某型大功率起動發(fā)電機的中線接法對起動過程的影響分析

張海英　趙淵昉

摘? 要：某型動力裝置在地面聯(lián)試起動時，引起地面電源過流、欠壓保護，并造成交流起動控制器內(nèi)部電容發(fā)生爆炸，擊穿設(shè)備外殼。文章就該故障從理論分析入手，結(jié)合地面試驗驗證，得出該型動力裝置在起動過程中，起動發(fā)電機的中線不能夠與地面電源的中線短接，并提出了解決方案。經(jīng)機上試驗論證解決方案有效。

關(guān)鍵詞：整流單元;支撐電容;SVPWM調(diào)制;中線壓差;功率電阻

中圖分類號：TM343? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0104-03

Abstract： During the joint start-up of a certain type of power plant on the ground， it causes overcurrent and undervoltage protection of the ground power supply， and causes the internal capacitance of the AC starting controller to explode and break down the outer shell of the equipment. In this paper， starting with the theoretical analysis of the fault， combined with the ground test verification， it is concluded that in the starting process of this type of power plant， the middle line of the starting generator can not be short connected with the middle line of the ground power supply， and the solution is put forward. Through the on-board test， it is proved that the solution is effective.

Keywords： rectifier unit; support capacitor; SVPWM modulation; midline voltage difference; power resistance

1 概述

近年來，多電化和全電化已成為飛機技術(shù)發(fā)展的一種趨勢，電驅(qū)動方式的大量使用、機載設(shè)備用電量的急劇增加、航電設(shè)備現(xiàn)代化程度的迅猛提高，導(dǎo)致飛機發(fā)電機的功率日益增大，相應(yīng)的起動機功率也隨之增大，起動/發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性和高功率性在多電飛機蓬勃發(fā)展的大環(huán)境中尤為重要。目前， 多電飛機技術(shù)己經(jīng)在F-35、A320和B787等飛機上廣泛采用，但在國內(nèi)還處于技術(shù)探索階段，作為關(guān)鍵技術(shù)之一的起動/發(fā)電技術(shù)是多電飛機發(fā)展的基礎(chǔ)。

2 背景及故障描述

某型動力裝置配置了一臺大功率起動/發(fā)電機，采用三相115V/400Hz交流電源起動，是大功率起動/發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)的初次嘗試。該型動力裝置在它機驗證試飛地面起動試驗過程中，地面電源的電壓被迅速拉低，電源車欠壓保護裝置動作，多次試驗也造成了起動發(fā)電機配套的起動控制器內(nèi)部支撐電容單元發(fā)生爆炸。為解決該故障，從該型起動發(fā)電機的試飛裝機狀態(tài)和地面試車狀態(tài)進行對比，結(jié)合起動系統(tǒng)的工作原理進行了研討分析。

3 起動系統(tǒng)工作原理

該型動力裝置起動系統(tǒng)功率拓撲圖如圖1所示。

地面三相115V/400Hz交流電源經(jīng)交流起動控制器內(nèi)的三相橋式不可控整流單元后可得到280V直流電壓;當(dāng)內(nèi)部檢測單元檢測到280V直流電壓達到標(biāo)準(zhǔn)并且電壓值穩(wěn)定后，軟上電單元接通;280V直流電源經(jīng)支撐電容單元濾波后，再由逆變單元將直流電源進行逆變，并采用SVPWM方式進行調(diào)制。SVPWM方法將逆變單元和異步電機看做一個整體（正弦波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場帶動電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)），即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域里，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變單元的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變單元的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形。如圖2所示。

4 理論分析

如圖1所示，將起動電源中線點記為O，電機中線點記為N，控制器線支撐電容的負端為零電平，記為G。起動電源三相115V/400Hz交流電源經(jīng)過三相全橋不控整流電路后可得到280V的直流電壓，即控制器的直流母線電壓UDC=280V。根據(jù)三相全橋不控整流電路接電容負載的運行原理可知，圖中起動電源中線點O對G點的電壓UOG為直流母線電壓的一半，即140V，且由于三相全橋不控整流的作用，UOG中會含有頻率為1200Hz（交流電源頻率的3倍）的諧波分量。因此UOG可表示為：

UOG=140+U1sin（2π·1200·t）? （1）

注：U1為起動電源的相電壓，單位為伏/V;t為通電時間，單位為秒/S。

圖中電機中線點N對G點的電壓UNG。以逆變單元開關(guān)過程第一扇區(qū)為例進行分析說明。在第一扇區(qū)，三個橋臂上管在一個載波周期內(nèi)的開通情況如圖3的上部分所示。根據(jù)功率管的開通情況可以獲取UNG在該載波周期內(nèi)的波形如圖3的下部分所示。

從圖3中可以看出，UNG的平均值為140V，且其峰峰值為直流母線電壓，即280V。因此UNG可表示為：

UNG=140+（峰峰值為280V、頻率為載波頻率的脈寬調(diào)制波）? ? ? ?（2）

電機中線點N與起動電源中線點O的電壓差UNO可表示為：

UNO=UNG-UOG（3）

得到：

UNO=U1sin（2π·1200·t）+（峰峰值為280V、頻率為載波頻率的脈寬調(diào)制波） （4）

由公式（4）可以看出：電機中線點N與起動電源中線點O的電壓差為兩個交流波形的疊加，即包括一個頻率為1200Hz的正弦波和一個頻率為載波頻率、峰峰值為280V的調(diào)制波。當(dāng)?shù)孛骐娫碞線與電機N線通過飛機蒙皮短接在一起時，在起動過程中會產(chǎn)生較大的短路電流，引起地面電源電壓大幅降低，造成地面電源車過流、欠壓保護。

5 試驗驗證

為了對機上出現(xiàn)的問題在試驗室進行驗證并分析原因，搭建了該型交流起動發(fā)電系統(tǒng)試驗臺，進行相關(guān)試驗。試驗產(chǎn)品為裝機同型號的產(chǎn)品，按交路起動控制器試驗線路圖進行接線，并將起動電源的N線與電機的N線通過電阻連接，然后進行起動試驗，加相關(guān)測試線，進行280V母線電壓、起動電源輸出相電流、電機相電流、電機勵磁電流、N線回路電阻上的電壓及電流測試。如圖4所示。

逐漸減小N線回路中功率電阻的阻值大小，監(jiān)測起動電源電流值和N線回路電阻上的電壓及電流值的變化趨勢。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出如表1和圖5所示的結(jié)論。

通過試驗結(jié)果可以看出，隨著N線回路中電阻值的逐漸減小，電阻上的電流及起動電源輸出電流值逐漸變大，并成比例增大，電阻上的電壓波形及幅值基本不變。從試驗可以推斷，當(dāng)N線回路中電阻減小到一定值直至短路時，在N線回路中將產(chǎn)生巨大的短路電流，該電流從起動電源輸出到起動控制器，并通過電機N線回到起動電源的N線，造成地面電源電壓迅速拉低，起動控制器內(nèi)部電容被擊穿以致發(fā)生爆炸。如圖6所示。

6 解決方案

為解決某型動力裝置交流起動發(fā)電系統(tǒng)在起動過程中地面電源N線與電機N線不能短接的問題，在地面起動電源的N線與電機的N線之間增加一個接觸器，如圖7所示。該接觸器由交流起動控制器控制，在起動時交流起動控制器輸出直流28V電源，中線隔離接觸器吸合，使電機的N線與地面電源的N線斷開;電機轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)時，交流起動控制器無電壓輸出，中線接觸器斷開，電機N線接至機殼。

7 結(jié)論

該型動力裝置在起動過程中，電機中線與起動電源中線必須采取隔離，否則會發(fā)生短路危險，經(jīng)過多次試驗驗證，采用增加中線接觸器的方法方便快捷，可以有效地解決某型動力裝置在起動過程中拉低地面電源電壓的問題。

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