航空無刷同步起動/發(fā)電機單相交流勵磁系統(tǒng)研究

王 錚，劉衛(wèi)國，焦寧飛，楊南方

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著多電飛機和大型飛機的發(fā)展，交流航空電源系統(tǒng)應(yīng)運而生并得到了廣泛的關(guān)注。目前，航空交流電源系統(tǒng)基本都采用三級式無刷同步電機作為發(fā)電機，無刷同步電機電源品質(zhì)好且易于實現(xiàn)大功率輸出，可滿足大型飛機對電源系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)的三級式航空發(fā)動機需由專門的起動機進行起動，這樣的發(fā)動機－電源系統(tǒng)包含兩套電機，使得其體積和重量都比較大，且系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低。起動/發(fā)電一體化電源系統(tǒng)利用勵磁機運行在電動狀態(tài)來完成發(fā)動機的起動，省去了專門的起動機，減輕了機載重量和系統(tǒng)體積，對于大型飛機的發(fā)展具有重大意義。

為了實現(xiàn)無刷勵磁同步電機起動/發(fā)電的一體化，并保證其可靠性，在不增加起動繞組的基礎(chǔ)上，利用原勵磁機的勵磁繞組，通入單相交流電進行勵磁。單相交流電可建立起交變的磁場，在勵磁機的電樞繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢并為主發(fā)電機提供勵磁，如果勵磁足夠強，主發(fā)電機就可以實現(xiàn)起動［1－4］。本文針對一臺經(jīng)過改裝的兩級式起動/發(fā)電機樣機進行仿真與試驗。

1 勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 兩級式無刷同步起動/發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在起動過程中，作為副勵磁機的永磁發(fā)電機不參與工作，因此在研究起動過程時，不把永磁發(fā)電機作為研究對象。航空無刷同步起動/發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它主要由勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機構(gòu)成。勵磁機為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機，其定子勵磁繞組為單相繞組;旋轉(zhuǎn)整流器采用三相全橋整流結(jié)構(gòu)，主發(fā)電機為帶有阻尼繞組的電勵磁同步電機。旋轉(zhuǎn)整流器與兩個電機的轉(zhuǎn)子同軸安裝［5］。由于勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器耦合關(guān)系密切，因此將其與作為電機負載的主發(fā)電機勵磁繞組統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁機控制器實現(xiàn)勵磁機勵磁電流的控制，主發(fā)電機控制器實現(xiàn)電機起動過程中主發(fā)電機電樞電流的控制，這兩個控制器之間進行實時通信。

發(fā)電狀態(tài)下，在勵磁機定子繞組中通入直流電(此直流電由機載電源系統(tǒng)提供或者由與勵磁機同軸的永磁同步發(fā)電機提供)進行勵磁，在勵磁機電樞繞組上感應(yīng)產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后得到直流電提供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組，主發(fā)電機定子繞組上便感應(yīng)出三相交流電［6－8］。

起動狀態(tài)下，在電機靜止階段，若給勵磁機定子繞組仍然通以直流電，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組上不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，則主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組中沒有勵磁電流，主發(fā)電機無法電動運行;若給勵磁機定子繞組通入單相交流電，勵磁機轉(zhuǎn)子三相繞組中會感應(yīng)出同相位不等幅的空間脈振交流電，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器后變成直流電供給主發(fā)電機勵磁，為主發(fā)電機的電動運行提供了條件。

2 單相勵磁分析

當在勵磁機定子繞組通入單相交流電時，產(chǎn)生交變的磁場，磁場的基波磁勢是脈振磁勢，可將其可分解為轉(zhuǎn)向相反、幅值相同、轉(zhuǎn)速相同的兩個旋轉(zhuǎn)磁勢。ω1= 2πf1為相應(yīng)的角速度。當電機轉(zhuǎn)速為n 時，勵磁機電樞繞組以不同的速度切割正序和負序磁勢，可感應(yīng)出頻率為f + f1和f－f1的兩種感應(yīng)電勢，其中為電機轉(zhuǎn)速，ω = 2πf為相應(yīng)的角速度［9］。

當勵磁機磁路不飽和時，忽略磁場高次諧波，設(shè)勵磁機電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為N2，繞組系數(shù)為KN2，脈振磁勢產(chǎn)生的每極磁通的幅值為Φm，開始時勵磁機A 相繞組軸線超前于勵磁繞組軸線的電角度為θ。當勵磁機的轉(zhuǎn)速為n 時，正向旋轉(zhuǎn)磁場在勵磁機各相電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢:

該電勢的角速度:

式中:E+= 4．44N2kN2f+Φm。

而反向旋轉(zhuǎn)磁場在勵磁機各相電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢:

該電勢的角速度:

式中:E－= 4．44N2kN2f－Φm

所以勵磁機轉(zhuǎn)子電樞繞組相感應(yīng)電勢:

就勵磁機轉(zhuǎn)子A 相繞組而言，有:

式中:MafE為勵磁機互感;U0為單相交流電壓有效值;RfE、LfE分別為勵磁機勵磁繞組的電阻和電感。

B、C 兩相的感應(yīng)電勢類似，這里不再給出。從式(4)可以看出，當電機組轉(zhuǎn)動起來后，勵磁機電樞繞組的感應(yīng)電勢不僅與所加交流勵磁電壓的幅值和頻率有關(guān)，還與電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 靜止狀態(tài)勵磁分析

3.1 仿真分析

靜止狀態(tài)下，勵磁機可看成是變壓器。勵磁機勵磁電壓越大，勵磁機電樞繞組上感應(yīng)的電勢也越大，經(jīng)整流后得到的主發(fā)電機勵磁電流也越大。航空直流電源經(jīng)過單相逆變可以得到單相交流電的最大值為238 V 左右，這里取238 V 作為仿真時勵磁電壓有效值的最大值。本文中仿真采用正弦波電壓源供電，有效值恒為238 V，勵磁機勵磁頻率從60 Hz 逐漸增大到150 Hz，得到的勵磁機電樞繞組A 相感應(yīng)電勢和主發(fā)電機勵磁電流仿真結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，在238 V 交流勵磁電壓下，隨著勵磁機勵磁頻率的增大，主發(fā)電機勵磁電流先增大后減小，當勵磁頻率為100 Hz 時，主發(fā)電機勵磁電流達到最大，最大值為13．08 A。仿真得到238 V/100 Hz 交流勵磁下勵磁機電樞繞組A 相感應(yīng)電勢和主發(fā)電機勵磁電流的波形，如圖2 所示。

表1 238 V 交流電壓勵磁下勵磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖2 238 V/100 Hz 交流勵磁下勵磁系統(tǒng)結(jié)果

3.2 試驗分析

用一臺交流電源為勵磁機提供勵磁電壓，固定勵磁機轉(zhuǎn)子位置，利用電流傳感器及示波器來監(jiān)控主發(fā)電機勵磁電流的大小及波形，調(diào)節(jié)勵磁機勵磁頻率，待主發(fā)電機勵磁電流穩(wěn)定后測量其大小并記錄波形。勵磁頻率由60 Hz 增大到150 Hz 時，主發(fā)電機勵磁電流的仿真結(jié)果與試驗值對比情況如表2所示。

表2 主發(fā)電機勵磁電流仿真與試驗結(jié)果(有效值)對比表

由表2 可知，隨著勵磁機勵磁頻率的增大，主發(fā)電機勵磁電流的仿真值與實驗值均先增大后減小。當勵磁機勵磁頻率為100 Hz 時，主發(fā)電機勵磁電流的仿真與試驗結(jié)果均達到最大值，分別為13．08 A和13．13 A，相差0．4%，在勵磁頻率為60～150 Hz的區(qū)間內(nèi)，兩者最大相差約5%。此差異的原因主要在于仿真采用的勵磁機與旋轉(zhuǎn)整流器均為理想模型，與試驗樣機存在差異。此外，仿真中采用的主發(fā)電機的電阻及電感值均為測量值，測量引入的誤差也是導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在差異原因之一。

4 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)勵磁分析

當勵磁機旋轉(zhuǎn)起來后，給勵磁機勵磁繞組通入交流電和直流電均可以進行勵磁。如果繼續(xù)采用單相交流勵磁，則在勵磁機電樞繞組上感應(yīng)的電勢中既有變壓器電勢又有旋轉(zhuǎn)電勢，且兩個電勢的周期相位都不同，這導(dǎo)致疊加起來后的電樞繞組總電勢波形是比較復(fù)雜的。

4.1 單相交流勵磁仿真分析

由上一節(jié)的分析可知，為了達到較好的勵磁效果，電機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，勵磁機依然采用238 V/100 Hz 的單相交流勵磁。仿真得到電機轉(zhuǎn)速為500 r/min 時的勵磁機電樞繞組A 相感應(yīng)電勢與主發(fā)電機勵磁電流的曲線，如圖3 所示。

圖3 238 V/100 Hz 交流勵磁、轉(zhuǎn)速為500 r/min 時的勵磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

采用238 V/100 Hz 單相交流勵磁時，勵磁機不同轉(zhuǎn)速下的主發(fā)電機勵磁電流仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 238 V/100 Hz 單相交流勵磁勵磁機不同轉(zhuǎn)速下主發(fā)電機勵磁電流仿真結(jié)果

4.2 直流勵磁仿真分析

當電機旋轉(zhuǎn)起來以后，直流勵磁可以在勵磁機電樞繞組上感應(yīng)出感應(yīng)電勢，進而為主發(fā)電機提供勵磁，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，直流勵磁所產(chǎn)生的主發(fā)電機勵磁電流會增大。

在2．5 A 直流勵磁下，勵磁機磁場接近飽和，勵磁能力基本達到最大，所以選用大小為2．5 A 的直流源作為勵磁電源。針對2．5 A 直流勵磁、轉(zhuǎn)速為500 r/min 的情況進行仿真，得到勵磁機電樞繞組A 相感應(yīng)電勢與主發(fā)電機勵磁電流的曲線如圖4 所示。

圖4 2．5 A 直流勵磁、轉(zhuǎn)速為500 r/min 時的勵磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

采用2．5 A 直流勵磁時，勵磁機不同轉(zhuǎn)速下主發(fā)電機勵磁電流的仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 2．5 A 直流勵磁勵磁機不同轉(zhuǎn)速下主發(fā)電機勵磁電流仿真結(jié)果

4.3 交直流勵磁切換

將不同轉(zhuǎn)速下交流勵磁和直流勵磁時主發(fā)電機勵磁電流的仿真結(jié)果表示在同一個坐標系中進行比較，可以得到如圖5 所示的對比圖。

圖5 交、直流勵磁、仿真結(jié)果對比

從圖5 中可以看出，單相交流勵磁和直流恒流勵磁時，主發(fā)電機勵磁電流的大小都隨著電機轉(zhuǎn)速的提高呈近似線性地增大，只是直流勵磁增大的速率大于單相交流勵磁時的速率。兩條曲線相交點所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為900 r/min，即當電機轉(zhuǎn)速為900 r/min 時，采用238 V/100 Hz 的單相交流勵磁和2．5 A 的恒流勵磁，兩者所產(chǎn)生的勵磁效果基本一致。當電機轉(zhuǎn)速小于900 r/min 時，交流勵磁的效果優(yōu)于直流勵磁的效果，當電機轉(zhuǎn)速大于900 r/min 時，直流勵磁的效果優(yōu)于交流勵磁的效果。對比仿真圖形圖3(b)和圖4(b)可以看出，勵磁機采用直流勵磁時主發(fā)電機勵磁電流的波動比較小，采用單相交流勵磁時主發(fā)電機勵磁電流的波動較大。主發(fā)電機勵磁電流波動的大小會影響到電機控制的穩(wěn)定性，波動越大，控制難度越大。根據(jù)以上分析，勵磁機單相交流勵磁向直流勵磁切換的速度點應(yīng)該在900 r/min 以前。

5 結(jié) 語

本文分析了航空無刷同步起動/發(fā)電機的工作原理和單相勵磁原理，利用有限元分析方法，對勵磁系統(tǒng)進行了靜態(tài)分析，研究結(jié)果得到了試驗驗證。本文分析得到了勵磁機靜止時，單相交流勵磁下主發(fā)電機勵磁電流的最大值。同時，本文還研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下勵磁機分別采用交流勵磁與直流勵磁時主發(fā)電機的勵磁特性，并得到了勵磁機交/直流勵磁的速度切換范圍。本文的研究成果為研究航空無刷同步起動/發(fā)電起動控制提供了參考。

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