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(jié)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(diào)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(yè)電機等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。如果將此技術(shù)應(yīng)用在飛機電源領(lǐng)域，采取新型控制策略，使電機兼容電動和發(fā)電兩種工作狀態(tài)，限制短路電流在安全、合理范圍內(nèi)，無疑將顯著提高供電系統(tǒng)的效率和功率密度。

本文結(jié)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(fā)電機優(yōu)缺點，為適應(yīng)高效、高功率密度和高轉(zhuǎn)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(tǒng)新構(gòu)型,介紹了系統(tǒng)工作原理，針對發(fā)電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，建立系統(tǒng)發(fā)電Simulink模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)供電品質(zhì)可滿足國軍標和飛機對電源系統(tǒng)需求，本文的研究對開展新型航空電源系統(tǒng)研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)需求

高壓直流電源系統(tǒng)是先進飛機電源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，隨著飛機向高速、高機動、任務(wù)多樣化等方向發(fā)展，機載供電系統(tǒng)對其發(fā)電機的效率、質(zhì)量和體積都提出了更高的指標要求，同時要實現(xiàn)起動和發(fā)電一體化系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著電力電子器件技術(shù)發(fā)展以及高溫絕緣導(dǎo)線和高溫磁性材料的開發(fā)，不斷有新構(gòu)型電機被研發(fā)出來。其中，適合作為高壓直流電源并兼具起動和發(fā)電的電機構(gòu)型對比如表1所示。

表1 各類型起發(fā)電機對比

三級同步電機穩(wěn)定性好，技術(shù)非常成熟，但由于旋轉(zhuǎn)整流器和電機極對數(shù)的限制，較難實現(xiàn)高速運行。開關(guān)磁阻電機(含雙凸極型磁阻電機)結(jié)構(gòu)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(cè)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(yōu)點，但其沒法滅磁，短路電流無法抑制，因此在航空系統(tǒng)上應(yīng)用較少。永磁輔助同步磁阻電機具有永磁同步電機的優(yōu)勢，但其僅含有少量的永磁體，通過合理的抗短路設(shè)計能夠?qū)⒍搪饭收蠒r電流限制在額定工作電流附近，不存在滅磁問題，同時可設(shè)計新型控制策略，提高電機輸出電壓品質(zhì)，以滿足國軍標和直升機對電源系統(tǒng)的要求。因此，基于永磁輔助式同步磁阻電機的起動發(fā)電系統(tǒng)作為新型航空電源系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)型

基于永磁輔助同步磁阻起動發(fā)電機的高壓直流電源系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由永磁輔助式同步磁阻雙三相起動發(fā)電機(以下簡稱起動發(fā)電機)、起動/發(fā)電復(fù)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(yīng)急電源給電機供電，使起動發(fā)電機工作在電動機狀態(tài)，并產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動飛機發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，起動轉(zhuǎn)矩以磁阻轉(zhuǎn)矩為主、電磁轉(zhuǎn)矩為輔。系統(tǒng)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(fā)電工況下，電源變換器通過雙三相功率管開關(guān)動作對永磁輔助同步磁阻起動發(fā)電機進行升壓閉環(huán)控制，控制電機輸出電壓保持在270 V，系統(tǒng)能量流向為從原動機的機械能到用電設(shè)備的電能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 起動發(fā)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(chǎn)生的磁鏈；ψ0是電樞繞組電流is產(chǎn)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(shù)的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)矩方程：

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

(5)

式中:ω為轉(zhuǎn)子電角速度，p為極對數(shù)，Rs為電樞繞組的相電阻。

機械方程：

(6)

式中:Ω是轉(zhuǎn)子的機械角速度；J是電機的轉(zhuǎn)動慣量；TL是負載轉(zhuǎn)矩；RΩ是阻力系數(shù)。

本文提出的45 kW永磁輔助式同步磁阻起動發(fā)電機采用24槽4極結(jié)構(gòu)，同時電機采用雙三相繞組結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分布

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

圖5 轉(zhuǎn)子有限元剖分圖

圖6 轉(zhuǎn)子在28 800 r/min額定負載下應(yīng)力分布圖

電機電負荷和線負荷的提高，導(dǎo)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(zhuǎn)子噴油冷卻的油冷通道的散熱結(jié)構(gòu)，提高電機功率密度。本文的永磁輔助同步磁阻起動發(fā)電機額定發(fā)電狀態(tài)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(xiàn)永磁輔助式同步磁阻起動發(fā)電機的起動和發(fā)電控制及功率變換，為起/發(fā)復(fù)用結(jié)構(gòu)，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(qū)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(xiàn)電機在起動時的矢量控制與發(fā)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(dǎo)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(wǎng)突加/卸負載時，由于發(fā)電機輸出功率響應(yīng)滯后而產(chǎn)生的直流電壓跌落與過沖的幅值；驅(qū)動電路的功能為根據(jù)控制電路輸入的PWM信號，實現(xiàn)對雙三相全橋功率器件的高效、可靠驅(qū)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(tǒng)具有起動和發(fā)電兩種工作狀態(tài)，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(fā)電模式是電機長期工作狀態(tài)，也是本系統(tǒng)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(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，控制框圖如圖8所示。發(fā)電的控制目標為穩(wěn)定直流側(cè)電壓270 V，系統(tǒng)外環(huán)為電壓環(huán)，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(huán)響應(yīng)速度。內(nèi)環(huán)采用固定電流角度控制，電流角度選取的依據(jù)為額定負載時實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，2倍過載時變換器交流側(cè)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(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖8中，VCR為電壓控制調(diào)節(jié)器，直流母線電壓與基準電壓作差之后經(jīng)VCR計算得到所需電流幅值，經(jīng)電流分配之后得到相應(yīng)的d、q軸電流指令，VCR選擇PI調(diào)節(jié)器。為了保證突減負載時系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)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(shù)。由式(7)可見，當突卸負載時，為了保證轉(zhuǎn)矩快速降低并反向，應(yīng)控制id軸電流為非正數(shù)，否則若id與iq電流仍然同號，則磁阻轉(zhuǎn)矩無法反向，不利于卸載時對電壓突增的抑制，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

VCR的本質(zhì)是根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)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(dǎo)致了VCR在響應(yīng)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(zhuǎn)矩，再經(jīng)過式(1)的逆變換及dq軸電流與is電流角分配關(guān)系得到響應(yīng)的電機相電流幅值。

式中：Ω為機械角速度；p為極對數(shù)；θ為is與d軸夾角。

3.2 仿真模型

在Simulink環(huán)境下搭建起動發(fā)電控制系統(tǒng)，系統(tǒng)開關(guān)頻率為20 kHz，死區(qū)時間1.2 μs，對控制部分相關(guān)連續(xù)系統(tǒng)進行離散化，離散化方法為Tustin變換，電機參數(shù)設(shè)置如表2所示。為了縮短仿真時間，電機轉(zhuǎn)動慣量取值小于實際系統(tǒng)，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(shù)

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(nèi)環(huán)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(zhuǎn)速為24 000 r/min，分別仿真發(fā)電機負載為空載、25%、50%、75%、100%、150%、200%額定負載狀態(tài)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(fā)電機轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，進行系統(tǒng)突加、突卸負載實驗。實驗時，發(fā)電機初始狀態(tài)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(fā)電機電壓最低值與電壓恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓的時間；再突卸負載，測試該過程中發(fā)電機電壓最高值與電壓恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓的時間。實驗結(jié)果如表4所示。

表3 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓實驗數(shù)據(jù)

表4 突加突卸負載實驗數(shù)據(jù)

從10%突加至85%額定負載輸出電壓瞬態(tài)波形如圖11所示，從85%突卸至10%額定負載輸出電壓瞬態(tài)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(tài)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(chǎn)生過熱、燒毀等嚴重影響，仿真結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯觯飨喽搪贩€(wěn)定時短路電流為64 A，為額定電流的0.94倍，即其短路時發(fā)熱低于額定工況下發(fā)熱，不會對電機產(chǎn)生過熱影響。

圖14 短路電流波形圖

4 結(jié) 語

本文結(jié)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(tǒng)高效、高功率密度和高轉(zhuǎn)速的需求，比較了不同類型起動發(fā)電機優(yōu)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(tǒng)新構(gòu)型,介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理，針對發(fā)電模式提出了雙三相永磁輔助式同步磁阻電機電壓外環(huán)恒轉(zhuǎn)矩角電流內(nèi)環(huán)控制策略，建立系統(tǒng)發(fā)電Simulink模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)供電品質(zhì)可滿足國軍標和飛機對電源系統(tǒng)需求，本文的研究對永磁輔助式同步磁阻電機在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。