航空無刷同步電機起動發電系統電動運行勵磁特性

李 巖，張 超，王冬梅

（海軍航空工程學院控制工程系，山東 煙臺 264001）

實現起動/發電雙功能是現代飛機電源系統的一個重要發展方向，其基本思想是使機載電源系統中的發電機兼作電動機，起動航空發動機，直至發動機噴油點火自行工作后，再驅動發電機進入發電工作狀態，從而省去發動機的起動系統，簡化發動機的附件機匣，減小重量、體積，提高可靠性及飛機的總體性能[1-4]。

現役飛機電源系統中，無刷同步電機作為發電機得到了廣泛應用，因此實現起動/發動雙功能對設備的改動小、研發周期短、風險小、費用低，不僅可用于新機型的裝備，也還可用于老機型的改造，具有重要的應用價值[5-8]。

無刷同步電機發電運行時采用直流勵磁，電動運行時，在同步電機靜止或低轉速時，如仍向勵磁機的勵磁繞組中通入直流電，勵磁機的電樞轉子無感應電勢產生，則主發電機勵磁繞組無法得到勵磁電流，不能產生電磁轉矩，也就無法作電動運行來起動航空發動機[9]。本文提出了交直流混合勵磁方案，即在不改變原有電機結構的情況下，利用原有勵磁機的直流勵磁繞組，在起動時首先通入單相交流電，通過脈振磁場在主發電機勵磁繞組中產生勵磁電流，起動發動機至一定轉速后切換為直流勵磁，以增大起動轉矩。原理電路如圖1所示。

圖1 無刷同步電機勵磁起動運行原理電路圖

1 基本原理

無刷交流同步電機雙功能系統在起動狀態時，主發電機作為主電動機運行。電機靜止時，若勵磁機的勵磁繞組通以單相交流電流，勵磁機工作在變壓器的方式下，設主發電樞繞組開路，則磁鏈為

當勵磁繞組軸線與a相繞組軸線夾角為θ時，

所以，

式中：ω1=2πf1，f1為勵磁機單相交流勵磁的頻率；α為勵磁繞組阻抗角；Maf、Rf、Lf等是勵磁電機本身參數。

電機轉動時，當勵磁繞組通以單相交流電流時，其建立的基波磁勢是脈振磁勢，可將其分解為轉向相反、幅值相同、轉速相同(n1=60 f1/p0)且按正弦分布的兩個旋轉磁勢。當電機轉速為n時，電機電樞繞組以不同的速度切割正序和負序磁勢，可感應出頻率分別為f+f1和f?f1的感應電勢，其中f=p0n/60，p0為勵磁機的極對數，則a相感應電勢為：

由式(5)可知，感應電勢的幅值與勵磁電壓的有效值成正比關系，在低轉速時感應電勢的幅值和頻率主要由勵磁頻率決定，高轉速時主要由電機轉速決定，諧波含量高，雖經旋轉整流器整流，主發電機的勵磁電流仍含有較高的脈動。考慮到勵磁電流的幅值大小以及現行飛機常用的勵磁電源，本文中的單相交流勵磁電源的幅值取200 V，而勵磁電流的頻率確定須兼顧主發電機勵磁電流的大小和脈動率，既要保證足夠大的起動轉矩，又要克服脈振轉矩對電機的不利影響。

2 勵磁頻率對主發勵磁電流平均值的影響

本文采用自控式無刷同步電機矢量控制方案，應用MATLAB/SIMULINK 建立了××-××兩級無刷同步電機起動運行的仿真模型，如圖2所示，包括勵磁模塊、檢測控制模塊、逆變器、勵磁機、主發電機(電動機模式)等。交流勵磁機在不同勵磁頻率下得到的主發電機勵磁電流的仿真波形如圖3所示。由圖3可知，低速時主發勵磁電流的平均值隨勵磁頻率的變化不明顯，高速段主發勵磁電流的平均值隨勵磁頻率的升高有所下降，這主要是由旋轉整流器的工作狀態決定的。圖4是起動過程中，不同勵磁頻率下主發勵磁電流平均值的仿真曲線。圖4中可看出勵磁頻率對主發勵磁電流平均值影響很大：隨著勵磁頻率的升高，主發勵磁電流平均值下降，并且在低頻率段下降的幅度較大。從這一角度來看，勵磁機采用較低頻率的勵磁將會得到較大的主發勵磁電流。為了觀測低轉速時勵磁頻率對主發勵磁電流平均值的影響，將圖4的低速段進行放大可得圖5，表明直流勵磁在電機靜止時無法給主發電機提供勵磁，當轉速超過某一特定值時，直流勵磁將產生更大的主發勵磁電流。

圖2 無刷同步電機起動運行仿真模型

圖3 不同勵磁頻率下主發勵磁電流波形圖

圖4 主發勵磁電流平均值隨電機轉速及勵磁頻率變化曲線

圖5 接近零速度時主發勵磁電流仿真曲線圖

3 勵磁頻率對主發勵磁電流脈動率影響

無刷同步電機電動運行時，主發勵磁電流脈動率應控制在較小范圍內，從而減小轉矩的脈動。采用單相交流勵磁的方式后，在主發電機勵磁電流中勢必含有較大脈動，必須對其特性進行分析[9-10]。

圖6是主發勵磁電流的脈動率隨轉子轉速及勵磁頻率變化的仿真曲線，表明了隨著勵磁頻率的增大，主發勵磁電流的脈動率變小的規律。本文電流脈動率 ΔI/I'定義為電流脈動的峰值與電流平均值之比。應該注意的是，這里所提到的電流脈動不僅包括由交流勵磁引起的較高頻率的脈動，還包括由于電機同步轉速頻率與勵磁頻率之差形成的低頻脈動。總的來說，在各種頻率、各種轉矩下主發得到的勵磁電流的脈動均不超過平均值的25%，不會嚴重影響起動運行。

圖6 主發勵磁電流的脈動率隨轉子轉速及勵磁頻率變化的仿真曲線

另外，隨著勵磁頻率的升高，ΔI/I'幅值變小，并且其自身的波動率減小，圖6中可以明顯觀察到40 Hz的波動較10 Hz時要平緩很多；而隨著電機轉速的增大，ΔI/I'總會出現一個極小值，并且極小值所對應的轉子轉速隨著勵磁頻率的升高而增大，該極值點可作為交直流勵磁的切換點。

4 結論

本文對航空無刷同步電機起動發電系統的勵磁特性進行了理論分析，提出了交直流混合勵磁的方案，既保證了足夠大的起動轉矩，又克服了脈振轉矩對電機的不利影響。應用MATLAB/SIMULINK建立了兩級無刷同步電機起動運行的仿真模型，并進行了仿真研究。本文的工作對航空無刷同步電機起動發電系統的優化設計可供參加。

[1]鄭新才,陳剛.電機原理及其應用[M].北京∶中國水利水電出版社,2008∶248-252.

[2]劉迪吉.航空電機學[M].北京∶航天工業出版社,1993∶88-96.

[3]ME HAGUE,L ZHONG.MF Rahman-power electronics[J].IEEE Tansactions on,2003(5)∶35-42.

[4]PHILIP KJAER,TOMMY KJELLQVIST,CHARLES DELALOYE.Estimation of field current in vectorcontrolled synchronous machine variable-speed drives employing brushless asynchronous exciters[C]//38th Industry Applications Conference.2003∶1703-1710.

[5]王瑾.飛機無刷發電機及電壓調整技術研究[D].南京∶南京航空航天大學,1999.

[6]戴衛力,王慧貞,嚴仰光,等.航空起動/發電系統的發展趨勢與研究現狀[J].航空科學技術,2010(5)∶28-32

[7]陳寶林,嚴仰光,陳廣華,等.飛機起動/發電雙功能系統電動狀態單相交流勵磁的研究[J].電工技術雜志,2000(1)∶3,7-8.

[8]岳夕彪,楊潤生,陳仁偉.基于DSP的無刷直流電動機控制電路設計[J].四川兵工學報,2010,31(2)∶91-93.

[9]陳寶林,劉建紅,顧毅康,等.同步電機雙功能系統單相交流勵磁的研究[J].南京航空航天大學學報,2003,35(6)∶621-624

[10]SONG SHOUJUN,LIU WEIGUO,UWE SCHAEFER.Optimal control of a high speed switched reluctance starter/generator for the more/all electric aircraft[J].Transactions of China Electro Technical Society.2010,25(4)∶44-52.

[11]顧毅康.電磁式無刷交流同步電機的新型起動方案研究[D].南京∶南京航空航天大學,2002.