李 巖，張 超，王冬梅

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001）

實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電雙功能是現(xiàn)代飛機(jī)電源系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，其基本思想是使機(jī)載電源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)兼作電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火自行工作后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)，從而省去發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣，減小重量、體積，提高可靠性及飛機(jī)的總體性能[1-4]。

現(xiàn)役飛機(jī)電源系統(tǒng)中，無(wú)刷同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)動(dòng)雙功能對(duì)設(shè)備的改動(dòng)小、研發(fā)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小、費(fèi)用低，不僅可用于新機(jī)型的裝備，也還可用于老機(jī)型的改造，具有重要的應(yīng)用價(jià)值[5-8]。

無(wú)刷同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)采用直流勵(lì)磁，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，在同步電機(jī)靜止或低轉(zhuǎn)速時(shí)，如仍向勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入直流電，勵(lì)磁機(jī)的電樞轉(zhuǎn)子無(wú)感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，則主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組無(wú)法得到勵(lì)磁電流，不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，也就無(wú)法作電動(dòng)運(yùn)行來(lái)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)[9]。本文提出了交直流混合勵(lì)磁方案，即在不改變?cè)须姍C(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，利用原有勵(lì)磁機(jī)的直流勵(lì)磁繞組，在起動(dòng)時(shí)首先通入單相交流電，通過(guò)脈振磁場(chǎng)在主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電流，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至一定轉(zhuǎn)速后切換為直流勵(lì)磁，以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。原理電路如圖1所示。

圖1 無(wú)刷同步電機(jī)勵(lì)磁起動(dòng)運(yùn)行原理電路圖

1 基本原理

無(wú)刷交流同步電機(jī)雙功能系統(tǒng)在起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，主發(fā)電機(jī)作為主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。電機(jī)靜止時(shí)，若勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組通以單相交流電流，勵(lì)磁機(jī)工作在變壓器的方式下，設(shè)主發(fā)電樞繞組開(kāi)路，則磁鏈為

當(dāng)勵(lì)磁繞組軸線與a相繞組軸線夾角為θ時(shí)，

所以，

式中：ω1=2πf1，f1為勵(lì)磁機(jī)單相交流勵(lì)磁的頻率；α為勵(lì)磁繞組阻抗角；Maf、Rf、Lf等是勵(lì)磁電機(jī)本身參數(shù)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁繞組通以單相交流電流時(shí)，其建立的基波磁勢(shì)是脈振磁勢(shì)，可將其分解為轉(zhuǎn)向相反、幅值相同、轉(zhuǎn)速相同(n1=60 f1/p0)且按正弦分布的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)，電機(jī)電樞繞組以不同的速度切割正序和負(fù)序磁勢(shì)，可感應(yīng)出頻率分別為f+f1和f?f1的感應(yīng)電勢(shì)，其中f=p0n/60，p0為勵(lì)磁機(jī)的極對(duì)數(shù)，則a相感應(yīng)電勢(shì)為：

由式(5)可知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值與勵(lì)磁電壓的有效值成正比關(guān)系，在低轉(zhuǎn)速時(shí)感應(yīng)電勢(shì)的幅值和頻率主要由勵(lì)磁頻率決定，高轉(zhuǎn)速時(shí)主要由電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，諧波含量高，雖經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流，主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流仍含有較高的脈動(dòng)?？紤]到勵(lì)磁電流的幅值大小以及現(xiàn)行飛機(jī)常用的勵(lì)磁電源，本文中的單相交流勵(lì)磁電源的幅值取200 V，而勵(lì)磁電流的頻率確定須兼顧主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小和脈動(dòng)率，既要保證足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又要克服脈振轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的不利影響。

2 勵(lì)磁頻率對(duì)主發(fā)勵(lì)磁電流平均值的影響

本文采用自控式無(wú)刷同步電機(jī)矢量控制方案，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 建立了××-××兩級(jí)無(wú)刷同步電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行的仿真模型，如圖2所示，包括勵(lì)磁模塊、檢測(cè)控制模塊、逆變器、勵(lì)磁機(jī)、主發(fā)電機(jī)(電動(dòng)機(jī)模式)等。交流勵(lì)磁機(jī)在不同勵(lì)磁頻率下得到的主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的仿真波形如圖3所示。由圖3可知，低速時(shí)主發(fā)勵(lì)磁電流的平均值隨勵(lì)磁頻率的變化不明顯，高速段主發(fā)勵(lì)磁電流的平均值隨勵(lì)磁頻率的升高有所下降，這主要是由旋轉(zhuǎn)整流器的工作狀態(tài)決定的。圖4是起動(dòng)過(guò)程中，不同勵(lì)磁頻率下主發(fā)勵(lì)磁電流平均值的仿真曲線。圖4中可看出勵(lì)磁頻率對(duì)主發(fā)勵(lì)磁電流平均值影響很大：隨著勵(lì)磁頻率的升高，主發(fā)勵(lì)磁電流平均值下降，并且在低頻率段下降的幅度較大。從這一角度來(lái)看，勵(lì)磁機(jī)采用較低頻率的勵(lì)磁將會(huì)得到較大的主發(fā)勵(lì)磁電流。為了觀測(cè)低轉(zhuǎn)速時(shí)勵(lì)磁頻率對(duì)主發(fā)勵(lì)磁電流平均值的影響，將圖4的低速段進(jìn)行放大可得圖5，表明直流勵(lì)磁在電機(jī)靜止時(shí)無(wú)法給主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一特定值時(shí)，直流勵(lì)磁將產(chǎn)生更大的主發(fā)勵(lì)磁電流。

圖2 無(wú)刷同步電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行仿真模型

圖3 不同勵(lì)磁頻率下主發(fā)勵(lì)磁電流波形圖

圖4 主發(fā)勵(lì)磁電流平均值隨電機(jī)轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁頻率變化曲線

圖5 接近零速度時(shí)主發(fā)勵(lì)磁電流仿真曲線圖

3 勵(lì)磁頻率對(duì)主發(fā)勵(lì)磁電流脈動(dòng)率影響

無(wú)刷同步電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，主發(fā)勵(lì)磁電流脈動(dòng)率應(yīng)控制在較小范圍內(nèi)，從而減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。采用單相交流勵(lì)磁的方式后，在主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流中勢(shì)必含有較大脈動(dòng)，必須對(duì)其特性進(jìn)行分析[9-10]。

圖6是主發(fā)勵(lì)磁電流的脈動(dòng)率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁頻率變化的仿真曲線，表明了隨著勵(lì)磁頻率的增大，主發(fā)勵(lì)磁電流的脈動(dòng)率變小的規(guī)律。本文電流脈動(dòng)率 ΔI/I'定義為電流脈動(dòng)的峰值與電流平均值之比。應(yīng)該注意的是，這里所提到的電流脈動(dòng)不僅包括由交流勵(lì)磁引起的較高頻率的脈動(dòng)，還包括由于電機(jī)同步轉(zhuǎn)速頻率與勵(lì)磁頻率之差形成的低頻脈動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，在各種頻率、各種轉(zhuǎn)矩下主發(fā)得到的勵(lì)磁電流的脈動(dòng)均不超過(guò)平均值的25%，不會(huì)嚴(yán)重影響起動(dòng)運(yùn)行。

圖6 主發(fā)勵(lì)磁電流的脈動(dòng)率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁頻率變化的仿真曲線

另外，隨著勵(lì)磁頻率的升高，ΔI/I'幅值變小，并且其自身的波動(dòng)率減小，圖6中可以明顯觀察到40 Hz的波動(dòng)較10 Hz時(shí)要平緩很多；而隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，ΔI/I'總會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值，并且極小值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著勵(lì)磁頻率的升高而增大，該極值點(diǎn)可作為交直流勵(lì)磁的切換點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文對(duì)航空無(wú)刷同步電機(jī)起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的勵(lì)磁特性進(jìn)行了理論分析，提出了交直流混合勵(lì)磁的方案，既保證了足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又克服了脈振轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的不利影響。應(yīng)用MATLAB/SIMULINK建立了兩級(jí)無(wú)刷同步電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行的仿真模型，并進(jìn)行了仿真研究。本文的工作對(duì)航空無(wú)刷同步電機(jī)起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可供參加。

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