三级式航空无刷同步电机三相交流励磁技术研究

发布时间：2020-11-07 09:42

　　 航空交流电源实现起动/发电一体化技术是国内外航空电源的重要发展方向。目前,我国航空交流电源普遍采用三级式同步电机作为发电机,由于该电机所采用的直流励磁系统在静止以及低转速下无法为主电机提供起动发动机所需要的励磁电流,因而不具备起动航空发动机的功能。航空发动机需要采用专门的起动机进行起动,当发动机起动后起动机变成了无用的“死重”,这种发动机-电源拓扑结构不仅体积大、重量重,而且系统复杂。开展航空三级式同步电机的励磁系统研究,使航空发电机具备起动航空电动机的功能,实现航空三级式同步电机的起动/发电一体化技术,可以减小发动机-电源系统的体积重量,简化系统结构,对未来多电飞机的发展具有重要意义。在航空三级式同步电机起动过程中,三相交流励磁系统由于非线性、多变量、强耦合特性面临系统输入量(励磁电压、励磁频率以及转子转速)与输出量(主电机励磁电流)之间数学关系不易建立、主电机励磁电流闭环控制实施困难以及旋转整流器二极管故障难以检测等关键问题,从而使起动/发电系统实现面临重要挑战。针对这些问题,本文开展航空三相交流励磁系统研究,包括建立输入量与输出量之间数学关系(励磁系统方程)、分析采用航空交流电源励磁时时所面临的励磁方式切换问题、实现主电机励磁电流闭环控制以及旋转整流器二极管故障在线检测。1.针对三相交流励磁系统输入量与输出量之间数学关系不易建立问题,本文提出一种三相交流励磁系统稳态等效耦合电路模型,通过电路分析推导出励磁系统方程,建立了励磁系统输入量与输出量之间数学关系。在此基础上,结合优化算法提出了一种励磁系统“最佳运行点”的计算方法。搭建实验平台,通过三相交流励磁系统的稳态运行特性实验,验证了系统方程以及“最佳运行点”计算方法的有效性。2.当三相交流励磁系统采用航空三相交流电源(115V/400Hz或者230V/400Hz)供电并开环运行至高转速区域时,由于励磁系统输出无法满足主电机的励磁需求,需要将励磁方式切换为单相交流励磁或者直流励磁方式。为了减小励磁切换对主电机励磁电流带来的影响,本文以三相交流励磁系统方程为基础,研究了三相交流励磁系统采用航空三相交流电源时励磁的运行特性,建立了单相交流励磁方式下的数学模型,分析了单相交流励磁方式的运行特性,并在此基础上对励磁方式切换的时刻进行了分析。仿真与实验结果表明三相交流励磁系统在进行三相励磁向单相交流励磁切换时,切换时刻对主电机励磁电流的影响较小。同时,针对三相交流励磁系统从三相交流励磁向直流励磁方式切换时面临的切换问题,本文建立了三相交流励磁系统在直流励磁方式下的励磁系统等效耦合电路模型以及系统方程,给出了计算励磁系统在切换后所需要的励磁电流大小的计算方法,分析了励磁系统从三相交流励磁切换到直流励磁方式时的切换时刻选择问题。分析与实验结果表明三相交流励磁系统在切换直流励磁方式时,选择切换前的定子磁链与切换后反电势矢量角度差为零时,主电机励磁电流在切换过程中的震荡能够保持在较小范围内。3.在起动过程中,由于主电机与逆变器相连,通过主电机电枢电压检测实现主电机励磁电流闭环控制的传统方法无法使用,同时由于励磁系统的非线性多变量强耦合特性且采用无刷结构,使励磁系统面临主电机励磁电流闭环控制不易实施的问题。针对上述问题,本文提出一种主电机励磁电流闭环控制方法。该方法通过电路变换将励磁系统等效为普通的三相桥式二极管整流电路,结合三相桥式二极管整流电路的运行特性以及直流输出控制方法,实现主电机励磁电流闭环控制。实验结果表明,本文提出的主电机励磁电流闭环控制方法可以有效控制主电机励磁电流。4.旋转整流器二极管是三相交流励磁系统中核心部件,针对其在线故障检测不易实现问题,本文提出了一种旋转二极管故障在线故障检测方法。该方法利用励磁机转子绕组电流在旋转二极管故障时发生畸变现象,通过分析旋转二极管发生不同故障时励磁机转子三相电流谐波成分,提取出二极管的故障特征,从而实现旋转二极管的故障检测。分析与实验结果表明,励磁机转子电流的三次谐波与基波含量可以作为旋转二极管故障特征。本文提出的方法不受系统旋转速度限制,不仅可在系统运行状态对旋转二极管进行故障在线检测,而且可以在起动/发电系统每次起动前对旋转整流器二极管进行故障检测,防止起动/发电系统“带伤”运行。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

传统的航空无刷电励磁同步发电机根据电机的可逆原理，主电机在航空发动机的拖动下可以产生电能，那么主电机

国内外研究机构提出了多种无刷励磁系统拓扑结构，主要包括：无电容传输[69]、单相交流励磁[70]、两相交流励磁[71]以及三相交流励磁磁结构。，基于无线能量传输的励磁机系统在拓扑结构上静止的原边线圈与成（如图 1-2 所示）。在系统工作时，首先由逆变器将高频电传输给（定子绕组），副边线圈（转子绕组）在交变磁链作用下产生的高频接的旋转整流器整流后为主电机励磁绕组提供励磁。由于该励磁系用补偿电容使整个系统工作在谐振状态以提高整个系统的传输效率过程受到干扰而无法在谐振点运行时，励磁系统的传输效率将急剧性较差，因此将无线能量传输应用于起动/发电系统中还需要进一步传输的单相交流无刷励磁系统工作原理（如图 1-3 所示）与基于无线似：定子高频电源发出的高频电压在经过电感、旋转电容以及单相，为主电机励磁绕组供电。为了让系统具有较高的传输效率，需要的频率使励磁系统工作在谐振状态。基于电容传输的励磁系统与无磁系统一样存在非谐振点运行传输效率较低的问题。

图 1-3 基于电容传输的无刷交流励磁系统原理图单相交流无刷励磁系统（如图 1-4 所示）是在得到的一种切实可行的方案。传统的三级式当系统静止或低转速运行时，励磁机转子绕。但如果在静止的励磁机定子绕组中通入单相振磁场，励磁机转子绕组中在脉振磁场的作可以输出一定的励磁能力。
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本文编号：2873768