永磁輔助式同步磁阻電機(jī)航空發(fā)電系統(tǒng)的研究

趙雅周，袁靜蘭，李 洋

(北京曙光航空電氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

永磁輔助式同步磁阻電機(jī)結(jié)合了永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)的特點(diǎn)，具有功率密度高、效率高、調(diào)速范圍寬等顯著特點(diǎn)，作為電動(dòng)機(jī)在家用電器、電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。如果將此技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)電源領(lǐng)域，采取新型控制策略，使電機(jī)兼容電動(dòng)和發(fā)電兩種工作狀態(tài)，限制短路電流在安全、合理范圍內(nèi)，無疑將顯著提高供電系統(tǒng)的效率和功率密度。

本文結(jié)合永磁輔助式同步磁阻電機(jī)及飛機(jī)對(duì)新型直流電源的需求，比較了不同類型起動(dòng)發(fā)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)，為適應(yīng)高效、高功率密度和高轉(zhuǎn)速的需求，提出了一種永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的270 V高壓直流電源系統(tǒng)新構(gòu)型,介紹了系統(tǒng)工作原理，針對(duì)發(fā)電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，建立系統(tǒng)發(fā)電Simulink模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)供電品質(zhì)可滿足國軍標(biāo)和飛機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)需求，本文的研究對(duì)開展新型航空電源系統(tǒng)研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)需求

高壓直流電源系統(tǒng)是先進(jìn)飛機(jī)電源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，隨著飛機(jī)向高速、高機(jī)動(dòng)、任務(wù)多樣化等方向發(fā)展，機(jī)載供電系統(tǒng)對(duì)其發(fā)電機(jī)的效率、質(zhì)量和體積都提出了更高的指標(biāo)要求，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和發(fā)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著電力電子器件技術(shù)發(fā)展以及高溫絕緣導(dǎo)線和高溫磁性材料的開發(fā)，不斷有新構(gòu)型電機(jī)被研發(fā)出來。其中，適合作為高壓直流電源并兼具起動(dòng)和發(fā)電的電機(jī)構(gòu)型對(duì)比如表1所示。

表1 各類型起發(fā)電機(jī)對(duì)比

三級(jí)同步電機(jī)穩(wěn)定性好，技術(shù)非常成熟，但由于旋轉(zhuǎn)整流器和電機(jī)極對(duì)數(shù)的限制，較難實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。開關(guān)磁阻電機(jī)(含雙凸極型磁阻電機(jī))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，高速及超高速運(yùn)行可靠，但由于電機(jī)定子側(cè)勵(lì)磁，功率密度相對(duì)較低。永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，但其沒法滅磁，短路電流無法抑制，因此在航空系統(tǒng)上應(yīng)用較少。永磁輔助同步磁阻電機(jī)具有永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但其僅含有少量的永磁體，通過合理的抗短路設(shè)計(jì)能夠?qū)⒍搪饭收蠒r(shí)電流限制在額定工作電流附近，不存在滅磁問題，同時(shí)可設(shè)計(jì)新型控制策略，提高電機(jī)輸出電壓品質(zhì)，以滿足國軍標(biāo)和直升機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)的要求。因此，基于永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)作為新型航空電源系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)型

基于永磁輔助同步磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)的高壓直流電源系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由永磁輔助式同步磁阻雙三相起動(dòng)發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱起動(dòng)發(fā)電機(jī))、起動(dòng)/發(fā)電復(fù)用電源變換器(以下簡(jiǎn)稱電源變換器)、起動(dòng)電源等組成。在起動(dòng)工況下，電源變換器控制地面電源或機(jī)上輔助應(yīng)急電源給電機(jī)供電，使起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以磁阻轉(zhuǎn)矩為主、電磁轉(zhuǎn)矩為輔。系統(tǒng)能量流向?yàn)閺钠饎?dòng)電源的電能到電機(jī)和原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能。在發(fā)電工況下，電源變換器通過雙三相功率管開關(guān)動(dòng)作對(duì)永磁輔助同步磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行升壓閉環(huán)控制，控制電機(jī)輸出電壓保持在270 V，系統(tǒng)能量流向?yàn)閺脑瓌?dòng)機(jī)的機(jī)械能到用電設(shè)備的電能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 起動(dòng)發(fā)電機(jī)

永磁輔助式同步磁阻電機(jī)在d，q參考坐標(biāo)系下的空間矢量圖如圖2所示。

圖2 永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的空間矢量圖

圖2中，is是電樞繞組電流矢量；us是電樞繞組電壓矢量；Ld和Lq分別是直軸電感與交軸電感；id和iq分別是直軸電流與交軸電流；ψpm是空氣磁障中永磁體產(chǎn)生的磁鏈；ψ0是電樞繞組電流is產(chǎn)生的磁鏈；ψs是電樞繞組電流磁鏈與永磁體磁鏈的合成磁鏈；α是is與q軸的夾角；β是is與d軸的夾角；γ是ψ0與d軸夾角；θ是us與is夾角。各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型表示如下。

電壓方程:

(1)

(2)

磁鏈方程：

ψd=Ldid+ψpm

(3)

ψq=Lqiq

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Tem=p(ψdid-ψqiq)=p[ψpmid+(Ld-Lq)idiq]=

(5)

式中:ω為轉(zhuǎn)子電角速度，p為極對(duì)數(shù)，Rs為電樞繞組的相電阻。

機(jī)械方程：

(6)

式中:Ω是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；J是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；RΩ是阻力系數(shù)。

本文提出的45 kW永磁輔助式同步磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)采用24槽4極結(jié)構(gòu)，同時(shí)電機(jī)采用雙三相繞組結(jié)構(gòu)，每套繞組間隔30°，達(dá)到高效率、高功率密度的目的。

電機(jī)二維有限元分析模型如圖3所示。

定子繞組結(jié)構(gòu)分布如圖4所示。

圖3 電機(jī)有限元仿真模型圖4 電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)分布

轉(zhuǎn)子磁障采用U形三層不等厚磁障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以降低其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又可以提高凸極比，提高電機(jī)電磁性能；每層內(nèi)外磁橋厚度設(shè)計(jì)為不同樣式，以降低轉(zhuǎn)子的機(jī)械應(yīng)力，滿足高轉(zhuǎn)速下機(jī)械強(qiáng)度要求，轉(zhuǎn)子有限元剖分圖如圖5所示，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為1.2倍額定轉(zhuǎn)速負(fù)載下的應(yīng)力分布圖如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)子有限元剖分圖

圖6 轉(zhuǎn)子在28 800 r/min額定負(fù)載下應(yīng)力分布圖

電機(jī)電負(fù)荷和線負(fù)荷的提高，導(dǎo)致電機(jī)散熱問題突出，電機(jī)采用新型定子繞組噴油、循油與轉(zhuǎn)子噴油冷卻的油冷通道的散熱結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)功率密度。本文的永磁輔助同步磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)額定發(fā)電狀態(tài)下功率密度可達(dá)到3 kW/kg以上，效率可達(dá)到92%。

2.3 電源變換器

電源變換器實(shí)現(xiàn)永磁輔助式同步磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)的起動(dòng)和發(fā)電控制及功率變換，為起/發(fā)復(fù)用結(jié)構(gòu)，如圖7所示。電源變換器主要由雙三相全橋主功率電路、濾波電容、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路組成。其中雙三相全橋電路為實(shí)現(xiàn)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)的矢量控制與發(fā)電時(shí)的PWM整流控制所需的主功率電路；濾波電容一方面降低此電流導(dǎo)致的直流母線電壓脈動(dòng)幅值，另一方面作為能量緩沖，抑制配電網(wǎng)突加/卸負(fù)載時(shí)，由于發(fā)電機(jī)輸出功率響應(yīng)滯后而產(chǎn)生的直流電壓跌落與過沖的幅值；驅(qū)動(dòng)電路的功能為根據(jù)控制電路輸入的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙三相全橋功率器件的高效、可靠驅(qū)動(dòng)。

圖7 電源變換器框圖

3 控制策略及仿真

3.1 控制策略

系統(tǒng)具有起動(dòng)和發(fā)電兩種工作狀態(tài)，起動(dòng)為短時(shí)工作模式，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)模式，不進(jìn)行具體描述。作為航空電源，發(fā)電模式是電機(jī)長(zhǎng)期工作狀態(tài)，也是本系統(tǒng)控制的重點(diǎn)部分。本文提出一種雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，控制框圖如圖8所示。發(fā)電的控制目標(biāo)為穩(wěn)定直流側(cè)電壓270 V，系統(tǒng)外環(huán)為電壓環(huán)，直流額定負(fù)載為45 kW，2倍過載90 kW；由于存在突加或突卸負(fù)載工況，采用負(fù)載電流前饋方法提高電壓環(huán)響應(yīng)速度。內(nèi)環(huán)采用固定電流角度控制，電流角度選取的依據(jù)為額定負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，2倍過載時(shí)變換器交流側(cè)線電壓峰值不超過270 V。

圖8 雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖8中，VCR為電壓控制調(diào)節(jié)器，直流母線電壓與基準(zhǔn)電壓作差之后經(jīng)VCR計(jì)算得到所需電流幅值，經(jīng)電流分配之后得到相應(yīng)的d、q軸電流指令，VCR選擇PI調(diào)節(jié)器。為了保證突減負(fù)載時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性，在d軸通道加入一求負(fù)絕對(duì)值模塊。

永磁輔助式同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩：

Te=3p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]=

3piq[ψf+(Ld-Lq)id]

(7)

式中:id、iq和Ld、Lq為采用空間矢量解耦變換后的dq軸電流和dq軸電感；ψf為永磁體磁鏈；p為極對(duì)數(shù)。由式(7)可見，當(dāng)突卸負(fù)載時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)矩快速降低并反向，應(yīng)控制id軸電流為非正數(shù)，否則若id與iq電流仍然同號(hào)，則磁阻轉(zhuǎn)矩?zé)o法反向，不利于卸載時(shí)對(duì)電壓突增的抑制，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

VCR的本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)電機(jī)的相電流幅值。然而，當(dāng)負(fù)載狀況突變時(shí)，VCR作為PI控制器，需要檢測(cè)到實(shí)際電壓偏離270 V指令電壓才能改變輸出相電流幅值，這就導(dǎo)致了VCR在響應(yīng)速度上的不足，為此采取負(fù)載電流前饋的控制方法進(jìn)行補(bǔ)償，即采樣負(fù)載電流，通過Te=UdcIdc/ω得到負(fù)載變動(dòng)后所需的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)過式(1)的逆變換及dq軸電流與is電流角分配關(guān)系得到響應(yīng)的電機(jī)相電流幅值。

式中：Ω為機(jī)械角速度；p為極對(duì)數(shù)；θ為is與d軸夾角。

3.2 仿真模型

在Simulink環(huán)境下搭建起動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)，系統(tǒng)開關(guān)頻率為20 kHz，死區(qū)時(shí)間1.2 μs，對(duì)控制部分相關(guān)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化，離散化方法為Tustin變換，電機(jī)參數(shù)設(shè)置如表2所示。為了縮短仿真時(shí)間，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取值小于實(shí)際系統(tǒng)，J=5×10-3kg·m2，直流母線電容選取為3 000 μF。

表2 電機(jī)仿真參數(shù)

雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)Simulink模型如圖9所示。電流內(nèi)環(huán)分配與計(jì)算仿真模塊、雙SVPWM計(jì)算仿真模塊、主功率仿真模塊在此省略。

圖9 雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)Simulink模型

3.3 仿真分析

在電機(jī)轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，分別仿真發(fā)電機(jī)負(fù)載為空載、25%、50%、75%、100%、150%、200%額定負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)輸出270 V直流電壓精度和脈動(dòng)電壓。

100%額定負(fù)載下輸出電壓波形如圖10所示，電脈動(dòng)峰峰值為0.5 V。

圖10 100%額定負(fù)載下輸出電壓脈動(dòng)

保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，進(jìn)行系統(tǒng)突加、突卸負(fù)載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)初始狀態(tài)分別為10%和20%額定負(fù)載，突加至85%和170%額定負(fù)載，測(cè)試該過程中發(fā)電機(jī)電壓最低值與電壓恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓的時(shí)間；再突卸負(fù)載，測(cè)試該過程中發(fā)電機(jī)電壓最高值與電壓恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 突加突卸負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從10%突加至85%額定負(fù)載輸出電壓瞬態(tài)波形如圖11所示，從85%突卸至10%額定負(fù)載輸出電壓瞬態(tài)波形如圖12所示。

圖11 從10%突加至85%額定負(fù)載輸出電壓波形

圖12 85%負(fù)載突卸至10%負(fù)載輸出電壓波形

額定負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)輸出畸變頻譜如圖13所示。

圖13 額定負(fù)載下電壓畸變頻譜

模擬電機(jī)交流輸出端短路，校核各相短路電流是否會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生過熱、燒毀等嚴(yán)重影響，仿真結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?，各相短路穩(wěn)定時(shí)短路電流為64 A，為額定電流的0.94倍，即其短路時(shí)發(fā)熱低于額定工況下發(fā)熱，不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生過熱影響。

圖14 短路電流波形圖

4 結(jié) 語

本文結(jié)合永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的特點(diǎn)及飛機(jī)對(duì)高壓直流電源系統(tǒng)高效、高功率密度和高轉(zhuǎn)速的需求，比較了不同類型起動(dòng)發(fā)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于永磁輔助同步磁阻電機(jī)原理的270 V高壓直流電源系統(tǒng)新構(gòu)型,介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理，針對(duì)發(fā)電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機(jī)電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，建立系統(tǒng)發(fā)電Simulink模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)供電品質(zhì)可滿足國軍標(biāo)和飛機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)需求，本文的研究對(duì)永磁輔助式同步磁阻電機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。