大型客機發(fā)電系統(tǒng)研究

吳善永 曹 濤

（上海飛機設(shè)計研究院，中國 上海 201210）

0 概述

發(fā)電機是向飛機上電子電氣設(shè)備提供電力與電動力的關(guān)鍵部件，起動發(fā)電機使機載發(fā)電機從單一發(fā)電型發(fā)展為起動發(fā)動機與發(fā)電雙功能型，是現(xiàn)代先進(jìn)機載電機技術(shù)發(fā)展的重要方向，已經(jīng)成為多電、全電飛機的核心技術(shù)之一。

1 幾種發(fā)電系統(tǒng)比較

目前來看，適宜成為飛機電源起動發(fā)電系統(tǒng)的電機類型主要有三級式電勵磁同步電機、異步感應(yīng)電機、開關(guān)磁阻電機、雙凸極電機和混合勵磁同步電機。

1.1 三級式無刷起動/發(fā)電系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)整流器式三級無刷同步發(fā)電機仍然是目前航空電源系統(tǒng)的主選電機類型，在恒速恒頻（CSCF）和變速恒頻（VSCF）的發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。

三級式無刷同步發(fā)電機由主發(fā)電機、勵磁機、副勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器組成，三個電機轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)整流器共軸安裝。當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，勵磁機產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流后供主發(fā)電機勵磁，通過調(diào)節(jié)勵磁機的勵磁電流從而改變主發(fā)電機的磁場，以此實現(xiàn)無刷控制，另外它的副勵磁機專為調(diào)壓器和控制保護(hù)器供電。[1]

圖1 是用于波音787 電源系統(tǒng)的250kVA 三級式無刷同步發(fā)電機，作為變頻起動發(fā)電機，該電機頻率范圍為360-800Hz，重量為92.3kg，MTBF 為30000FH，MTBUR 為20000FH。

圖1 波音787 電源系統(tǒng)250kVA 變頻起動發(fā)電機

理論上講，在旋轉(zhuǎn)整流器式三級無刷同步發(fā)電機的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起動/發(fā)電雙功能，有許多關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)。如轉(zhuǎn)子靜止時旋轉(zhuǎn)整流器式無刷同步電動機的勵磁、主回路的拓?fù)?、電動運行的控制等。另外，三級無刷同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)較為復(fù)雜，用作起動機時，還必須在勵磁機定子極上增加一套三相繞組，導(dǎo)致電機結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，影響電源系統(tǒng)的可靠性。電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)包括勵磁機、主發(fā)電機、調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)，其動態(tài)性能難以提高。

1.2 異步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)

異步電機和功率變換器的組合可以構(gòu)成廣泛使用的調(diào)速系統(tǒng)，異步電機也可以逆向運行構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。

國外對異步電機構(gòu)成的起動/發(fā)電系統(tǒng)研究較早。20世紀(jì)80年代，美國Wisconsin 大學(xué)T.A.Lipo 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就開始研究異步電機在航空起動/發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，并成功地研制出了原理樣機：起動/發(fā)電系統(tǒng)由鼠籠異步起動/發(fā)電機、并聯(lián)諧振高頻交流鏈逆變器以及單相PDM（Pulse Density Modulated）變換器構(gòu)成（見圖2）。同時，英國還對雙饋感應(yīng)發(fā)電機的無位置傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究。[2]

圖2 異步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

我國對異步電機發(fā)電系統(tǒng)研究較早的有南京航空航天大學(xué)的胡育文教授和海軍工程大學(xué)的馬偉明院士。他們分別對籠型異步電機與雙饋繞組電機的發(fā)電控制進(jìn)行了較為深入的研究。另外，沈陽工業(yè)大學(xué)的王鳳翔教授還對雙饋感應(yīng)發(fā)電機進(jìn)行了研究。

到目前為止，還沒有見到國內(nèi)外大功率異步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)裝機試驗成功的報道。

1.3 開關(guān)磁阻電機起動發(fā)電系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代，開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Machine，SRM）由于結(jié)構(gòu)簡單堅固，轉(zhuǎn)子上無繞組，適合高速運行，效率高等優(yōu)點而受到研究人員的青睞。美國GE、Sundstrand 公司在USAF（United States Airforce）和NASA 支持下率先對SRM 無刷起動/發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并研制了30kW、250kW 等試驗樣機，詳細(xì)介紹了開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、起動控制、發(fā)電控制及性能。其中，研制的30kW開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)為單通道發(fā)電系統(tǒng)，電機采用的是6/4 極結(jié)構(gòu)SRM，功率密度達(dá)到3.89kW/kg，最高轉(zhuǎn)速為52000r/min；而250kW 開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)是雙通道發(fā)電系統(tǒng)，電機采用的是12/8 極結(jié)構(gòu)SRM（圖3 所示），系統(tǒng)額定輸出功率250kW，過載能力330kW。電機和變換器均采用油冷方式，發(fā)電轉(zhuǎn)速最高達(dá)22224r/min，電機功率密度為5.3kW/kg，系統(tǒng)的功率密度為2.56kW/kg，電機的效率高達(dá)91.4%，電壓品質(zhì)滿足MIL-STD-704E[3]。經(jīng)過多年的研究和試驗，美國的SR 起動/發(fā)電技術(shù)已相當(dāng)成熟。

圖3 12/8 極結(jié)構(gòu)SRM

與歐美國家相比，國內(nèi)開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)研究較晚。國內(nèi)研究開關(guān)磁阻電機的研究機構(gòu)較多，南京航空航天大學(xué)對開關(guān)磁阻電機的起動特性發(fā)電特性，功率變換器拓?fù)?，發(fā)電控制策略以及無位置傳感器控制技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一系列成果。西北工業(yè)大學(xué)的研究人員主要進(jìn)行了發(fā)電系統(tǒng)的建模分析和故障仿真研究。但迄今，國內(nèi)還沒有大功率的開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)裝機試驗成功的報道。

1.4 雙凸極電機起動/發(fā)電系統(tǒng)

雙凸極永磁電機（Doubly Salient Permanent Machine，DSPM）是20世紀(jì)90年代美國T.A.Lipo 教授提出的一種新型磁阻式電機。Lipo 教授領(lǐng)導(dǎo)的課題小組對DSPM 的電磁設(shè)計，電動和發(fā)電運行進(jìn)行了基本的理論與實驗研究。此后歐美及國內(nèi)也相繼開展了對DSPM 電機的研制工作，國內(nèi)主要有東南大學(xué)，上海大學(xué)以及南京航空航天大學(xué)，研究結(jié)果表明：DSPM 電機具有效率高、轉(zhuǎn)矩/電流比大、控制靈活等優(yōu)良性能。圖4 給出了6/4 結(jié)構(gòu)的DSPM 截面圖，由圖可見DSPM 的結(jié)構(gòu)和SRM 相似，只是在定子上增加了永磁體，轉(zhuǎn)子上無繞組和永磁材料，結(jié)構(gòu)簡單可靠，同樣適合作為飛機的起動/發(fā)電機，構(gòu)成起動/發(fā)電系統(tǒng)。用DSPM 構(gòu)成起動/發(fā)電系統(tǒng)的不足之處在于發(fā)電運行時不能進(jìn)行故障滅磁，且發(fā)電輸出需要外加變換器控制。[4]

圖4 6/4 結(jié)構(gòu)永磁雙凸極電機

圖5 6/4 結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機

為了解決發(fā)電運行帶來的問題，后來又提出了電勵磁雙凸極電機（Doubly Salient Electro-Magnetic Machine，DSEM），即用勵磁線圈取代DSPM 定子上的永磁體，從而通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變電機的氣隙磁場，6/4 結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機如圖5 所示。

南京航空航天大學(xué)最早對電勵磁雙凸極電機的電動控制和發(fā)電運行進(jìn)行了研究，并將其構(gòu)成起動/發(fā)電系統(tǒng)。圖6 給出了起動/發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，主要由主發(fā)電機、勵磁機、雙向功率變換器以及控制器構(gòu)成。

圖6 電勵磁雙凸極起動/發(fā)電系統(tǒng)

南京航空航天大學(xué)聯(lián)合航空125 廠，經(jīng)過十余年的刻苦攻關(guān)，研制成功QFW-18 雙凸極無刷直流起動/發(fā)電系統(tǒng)，這是國內(nèi)第一臺在航空發(fā)動機臺架上完成冷、熱開車試驗的無刷直流起動發(fā)電系統(tǒng)。

1.5 混合勵磁同步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)

永磁同步電機無論電動狀態(tài)，還是發(fā)電狀態(tài)都具有高效率、能量密度大的突出優(yōu)點，最近，在新型電動汽車及混合動力汽車電源系統(tǒng)中，永磁電機構(gòu)成的起動發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)引起人們高度重視，并進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用。實際上，20世紀(jì)70年代末美國GE 公司完成了采用晶閘管和釤鈷永磁同步電機的變速恒頻無刷起動發(fā)電系統(tǒng)的可行性研究，80年代初在A-10 攻擊機上裝機試飛，結(jié)果表明這種起動發(fā)電機起動和發(fā)電性能良好。然而，永磁電機存在以下兩個重要問題：①采用單一永磁體勵磁，電機內(nèi)磁場調(diào)節(jié)困難，導(dǎo)致電動運行難以弱磁控制，恒功率范圍小，發(fā)電運行調(diào)壓困難，短路保護(hù)難以實現(xiàn)；②既便是高性能永磁材料（釤鈷永磁體，釹鐵硼永磁體）的選用，也難免永磁體在高溫、振動環(huán)境下工作點漂移變化的問題，使電機工作性能受到影響。這兩點不足限制了其在航空主電源系統(tǒng)中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。[5]

混合勵磁同步電機（Hybrid Excitation Synchronous Machine，簡稱HESM）在永磁電機基礎(chǔ)上加入電勵磁控制繞組以實現(xiàn)對氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)，是將永磁電機和電勵磁電機進(jìn)行有機結(jié)合形成的一種新型電機。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對混合勵磁同步電機的研究主要集中在轉(zhuǎn)子分割型HESM 方面，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。轉(zhuǎn)子分割型HESM 的氣隙磁場是由永磁磁通和電勵磁磁通的周向分量疊加得到，因此在電機的最佳工作狀態(tài)時發(fā)電機的永磁磁勢和電勵磁磁勢作用基本相等，電機功率密度較低。另外，軸向磁路必須經(jīng)過機殼（定子背軛）因而容易飽和使得氣隙磁密和空載電動勢偏低，固有電壓調(diào)整率較高，電機額定負(fù)載時的勵磁電流較大，效率不高，難以應(yīng)用于大功率航空起動發(fā)電系統(tǒng)場合。

圖7 轉(zhuǎn)子分割型混合勵磁同步電機結(jié)構(gòu)

切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)呈“聚磁”作用，具有氣隙磁密高的顯著優(yōu)點，特別適用于大功率應(yīng)用場合。南京航空航天大學(xué)在切向磁鋼永磁同步電機基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)子極靴進(jìn)行軸向延伸，通過附加氣隙及環(huán)形導(dǎo)磁橋構(gòu)成軸向磁分路，利用磁分路中的勵磁磁勢調(diào)節(jié)氣隙磁場，從而構(gòu)成全新的混合勵磁同步電機，結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

切向磁鋼混合勵磁同步電機不僅繼承了切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機無刷結(jié)構(gòu)和氣隙磁密高的優(yōu)點，而且兼具電勵磁同步電機磁場可調(diào)的特性，從而解決永磁電機氣隙磁場調(diào)節(jié)困難和高溫下工作點漂移的兩個關(guān)鍵問題，另外，電機轉(zhuǎn)子上無繞組，為固體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠。因此該新型電機是航空發(fā)電機或起動發(fā)電機的又一新選擇。

圖8 切向磁鋼混合勵磁同步電機結(jié)構(gòu)示意圖

2 起動/發(fā)電系統(tǒng)方案分析

進(jìn)一步比較第2 節(jié)五種起動發(fā)電系統(tǒng)，其中開關(guān)磁阻起動/發(fā)電系統(tǒng)和雙凸極電機起動/發(fā)電系統(tǒng)都具有電機結(jié)構(gòu)非常簡單可靠、適合高溫高速運行的優(yōu)點，但是兩種電機均屬于磁阻類電機，電勢波形非正弦，因此無法應(yīng)用于交流電源系統(tǒng)。

綜上，從原理上看，三種電機可以用作變頻交流起動發(fā)電機，第一種是旋轉(zhuǎn)整流器三級式同步電機，國外的廠家這種電機的技術(shù)已相當(dāng)成熟，并有相當(dāng)多的專利技術(shù)對其保護(hù)，國內(nèi)針對其起動發(fā)電技術(shù)尚未開展實質(zhì)性研究，還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)；第二種是混合勵磁同步發(fā)電機，它是將永磁和電勵磁組合構(gòu)成的無刷同步發(fā)電機，繼承了永磁電機的高效高功率密度的優(yōu)點，更可貴的是轉(zhuǎn)子上去除了可靠性較低的旋轉(zhuǎn)整流器，為固體轉(zhuǎn)子，可靠性高，但屬于新電機，需要一個成熟的過程；第三種電機為異步發(fā)電機，其優(yōu)點也是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但勵磁容量較大，轉(zhuǎn)子損耗也較大，效率和功率密度偏低，是這種電機的主要不足之處。

3 總結(jié)

因此，綜合來看，三級式同步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)和新型混合勵磁同步電機起動/發(fā)電系統(tǒng)是大型客機電源系統(tǒng)較為理想的選擇方案，但是都還需要一個成熟的過程，希望借著我國大型客機項目的契機，可以使這兩種發(fā)電系統(tǒng)逐漸成熟并應(yīng)用到我國自主研發(fā)的大飛機上。

［1］彭鋼，周波.基于MATLAB6.5 的三級式無刷交流發(fā)電機系統(tǒng)的仿真[C]//南京：江蘇省電工技術(shù)學(xué)會成立十周年慶典暨2004年學(xué)術(shù)年會論文集.2004.

［2］嚴(yán)仰光.航空航天器供電系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

［3］詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動機[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992.

［4］Richter E.The integral starter/generator development progress[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1996(10)：17-23.

［5］趙朝會，秦海鴻，嚴(yán)仰光.混合勵磁同步電機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].電機與控制學(xué)報，2006(2)：113-117.