直升機交流起動發電一體化系統研究

賴耀祖 姜宇 管毅

摘 要：本文提出一種大功率交流起動發電一體化系統。文章利用傳統三級電勵磁同步電機作為直升機的起動和發電裝置，針對其中的關鍵技術進行了分析和優化，并通過試驗平臺，模擬系統的各種工作狀態，對系統功能進行了全面測試。結果表明：系統方案可行，控制邏輯正確，可滿足直升機的使用需求。

關鍵詞：交流起動發電一體化； 三級式電勵磁同步電機； 試驗驗證

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

航空用發動機有活塞式和燃氣渦輪式兩類，都不能自行起動工作，需靠外力使它們達到一定轉速后才能工作。將發動機從轉速為零加速到能自行工作轉速的過程叫做發動機起動。目前直升機發動機起動方式主要分為兩種，空氣渦輪起動機起動以及電起動方式。一般來說，大功率航空發動機采用空氣/燃氣渦輪起動機起動，而中小功率的航空發動機均采用電起動方式。目前國內直升機的發動機起動，大部分采用的是低壓直流電起動方式。

隨著航空電源以及電力電子技術的發展，大功率的航空發動機也開始采用電起動方式，而低壓直流電起動方式受直流起動發電機的體積、重量、高空換向等因素制約，已經滿足不了日益增加的發動機起動的功率需求。目前在國外大型軍機和民用飛機上已開始采用大功率無刷變頻交流起動/發電系統，國內的艦載預警機、大型無人機、運輸機等軍用飛機機種已開始了大功率變頻交流起動/發電系統的需求探索。因此針對大功率的直升機的發動機起動的應用，本文提出了一種大功率變頻交流起動/發電一體化系統，一種基于航空三級電勵磁同步電機的交流起動發電系統，利用傳統三級電勵磁同步電機作為航空發動機起動和發電裝置的交流起動發電一體化研究。

1 一體化系統架構

本文旨在不改變現有直升機交流電源體制的基礎上，提出一種以傳統航空三級電勵磁同步電機作為系統架構的交流起動發電一體化系統。系統包括交流起動發電機、交流起動控制器、交流發電控制器、起動發電轉換裝置、負載轉換裝置，系統架構框圖如圖1所示。

圖1 起動發電一體化系統架構框圖

如圖1所示，圖中上半部分為三級式電勵磁同步電機的原理框圖，電機分為定子與轉子兩部分結構，按功能又可分為永磁機、勵磁機和主發電機；圖中下半部分包括發電控制器、起動控制器、起動/發電轉換裝置。發電控制器（GCU）主要作用為當系統工作在發電狀態時，控制發電機并網發電，并對發電機狀態、電源品質等指標進行實時監控；起動控制器主要作用為當系統工作在起動狀態時，控制起動機的勵磁電流與電樞電流，使發動機從轉速為零按既定要求加速至發動機的自行工作轉速；起動/發電轉換裝置作用為起動過程結束后，將系統輸出由電起動回路切換至發電回路，從而向全機輸出交流電源；負載轉換回路作用為系統工作在發電狀態時，起動控制器可通過該裝置提供控制用電。

2 系統運行方式

2.1起動控制系統

交流起動發電系統在執行起動動作時，系統的原理框圖如圖2所示。此時，起動控制系統主要由交流起動發電機、起動控制器以及起動/發電轉換裝置組成；系統的能量傳輸路徑為外部交流電能經交流起動發電機轉換為機械能，通過傳動鏈施加于發動機的旋轉部件。

圖2 起動控制系統原理框圖

起動控制系統以115V/400Hz的三相交流電作為系統輸入，通過起動控制器的電力變換單元分別控制交流起動發電機的勵磁機與主發電機電樞電流，使電機工作在電動運行狀態。起動控制系統可采用基于電壓、轉矩雙閉環的控制策略，以提高系統效率及輸出轉矩的平穩性。起動/發電轉換裝置受起動控制器的指令控制，在起動過程時，起動側觸點吸合，起動結束后觸點斷開。此時，負載轉換裝置保持斷開狀態。

2.2 發電控制系統

交流起動發電系統在執行發電動作時，系統的原理框圖如圖3所示。系統主要包括交流起動發電機、發電控制器和起動/發電轉換裝置；系統的能量傳輸途徑為發動機輸出機械能，通過傳動鏈輸出至交流起動發電機，再轉換為電能，提供給直升機的機載用電設備。

圖3 發電控制系統原理框圖

發動控制系統與傳統的飛機交流電源控制系統相同，在起動任務結束后，發電機由發動機帶動到要求的發電轉速后開始發電過程，向全機電網提供115V/400Hz的三相交流恒頻電源。起動/發電轉換裝置在起動過程結束后，由起動控制器控制，輸出回路切換至發電側。

2.3電動負載控制

交流起動發電系統除正常的起動和發電功能外，還具有電動類負載的控制功能。在執行電動負載控制時，系統的原理框圖如圖4所示。

為保證交流起動發電系統最大化利用，起動控制器可根據直升機需要，在系統處于發電狀態時，作為電動控制器使用，為機上的電動機負載提供控制系統的支持，此時起動控制器作為電動機通用控制器實現功能復用。

圖4 起動控制系統原理框圖

此時，系統工作在發電狀態，交流起動發電機受發電控制控制，起動/發電轉換裝置保持在發電側。交流電源從直升機電網傳輸至起動控制器，經負載轉換裝置的回路提供給機上的電動類負載。

3交流起動發電一體化系統的關鍵技術分析

交流起動發電一體化系統的關鍵技術主要有以下幾方面：

3.1交流起動控制方法設計

交流起動發電機結構復雜，主發電機與勵磁機之間耦合性強，電磁關系具有較強的非線性，另外電機轉子側的電壓、電流大小無法直接獲取；同時，系統需要同步控制電機的電樞電流與勵磁電流，因此交流起動的控制方法設計成為系統設計的關鍵。

根據三級式電勵磁同步電機的電磁特性，本系統選擇采用基于矢量控制的直接轉矩角算法，對多目標參數進行解耦運算，對系統進行閉環控制，實現變頻交流起動功能。區別于傳統矢量控制策略，在該控制策略中，轉速閉環直接給出電壓矢量模值，而不再控制電流環給定；電流環與轉矩角環綜合計算給出電壓相位，矢量控制精度得到提高，控制誤差減小，可提高系統控制效率。通過大量的試驗驗證，該控制方法與策略能夠較好地滿足發動機起動的需求。

3.2交/直流混合勵磁控制方法研究

起動發電機有靜止、低速和高速三種工作模式，在不同工作模式下勵磁機工作特性不同，同時電機磁場的飽和程度受勵磁電流影響，因此對系統控制性能影響。而采用單一的勵磁控制方式不能較好地完成系統控制，所以需對勵磁控制方法進行優化設計，主要包括靜態時勵磁機最優勵磁條件的確定以及交流勵磁與直流勵磁切換時機的研究。

采用交/直流混合勵磁控制算法可以有效的實現多勵磁模式的優化控制，為不同工作階段的電機提供充足且高效的勵磁功率。通過試驗驗證，交/直流混合勵磁控制可以提供主電機起動過程中對勵磁功率的需求；同時，采用SVPWM調制技術能夠有效提高系統電能利用率，優化起動控制方法。

3.3交流起動系統輸出特性與發動機阻力矩特性匹配

發動機的起動過程與很多因素相關聯，其中包括起動發電機的機械特性、起動控制策略、發動機阻力矩、壓氣機的工作特性、燃燒室的供油規律以及點火時間等。為了使交流起動系統更好的適應發動機阻力矩特性，需要對包括壓氣機的消耗功率、燃氣渦輪的發出功率以及起動發電機的驅動功率進行綜合研究，并通過發動機地面臺架的起動試驗驗證，對起動控制策略以及電氣參數進行匹配調整，找到合適的起動控制規律，保證交流起動發電機輸出特性能夠與發動機阻力矩良好匹配。

（1 壓氣機所需消耗的功率Wc； 2 燃氣渦輪所發出的功率WT； 3 起動發電機的驅動功率WSG）

圖5 起動階段的功率示意

3.4勵磁機的交流勵磁能力提高與優化設計

起動過程中，勵磁電流是起動控制系統的關鍵參數，如何在靜止和低速時獲得足夠的勵磁電流，是起動發電系統的關鍵技術，可以通過在勵磁機的設計中優化電樞繞組及勵磁繞組參數（匝數、線徑），同時綜合考慮勵磁機在低速起動時交流勵磁、直流勵磁及高速發電時的參數的匹配設計。通過原理樣機的試驗驗證，勵磁機不僅在靜態和低速時能夠為主發電機起動提供足夠的勵磁電流，而且在起動過程中轉換為直流勵磁以及發電，均具有較好的勵磁特性。

3.5不平衡度和相移性能設計

由于電機要同時滿足發電及起動的性能指標要求，需綜合考慮交流起動及發電特性。另外，為了確保在不平衡負載下，電機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計，并同步減小電樞繞組和勵磁繞組的漏磁以減小負序阻抗和零序阻抗，但這些優化設計對電機效率和轉子強度有一定的影響。因此，根據原理樣機的試驗結果，在工程樣機設計時，對起動、發電及效率特性的電磁參數進行迭代優化設計。

4 起動發電系統試驗驗證

4.1試驗驗證平臺概述

交流起動發電一體化系統的試驗驗證平臺如圖6所示，該驗證平臺整體架構采用一臺90kVA三級電勵磁式同步電機，一臺AVTROL公司的1500馬力加載臺用于模擬發動機起動及發電過程，一臺起動控制器和一臺發電控制器，并包括交直流地面電源以及可編程交流電子負載等。工控機作為上位機，實現對系統運行狀態的監控以及人機交互功能等。

圖6 交流起動發電一體化系統驗證平臺

在起動試驗中，力矩測試系統實時監測起動發電系統在起動過程中的輸出的實時力矩，起動控制器按照設定的控制策略，控制起動發電機電機實現起動功能。起動控制器使用地面恒頻三相交流電源，輸出給起動發電機，電能質量分析儀和功率分析儀實時監測、分析起動控制器的輸出電能品質；另外，還可通過波形/函數發生器和雙脈沖測試系統、示波器、數字表等測試設備來分析、定位控制器的故障模式，進行起動控制器的故障診斷模擬。

在發電試驗過程中，發電控制器用來控制發電機的輸出，控制電源為地面28V低壓直流電源。發電機輸出機載電源給交流電子模擬負載，使用電能質量分析儀和功率分析儀來分析發電機輸出電源品質是否滿足要求；另外，通過波形/函數發生器和雙

圖7 交流起動發電一體化系統地面試驗

脈沖測試系統、示波器、數字表等測試設備來進行發電控制器的模擬故障診斷。可編程交流電子負載用于模擬機上的負載實現系統的閉環試驗，包括功率因素、負載的突加突卸等。

4.2試驗驗證

交流起動發電一體化系統通過開展工程樣機研制、設備綜合調試及系統級試驗平臺聯試。其中，起動試驗曲線如圖8所示：

圖8 交流起動發電一體化系統起動試驗曲線

在試驗過程中，對整個交流起動發電一體化系統的起動性能、發電性能、故障判斷、邏輯時序等功能進行了全面的驗證。試驗結果表明：起動控制系統能夠滿足發動機起動特性要求，能夠穩定的將發動機帶入自運轉狀態；發電控制系統能夠滿足直升機交流供電系統的各項性能指標要求；起動發電一體化系統在起動控制、發電控制、起動與發電狀態切換、系統保護及邏輯時序控制等方面設計合理、關系協調，系統能夠滿足設計要求。

5總結

隨著全電和多電技術的發展與應用，直升機對發動機起動的功率需求也越來越大，以往的低壓直流電起動的方式逐漸滿足不了新的需求，交流起動發電一體化設計提供了新的電起動的可能。起動系統在完成發動機的起動后，轉為發電向全機提供電源，實現起動發電的雙功能。通過本項目的研究，可以突破并掌握了大功率變頻交流起動/發電一體化系統的關鍵技術，為大功率變頻交流起動/發電一體化系統的工程設計及裝機應用奠定堅實的基礎

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作者簡介：

賴耀祖（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：直升機電氣系統設計。

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。

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。