直升機(jī)交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)研究

賴耀祖 姜宇 管毅

摘 要：本文提出一種大功率交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)。文章利用傳統(tǒng)三級電勵(lì)磁同步電機(jī)作為直升機(jī)的起動(dòng)和發(fā)電裝置，針對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并通過試驗(yàn)平臺，模擬系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，對系統(tǒng)功能進(jìn)行了全面測試。結(jié)果表明：系統(tǒng)方案可行，控制邏輯正確，可滿足直升機(jī)的使用需求。

關(guān)鍵詞：交流起動(dòng)發(fā)電一體化； 三級式電勵(lì)磁同步電機(jī)； 試驗(yàn)驗(yàn)證

Research on an AC integrated starter/generator system for helicopter

Lai Yaozu Jiang Yu Guan Yi

（1.China Helicopter Research and Development institute，Jingdezhen，333000，china 2.AVIC SHAANXI AERO ELECTRIC CO.， LTD，xi'an，710000，china 3.AVIC SHAANXI AERO ELECTRIC CO.， LTD，xi'an，710000，china ）

Abstract： The paper provides an AC high power integrated starter/generator （ISG） system for helicopter. The article uses the traditional three-stage synchronous generator as helicopter's stator and generator， analyzes and optimizes the key technical， completes tests on system functions by the experiment to simulate all the working state of the system. The results show that the system runs reliably， the control logic and functions are reasonable， and the design requirements of the helicopter are fulfilled completely.

Key word： AC ISG； three-stage synchronous generator； experimental verification

0 引言

航空用發(fā)動(dòng)機(jī)有活塞式和燃?xì)鉁u輪式兩類，都不能自行起動(dòng)工作，需靠外力使它們達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后才能工作。將發(fā)動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)速為零加速到能自行工作轉(zhuǎn)速的過程叫做發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。目前直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式主要分為兩種，空氣渦輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)以及電起動(dòng)方式。一般來說，大功率航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用空氣/燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)，而中小功率的航空發(fā)動(dòng)機(jī)均采用電起動(dòng)方式。目前國內(nèi)直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，大部分采用的是低壓直流電起動(dòng)方式。

隨著航空電源以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也開始采用電起動(dòng)方式，而低壓直流電起動(dòng)方式受直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的體積、重量、高空換向等因素制約，已經(jīng)滿足不了日益增加的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的功率需求。目前在國外大型軍機(jī)和民用飛機(jī)上已開始采用大功率無刷變頻交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)，國內(nèi)的艦載預(yù)警機(jī)、大型無人機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等軍用飛機(jī)機(jī)種已開始了大功率變頻交流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的需求探索。因此針對大功率的直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的應(yīng)用，本文提出了一種大功率變頻交流起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)，一種基于航空三級電勵(lì)磁同步電機(jī)的交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)三級電勵(lì)磁同步電機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)電裝置的交流起動(dòng)發(fā)電一體化研究。

1 一體化系統(tǒng)架構(gòu)

本文旨在不改變現(xiàn)有直升機(jī)交流電源體制的基礎(chǔ)上，提出一種以傳統(tǒng)航空三級電勵(lì)磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)架構(gòu)的交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)包括交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)、交流起動(dòng)控制器、交流發(fā)電控制器、起動(dòng)發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)載轉(zhuǎn)換裝置，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)架構(gòu)框圖

如圖1所示，圖中上半部分為三級式電勵(lì)磁同步電機(jī)的原理框圖，電機(jī)分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分結(jié)構(gòu)，按功能又可分為永磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)；圖中下半部分包括發(fā)電控制器、起動(dòng)控制器、起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置。發(fā)電控制器（GCU）主要作用為當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，控制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，并對發(fā)電機(jī)狀態(tài)、電源品質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；起動(dòng)控制器主要作用為當(dāng)系統(tǒng)工作在起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制起動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流與電樞電流，使發(fā)動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)速為零按既定要求加速至發(fā)動(dòng)機(jī)的自行工作轉(zhuǎn)速；起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置作用為起動(dòng)過程結(jié)束后，將系統(tǒng)輸出由電起動(dòng)回路切換至發(fā)電回路，從而向全機(jī)輸出交流電源；負(fù)載轉(zhuǎn)換回路作用為系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，起動(dòng)控制器可通過該裝置提供控制用電。

2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

2.1起動(dòng)控制系統(tǒng)

交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在執(zhí)行起動(dòng)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。此時(shí)，起動(dòng)控制系統(tǒng)主要由交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)控制器以及起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置組成；系統(tǒng)的能量傳輸路徑為外部交流電能經(jīng)交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過傳動(dòng)鏈?zhǔn)┘佑诎l(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。

圖2 起動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

起動(dòng)控制系統(tǒng)以115V/400Hz的三相交流電作為系統(tǒng)輸入，通過起動(dòng)控制器的電力變換單元分別控制交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)與主發(fā)電機(jī)電樞電流，使電機(jī)工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。起動(dòng)控制系統(tǒng)可采用基于電壓、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的控制策略，以提高系統(tǒng)效率及輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置受起動(dòng)控制器的指令控制，在起動(dòng)過程時(shí)，起動(dòng)側(cè)觸點(diǎn)吸合，起動(dòng)結(jié)束后觸點(diǎn)斷開。此時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)換裝置保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

2.2 發(fā)電控制系統(tǒng)

交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在執(zhí)行發(fā)電動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要包括交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)、發(fā)電控制器和起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置；系統(tǒng)的能量傳輸途徑為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械能，通過傳動(dòng)鏈輸出至交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)，再轉(zhuǎn)換為電能，提供給直升機(jī)的機(jī)載用電設(shè)備。

圖3 發(fā)電控制系統(tǒng)原理框圖

發(fā)動(dòng)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的飛機(jī)交流電源控制系統(tǒng)相同，在起動(dòng)任務(wù)結(jié)束后，發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到要求的發(fā)電轉(zhuǎn)速后開始發(fā)電過程，向全機(jī)電網(wǎng)提供115V/400Hz的三相交流恒頻電源。起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置在起動(dòng)過程結(jié)束后，由起動(dòng)控制器控制，輸出回路切換至發(fā)電側(cè)。

2.3電動(dòng)負(fù)載控制

交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)除正常的起動(dòng)和發(fā)電功能外，還具有電動(dòng)類負(fù)載的控制功能。在執(zhí)行電動(dòng)負(fù)載控制時(shí)，系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

為保證交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)最大化利用，起動(dòng)控制器可根據(jù)直升機(jī)需要，在系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，作為電動(dòng)控制器使用，為機(jī)上的電動(dòng)機(jī)負(fù)載提供控制系統(tǒng)的支持，此時(shí)起動(dòng)控制器作為電動(dòng)機(jī)通用控制器實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用。

圖4 起動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

此時(shí)，系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)，交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)受發(fā)電控制控制，起動(dòng)/發(fā)電轉(zhuǎn)換裝置保持在發(fā)電側(cè)。交流電源從直升機(jī)電網(wǎng)傳輸至起動(dòng)控制器，經(jīng)負(fù)載轉(zhuǎn)換裝置的回路提供給機(jī)上的電動(dòng)類負(fù)載。

3交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面：

3.1交流起動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)

交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)之間耦合性強(qiáng)，電磁關(guān)系具有較強(qiáng)的非線性，另外電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓、電流大小無法直接獲取；同時(shí)，系統(tǒng)需要同步控制電機(jī)的電樞電流與勵(lì)磁電流，因此交流起動(dòng)的控制方法設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

根據(jù)三級式電勵(lì)磁同步電機(jī)的電磁特性，本系統(tǒng)選擇采用基于矢量控制的直接轉(zhuǎn)矩角算法，對多目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行解耦運(yùn)算，對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)變頻交流起動(dòng)功能。區(qū)別于傳統(tǒng)矢量控制策略，在該控制策略中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)直接給出電壓矢量模值，而不再控制電流環(huán)給定；電流環(huán)與轉(zhuǎn)矩角環(huán)綜合計(jì)算給出電壓相位，矢量控制精度得到提高，控制誤差減小，可提高系統(tǒng)控制效率。通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制方法與策略能夠較好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需求。

3.2交/直流混合勵(lì)磁控制方法研究

起動(dòng)發(fā)電機(jī)有靜止、低速和高速三種工作模式，在不同工作模式下勵(lì)磁機(jī)工作特性不同，同時(shí)電機(jī)磁場的飽和程度受勵(lì)磁電流影響，因此對系統(tǒng)控制性能影響。而采用單一的勵(lì)磁控制方式不能較好地完成系統(tǒng)控制，所以需對勵(lì)磁控制方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括靜態(tài)時(shí)勵(lì)磁機(jī)最優(yōu)勵(lì)磁條件的確定以及交流勵(lì)磁與直流勵(lì)磁切換時(shí)機(jī)的研究。

采用交/直流混合勵(lì)磁控制算法可以有效的實(shí)現(xiàn)多勵(lì)磁模式的優(yōu)化控制，為不同工作階段的電機(jī)提供充足且高效的勵(lì)磁功率。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，交/直流混合勵(lì)磁控制可以提供主電機(jī)起動(dòng)過程中對勵(lì)磁功率的需求；同時(shí)，采用SVPWM調(diào)制技術(shù)能夠有效提高系統(tǒng)電能利用率，優(yōu)化起動(dòng)控制方法。

3.3交流起動(dòng)系統(tǒng)輸出特性與發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩特性匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程與很多因素相關(guān)聯(lián)，其中包括起動(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩、壓氣機(jī)的工作特性、燃燒室的供油規(guī)律以及點(diǎn)火時(shí)間等。為了使交流起動(dòng)系統(tǒng)更好的適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩特性，需要對包括壓氣機(jī)的消耗功率、燃?xì)鉁u輪的發(fā)出功率以及起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行綜合研究，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺架的起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對起動(dòng)控制策略以及電氣參數(shù)進(jìn)行匹配調(diào)整，找到合適的起動(dòng)控制規(guī)律，保證交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出特性能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩良好匹配。

（1 壓氣機(jī)所需消耗的功率Wc； 2 燃?xì)鉁u輪所發(fā)出的功率WT； 3 起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率WSG）

圖5 起動(dòng)階段的功率示意

3.4勵(lì)磁機(jī)的交流勵(lì)磁能力提高與優(yōu)化設(shè)計(jì)

起動(dòng)過程中，勵(lì)磁電流是起動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如何在靜止和低速時(shí)獲得足夠的勵(lì)磁電流，是起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以通過在勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)中優(yōu)化電樞繞組及勵(lì)磁繞組參數(shù)（匝數(shù)、線徑），同時(shí)綜合考慮勵(lì)磁機(jī)在低速起動(dòng)時(shí)交流勵(lì)磁、直流勵(lì)磁及高速發(fā)電時(shí)的參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)。通過原理樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，勵(lì)磁機(jī)不僅在靜態(tài)和低速時(shí)能夠?yàn)橹靼l(fā)電機(jī)起動(dòng)提供足夠的勵(lì)磁電流，而且在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)換為直流勵(lì)磁以及發(fā)電，均具有較好的勵(lì)磁特性。

3.5不平衡度和相移性能設(shè)計(jì)

由于電機(jī)要同時(shí)滿足發(fā)電及起動(dòng)的性能指標(biāo)要求，需綜合考慮交流起動(dòng)及發(fā)電特性。另外，為了確保在不平衡負(fù)載下，電機(jī)的電壓不對稱和不平衡可滿足范圍要求，需要考慮阻尼繞組的設(shè)計(jì)，并同步減小電樞繞組和勵(lì)磁繞組的漏磁以減小負(fù)序阻抗和零序阻抗，但這些優(yōu)化設(shè)計(jì)對電機(jī)效率和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度有一定的影響。因此，根據(jù)原理樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，在工程樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，對起動(dòng)、發(fā)電及效率特性的電磁參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)驗(yàn)證平臺概述

交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺如圖6所示，該驗(yàn)證平臺整體架構(gòu)采用一臺90kVA三級電勵(lì)磁式同步電機(jī)，一臺AVTROL公司的1500馬力加載臺用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及發(fā)電過程，一臺起動(dòng)控制器和一臺發(fā)電控制器，并包括交直流地面電源以及可編程交流電子負(fù)載等。工控機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及人機(jī)交互功能等。

圖6 交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)驗(yàn)證平臺

在起動(dòng)試驗(yàn)中，力矩測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在起動(dòng)過程中的輸出的實(shí)時(shí)力矩，起動(dòng)控制器按照設(shè)定的控制策略，控制起動(dòng)發(fā)電機(jī)電機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)功能。起動(dòng)控制器使用地面恒頻三相交流電源，輸出給起動(dòng)發(fā)電機(jī)，電能質(zhì)量分析儀和功率分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析起動(dòng)控制器的輸出電能品質(zhì)；另外，還可通過波形/函數(shù)發(fā)生器和雙脈沖測試系統(tǒng)、示波器、數(shù)字表等測試設(shè)備來分析、定位控制器的故障模式，進(jìn)行起動(dòng)控制器的故障診斷模擬。

在發(fā)電試驗(yàn)過程中，發(fā)電控制器用來控制發(fā)電機(jī)的輸出，控制電源為地面28V低壓直流電源。發(fā)電機(jī)輸出機(jī)載電源給交流電子模擬負(fù)載，使用電能質(zhì)量分析儀和功率分析儀來分析發(fā)電機(jī)輸出電源品質(zhì)是否滿足要求；另外，通過波形/函數(shù)發(fā)生器和雙

圖7 交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)地面試驗(yàn)

脈沖測試系統(tǒng)、示波器、數(shù)字表等測試設(shè)備來進(jìn)行發(fā)電控制器的模擬故障診斷?？删幊探涣麟娮迂?fù)載用于模擬機(jī)上的負(fù)載實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)試驗(yàn)，包括功率因素、負(fù)載的突加突卸等。

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)通過開展工程樣機(jī)研制、設(shè)備綜合調(diào)試及系統(tǒng)級試驗(yàn)平臺聯(lián)試。其中，起動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖8所示：

圖8 交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)起動(dòng)試驗(yàn)曲線

在試驗(yàn)過程中，對整個(gè)交流起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)的起動(dòng)性能、發(fā)電性能、故障判斷、邏輯時(shí)序等功能進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：起動(dòng)控制系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性要求，能夠穩(wěn)定的將發(fā)動(dòng)機(jī)帶入自運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；發(fā)電控制系統(tǒng)能夠滿足直升機(jī)交流供電系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求；起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)在起動(dòng)控制、發(fā)電控制、起動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)切換、系統(tǒng)保護(hù)及邏輯時(shí)序控制等方面設(shè)計(jì)合理、關(guān)系協(xié)調(diào)，系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5總結(jié)

隨著全電和多電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，直升機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的功率需求也越來越大，以往的低壓直流電起動(dòng)的方式逐漸滿足不了新的需求，交流起動(dòng)發(fā)電一體化設(shè)計(jì)提供了新的電起動(dòng)的可能。起動(dòng)系統(tǒng)在完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)后，轉(zhuǎn)為發(fā)電向全機(jī)提供電源，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電的雙功能。通過本項(xiàng)目的研究，可以突破并掌握了大功率變頻交流起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為大功率變頻交流起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及裝機(jī)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

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作者簡介：

賴耀祖（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：直升機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

姜宇（1978-），男，碩士，高級工程師，研究方向：航空電力電子與電力變換技術(shù)。

管毅（1985-），男，本科，工程師，研究方向：航空電力電子與電力變換技術(shù)。