = 1 C o∫T D s T（ I s - I c）d t =（ I s - I c）C o（1 - D s） T = I o D r D s T C o（19）因此，后级的占空比为D r =ΔV co C o I o D s T = V N E +ΔV co（20）由上式可解得ΔV co = - C o E + C 2 o E 2 + 4 C o V N I o D s T 2 C o（21）由于后级为buck电路，故ΔV 0为< 2 >ΔV 0 = V co D r（1 - D r） T 2 8 C d L r（22）考虑电压脉动后储能电容电压V co = E +ΔV co，将其代入式（22） ，可得ΔV 0 =ΔV co C o（ E +ΔV co） （ I o D s T -ΔV co C o）8 C d L r I 2 0 D 2 s（23）上述理论分析是在假设理想换相情况下进行的。

　　4仿真结果与分析仿真参数： R s = 0。

　　4. 1变换器参数对发电运行性能的影响双向变换器主要参数：储能电容C 0和电压E、输出滤波电容C r和滤波电感L r对系统发电运行性能的影响。

　　E越大， n max越高，但ΔV 0也随着增大。考虑到E过高，对功率器件耐压值要求也提高，降低功率电路的可靠性，综合几种因素取E = 400V.增大电容C 0和C r可提高系统的稳态性能，有利于减小ΔV 0，但ΔV 0减小到一定程度后，电容的增大对改善稳态性能就不太明显了，故取C 0 = C r = 100μF是合理的。

　　L r对ΔV 0的影响与C 0、C r类似，应取L r = 1。

　　4. 2起动与发电工作特性与转速n的关系曲线。发动机一般采用恒力矩起动方式，故起动过程电机电流I s保持恒定。I s越大， D s越大，这是因为绕组电阻压降增大，相同转速下需提高相电压。空载电压为270V.由于前后级占空比恒定，随着负载增大，发电机输出电压将降低，其压降大小与负载及发电机等效内阻有关。假设不同转速时空载电压相同，则D r 1 - D s = 270 2 C e n。显然，转速越低，D r 1 - D s越大，因此等效内阻也越大，外特性越软。

　　最低与最高转速随负载的变化情况。应取输出负载为50A时的转速2685 rmin - 1作为最低转速n min，而最高转速按空载时选取，即n nmax = 5168rmin - 1，因此发电工作转速范围为2685～5168 rmin - 1。下面取5000 rmin - 1、4000 rmin - 1和3000 rmin - 1作为高、中、低转速3种情况分析发电系统的调节特性、效率及输出电压脉动。

　　一定转速下，负载I 0越大，相电流I s和占空比D s也越大，、7.I s与I 0近似成正比。D s随I 0变化主要是由绕组电阻压降引起，由于R s较小， D s随I 0变化的程度较小。

　　可以看出，随着转速的升高，效率η增大。这是因为在功率相同的情况下，转速越高，相电流越小，铜耗越小，有利于效率的提高。因此，应尽量在较高转速下运行。输出电压脉动ΔV 0与转速、输出电流的关系曲线。转速升高，有利于ΔV 0减小，因为转速升高后电机电流将减小，由电流变化引起的储能电容电压脉动ΔV c 0也将减小。输出电流越大，ΔV c 0越大，从而ΔV 0也越大。

　　5结论（1） C - dump双向变换器拓扑结构较简单，可靠性高，在航空电气系统中应用具有重要意义。

　　（2）基于C - dump双向变换器的无刷直流起动/发电机电动运行时与无刷直流电动机相同；发电时具有与无刷直流发电机相同的外特性，通过电压闭环控制，在较宽工作转速范围内有平坦的外特性。

　　（3）系统在高速时效率较高，而航空发动机大多处于巡航转速和最大转速（飞机爬升）的工作条件下，因此应用于航空无刷起动/发电系统在效率方面具有优点。