航空無刷同步起動(dòng)/發(fā)電機(jī)單相交流勵(lì)磁系統(tǒng)研究

王 錚，劉衛(wèi)國(guó)，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(jī)和大型飛機(jī)的發(fā)展，交流航空電源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(jí)式無刷同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，無刷同步電機(jī)電源品質(zhì)好且易于實(shí)現(xiàn)大功率輸出，可滿足大型飛機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)的三級(jí)式航空發(fā)動(dòng)機(jī)需由專門的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)－電源系統(tǒng)包含兩套電機(jī)，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(dòng)/發(fā)電一體化電源系統(tǒng)利用勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)來完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，省去了專門的起動(dòng)機(jī)，減輕了機(jī)載重量和系統(tǒng)體積，對(duì)于大型飛機(jī)的發(fā)展具有重大意義。

為了實(shí)現(xiàn)無刷勵(lì)磁同步電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電的一體化，并保證其可靠性，在不增加起動(dòng)繞組的基礎(chǔ)上，利用原勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組，通入單相交流電進(jìn)行勵(lì)磁。單相交流電可建立起交變的磁場(chǎng)，在勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)并為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，如果勵(lì)磁足夠強(qiáng)，主發(fā)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)［1－4］。本文針對(duì)一臺(tái)經(jīng)過改裝的兩級(jí)式起動(dòng)/發(fā)電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

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

在起動(dòng)過程中，作為副勵(lì)磁機(jī)的永磁發(fā)電機(jī)不參與工作，因此在研究起動(dòng)過程時(shí)，不把永磁發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象。航空無刷同步起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它主要由勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機(jī)構(gòu)成。勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)，其定子勵(lì)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(jī)為帶有阻尼繞組的電勵(lì)磁同步電機(jī)。旋轉(zhuǎn)整流器與兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸安裝［5］。由于勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器耦合關(guān)系密切，因此將其與作為電機(jī)負(fù)載的主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的控制，主發(fā)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)過程中主發(fā)電機(jī)電樞電流的控制，這兩個(gè)控制器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

發(fā)電狀態(tài)下，在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中通入直流電(此直流電由機(jī)載電源系統(tǒng)提供或者由與勵(lì)磁機(jī)同軸的永磁同步發(fā)電機(jī)提供)進(jìn)行勵(lì)磁，在勵(lì)磁機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，主發(fā)電機(jī)定子繞組上便感應(yīng)出三相交流電［6－8］。

起動(dòng)狀態(tài)下，在電機(jī)靜止階段，若給勵(lì)磁機(jī)定子繞組仍然通以直流電，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，則主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中沒有勵(lì)磁電流，主發(fā)電機(jī)無法電動(dòng)運(yùn)行;若給勵(lì)磁機(jī)定子繞組通入單相交流電，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組中會(huì)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(jī)勵(lì)磁，為主發(fā)電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行提供了條件。

2 單相勵(lì)磁分析

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

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)磁路不飽和時(shí)，忽略磁場(chǎng)高次諧波，設(shè)勵(lì)磁機(jī)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(shì)產(chǎn)生的每極磁通的幅值為Φm，開始時(shí)勵(lì)磁機(jī)A 相繞組軸線超前于勵(lì)磁繞組軸線的電角度為θ。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)速為n 時(shí)，正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在勵(lì)磁機(jī)各相電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì):

該電勢(shì)的角速度:

式中:E+= 4．44N2kN2f+Φm。

而反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在勵(lì)磁機(jī)各相電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì):

該電勢(shì)的角速度:

式中:E－= 4．44N2kN2f－Φm

所以勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組相感應(yīng)電勢(shì):

就勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子A 相繞組而言，有:

式中:MafE為勵(lì)磁機(jī)互感;U0為單相交流電壓有效值;RfE、LfE分別為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻和電感。

B、C 兩相的感應(yīng)電勢(shì)類似，這里不再給出。從式(4)可以看出，當(dāng)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)不僅與所加交流勵(lì)磁電壓的幅值和頻率有關(guān)，還與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 靜止?fàn)顟B(tài)勵(lì)磁分析

3.1 仿真分析

靜止?fàn)顟B(tài)下，勵(lì)磁機(jī)可看成是變壓器。勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓越大，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組上感應(yīng)的電勢(shì)也越大，經(jīng)整流后得到的主發(fā)電機(jī)勵(lì)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(shí)勵(lì)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(lì)磁機(jī)勵(lì)磁頻率從60 Hz 逐漸增大到150 Hz，得到的勵(lì)磁機(jī)電樞繞組A 相感應(yīng)電勢(shì)和主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仿真結(jié)果如表1 所示。

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

表1 238 V 交流電壓勵(lì)磁下勵(lì)磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

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

3.2 試驗(yàn)分析

用一臺(tái)交流電源為勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電壓，固定勵(lì)磁機(jī)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(jī)勵(lì)磁電流的大小及波形，調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁頻率，待主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流穩(wěn)定后測(cè)量其大小并記錄波形。勵(lì)磁頻率由60 Hz 增大到150 Hz 時(shí)，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的仿真結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比情況如表2所示。

表2 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仿真與試驗(yàn)結(jié)果(有效值)對(duì)比表

由表2 可知，隨著勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁頻率的增大，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的仿真值與實(shí)驗(yàn)值均先增大后減小。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁頻率為100 Hz 時(shí)，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的仿真與試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到最大值，分別為13．08 A和13．13 A，相差0．4%，在勵(lì)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(lì)磁機(jī)與旋轉(zhuǎn)整流器均為理想模型，與試驗(yàn)樣機(jī)存在差異。此外，仿真中采用的主發(fā)電機(jī)的電阻及電感值均為測(cè)量值，測(cè)量引入的誤差也是導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異原因之一。

4 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)勵(lì)磁分析

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)起來后，給勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組通入交流電和直流電均可以進(jìn)行勵(lì)磁。如果繼續(xù)采用單相交流勵(lì)磁，則在勵(lì)磁機(jī)電樞繞組上感應(yīng)的電勢(shì)中既有變壓器電勢(shì)又有旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，且兩個(gè)電勢(shì)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(shì)波形是比較復(fù)雜的。

4.1 單相交流勵(lì)磁仿真分析

由上一節(jié)的分析可知，為了達(dá)到較好的勵(lì)磁效果，電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，勵(lì)磁機(jī)依然采用238 V/100 Hz 的單相交流勵(lì)磁。仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)的勵(lì)磁機(jī)電樞繞組A 相感應(yīng)電勢(shì)與主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的曲線，如圖3 所示。

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

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

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

4.2 直流勵(lì)磁仿真分析

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來以后，直流勵(lì)磁可以在勵(lì)磁機(jī)電樞繞組上感應(yīng)出感應(yīng)電勢(shì)，進(jìn)而為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，直流勵(lì)磁所產(chǎn)生的主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流會(huì)增大。

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

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

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

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

4.3 交直流勵(lì)磁切換

將不同轉(zhuǎn)速下交流勵(lì)磁和直流勵(lì)磁時(shí)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的仿真結(jié)果表示在同一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行比較，可以得到如圖5 所示的對(duì)比圖。

圖5 交、直流勵(lì)磁、仿真結(jié)果對(duì)比

從圖5 中可以看出，單相交流勵(lì)磁和直流恒流勵(lì)磁時(shí)，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小都隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高呈近似線性地增大，只是直流勵(lì)磁增大的速率大于單相交流勵(lì)磁時(shí)的速率。兩條曲線相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min 時(shí)，采用238 V/100 Hz 的單相交流勵(lì)磁和2．5 A 的恒流勵(lì)磁，兩者所產(chǎn)生的勵(lì)磁效果基本一致。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于900 r/min 時(shí)，交流勵(lì)磁的效果優(yōu)于直流勵(lì)磁的效果，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于900 r/min 時(shí)，直流勵(lì)磁的效果優(yōu)于交流勵(lì)磁的效果。對(duì)比仿真圖形圖3(b)和圖4(b)可以看出，勵(lì)磁機(jī)采用直流勵(lì)磁時(shí)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的波動(dòng)比較小，采用單相交流勵(lì)磁時(shí)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的波動(dòng)較大。主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流波動(dòng)的大小會(huì)影響到電機(jī)控制的穩(wěn)定性，波動(dòng)越大，控制難度越大。根據(jù)以上分析，勵(lì)磁機(jī)單相交流勵(lì)磁向直流勵(lì)磁切換的速度點(diǎn)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(dòng)/發(fā)電機(jī)的工作原理和單相勵(lì)磁原理，利用有限元分析方法，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)分析，研究結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文分析得到了勵(lì)磁機(jī)靜止時(shí)，單相交流勵(lì)磁下主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的最大值。同時(shí)，本文還研究了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下勵(lì)磁機(jī)分別采用交流勵(lì)磁與直流勵(lì)磁時(shí)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁特性，并得到了勵(lì)磁機(jī)交/直流勵(lì)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(dòng)/發(fā)電起動(dòng)控制提供了參考。

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