某型大功率起動(dòng)發(fā)電機(jī)的中線接法對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響分析

張海英　趙淵昉

摘? 要：某型動(dòng)力裝置在地面聯(lián)試起動(dòng)時(shí)，引起地面電源過(guò)流、欠壓保護(hù)，并造成交流起動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證，得出該型動(dòng)力裝置在起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)上試驗(yàn)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(hào)：TM343? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(lái)，多電化和全電化已成為飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)，電驅(qū)動(dòng)方式的大量使用、機(jī)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(jī)發(fā)電機(jī)的功率日益增大，相應(yīng)的起動(dòng)機(jī)功率也隨之增大，起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性和高功率性在多電飛機(jī)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境中尤為重要。目前， 多電飛機(jī)技術(shù)己經(jīng)在F-35、A320和B787等飛機(jī)上廣泛采用，但在國(guó)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(dòng)/發(fā)電技術(shù)是多電飛機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)。

2 背景及故障描述

某型動(dòng)力裝置配置了一臺(tái)大功率起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，采用三相115V/400Hz交流電源起動(dòng)，是大功率起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的初次嘗試。該型動(dòng)力裝置在它機(jī)驗(yàn)證試飛地面起動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，地面電源的電壓被迅速拉低，電源車欠壓保護(hù)裝置動(dòng)作，多次試驗(yàn)也造成了起動(dòng)發(fā)電機(jī)配套的起動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)的試飛裝機(jī)狀態(tài)和地面試車狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合起動(dòng)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了研討分析。

3 起動(dòng)系統(tǒng)工作原理

該型動(dòng)力裝置起動(dòng)系統(tǒng)功率拓?fù)鋱D如圖1所示。

地面三相115V/400Hz交流電源經(jīng)交流起動(dòng)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(cè)單元檢測(cè)到280V直流電壓達(dá)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(jìn)行逆變，并采用SVPWM方式進(jìn)行調(diào)制。SVPWM方法將逆變單元和異步電機(jī)看做一個(gè)整體（正弦波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)），即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)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(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域里，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過(guò)逆變單元的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來(lái)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(dòng)電源中線點(diǎn)記為O，電機(jī)中線點(diǎn)記為N，控制器線支撐電容的負(fù)端為零電平，記為G。起動(dòng)電源三相115V/400Hz交流電源經(jīng)過(guò)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(fù)載的運(yùn)行原理可知，圖中起動(dòng)電源中線點(diǎn)O對(duì)G點(diǎn)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(huì)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(dòng)電源的相電壓，單位為伏/V;t為通電時(shí)間，單位為秒/S。

圖中電機(jī)中線點(diǎn)N對(duì)G點(diǎn)的電壓UNG。以逆變單元開關(guān)過(guò)程第一扇區(qū)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。在第一扇區(qū)，三個(gè)橋臂上管在一個(gè)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(jī)中線點(diǎn)N與起動(dòng)電源中線點(diǎn)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(jī)中線點(diǎn)N與起動(dòng)電源中線點(diǎn)O的電壓差為兩個(gè)交流波形的疊加，即包括一個(gè)頻率為1200Hz的正弦波和一個(gè)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(jī)N線通過(guò)飛機(jī)蒙皮短接在一起時(shí)，在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(guò)流、欠壓保護(hù)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)機(jī)上出現(xiàn)的問(wèn)題在試驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證并分析原因，搭建了該型交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)產(chǎn)品為裝機(jī)同型號(hào)的產(chǎn)品，按交路起動(dòng)控制器試驗(yàn)線路圖進(jìn)行接線，并將起動(dòng)電源的N線與電機(jī)的N線通過(guò)電阻連接，然后進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，加相關(guān)測(cè)試線，進(jìn)行280V母線電壓、起動(dòng)電源輸出相電流、電機(jī)相電流、電機(jī)勵(lì)磁電流、N線回路電阻上的電壓及電流測(cè)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(cè)起動(dòng)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(shì)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出如表1和圖5所示的結(jié)論。

通過(guò)試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)可以推斷，當(dāng)N線回路中電阻減小到一定值直至短路時(shí)，在N線回路中將產(chǎn)生巨大的短路電流，該電流從起動(dòng)電源輸出到起動(dòng)控制器，并通過(guò)電機(jī)N線回到起動(dòng)電源的N線，造成地面電源電壓迅速拉低，起動(dòng)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(dòng)力裝置交流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中地面電源N線與電機(jī)N線不能短接的問(wèn)題，在地面起動(dòng)電源的N線與電機(jī)的N線之間增加一個(gè)接觸器，如圖7所示。該接觸器由交流起動(dòng)控制器控制，在起動(dòng)時(shí)交流起動(dòng)控制器輸出直流28V電源，中線隔離接觸器吸合，使電機(jī)的N線與地面電源的N線斷開;電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，交流起動(dòng)控制器無(wú)電壓輸出，中線接觸器斷開，電機(jī)N線接至機(jī)殼。

7 結(jié)論

該型動(dòng)力裝置在起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)中線與起動(dòng)電源中線必須采取隔離，否則會(huì)發(fā)生短路危險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)力裝置在起動(dòng)過(guò)程中拉低地面電源電壓的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]戴文進(jìn)，肖倩華.電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]方俊初，凌有鑄.SVPWM調(diào)制異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的原理與仿真[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（4）：54-56.