航空无刷同步起动/发电机单相交流励磁系统研究

王 铮，刘卫国，焦宁飞，杨南方

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

随着多电飞机和大型飞机的发展，交流航空电源系统应运而生并得到了广泛的关注。目前，航空交流电源系统基本都采用三级式无刷同步电机作为发电机，无刷同步电机电源品质好且易于实现大功率输出，可满足大型飞机对电源系统的要求。传统的三级式航空发动机需由专门的起动机进行起动，这样的发动机－电源系统包含两套电机，使得其体积和重量都比较大，且系统复杂，可靠性降低。起动/发电一体化电源系统利用励磁机运行在电动状态来完成发动机的起动，省去了专门的起动机，减轻了机载重量和系统体积，对于大型飞机的发展具有重大意义。

为了实现无刷励磁同步电机起动/发电的一体化，并保证其可靠性，在不增加起动绕组的基础上，利用原励磁机的励磁绕组，通入单相交流电进行励磁。单相交流电可建立起交变的磁场，在励磁机的电枢绕组上产生感应电势并为主发电机提供励磁，如果励磁足够强，主发电机就可以实现起动［1－4］。本文针对一台经过改装的两级式起动/发电机样机进行仿真与试验。

1 励磁系统结构及工作原理

图1 两级式无刷同步起动/发电系统结构图

在起动过程中，作为副励磁机的永磁发电机不参与工作，因此在研究起动过程时，不把永磁发电机作为研究对象。航空无刷同步起动/发电系统的典型结构如图1 所示，它主要由励磁机、旋转整流器和主发电机构成。励磁机为旋转电枢式同步发电机，其定子励磁绕组为单相绕组;旋转整流器采用三相全桥整流结构，主发电机为带有阻尼绕组的电励磁同步电机。旋转整流器与两个电机的转子同轴安装［5］。由于励磁机和旋转整流器耦合关系密切，因此将其与作为电机负载的主发电机励磁绕组统称为励磁系统。励磁机控制器实现励磁机励磁电流的控制，主发电机控制器实现电机起动过程中主发电机电枢电流的控制，这两个控制器之间进行实时通信。

发电状态下，在励磁机定子绕组中通入直流电(此直流电由机载电源系统提供或者由与励磁机同轴的永磁同步发电机提供)进行励磁，在励磁机电枢绕组上感应产生三相交流电，经旋转整流器整流后得到直流电提供给主发电机转子励磁绕组，主发电机定子绕组上便感应出三相交流电［6－8］。

起动状态下，在电机静止阶段，若给励磁机定子绕组仍然通以直流电，励磁机转子绕组上不会产生感应电势，则主发电机转子绕组中没有励磁电流，主发电机无法电动运行;若给励磁机定子绕组通入单相交流电，励磁机转子三相绕组中会感应出同相位不等幅的空间脉振交流电，经过旋转整流器后变成直流电供给主发电机励磁，为主发电机的电动运行提供了条件。

2 单相励磁分析

当在励磁机定子绕组通入单相交流电时，产生交变的磁场，磁场的基波磁势是脉振磁势，可将其可分解为转向相反、幅值相同、转速相同的两个旋转磁势。ω1= 2πf1为相应的角速度。当电机转速为n 时，励磁机电枢绕组以不同的速度切割正序和负序磁势，可感应出频率为f + f1和f－f1的两种感应电势，其中为电机转速，ω = 2πf为相应的角速度［9］。

当励磁机磁路不饱和时，忽略磁场高次谐波，设励磁机电枢绕组每相串联匝数为N2，绕组系数为KN2，脉振磁势产生的每极磁通的幅值为Φm，开始时励磁机A 相绕组轴线超前于励磁绕组轴线的电角度为θ。当励磁机的转速为n 时，正向旋转磁场在励磁机各相电枢绕组中产生的感应电势:

该电势的角速度:

式中:E+= 4．44N2kN2f+Φm。

而反向旋转磁场在励磁机各相电枢绕组中产生的感应电势:

该电势的角速度:

式中:E－= 4．44N2kN2f－Φm

所以励磁机转子电枢绕组相感应电势:

就励磁机转子A 相绕组而言，有:

式中:MafE为励磁机互感;U0为单相交流电压有效值;RfE、LfE分别为励磁机励磁绕组的电阻和电感。

B、C 两相的感应电势类似，这里不再给出。从式(4)可以看出，当电机组转动起来后，励磁机电枢绕组的感应电势不仅与所加交流励磁电压的幅值和频率有关，还与电机的转速有关。

3 静止状态励磁分析

3.1 仿真分析

静止状态下，励磁机可看成是变压器。励磁机励磁电压越大，励磁机电枢绕组上感应的电势也越大，经整流后得到的主发电机励磁电流也越大。航空直流电源经过单相逆变可以得到单相交流电的最大值为238 V 左右，这里取238 V 作为仿真时励磁电压有效值的最大值。本文中仿真采用正弦波电压源供电，有效值恒为238 V，励磁机励磁频率从60 Hz 逐渐增大到150 Hz，得到的励磁机电枢绕组A 相感应电势和主发电机励磁电流仿真结果如表1 所示。

由表1 可知，在238 V 交流励磁电压下，随着励磁机励磁频率的增大，主发电机励磁电流先增大后减小，当励磁频率为100 Hz 时，主发电机励磁电流达到最大，最大值为13．08 A。仿真得到238 V/100 Hz 交流励磁下励磁机电枢绕组A 相感应电势和主发电机励磁电流的波形，如图2 所示。

表1 238 V 交流电压励磁下励磁系统仿真结果

图2 238 V/100 Hz 交流励磁下励磁系统结果

3.2 试验分析

用一台交流电源为励磁机提供励磁电压，固定励磁机转子位置，利用电流传感器及示波器来监控主发电机励磁电流的大小及波形，调节励磁机励磁频率，待主发电机励磁电流稳定后测量其大小并记录波形。励磁频率由60 Hz 增大到150 Hz 时，主发电机励磁电流的仿真结果与试验值对比情况如表2所示。

表2 主发电机励磁电流仿真与试验结果(有效值)对比表

由表2 可知，随着励磁机励磁频率的增大，主发电机励磁电流的仿真值与实验值均先增大后减小。当励磁机励磁频率为100 Hz 时，主发电机励磁电流的仿真与试验结果均达到最大值，分别为13．08 A和13．13 A，相差0．4%，在励磁频率为60～150 Hz的区间内，两者最大相差约5%。此差异的原因主要在于仿真采用的励磁机与旋转整流器均为理想模型，与试验样机存在差异。此外，仿真中采用的主发电机的电阻及电感值均为测量值，测量引入的误差也是导致仿真结果与试验结果存在差异原因之一。

4 旋转状态励磁分析

当励磁机旋转起来后，给励磁机励磁绕组通入交流电和直流电均可以进行励磁。如果继续采用单相交流励磁，则在励磁机电枢绕组上感应的电势中既有变压器电势又有旋转电势，且两个电势的周期相位都不同，这导致叠加起来后的电枢绕组总电势波形是比较复杂的。

4.1 单相交流励磁仿真分析

由上一节的分析可知，为了达到较好的励磁效果，电机旋转状态下，励磁机依然采用238 V/100 Hz 的单相交流励磁。仿真得到电机转速为500 r/min 时的励磁机电枢绕组A 相感应电势与主发电机励磁电流的曲线，如图3 所示。

图3 238 V/100 Hz 交流励磁、转速为500 r/min 时的励磁系统仿真结果

采用238 V/100 Hz 单相交流励磁时，励磁机不同转速下的主发电机励磁电流仿真结果如表3 所示。

表3 238 V/100 Hz 单相交流励磁励磁机不同转速下主发电机励磁电流仿真结果

4.2 直流励磁仿真分析

当电机旋转起来以后，直流励磁可以在励磁机电枢绕组上感应出感应电势，进而为主发电机提供励磁，并且随着转速的增加，直流励磁所产生的主发电机励磁电流会增大。

在2．5 A 直流励磁下，励磁机磁场接近饱和，励磁能力基本达到最大，所以选用大小为2．5 A 的直流源作为励磁电源。针对2．5 A 直流励磁、转速为500 r/min 的情况进行仿真，得到励磁机电枢绕组A 相感应电势与主发电机励磁电流的曲线如图4 所示。

图4 2．5 A 直流励磁、转速为500 r/min 时的励磁系统仿真结果

采用2．5 A 直流励磁时，励磁机不同转速下主发电机励磁电流的仿真结果如表4 所示。

表4 2．5 A 直流励磁励磁机不同转速下主发电机励磁电流仿真结果

4.3 交直流励磁切换

将不同转速下交流励磁和直流励磁时主发电机励磁电流的仿真结果表示在同一个坐标系中进行比较，可以得到如图5 所示的对比图。

图5 交、直流励磁、仿真结果对比

从图5 中可以看出，单相交流励磁和直流恒流励磁时，主发电机励磁电流的大小都随着电机转速的提高呈近似线性地增大，只是直流励磁增大的速率大于单相交流励磁时的速率。两条曲线相交点所对应的电机转速为900 r/min，即当电机转速为900 r/min 时，采用238 V/100 Hz 的单相交流励磁和2．5 A 的恒流励磁，两者所产生的励磁效果基本一致。当电机转速小于900 r/min 时，交流励磁的效果优于直流励磁的效果，当电机转速大于900 r/min 时，直流励磁的效果优于交流励磁的效果。对比仿真图形图3(b)和图4(b)可以看出，励磁机采用直流励磁时主发电机励磁电流的波动比较小，采用单相交流励磁时主发电机励磁电流的波动较大。主发电机励磁电流波动的大小会影响到电机控制的稳定性，波动越大，控制难度越大。根据以上分析，励磁机单相交流励磁向直流励磁切换的速度点应该在900 r/min 以前。

5 结 语

本文分析了航空无刷同步起动/发电机的工作原理和单相励磁原理，利用有限元分析方法，对励磁系统进行了静态分析，研究结果得到了试验验证。本文分析得到了励磁机静止时，单相交流励磁下主发电机励磁电流的最大值。同时，本文还研究了旋转状态下励磁机分别采用交流励磁与直流励磁时主发电机的励磁特性，并得到了励磁机交/直流励磁的速度切换范围。本文的研究成果为研究航空无刷同步起动/发电起动控制提供了参考。

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