航空无刷同步电机起动发电系统电动运行励磁特性

李 岩，张 超，王冬梅

（海军航空工程学院控制工程系，山东 烟台 264001）

实现起动/发电双功能是现代飞机电源系统的一个重要发展方向，其基本思想是使机载电源系统中的发电机兼作电动机，起动航空发动机，直至发动机喷油点火自行工作后，再驱动发电机进入发电工作状态，从而省去发动机的起动系统，简化发动机的附件机匣，减小重量、体积，提高可靠性及飞机的总体性能[1-4]。

现役飞机电源系统中，无刷同步电机作为发电机得到了广泛应用，因此实现起动/发动双功能对设备的改动小、研发周期短、风险小、费用低，不仅可用于新机型的装备，也还可用于老机型的改造，具有重要的应用价值[5-8]。

无刷同步电机发电运行时采用直流励磁，电动运行时，在同步电机静止或低转速时，如仍向励磁机的励磁绕组中通入直流电，励磁机的电枢转子无感应电势产生，则主发电机励磁绕组无法得到励磁电流，不能产生电磁转矩，也就无法作电动运行来起动航空发动机[9]。本文提出了交直流混合励磁方案，即在不改变原有电机结构的情况下，利用原有励磁机的直流励磁绕组，在起动时首先通入单相交流电，通过脉振磁场在主发电机励磁绕组中产生励磁电流，起动发动机至一定转速后切换为直流励磁，以增大起动转矩。原理电路如图1所示。

图1 无刷同步电机励磁起动运行原理电路图

1 基本原理

无刷交流同步电机双功能系统在起动状态时，主发电机作为主电动机运行。电机静止时，若励磁机的励磁绕组通以单相交流电流，励磁机工作在变压器的方式下，设主发电枢绕组开路，则磁链为

当励磁绕组轴线与a相绕组轴线夹角为θ时，

所以，

式中：ω1=2πf1，f1为励磁机单相交流励磁的频率；α为励磁绕组阻抗角；Maf、Rf、Lf等是励磁电机本身参数。

电机转动时，当励磁绕组通以单相交流电流时，其建立的基波磁势是脉振磁势，可将其分解为转向相反、幅值相同、转速相同(n1=60 f1/p0)且按正弦分布的两个旋转磁势。当电机转速为n时，电机电枢绕组以不同的速度切割正序和负序磁势，可感应出频率分别为f+f1和f−f1的感应电势，其中f=p0n/60，p0为励磁机的极对数，则a相感应电势为：

由式(5)可知，感应电势的幅值与励磁电压的有效值成正比关系，在低转速时感应电势的幅值和频率主要由励磁频率决定，高转速时主要由电机转速决定，谐波含量高，虽经旋转整流器整流，主发电机的励磁电流仍含有较高的脉动。考虑到励磁电流的幅值大小以及现行飞机常用的励磁电源，本文中的单相交流励磁电源的幅值取200 V，而励磁电流的频率确定须兼顾主发电机励磁电流的大小和脉动率，既要保证足够大的起动转矩，又要克服脉振转矩对电机的不利影响。

2 励磁频率对主发励磁电流平均值的影响

本文采用自控式无刷同步电机矢量控制方案，应用MATLAB/SIMULINK 建立了××-××两级无刷同步电机起动运行的仿真模型，如图2所示，包括励磁模块、检测控制模块、逆变器、励磁机、主发电机(电动机模式)等。交流励磁机在不同励磁频率下得到的主发电机励磁电流的仿真波形如图3所示。由图3可知，低速时主发励磁电流的平均值随励磁频率的变化不明显，高速段主发励磁电流的平均值随励磁频率的升高有所下降，这主要是由旋转整流器的工作状态决定的。图4是起动过程中，不同励磁频率下主发励磁电流平均值的仿真曲线。图4中可看出励磁频率对主发励磁电流平均值影响很大：随着励磁频率的升高，主发励磁电流平均值下降，并且在低频率段下降的幅度较大。从这一角度来看，励磁机采用较低频率的励磁将会得到较大的主发励磁电流。为了观测低转速时励磁频率对主发励磁电流平均值的影响，将图4的低速段进行放大可得图5，表明直流励磁在电机静止时无法给主发电机提供励磁，当转速超过某一特定值时，直流励磁将产生更大的主发励磁电流。

图2 无刷同步电机起动运行仿真模型

图3 不同励磁频率下主发励磁电流波形图

图4 主发励磁电流平均值随电机转速及励磁频率变化曲线

图5 接近零速度时主发励磁电流仿真曲线图

3 励磁频率对主发励磁电流脉动率影响

无刷同步电机电动运行时，主发励磁电流脉动率应控制在较小范围内，从而减小转矩的脉动。采用单相交流励磁的方式后，在主发电机励磁电流中势必含有较大脉动，必须对其特性进行分析[9-10]。

图6是主发励磁电流的脉动率随转子转速及励磁频率变化的仿真曲线，表明了随着励磁频率的增大，主发励磁电流的脉动率变小的规律。本文电流脉动率 ΔI/I'定义为电流脉动的峰值与电流平均值之比。应该注意的是，这里所提到的电流脉动不仅包括由交流励磁引起的较高频率的脉动，还包括由于电机同步转速频率与励磁频率之差形成的低频脉动。总的来说，在各种频率、各种转矩下主发得到的励磁电流的脉动均不超过平均值的25%，不会严重影响起动运行。

图6 主发励磁电流的脉动率随转子转速及励磁频率变化的仿真曲线

另外，随着励磁频率的升高，ΔI/I'幅值变小，并且其自身的波动率减小，图6中可以明显观察到40 Hz的波动较10 Hz时要平缓很多；而随着电机转速的增大，ΔI/I'总会出现一个极小值，并且极小值所对应的转子转速随着励磁频率的升高而增大，该极值点可作为交直流励磁的切换点。

4 结论

本文对航空无刷同步电机起动发电系统的励磁特性进行了理论分析，提出了交直流混合励磁的方案，既保证了足够大的起动转矩，又克服了脉振转矩对电机的不利影响。应用MATLAB/SIMULINK建立了两级无刷同步电机起动运行的仿真模型，并进行了仿真研究。本文的工作对航空无刷同步电机起动发电系统的优化设计可供参加。

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