多電飛機大功率高壓直流起動發電機系統研究與實現

張卓然，李進才，韓建斌，陸嘉偉，石珩

南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工業和信息化部重點實驗室，南京 211106

隨著對可靠性、維護性和可操作性、燃油經濟性等方面的要求越來越高，多電/全電化已成為民用飛機和軍用飛機的發展趨勢，是支撐綠色航空發展和提高戰術性能的重要途徑[1-3]。多電/全電飛機將機上氣壓能、液壓能、機械能等二次能源逐步統一為電能，從而簡化系統結構，提高系統可靠性和維護性，同時提高系統的整體效率，降低燃油消耗[4]。美國國防部和國家航空航天局從1990年起，就計劃分3個階段進行多電/全電飛機的論證與研究工作[5-6]，以1998年、2005年和2012年為3個時間節點和F-22飛機機電系統的技術水平為基準，計劃針對電源系統的技術方案從外裝式的高壓直流開關磁阻起動發電機逐步向內裝式高壓直流起動發電機和超導發電機與儲能裝置的組合體遞進，功率等級從百千瓦級向數兆瓦級邁進，由此可見大功率高壓直流起動發電機系統是多電/全電飛機的關鍵性支撐技術。

更進一步地，電推進技術是在多電飛機二次能源電氣化的基礎上，將飛機動力系統革新，實現一次能源電氣化，是航空電氣化發展的高級階段和重要方向，能夠進一步提高動力系統能量轉換效率[7]。當前的技術條件已經使得小型電推進飛機成為現實，但由于電池的能量密度尚不能與燃料相媲美，純電推進飛機的應用場合仍然受限，混合電推進更具有研究與應用價值[8]，高壓直流架構及輸配電系統是混合電推進飛機電力網絡的重要形式。因而，高效、高功率密度、大功率機載高壓直流起動發電機系統也是發展混合電推進飛機的必要基礎。

高壓直流電源系統在可靠性、費用、維修性、重量和供電質量等方面具有明顯的優勢。其易于并聯，從而實現不間斷供電，提高供電可靠性。相比于交流電源系統的三相四線制，高壓直流電源系統只需要正極和負極兩根匯流條，能減輕約28%的饋線重量(270 VDC vs 115 VAC)[9]；高壓直流電源系統通過設置無感母線，可降低電網中電流突變導致的電壓尖峰，而交流電源系統中饋線交流阻抗卻對穩態和動態性能影響較大；高壓直流電源系統消除了交流電源系統中專用的給大量可調電動機負載供電的整流單元[10]，從而提升系統功率密度，提高了燃油經濟性或作戰半徑。

早期的飛機起動發電機采用有刷直流電機，其起動過程簡單，不需要專用的起動控制器。但由于存在碳刷和換向器，高空換相困難，不宜采用高壓，同時也限制了轉速和功率，功率密度僅有0.5～0.7 kW/kg[11]。美國Sundstrand公司于1946年發明了恒速傳動裝置(Constant Speed Device,CSD)，使得115 V/400 Hz交流電源系統首次應用于B-36飛機上[12]，并逐步發展，廣泛應用于美國Boeing公司、歐洲Airbus公司的多種型號飛機，這種電源系統的發電機均是三級式無刷同步電機，其發電技術相對成熟，并且功率密度不斷得到提升，比如B737NG的90 kVA組合傳動發電機(Integrated Drive Generator,IDG)功率密度達到1.70 kW/kg。但由于CSD的結構復雜性、能量傳遞單向性以及低效率，IDG也逐漸難以滿足飛機電源系統的需求和大功率起動發電機的要求。飛機電源系統開始向著變頻交流和高壓直流體制發展。

目前來說，美國Boeing公司的B787、歐洲Airbus公司的A350和A380以及中國COMAC公司C919均采用了寬變頻交流電源系統[13-14]，頻率變化范圍超過2倍最低頻率，它們使用的是三級式變頻交流發電機，單機容量分別為250、150、120、100 kVA。容量和功率密度均大幅度提高，過載能力和可靠性亦得到提高。值得一提的是，B787飛機的250 kVA變頻交流發電機實現了起動發電一體化，起動轉矩達到407 N·m，直接起動大型渦扇發動機，消除了專用的空氣渦輪起動機(Air Turbine Starter，ATS)。

高壓直流起動發電機理論上輸出不受交流電頻率的約束，轉速和功率密度可進一步提高，是航空電源系統的重要發展方向。國內外學者研究較多，在一些先進飛機上也得到了應用。美國GE和Sundstrand公司在美國空軍和NASA的支持下針對開關磁阻起動發電系統進行了研究，并研制了30、250 kW等試驗樣機[15-16]；英國諾丁漢大學研制了45 kW永磁高壓直流可控起動發電系統[17]，南京航空航天大學開發了18 kW異步高壓直流起動發電機實驗驗證系統[18]，并對電勵磁雙凸極電機和開關磁阻電機構成的高壓直流起動發電系統進行了深入的研究。應用方面，戰斗機F-22、F-35以及直升機Comanche均使用270 V高壓直流電源系統[19-21]。國內在大功率機載高壓直流起動發電系統方面的研究與應用尚未見相關報道。

三級式無刷同步電機發電技術相對成熟，但其在大功率高壓直流體制下的起動發電一體化運行尚未見相關研究，其系統架構、運行機理和控制方法都亟需開展深入研究與實踐。同時，由于其無刷勵磁結構特殊性，起動發電一體化技術是難點，特別是大起動轉矩的應用場合。一方面，起動勵磁技術是三級式無刷同步電機實現起動發電一體化的關鍵技術之一。國內外學者針對交流起動發電機單相交流勵磁、兩相交流勵磁、三相交流勵磁以及勵磁繞組結構的重構等方面進行了研究和探索[22-26]。另一方面，起動時需要主電機和勵磁機的同時工作，起動轉矩與二者電壓、電流參數等均息息相關，同時還受到轉速的影響，存在多變量耦合和協調控制的難題。

因此，基于大功率航空高壓直流電源的迫切需求，考慮航空三級式無刷高壓直流起動發電機的結構特殊性，以及強非線性、多變量以及多電機強耦合、多功能復用等特征，本文提出航空大功率高壓直流起動發電系統架構，并深入研究其發電和起動特性關鍵技術，構建三級式高壓直流起動發電一體化實驗平臺，并開展了實驗驗證，為發展中國自主創新的多電/全電飛機大功率高壓直流電源系統提供參考。

1 三級式高壓直流起動發電機系統架構

1.1 三級式無刷高壓直流起動發電機結構與原理

三級式無刷同步電機是支撐機載電源發展的核心部件，也廣泛應用于民用大型汽輪發電機、水輪發電機以及艦船發電機等[27-30]。

如圖1所示，三級式無刷同步電機包括永磁發電機(Permanent Magnet Generator, PMG)、勵磁機(Main Exciter, ME)、主電機(Main Generator, MG)以及旋轉整流器組件(Rotating Rectifier)等4個主要部分，在同一個殼體內，安裝在同一個轉軸上，構成多極并列結構。其中PMG通常是內轉子結構，在一些特殊的場合，比如為縮小電機的軸向長度，PMG也可采用外轉子的結構，轉子鐵心與ME轉子軛復用一個鐵心。ME是一個旋轉電樞式的電勵磁同步電機，定子為凸極式結構，繞有單相集中式的勵磁繞組，轉子采用隱極式結構，繞有分布式電樞繞組。此外，ME轉子軛部安裝橋式整流二極管，以實現將ME電樞電流向MG勵磁電流的轉換。主電機MG是一個旋轉磁極式的電勵磁同步電機，其勵磁繞組首尾端與旋轉整流器的輸出正負極相連，三相電樞繞組位于定子側，主電機是對外輸出電能的主體。

在三級式無刷同步電機主電機的三相輸出側串接三相橋式整流器就組成了三級式高壓直流起動發電機。輸出整流器放置在電機內部，利用電機自身的結構安裝，同時共用冷卻系統，直接輸出兩根高壓直流饋線，同時保留原有的A、B、C三相輸出端子，作為起動之用，這種高壓直流起動發電系統結構簡單、重量輕、冷卻效果好，具有明顯的優勢。

圖1 三級式無刷起動發電機基本結構

1.2 起動發電機系統

圖2給出了三級式無刷高壓直流起動發電機系統框圖，包括三級式無刷高壓直流起動發電機、起動發電控制器(Starter Generator Control Unit，SGCU)、發電機控制接觸器(Generator Control Relay，GCR)、起動接觸器(Starter Control Relay，SCR)、起動控制斷路器(Starter Control Breaker，SCB)和發電控制斷路器(Generator Control Breaker，GCB)等部分。此外轉子軸上額外安裝有旋轉變壓器，用于檢測起動過程中轉子實時的位置信號。SGCU包括PMG整流/功率變換單元、起動整流單元、主電機逆變單元、勵磁機逆變單元以及控制單元等。圖中Uef、Ief分別為勵磁機勵磁電壓、電流；Uexa、Uexb、Uexc分別為旋轉整流器輸入端的三相電壓；Iexa、Iexb、Iexc分別為ME三相電樞繞組電流；UF、IF分別為MG勵磁電壓、電流。

圖2 三級式高壓直流起動發電系統架構

發電模態下，SGCU內部的整流單元將PMG輸出的三相交流電流整流后供給后級的不對稱半橋勵磁功率變換單元，控制部分根據檢測到直流調壓點(Point of Regulation，POR)電壓變化實時調節勵磁功率器件MOSFET占空比，從而改變勵磁機的Uef和Ief以保持POR電壓在270 V。

起動模態下，采用起動整流單元將三相115 V/400 Hz 起動電源整流成270 V直流，供給主電機逆變單元和勵磁機逆變單元。勵磁機逆變單元根據起動轉矩的需要調節單相勵磁電壓和頻率，也可固定勵磁電壓和頻率，本文提出采用恒壓、恒頻的單相勵磁方式。主電機逆變單元則同時根據起動轉矩的需要和起動轉速的變化，同時調節輸出電壓及其頻率，向主電機A、B、C三相端子輸入變壓、變頻的交流電，從而輸出給定的起動轉矩拖動發動機至脫開轉速，起動發電機脫開，在發動機的加速下過渡到發電模態。發電模態下，GCR閉合、SCR與PMG整流/功率變換單元輸出連接，GCB閉合；起動模態下，GCR、GCB斷開、SCR與勵磁機逆變單元連接，SCB閉合。

2 三級式高壓直流起動發電機運行特性

2.1 工作特性

由三級式無刷高壓直流起動發電機結構特點可知，單獨靠主電機難以完成發動機的起動任務，必須要勵磁機同時參與，以使主電機獲得勵磁電流并產生足夠大的起動力矩。因此，歸納起來，結合起動發電雙功能需求，三級式高壓直流起動發電機主電機與勵磁機的工作特性如表1所示。由表1可知，三級式高壓直流起動發電機兼顧起動、發電雙功能下，勵磁機與主電機的輸入特性、輸出特性比較復雜。發電時、勵磁機定子勵磁繞組輸入的是經PWM斬波的直流電壓和穩定的直流電流，主電機交流側為六脈波交流電壓和正弦電流、直流側為穩定的270 V直流電壓和直流電流；起動時，勵磁機定子勵磁繞組通入的為單相正弦波交流電壓和單相正弦波交流電流，主電機三相繞組輸入的為SGCU輸出的PWM交流電壓和三相正弦波電流。

值得注意的是，勵磁機與主電機在起動、發電雙工況下輸入的電壓、電流均存在非線性、強耦合、多變量的特點，給起動發電一體化設計帶來了挑戰。另外，需要指出的是，發電模態下，旋轉變壓器不工作；起動模態下，PMG和輸出整流器不工作。

表1 主電機與勵磁機的工作特性

2.2 發電特性

由1.1節可知，發電模態下，需要主電機、勵磁機和PMG的同時參與，由于勵磁機作為中間環節，接收PMG的勵磁功率，受到起動發電控制器SGCU監測和不斷調節，將其勵磁電流Ief轉化為主電機需要的勵磁電流IF，對整個發電機系統的穩態性能和動態特性都有影響，占據著舉足輕重的地位，因此這里重點研究勵磁機的發電特性。

勵磁機為旋轉電樞式同步發電機，有三相電樞繞組，一套勵磁繞組，無阻尼繞組，其本質也是一臺凸極式同步發電機。勵磁機三相電樞繞組經旋轉整流器與主電機勵磁繞組相連，負載性質為滯后的、高感性的、非線性的RF-LF整流負載，其等效電路如圖3所示，圖中Eexa、Eexb、Eexc為ME三相繞組反電勢；xc為換相電抗；ra為相電阻；RF、LF分別為MG勵磁繞組的電阻、電感。一般來說，RF為幾十mΩ量級，而LF為幾十mH量級，隨功率等級和轉速大小而變化。

圖3 勵磁機等效電路

隨著勵磁機工作環境的變化(冬天低溫、夏天高溫)、主電機工況的變化(空載、額定負載、過載；冷態、熱態等)，主電機勵磁繞組所處的實際溫度變化較大，從而影響其電阻阻值RF。就本文研究的120 kW/270 V高壓直流起動發電機而言，溫度變化范圍為-40～180 ℃時，RF由0.198 Ω增大到0.468 Ω，增大為原來的2.36倍。因此，勵磁機的負載變化很大，且隨主電機負載工況不同及工作時長的不同，負載RF是時刻變化的，具有不確定性。

在負載不變的情況下，主電機勵磁繞組RF的大范圍變化，將導致其勵磁功率PF隨之變化。這樣一來，使得勵磁機的勵磁電流Ief被迫作大范圍的變化以適應RF的變化。然而這是不利的：一方面，勵磁電流Ief的大范圍變化必然導致勵磁功率的增大，使得PMG功率增大，重量加重；另一方面，負載變化時，起動發電控制器SGCU的調節時間增長，影響動態響應性能。因此，為解決工作溫度寬范圍變化帶來的勵磁機負載RF的同步變化，勵磁機應具有高阻抗特性，從而使電阻RF的變化影響可以忽略。

圖4為120 kW/270 V高壓直流起動發電機勵磁機整流輸出電流IF隨主電機勵磁繞組電阻RF變化的仿真曲線，仿真時在給定的轉速和勵磁電流Ief條件下，改變溫度，亦即改變負載電阻RF，從而獲得不同工作溫度對應的勵磁電流IF。由圖中曲線可知，盡管負載RF(即溫度)變化很大，從RF=0.198 Ω增加到RF=0.468 Ω，變為原來的2.36倍，但輸出電流IF基本保持平直，最大變化率均在3%以下。因此，可知勵磁機電樞反應電抗較大，從而自然地抑制了負載RF的影響，使得勵磁機具有恒流源的特性，這樣一來，溫度的變化即可忽略。

圖5給出了勵磁機勵磁電流Ief變化時主電機獲得的勵磁電壓UF、勵磁電流IF的變化曲線，可知隨著Ief的增大，UF、IF同時線性增大，因此Ief與IF之間有一定的比例關系，這里定義為電流放大器特性，即

圖4 IF隨負載RF(溫度T)變化的仿真曲線

圖5 電壓UF、電流IF隨勵磁電流Ief的變化曲線(RF=0.468 Ω, T=180 ℃)

IF=f(Ief)=kIef

(1)

式中：k為放大倍數。

具有電流放大器特性的勵磁機，其始終工作于磁不飽和狀態，以滿足負載RF變化時所需的勵磁電壓UF。同時，可知在主電機負載變化需要勵磁電流IF同步變化時，勵磁機勵磁電流Ief只需要輕微變化即可滿足要求，從而提高響應速度。而且，勵磁機的電流放大器特性對于起動也是有利的，這將在后文中給出具體分析。

2.3 起動特性

2.3.1 理論分析

由于三級式無刷同步電機結構的特殊性，起動時除需要給主電機電樞繞組通入電壓和頻率均跟隨轉速變化的三相交流電外，還需要給勵磁機定子勵磁繞組通入單相交流勵磁電流。起動輸出轉矩主要依靠主電機，勵磁機為其提供起動所需的勵磁電流IF。從轉矩產生機理來看，主電機輸出轉矩與定子電樞電流Ia、電樞電流相位角β和轉子勵磁電流IF有關，是這3個變量的函數，即

TMG=f(Ia,β,IF)

(2)

由于勵磁電流IF是通過勵磁機在單相交流勵磁工況下經旋轉整流器整流而來，因此起動時勵磁機的交流勵磁電流Ief直接影響到IF。合理的設計勵磁機，使其在起動和發電模態下均具有電流放大器特性，整流輸出勵磁電流IF與定子輸入勵磁電流Ief之間具有線性關系，見式(1)，從而

TMG=f(Ia,β,kIef)

(3)

因此，合理設計與協調匹配主電機的電樞電流Ia、相位角β及勵磁機交流勵磁電流Ief的大小非常重要，以獲得最優的轉矩輸出，利于減輕起動控制SGCU中起動功率變換器的負擔，減小起動發電機的損耗與發熱。

2.3.2 單相交流勵磁特性

起動時，勵磁機定子勵磁繞組通入200 V、400 Hz恒壓、恒頻的單相交流電，勵磁機工作于變壓器模式，其中勵磁機定子可看做是變壓器的原邊，勵磁機三相電樞繞組是變壓器的副邊，通過定子與轉子間的氣隙實現磁場的耦合和勵磁功率的傳遞。

勵磁機定子勵磁繞組通入單相交流電時，將產生脈振磁場，其軸線始終在定子磁極中心上。由于勵磁機轉子的旋轉，三相電樞繞組的軸線與勵磁繞組軸線將不斷介于重合、垂直及重合與垂直之間的某個狀態，勵磁繞組與電樞繞組的耦合狀態也在零耦合和全耦合之間切換。因此，隨著轉子的旋轉，勵磁繞組與電樞繞組之間的耦合關系也隨之變化。

當勵磁機電樞繞組A相軸線與勵磁繞組軸線重合時，如圖6(a)所示，A相繞組感應電動勢為

(4)

式中：Nex為勵磁機電樞繞組每相總串聯匝數；kex為電樞繞組的繞組系數；Nef為勵磁機勵磁繞組的總串聯匝數；uef為交流勵磁電壓。

圖6 電樞繞組感應電勢與轉子位置角的關系

此時，B相和C相的感應電勢為A相電勢的0.5倍，因此施加在旋轉整流器上的線電勢為

(5)

當勵磁機電樞繞組A相軸線逆時針轉過30°電角度，如圖6(b)所示，C相繞組與勵磁繞組成90°電角度，磁耦合為零，而A相和B相的感應電勢相等，為式(4)中電勢的0.866倍，因此，施加在旋轉整流器上的線電勢為

(6)

圖6(c)與圖6(a)、圖6(d)與圖6(b)中電樞繞組與勵磁繞組的耦合關系類似，區別在于感應電勢的相位發生變化，但大小相同。

同時可推知，起動模態下，勵磁機采用單相交流勵磁方式向主電機提供勵磁電流IF時，IF與轉速的關系很小，如圖7所示，與發電模態類似，起動模態勵磁機整流輸出同樣具有恒流源特性。進而可推知勵磁機的勵磁電流Ief也不會由于轉速的變化而波動較大，實驗也驗證了這一點，如圖8所示。由圖7和圖8的波形和數據可知，起動時，勵磁電流IF與Ief存在不同于發電模態的比例關系，通過設計勵磁機即可獲得起動所需的恒定的勵磁電流IF，從而在控制上實現轉矩與勵磁電流IF的解耦，起動時僅需要控制主電機電樞電流。

圖7 單相交流勵磁方式下勵磁電流IF隨轉速變化曲線

圖8 勵磁電流Ief隨轉速變化曲線

2.3.3 主電機轉矩特性

起動時，控制策略既可采用控制方式簡單的id=0控制，也可以采用最大轉矩電流比(Maximum Torque Per Amperes,MTPA)控制。但發電工況下對應額定轉矩的絕對值僅有143 N·m，而起動最大阻轉矩達到250 N·m，達到發電轉矩的1.75倍，因此起動時主電機具有更高的電負荷和磁負荷，磁路飽和程度更高，使得磁阻轉矩對總輸出轉矩的貢獻有限。因此，本文采用id=0的控制策略，起動控制框圖如圖9所示，起動時僅通過控制主電機電樞電流的大小即可獲得所需的輸出轉矩特性，大大減輕了控制器的軟件負擔和計算任務。

圖9 起動控制框圖

圖10 主電機轉矩-電流仿真曲線

圖10給出了采用id=0控制策略、起動模態下主電機輸出轉矩隨電樞電流Ia和勵磁電流IF變化的仿真曲線，仿真時電流角β取90°，參數化電樞電流Ia和勵磁電流IF。可得到如下結論：① 隨著電樞電流Ia的增加，輸出轉矩線性增大，此時主磁路不飽和；② 隨著勵磁電流IF的增加，輸出轉矩逐漸增大，但當IF=80 A時，由于主磁路飽和程度較高，勵磁電流IF的增加或輕微波動對輸出轉矩的影響已經可以忽略，如圖7給出的單相交流勵磁方式下IF從84 A(1 000 r/min)變化到78 A(2 000 r/min)，電樞電流為400 A時，轉矩由252 N·m減小到249 N·m，僅減小了3 N·m；③ 為了滿足250 N·m最大阻轉矩的起動需求，同時受限于控制器內部功率器件IGBT最大800 A的標稱通流能力，電樞電流不宜取得過大，使得IF應大于80 A，對應的電樞電流Ia為400 A，此時轉子極身磁密為2.2 T，鐵心材料采用飽和磁密達到2.4 T的1J22，轉子磁路已趨于飽和。另外，當電樞電流為500 A時，輸出轉矩能夠達到300 N·m以上。

3 實驗驗證

研制了120 kW/270 V三級式無刷高壓直流起動發電機和起動控制器工程樣機，并構建了起動發電一體化實驗平臺，如圖11所示。

三級式高壓直流起動發電機的基本參數如表2所示，發電轉速為8 000 r/min恒速，額定功率為120 kW，額定電壓、電流分別為270 V、444.4 A，同時要求具有輸出1.25倍額定負載150 kW、1.5倍額定負載180 kW的過載能力。起動時，發動機最大阻轉矩達到250 N·m，起動發電機起動脫開轉速為3 500 r/min。起動發電機的重量不大于52 kg，額定功率密度達到2.33 kW/kg。起動控制器的主要參數如表3所示。

構建的起動發電一體化實驗平臺，主要包括120 kW/270 V三級式高壓直流起動發電機、電源控制盒、發電機控制器GCU、起動控制器SCU、HBM T40B扭矩儀、K938起動發電一體化拖動平臺以及120 kW/270 V高壓直流負載等相關設備。可開展起動實驗、起動發電轉換實驗和高壓直流發電實驗等方面的驗證。

① 120 kW起動發電(SG)；② 電源控制盒；③ GCU；④ SCU；⑤ 扭矩儀；⑥ K938起動發電一體化拖動平臺；⑦ 120 kW/270 V高壓直流負載柜

表2 120 kW高壓直流起動發電機基本參數

表3 起動控制器主要電氣參數

3.1 發電運行實驗

發電運行時，120 kW/270 V高壓直流起動發電機直流側輸出端與高壓直流負載柜相連，通過調節勵磁電流Ief和負載電阻大小，實現不同功率的輸出。圖12給出了高壓直流發電機輸出功率Pdc隨勵磁電流Ief變化的實驗曲線，輸出功率隨勵磁電流線性增加，發電機輸出能力較強。受限于負載的容量，實驗最大輸出功率達到106.8 kW，此時直流輸出電壓為276 V，直流輸出電流為387 A，對應的電壓和電流波形如圖13所示。

圖12 輸出直流功率隨勵磁電流Ief的變化曲線

圖13 三相電壓與電流波形(Pdc=106.8 kW)

3.2 起動運行實驗

首先開展了120 kW/270 V高壓直流發電機輸出轉矩能力的實驗驗證。起動控制器SCU采用id=0控制策略，勵磁機采用200 V、400 Hz恒壓恒頻交流勵磁方式。輸出起動轉矩與主電機電樞電流的變化關系如圖14所示，分析可知，輸出起動轉矩與電樞電流Ia呈線性關系，且仿真值與實驗值一致，誤差僅3%。當Ia=500 A時，通過HBM T40B扭矩儀測量起動轉矩達到300 N·m，相比于250 N·m的發動機最大阻轉矩，有足夠的能力來實現發動機的成功起動。

圖15為模擬發動機起動的運行特性，實驗時K938拖動平臺用于加載，加載曲線為發動機阻轉矩-轉速曲線。分析可知，模擬起動過程中，盡管阻轉矩跟隨轉速不斷變化，經過起動控制器SCU控制的起動發電機能夠很好的跟隨發動機阻轉矩曲線，實際轉速基本以恒定加速度上升，起動時間約為52 s，滿足起動要求。圖16為起動轉速達到1 400 r/min、起動轉矩達到300 N·m時主電機三相電樞電流波形，圖17為對應的勵磁機單相交流勵磁電壓Uef和勵磁電流Ief的波形。

圖14 輸出轉矩與主電機電樞電流的關系

圖15 發動機模擬起動特性

圖16 起動時主電機電樞電流波形(1 400 r/min，75 A/V)

圖17 單相交流勵磁電流波形(100 V/格，20 A/格)

4 結 論

大功率高壓直流起動發電機系統是多電/全電飛機發展的重要基礎，而多電全電飛機的發展又對直流電源系統提出了更高的要求。高壓直流起動發電機系統涵蓋了起動發電機、發電機控制器、起動控制器等多個部件，部件間互相耦合。同時，集成了起動功能后，起動發電系統與發動機本體之間存在雙向的轉矩傳遞和功率流動，其特性和設計都更加復雜。本文設計并研制了120 kW/270 V三級式無刷高壓直流起動發電機和起動控制器，構建了起動發電一體化實驗平臺，完成了高壓直流發電試驗和模擬發動機起動特性實驗，主要結論有：

1) 提出了一種三級式高壓直流起動發電系統，輸出整流器內置于電機殼體內，系統結構簡單，起動采用恒壓、恒頻的單相交流勵磁方式，顯著簡化了勵磁系統和控制策略。

2) 勵磁機與主電機在起動發電雙工況下輸入的電壓、電流均存在非線性、強耦合的特點，在起動發電一體化設計中需充分重視，應根據勵磁機和主電機在起動、發電兩種模態下的不同工作特性和輸入要求分別進行設計和分析，并對照各自輸出指標進行匹配性考核。必要時還應對勵磁機、主電機以及相應的控制系統進行精確建模和聯合仿真，以獲取準確的特性數據和波形。

3) 提出并闡釋了勵磁機的恒流源特性需求，從原理上避免了工作溫度的大范圍變化對勵磁功率的影響，以適應復雜工況和無刷勵磁系統的動態性能要求。

4) 起動輸出轉矩是主電機電樞電流Ia、電流角β以及勵磁機單相交流勵磁電流Ief的函數，實現了從控制角度對輸出轉矩與主電機勵磁電流IF的解耦，簡化了起動控制策略和系統架構。

5) 實現了起動發電機發電輸出功率超過100 kW，功率密度達到2.33 kW/kg；起動轉矩達到300 N·m，完成了發動機模擬起動實驗并滿足起動要求。

大功率高壓直流起動發電系統在新一代飛機機載電源系統中有重要應用價值，其運行機理和特性提升需要進一步深入研究與實踐。