永磁輔助式同步磁阻電機航空發電系統的研究

趙雅周，袁靜蘭，李 洋

(北京曙光航空電氣有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

永磁輔助式同步磁阻電機結合了永磁同步電機和同步磁阻電機的特點，具有功率密度高、效率高、調速范圍寬等顯著特點，作為電動機在家用電器、電動汽車、工業電機等領域取得了應用。如果將此技術應用在飛機電源領域，采取新型控制策略，使電機兼容電動和發電兩種工作狀態，限制短路電流在安全、合理范圍內，無疑將顯著提高供電系統的效率和功率密度。

本文結合永磁輔助式同步磁阻電機及飛機對新型直流電源的需求，比較了不同類型起動發電機優缺點，為適應高效、高功率密度和高轉速的需求，提出了一種永磁輔助式同步磁阻電機的270 V高壓直流電源系統新構型,介紹了系統工作原理，針對發電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環恒轉矩角電流內環控制策略，建立系統發電Simulink模型。仿真結果表明，系統供電品質可滿足國軍標和飛機對電源系統需求，本文的研究對開展新型航空電源系統研制提供了技術基礎。

1 系統需求

高壓直流電源系統是先進飛機電源系統的主要發展方向之一，隨著飛機向高速、高機動、任務多樣化等方向發展，機載供電系統對其發電機的效率、質量和體積都提出了更高的指標要求，同時要實現起動和發電一體化系統設計。經過多年的發展，隨著電力電子器件技術發展以及高溫絕緣導線和高溫磁性材料的開發，不斷有新構型電機被研發出來。其中，適合作為高壓直流電源并兼具起動和發電的電機構型對比如表1所示。

表1 各類型起發電機對比

三級同步電機穩定性好，技術非常成熟，但由于旋轉整流器和電機極對數的限制，較難實現高速運行。開關磁阻電機(含雙凸極型磁阻電機)結構簡單，機械強度高，高速及超高速運行可靠，但由于電機定子側勵磁，功率密度相對較低。永磁同步電機具有高效率、高功率密度等優點，但其沒法滅磁，短路電流無法抑制，因此在航空系統上應用較少。永磁輔助同步磁阻電機具有永磁同步電機的優勢，但其僅含有少量的永磁體，通過合理的抗短路設計能夠將短路故障時電流限制在額定工作電流附近，不存在滅磁問題，同時可設計新型控制策略，提高電機輸出電壓品質，以滿足國軍標和直升機對電源系統的要求。因此，基于永磁輔助式同步磁阻電機的起動發電系統作為新型航空電源系統具有顯著優勢。

2 工作原理

2.1 系統構型

基于永磁輔助同步磁阻起動發電機的高壓直流電源系統如圖1所示，該系統主要由永磁輔助式同步磁阻雙三相起動發電機(以下簡稱起動發電機)、起動/發電復用電源變換器(以下簡稱電源變換器)、起動電源等組成。在起動工況下，電源變換器控制地面電源或機上輔助應急電源給電機供電，使起動發電機工作在電動機狀態，并產生起動轉矩，驅動飛機發動機旋轉，起動轉矩以磁阻轉矩為主、電磁轉矩為輔。系統能量流向為從起動電源的電能到電機和原動機的機械能。在發電工況下，電源變換器通過雙三相功率管開關動作對永磁輔助同步磁阻起動發電機進行升壓閉環控制，控制電機輸出電壓保持在270 V，系統能量流向為從原動機的機械能到用電設備的電能。

圖1 系統原理框圖

2.2 起動發電機

永磁輔助式同步磁阻電機在d，q參考坐標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生的磁鏈；ψ0是電樞繞組電流is產生的磁鏈；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。各參數的數學模型表示如下。

電壓方程:

(1)

(2)

磁鏈方程：

ψd=Ldid+ψpm

(3)

ψq=Lqiq

(4)

電磁轉矩方程：

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

(5)

式中:ω為轉子電角速度，p為極對數，Rs為電樞繞組的相電阻。

機械方程：

(6)

式中:Ω是轉子的機械角速度；J是電機的轉動慣量；TL是負載轉矩；RΩ是阻力系數。

本文提出的45 kW永磁輔助式同步磁阻起動發電機采用24槽4極結構，同時電機采用雙三相繞組結構，每套繞組間隔30°，達到高效率、高功率密度的目的。

電機二維有限元分析模型如圖3所示。

定子繞組結構分布如圖4所示。

圖3 電機有限元仿真模型圖4 電機繞組結構分布

轉子磁障采用U形三層不等厚磁障結構設計，既可以降低其轉矩脈動，又可以提高凸極比，提高電機電磁性能；每層內外磁橋厚度設計為不同樣式，以降低轉子的機械應力，滿足高轉速下機械強度要求，轉子有限元剖分圖如圖5所示，轉子在轉速為1.2倍額定轉速負載下的應力分布圖如圖6所示。

圖5 轉子有限元剖分圖

圖6 轉子在28 800 r/min額定負載下應力分布圖

電機電負荷和線負荷的提高，導致電機散熱問題突出，電機采用新型定子繞組噴油、循油與轉子噴油冷卻的油冷通道的散熱結構，提高電機功率密度。本文的永磁輔助同步磁阻起動發電機額定發電狀態下功率密度可達到3 kW/kg以上，效率可達到92%。

2.3 電源變換器

電源變換器實現永磁輔助式同步磁阻起動發電機的起動和發電控制及功率變換，為起/發復用結構，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、驅動電路、控制電路、保護電路組成。其中雙三相全橋電路為實現電機在起動時的矢量控制與發電時的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致的直流母線電壓脈動幅值，另一方面作為能量緩沖，抑制配電網突加/卸負載時，由于發電機輸出功率響應滯后而產生的直流電壓跌落與過沖的幅值；驅動電路的功能為根據控制電路輸入的PWM信號，實現對雙三相全橋功率器件的高效、可靠驅動。

圖7 電源變換器框圖

3 控制策略及仿真

3.1 控制策略

系統具有起動和發電兩種工作狀態，起動為短時工作模式，電機處于電動機模式，不進行具體描述。作為航空電源，發電模式是電機長期工作狀態，也是本系統控制的重點部分。本文提出一種雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環恒轉矩角電流內環控制策略，控制框圖如圖8所示。發電的控制目標為穩定直流側電壓270 V，系統外環為電壓環，直流額定負載為45 kW，2倍過載90 kW；由于存在突加或突卸負載工況，采用負載電流前饋方法提高電壓環響應速度。內環采用固定電流角度控制，電流角度選取的依據為額定負載時實現最大轉矩電流比控制，2倍過載時變換器交流側線電壓峰值不超過270 V。

圖8 雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環恒轉矩角電流內環控制框圖

圖8中，VCR為電壓控制調節器，直流母線電壓與基準電壓作差之后經VCR計算得到所需電流幅值，經電流分配之后得到相應的d、q軸電流指令，VCR選擇PI調節器。為了保證突減負載時系統穩定性，在d軸通道加入一求負絕對值模塊。

永磁輔助式同步磁阻電機轉矩：

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為極對數。由式(7)可見，當突卸負載時，為了保證轉矩快速降低并反向，應控制id軸電流為非正數，否則若id與iq電流仍然同號，則磁阻轉矩無法反向，不利于卸載時對電壓突增的抑制，甚至使系統失去穩定性。

VCR的本質是根據負載情況調節電機的相電流幅值。然而，當負載狀況突變時，VCR作為PI控制器，需要檢測到實際電壓偏離270 V指令電壓才能改變輸出相電流幅值，這就導致了VCR在響應速度上的不足，為此采取負載電流前饋的控制方法進行補償，即采樣負載電流，通過Te=UdcIdc/ω得到負載變動后所需的電機輸出轉矩，再經過式(1)的逆變換及dq軸電流與is電流角分配關系得到響應的電機相電流幅值。

式中：Ω為機械角速度；p為極對數；θ為is與d軸夾角。

3.2 仿真模型

在Simulink環境下搭建起動發電控制系統，系統開關頻率為20 kHz，死區時間1.2 μs，對控制部分相關連續系統進行離散化，離散化方法為Tustin變換，電機參數設置如表2所示。為了縮短仿真時間，電機轉動慣量取值小于實際系統，J=5×10-3kg·m2，直流母線電容選取為3 000 μF。

表2 電機仿真參數

雙三相永磁輔助式同步磁阻電機Simulink模型如圖9所示。電流內環分配與計算仿真模塊、雙SVPWM計算仿真模塊、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Simulink模型

3.3 仿真分析

在電機轉速為24 000 r/min，分別仿真發電機負載為空載、25%、50%、75%、100%、150%、200%額定負載狀態下，電機輸出270 V直流電壓精度和脈動電壓。

100%額定負載下輸出電壓波形如圖10所示，電脈動峰峰值為0.5 V。

圖10 100%額定負載下輸出電壓脈動

保持發電機轉速為24 000 r/min，進行系統突加、突卸負載實驗。實驗時，發電機初始狀態分別為10%和20%額定負載，突加至85%和170%額定負載，測試該過程中發電機電壓最低值與電壓恢復至穩態電壓的時間；再突卸負載，測試該過程中發電機電壓最高值與電壓恢復至穩態電壓的時間。實驗結果如表4所示。

表3 穩態調壓實驗數據

表4 突加突卸負載實驗數據

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

圖11 從10%突加至85%額定負載輸出電壓波形

圖12 85%負載突卸至10%負載輸出電壓波形

額定負載狀態下，電機輸出畸變頻譜如圖13所示。

圖13 額定負載下電壓畸變頻譜

模擬電機交流輸出端短路，校核各相短路電流是否會對電機產生過熱、燒毀等嚴重影響，仿真結果如圖14所示。可以看出，各相短路穩定時短路電流為64 A，為額定電流的0.94倍，即其短路時發熱低于額定工況下發熱，不會對電機產生過熱影響。

圖14 短路電流波形圖

4 結 語

本文結合永磁輔助式同步磁阻電機的特點及飛機對高壓直流電源系統高效、高功率密度和高轉速的需求，比較了不同類型起動發電機優缺點，提出了一種基于永磁輔助同步磁阻電機原理的270 V高壓直流電源系統新構型,介紹了系統構成、工作原理，針對發電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環恒轉矩角電流內環控制策略，建立系統發電Simulink模型。仿真結果表明，系統供電品質可滿足國軍標和飛機對電源系統需求，本文的研究對永磁輔助式同步磁阻電機在航空領域的應用提供了技術基礎。