起動(dòng)發(fā)電機(jī)在中國大型客機(jī)上的應(yīng)用

朱德明，李進(jìn)才，韓建斌，張卓然，嚴(yán)仰光

1. 中國電子科技集團(tuán)公司 第十四研究所，南京 210039 2. 南京航空航天大學(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016

半個(gè)世紀(jì)以來，恒速恒頻(CSCF)電源成為飛機(jī)電源的主流[1-3]。CSCF電源由恒速傳動(dòng)裝置(CSD)，無刷交流發(fā)電機(jī)(Gen)和發(fā)電機(jī)控制器(GCU)等構(gòu)成。20世紀(jì)70年代初國外將CSD和Gen組合成為組合傳動(dòng)裝置(IDG)，進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，提高了IDG的功率密度[4-5]。由于CSCF電源由CSD將航空發(fā)動(dòng)機(jī)變化的工作轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定的工作轉(zhuǎn)速，然后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)為三相400 Hz、115/200 V交流電能。能量的二次轉(zhuǎn)換不僅使CSCF發(fā)電系統(tǒng)效率較低，一般僅0.72，而且大的損耗要求大的冷卻散熱系統(tǒng)，從而限制了CSCF電源單機(jī)容量的提高。

變頻交流電源和變頻交流發(fā)電機(jī)是在恒速恒頻交流電源和恒頻交流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。舍棄了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低的機(jī)械液壓恒速傳動(dòng)裝置，變速發(fā)電機(jī)直接由航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，額定頻率為360～800 Hz，電壓為115/200 V或230/400 V，機(jī)械能到電能的效率增加到0.9。變頻交流電源的誕生是航空電源發(fā)展歷史上的重大事件，將單臺發(fā)電機(jī)容量從幾十kVA提升到250 kVA，甚至更大，從而為多電飛機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件[6-7]。

21世紀(jì)升空的2種大型客機(jī)A380和B787上就使用了變頻交流發(fā)電機(jī)，前者為4臺150 kVA發(fā)電機(jī)，后者為4臺250 kVA起動(dòng)發(fā)電機(jī)。這兩種客機(jī)都是多電飛機(jī)，A380用電液和機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)部分代替液壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)[8]。B787用電能代替壓縮空氣能用于機(jī)翼防冰和座艙環(huán)境控制系統(tǒng)，不再提取發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣，從而節(jié)省了燃油、減少了排污[9]。

多電飛機(jī)是用電能代替液壓能、氣壓能和機(jī)械能的飛機(jī)，是飛機(jī)全局性優(yōu)化技術(shù)，A380和B787是多電大型客機(jī)的第一代。多年運(yùn)行表明，多電客機(jī)的優(yōu)勢是明顯的。

多電飛機(jī)用電量的大幅度提升，要求變頻交流發(fā)電機(jī)的額定容量相應(yīng)提升，從而為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電起動(dòng)提供了可能[10-13]。變頻交流發(fā)電機(jī)既用于起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，又在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)用于發(fā)電，一臺電機(jī)兩個(gè)用途，可省去發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，簡化發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣，也消去了飛機(jī)上相應(yīng)的起動(dòng)管路，簡化飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢?，起動(dòng)發(fā)電機(jī)是多電飛機(jī)的關(guān)鍵機(jī)載設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)[14]。

1 變頻交流發(fā)電機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

變頻交流發(fā)電機(jī)實(shí)際上和恒頻交流(AC)發(fā)電機(jī)相同，是一種三級式電機(jī)，如圖1所示。圖中：Gen為無刷交流發(fā)電機(jī)；ex為勵(lì)磁機(jī)；pmg為永磁副勵(lì)磁機(jī)；RD為旋轉(zhuǎn)變壓器；WF為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組；Wef為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件含永磁副勵(lì)磁機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁機(jī)的三相電樞繞組，旋轉(zhuǎn)整流器，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組WF和2個(gè)軸承。三級電機(jī)的定子含永磁機(jī)三相定子繞組，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組Wef和發(fā)電機(jī)三相電樞繞組，為三相四線制輸出方式?？梢姡淖儎?lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組Wef中的電流即可調(diào)節(jié)該電機(jī)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流，從而實(shí)現(xiàn)無電刷與滑環(huán)發(fā)電[15]。

永磁副勵(lì)磁機(jī)向發(fā)電機(jī)控制器GCU供電，用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流使發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓保持恒定，同時(shí)對發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測和實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障保護(hù)。永磁勵(lì)磁機(jī)使發(fā)電機(jī)能不依賴于飛機(jī)上的其他電源獨(dú)立工作。

圖1 三級式交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of three-grade AC generator

1.2 勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)

ief max/ief min=iF max/iF min

(1)

式中：iF max和iF min為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的最大值和最小值，由發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性獲得；ief max和ief min為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的最大值和最小值，由勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器和發(fā)電機(jī)的組合調(diào)節(jié)特性獲得。線性電流放大器特性是勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，不僅減小了勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流變化范圍，而且加快了電機(jī)突加突卸負(fù)載時(shí)電壓恢復(fù)速度，減小了電壓浪涌。

1.3 變頻工作對電機(jī)設(shè)計(jì)影響

由于發(fā)電機(jī)直接面向用電設(shè)備，三級電機(jī)的特性主要由發(fā)電機(jī)的特性決定。變頻交流發(fā)電機(jī)的頻率必須在360～800 Hz范圍內(nèi)，輸出相電壓和線電壓必須為115/200 V或230/400 V的正弦波，在三相不對稱負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)三相電壓的幅值和相位差應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，以利于用電設(shè)備能力的發(fā)揮。

360～800 Hz的頻率要求實(shí)際上限制了電機(jī)的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速，從而限制了電機(jī)的功率密度。對于三對極電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 200～16 000 r/min，對于二對極發(fā)電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 800～24 000 r/min，一對極的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為21 600～48 000 r/min。為了實(shí)現(xiàn)電壓正弦度，三對極和二對極的電機(jī)電樞繞組必須用120°相帶，一對極的電機(jī)電樞繞組必須用1/3短距的60°相帶繞組。這類電樞繞組的繞組系數(shù)較低，電樞銅耗較大。不對稱負(fù)載時(shí)要求三相電壓對稱，必須合理選用電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和阻尼繞組。發(fā)電機(jī)電樞每相串聯(lián)匝數(shù)多少，直接決定了電樞電感，不僅影響電壓對稱性，還和電機(jī)的功率密度、電機(jī)損耗等多個(gè)因素相關(guān)，涉及電機(jī)設(shè)計(jì)的全局。阻尼繞組用于抑制三相不對稱負(fù)載時(shí)的反向旋轉(zhuǎn)磁場，是恒頻和變頻交流發(fā)電機(jī)不可缺少的。

1.4 變頻工作對發(fā)電機(jī)控制器影響

變頻交流發(fā)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速nmax與最低工作轉(zhuǎn)速nmin之比大于2。轉(zhuǎn)速的變化使電機(jī)參數(shù)相應(yīng)變化，如dE/diF。發(fā)電機(jī)空載特性上工作點(diǎn)的斜率，在低速時(shí)工作在曲線飽和區(qū)，dE/diF很小，高速時(shí)工作在曲線非飽和區(qū)，dE/diF很大，二者差5～10倍。相應(yīng)地，勵(lì)磁機(jī)和永磁副勵(lì)磁機(jī)的dEex/dief和dEpmg/dipmg也有很大變化，dEex/dief為勵(lì)磁機(jī)空載特性工作點(diǎn)斜率，dEpmg/dipmg為永磁副勵(lì)磁機(jī)負(fù)載特性工作點(diǎn)斜率。電機(jī)參數(shù)的變化，導(dǎo)致電機(jī)控制特性的改變，變頻交流發(fā)電機(jī)在低速時(shí)突卸30 kVA負(fù)載和在高速時(shí)卸去同樣負(fù)載，高速時(shí)的電壓浪涌會(huì)遠(yuǎn)大于低速時(shí)的值。這就是國外要在飛機(jī)變頻交流電源中加瞬態(tài)過電壓保護(hù)裝置(OVTPU)的原因[16-18]。顯然，高速突卸負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)過壓和電機(jī)參數(shù)、卸載大小和GCU中的電壓調(diào)節(jié)器等因素相關(guān)，借助于數(shù)字調(diào)壓器的自動(dòng)改變調(diào)整參數(shù)的功能能夠?qū)⑼恍敦?fù)載時(shí)的浪涌限制在允許范圍內(nèi)。變頻交流發(fā)電機(jī)高速下的特性改變是其區(qū)別于恒頻發(fā)電機(jī)的重要特點(diǎn)。

1.5 變頻工作對附屬系統(tǒng)影響

三級式交流發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、效率高、平均故障間隔時(shí)間長。B787飛機(jī)的變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)平均故障間隔時(shí)間已達(dá)30 000 h。采用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷釩軟磁材料,采用噴油冷卻和提高電機(jī)工作轉(zhuǎn)速是三級發(fā)電機(jī)提高功率密度的重要方法。噴油冷卻不僅降低了電機(jī)溫升的速度，還潤滑了電機(jī)軸承，不少三級式發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速已達(dá)24 000 r/min。

恒速恒頻電源IDG中的三級式電機(jī)的冷卻油來自液壓CSD。變速變頻電源中省去CSD，由航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)，一方面將對發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)齒輪箱(Accessory GearBox,AGB)、傳輸齒輪箱(Transfer GearBox,TGB)和入口齒輪箱(Inlet GearBox,IGB)的轉(zhuǎn)速范圍和振動(dòng)提出了更高的要求；另一方面，三級式電機(jī)必須自帶油冷系統(tǒng)，以防電機(jī)中的雜質(zhì)污染航空發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)大容量變頻交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部還有機(jī)械脫扣機(jī)構(gòu)，萬一電機(jī)有機(jī)械故障時(shí)，脫扣機(jī)構(gòu)切斷和發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械連接，防止電機(jī)故障損害航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)是在變頻交流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，變頻交流發(fā)電機(jī)是三級式同步發(fā)電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作，必須對電機(jī)本體作兩點(diǎn)改變。一是在電機(jī)上加用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)變壓器;二是讓勵(lì)磁機(jī)由發(fā)電工作時(shí)的同步發(fā)電機(jī)工作方式轉(zhuǎn)為電動(dòng)工作時(shí)的變壓器工作方式，以使發(fā)電機(jī)不僅高轉(zhuǎn)速時(shí)有足夠勵(lì)磁，在零轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時(shí)也有足夠勵(lì)磁。同時(shí)，還要有大功率的直交變換器，用于將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率從零到340 Hz幅值和相位均可調(diào)節(jié)的交流電，向發(fā)電機(jī)的電樞繞組供電[19]。

圖2為直交變換器和變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的電路連接關(guān)系，圖中：RT為旋轉(zhuǎn)變壓器；DC/AC為直交變壓器。變換器的輸出端直接和發(fā)電機(jī)的三相電樞繞組A、B、C相連。直交變換器由6只大功率開關(guān)管T1～T6和反向并聯(lián)的D1～D6二極管構(gòu)成。圖中沒有畫出變換器的輸入和輸出濾波器，輸入輸出濾波器中均有差模和共模兩種濾波器，用于抑制變換器脈沖寬度調(diào)制工作時(shí)電磁干擾。輸入輸出濾波器的加入實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)上自耦變壓整流器(ATRU)到直交變換器的饋電線和直交變換器到變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)(VFSG)的三相起動(dòng)電纜可以不用屏蔽線，降低了電纜的質(zhì)量。

圖2 直交變換器的連接電路和變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)Fig.2 Circuit connection between DC/AC converter and variable frequency AC starter/generator

2.2 起動(dòng)控制系統(tǒng)

圖3為電機(jī)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)磁場定向控制框圖。圖中：SM為同步電動(dòng)機(jī)；iD為電樞電流檢測傳感器；DT為數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片；IqR為交軸電流調(diào)節(jié)器；IdR為直軸電流調(diào)節(jié)器，ABC/αβ為三相ABC坐標(biāo)系到兩相αβ坐標(biāo)系的變換；DC/AC為直交變換器；SVPWM為空間矢量發(fā)生器；dq/αβ為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相固定坐標(biāo)系的變換；iqref為交軸電流給定；idref為直軸電流給定;n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；φ為電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置角。圖中有2個(gè)電流閉環(huán)，一個(gè)是交軸電流iq閉環(huán)，另一個(gè)是直軸電流id閉環(huán)。這兩個(gè)電流閉環(huán)的電流給定iqref和idref由發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制器起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速時(shí)間曲線實(shí)時(shí)給出，以實(shí)現(xiàn)在不同氣象條件下一次起動(dòng)成功。

圖3 同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理框圖Fig.3 Diagram of aero-engine started with synchronization motor

電流反饋信號iq和id由實(shí)測電機(jī)相電流iA和iB經(jīng)計(jì)算獲得。由圖可見，電流傳感器檢測得到的電機(jī)相繞組電流是A、B、C三相坐標(biāo)系中的電流，該電流需經(jīng)A、B、C三相到αβ坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和αβ坐標(biāo)系到電機(jī)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系dq的兩次轉(zhuǎn)換才能得到id和iq。這兩次轉(zhuǎn)換使三相交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流id和iq，并經(jīng)交軸電流調(diào)節(jié)器IqR和直軸電流調(diào)節(jié)器IdR形成2個(gè)電流閉環(huán)。IqR和IdR分別輸出交軸電壓給定uq和直軸電壓給定ud。uq和ud是直流坐標(biāo)系的量，必須經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換轉(zhuǎn)為αβ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交流量uα和uβ。uα和uβ通過空間電壓調(diào)制轉(zhuǎn)為控制DC/AC變換器的6個(gè)開關(guān)管的正弦脈沖寬度調(diào)制信號，DC/AC變換器的輸出用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電樞繞組。由圖可見，用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)變壓器RT和將RT的余弦和正弦模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字量的解碼芯片DT起了關(guān)鍵作用，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號保證了磁場定向控制的實(shí)現(xiàn)，在id=0控制時(shí)，使電機(jī)相電流總是和電機(jī)空載電動(dòng)勢方向相反。由于起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)工作時(shí)為電勵(lì)磁電機(jī)，交軸電流iq的作用使電機(jī)氣隙合成磁場偏離空載磁場，于是為了獲得恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩電流比，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制(EEC)裝置宜輸出一個(gè)合理的iqref信號，從而使起動(dòng)過程更合理、更節(jié)能。

因此交流電動(dòng)機(jī)控制基礎(chǔ)是磁場定向控制，借助于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號和直交變換器將電機(jī)的電樞電流與電機(jī)電動(dòng)勢間相位達(dá)180°電角，這就是通常講的解耦控制。讓電樞電流形成的磁場與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁場間成90°電角，又稱id=0控制，id為電樞電流的直軸分量。此時(shí)交軸電流iq使電機(jī)氣隙磁場略有畸變，為了在iq不變時(shí)得到最大的轉(zhuǎn)矩，實(shí)際電機(jī)電流中有少量的直軸電流分量id。

3 變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁分析

三級式電機(jī)電動(dòng)工作時(shí)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組應(yīng)由400 Hz交流電源供電，使勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行于變壓器狀態(tài)。當(dāng)供電電源為三相時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組應(yīng)為空間對稱的三相繞組，若供電電源為單相時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組也應(yīng)為單相結(jié)構(gòu)。下文針對勵(lì)磁機(jī)工作在三相勵(lì)磁方式和單相勵(lì)磁方式進(jìn)行分析。

3.1 三相勵(lì)磁

勵(lì)磁機(jī)三相勵(lì)磁繞組供以三相交流電流時(shí)，形成圓形旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁場Fa(θ,t)[20],即

(2)

(3)

式中：Fam為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組通入電流ief相繞組的磁勢；Nef為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；kW為其繞組系數(shù)；Pef為勵(lì)磁機(jī)極對數(shù)；3/2Fam為三相繞組的合成磁勢。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速na由交流電源頻率f和勵(lì)磁機(jī)極對數(shù)Pef確定:

(4)

若電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n=0，即電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，則該旋轉(zhuǎn)磁場對勵(lì)磁機(jī)電樞的相對轉(zhuǎn)速nd=na。若電機(jī)轉(zhuǎn)速為n,且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場同向，則勵(lì)磁機(jī)電樞相對于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速nd=na-n。反之若電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相反時(shí)，nd=na+n。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場幅值Fam不變時(shí)，轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢則隨之減小。當(dāng)nd=0時(shí)，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)電勢降為零，故發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流也降為零，發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反接時(shí)，則正相反，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的增大，nd也相應(yīng)增大，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)電勢也增大，從而使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流iF也隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。

例如：某變頻交流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為三對極，發(fā)電工作轉(zhuǎn)速范圍為7 200～16 000 r/min，起動(dòng)工作轉(zhuǎn)速范圍為0～6 800 r/min。勵(lì)磁機(jī)為四對極，當(dāng)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組加400 Hz三相交流電時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組形成的圓形旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速nm=60f/Pef=60 400/4=6 000 r/min，若電機(jī)轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場同向，則在n=nm=6 000 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流iF降為零，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降為零。為了防止此缺陷，該電機(jī)在n=4 000 r/min從三相勵(lì)磁方式轉(zhuǎn)為單相勵(lì)磁方式。由此可見，該電機(jī)在起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流iF在不斷變化中，導(dǎo)致直交變換器對電樞電流的控制也十分復(fù)雜。

上面對三相交流勵(lì)磁的討論僅出于勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電動(dòng)勢與電機(jī)轉(zhuǎn)速間關(guān)系，為一個(gè)線性關(guān)系。實(shí)際上發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流iF與電機(jī)轉(zhuǎn)速間關(guān)系是非線性的。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組加上400 Hz三相交流電，形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場后，不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同或相反，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電動(dòng)勢頻率的變化(正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于零，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電動(dòng)勢與勵(lì)磁電源同頻，為400 Hz；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組電動(dòng)勢頻率為零；反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電動(dòng)勢頻率為2×400=800 Hz)使勵(lì)磁機(jī)電樞和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組等效電抗隨之變化，導(dǎo)致勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組電流的功率因數(shù)大幅度變化，從而使勵(lì)磁電流iF與電機(jī)轉(zhuǎn)速有強(qiáng)非線性特性。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同，且達(dá)到旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，交流勵(lì)磁電源的功率因數(shù)降為零，故iF=0。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相反時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，勵(lì)磁機(jī)電樞頻率的增加。電樞電抗的增大，勵(lì)磁電源的功率因數(shù)也隨之下降，使iF并不隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而線性增大。這種非線性因素的引入使電機(jī)控制更為復(fù)雜。

3.2 單相勵(lì)磁

圖4為起動(dòng)發(fā)電機(jī)單相400 Hz勵(lì)磁時(shí)，隨電機(jī)轉(zhuǎn)子處于不同位置勵(lì)磁機(jī)電樞繞組wex和勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組中心間夾角也不同，兩線圈間磁耦合關(guān)系也隨之變化[21-23]。圖4(a)的轉(zhuǎn)子位置，勵(lì)磁機(jī)的a相電樞繞組wexa的中心線和勵(lì)磁繞組Wef的中心線一致，理想狀態(tài)下，為全耦合，故a相電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢

eexa=(kexnex/nef)uef

式中：nex為勵(lì)磁機(jī)電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；kex為其繞組系數(shù)；nef為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組串聯(lián)匝數(shù)；uef為加于勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組間電壓。此時(shí)由于勵(lì)磁機(jī)b相和c相電樞繞組與a相在空間差120°電角，故

eexb=eexc=(kexnex/nef)uefcos120°=

1/2(kexnex/nef)uef

(5)

此時(shí)加于旋轉(zhuǎn)整流器上的線電勢為

eexab=eexac=eexa+eexb=1.5(kexnex/nef)uef

(6)

由圖4(b)可知，此時(shí)c相繞組和Wef成90°，磁耦合為零，故eexc=0，此時(shí)轉(zhuǎn)子相對于圖4(a)轉(zhuǎn)過了30°電角，故

eexa=eexb=(kexnex/nef)uefsin60°=

(7)

故線電勢為

(8)

圖4(c)和圖4(d)相對于圖4(a)轉(zhuǎn)過了60°和120°電角，圖4(c)中wexc和Wef間耦合關(guān)系正與圖4(a)相反，故感應(yīng)電勢eexb與圖4(a)的eexa差180°電角，但大小相同。圖4(a)中的C相電樞繞組與圖4(a)的A相繞組同，故電動(dòng)勢相量圖也與圖4(a)相同。圖中左側(cè)為勵(lì)磁機(jī)相繞組電動(dòng)勢相量圖。由此可見，單相交流電源供電的勵(lì)磁機(jī)是一臺特殊的變壓器，其副邊的線電勢與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置間關(guān)系很小。同時(shí)也可推知，單相供電的勵(lì)磁機(jī)向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組WF供電時(shí)，其電流iF與電機(jī)轉(zhuǎn)速n關(guān)系很小。該特性為控制變頻交流發(fā)電機(jī)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶來方便，通過直交變換器控制電機(jī)的電樞電流即可控制電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜氣象條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠起動(dòng)。

綜上，起動(dòng)過程中，三相勵(lì)磁方式勵(lì)磁電流iF與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有強(qiáng)非線性關(guān)系，控制復(fù)雜。而單向勵(lì)磁方式勵(lì)磁電流iF與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速關(guān)系很小，控制簡單。

圖4 勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組加400 Hz交流電時(shí)勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子角關(guān)系Fig.4 Relationship between rotor position and armature EMF of exciter with 400 Hz AC exciting current

4 提高起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)功率密度的方法

電工科技發(fā)展促進(jìn)了多電飛機(jī)的誕生，反過來，多電飛機(jī)對電工科技提出了更高的要求，這就是要求進(jìn)一步提高機(jī)載機(jī)電設(shè)備的功率密度和效率[24]。這實(shí)際上是電工科技工作者永恒的課題，問題是如何加快提高功率密度和效率。

4.1 提高起動(dòng)發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速

B787飛機(jī)的VFSG為三對極，發(fā)電轉(zhuǎn)速為7 200～16 000 r/min、電壓為250 kVA、質(zhì)量為92 kg、功率密度為2.73 kW/kg。同樣該機(jī)的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)發(fā)電機(jī)ASG為二對極，發(fā)電轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、電壓為225 kV、質(zhì)量為56 kg、功率密度為4 kW/kg。由此可見，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，有利于提高功率密度。同時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加，減小了電機(jī)每相串聯(lián)匝數(shù)，有利于降低銅損，提高效率。由于VFSG與ASG工作狀態(tài)不同，前者為變速，后者為恒速。提高VFSG的最低工作轉(zhuǎn)速必導(dǎo)致最高工作轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)整流器的工作條件更為復(fù)雜。

4.2 碳化硅器件的應(yīng)用

近20年來，以碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶器件得到迅速發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用，為降低直交變換器的體積重量創(chuàng)造了條件。現(xiàn)在裝機(jī)應(yīng)用的直交變換器采用硅絕緣柵控晶體管(IGBT)，IGBT的主要缺點(diǎn)是關(guān)斷時(shí)有電流施尾，關(guān)斷損耗較大，而與之并聯(lián)的硅二極管有大的反向恢復(fù)電流和較長的反向恢復(fù)時(shí)間。這不僅增大了它自身的關(guān)斷損耗，也增大了IGBT的開通損耗。這兩者限制了直交變換器的開關(guān)頻率，從而增大了輸入輸出濾波器的質(zhì)量和機(jī)箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量。B787飛機(jī)用于起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的直交變換器的開關(guān)器件為IGBT，其輸入輸出濾波器約為20 kg，整機(jī)質(zhì)量為50 kg，體積質(zhì)量大的原因就是使用硅開關(guān)器件。

由碳化硅做成的器件具有開關(guān)頻率高、損耗小、工作結(jié)溫高、散熱方便、漏電流小和抗輻射等特點(diǎn)，SiC肖特基二極管沒有反向恢復(fù)電流。由SiC器件構(gòu)成的直交變換器高的開關(guān)頻率可顯著降低輸入和輸出濾波器質(zhì)量，減小機(jī)箱結(jié)構(gòu)材料。

將圖2中的6個(gè)開關(guān)器件和反并二極管，以及開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路集成于一個(gè)模塊中，可以進(jìn)一步縮小直交變換器的尺寸，減少散熱器的質(zhì)量。國外幾年前已構(gòu)成工作結(jié)溫達(dá)250 ℃的SiC直交變換器，其功率密度和效率遠(yuǎn)高于硅變換器。

4.3 提高優(yōu)化起動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

B787飛機(jī)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)正常情況下為2臺VFSG同時(shí)工作，一起起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用一臺電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但起動(dòng)時(shí)間加長。由于該飛機(jī)的VFSG額定容量為250 kVA，適當(dāng)調(diào)整電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)單臺電機(jī)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。從而減少了一臺電機(jī)的起動(dòng)用三相電纜，降低起動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量。

借助發(fā)電工作時(shí)電機(jī)到交流電源匯流條間的饋電線實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。起動(dòng)發(fā)電機(jī)VFSG的工作特點(diǎn)是先電動(dòng)工作，用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)工作向飛機(jī)電網(wǎng)供電，因此借助VFSG到電源匯流條間的饋電線實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是可能的，從而節(jié)省起動(dòng)用饋電線。

4.4 直交變換器的多功能復(fù)用

B787起動(dòng)用直交變換器就是多功能的，稱為通用電機(jī)起動(dòng)控制器(Common MotorStarter Controller,CMSC)。B787飛機(jī)的4臺大功率空調(diào)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)、4臺電動(dòng)液壓泵、2臺空調(diào)通風(fēng)電動(dòng)機(jī)和1臺氮?dú)獍l(fā)生器電動(dòng)機(jī)均勻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，總功率在500 kW左右，均可以由CMSC控制。除此之外，CMSC還控制4臺250 kVA變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)和2臺225 kVA交流氣動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)CMCS的多功能分時(shí)復(fù)用，這是個(gè)很好的做法，值得借鑒。

4.5 直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)受頻率、波形正弦度和不對稱負(fù)載時(shí)三相電壓對稱性要求等因素制約，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)下，進(jìn)一步提升功率密度的裕量有限。直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)則不受上述因素制約，初步估計(jì)250 kW級別的電機(jī)功率密度可大于5 kW/kg。同時(shí)，還可省去自耦變壓器整流器(ATRU)，一臺150 kW的ATRU質(zhì)量在30 kg以上。在功率和長度相同時(shí)，直流饋電線的質(zhì)量比三相饋電線更輕。直流電源系統(tǒng)易于并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)不中斷供電，與蓄電池等貯能設(shè)備接口簡單。直流系統(tǒng)有更強(qiáng)的非線性負(fù)載適應(yīng)性，更適合變速電動(dòng)機(jī)的工作。

由此可見，提高現(xiàn)有變頻交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)功率密度和效率是完全可能且必要的，而發(fā)展直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的潛力更大。借助中國C919大型客機(jī)進(jìn)入深度試飛，CR929飛機(jī)進(jìn)入研制階段的大好時(shí)機(jī)，加快起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用十分必要。起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)，必將為中國大型客機(jī)的發(fā)展增加光彩。

5 結(jié) 論

變頻交流發(fā)電機(jī)和變頻交流電源的誕生為多電大型客機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，而多電飛機(jī)的發(fā)展又促進(jìn)了變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)展，變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)成為多電飛機(jī)的一個(gè)重要標(biāo)志。其發(fā)電工作時(shí)，工作于變速變頻工作方式；起動(dòng)工作時(shí)，工作在電動(dòng)運(yùn)行方式，本文通過對變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系研究，提出以下概念：

1)ief max/ief min=iF max/iF min是變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)發(fā)電工作設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)；電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)和阻尼繞組是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2) 發(fā)電工作時(shí)，由于轉(zhuǎn)速變化范圍大，導(dǎo)致dE/diF的大范圍變化，要求GCU中電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)應(yīng)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而快速改變。

3) 起動(dòng)工作時(shí)，勵(lì)磁機(jī)有兩種交流勵(lì)磁方法，其中單相勵(lì)磁方法的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流iF隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化最小，是較為理想的勵(lì)磁方式。

4) 變頻交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的功率密度受頻率的約束，在現(xiàn)有條件下不易進(jìn)一步提升。發(fā)展中國自主創(chuàng)新的多電/全電飛機(jī)需要進(jìn)一步提升機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的功率密度(以及電壓等級和功率容量)，須從基礎(chǔ)研究及應(yīng)用實(shí)踐兩方面提升變頻交流發(fā)電機(jī)的技術(shù)水平。另外，高壓直流發(fā)電機(jī)不受交流電頻率制約，建議中國大飛機(jī)進(jìn)一步發(fā)展高壓直流無刷起動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)。