三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统及控制方法与流程

本发明属于航空交流电机技术领域，涉及一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统及控制方法，是一种基于行波磁场的三相交流励磁机和三相逆变器组成的新型励磁系统，达到满足主发电机在不同阶段对励磁电流不同需求的新型无刷励磁系统结构及控制方法。

背景技术：

随着大飞机技术的迅猛发展，具有起动/发电一体化功能的高压宽变频发电系统是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机(原理框图见图1)作为发电机，该类发电机无起动航空发动机的功能，发动机由独立的起动机进行起动。这样的发动机-电源系统包含两套电机，使得其体积和重量较大，且系统复杂，可靠性降低。若能在原有三级式无刷同步发电机的基础上，通过控制使其运行在电动状态来完成发动机的起动，即实现起动/发电一体化，就可以省去专门的起动机，减轻机载重量和系统体积。

传统的三级式无刷同步发电机主要由主发电机、励磁机、副励磁机(永磁发电机)、旋转整流器构成。主发电机在发电阶段，副励磁机发出的三相交流电经过三相不控整流电路整流为直流电后为励磁机定子绕组提供励磁，励磁机转子绕组感应出来三相交流电经同轴相连的旋转整流器整流后为主发电机转子励磁绕组提供励磁，主发电机定子绕组切割同步磁场发出三相交流电。该电机主要为满足发电功能设计，在电动状态时存在如下问题：1)静止和低速状态时，励磁系统输出的励磁电压较低、主发电机励磁电流较小，严重影响主发电机的带载起动能力；2)随着电机转速的升高，励磁系统输出电压逐渐增大，主发电机励磁电流也逐渐增大，即主发电机励磁电流在电机起动过程中一直处于变化之中。

针对上述励磁机问题，目前国内外主要的解决方案有：1、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用单相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流励磁；2、主发电机电机静止及低速运行阶段，励磁机定子绕组采用两相或者三相交流励磁，电机在高速运行或发电阶段，励磁机定子绕组采用直流或者单相交流励磁；3、主发电机在起动与发电阶段，励磁机定子绕组始终采用两相或者三相交流励磁。方案1能够在主发电机静止与低速阶段提供较大的励磁电流，但随着航空电源技术的发展以及发动机需要更高的起动转矩，单相交流励磁方式已经无法满足主发电机起动阶段对励磁电流的需求。方案2与方案3励磁机中的气息磁场为旋转磁场，励磁系统输出的主电机励磁电流随转速变化而变化的特性，由于励磁系统采用无刷结构、励磁系统具有的非线性多变量强耦合特点以及起动过程中的主电机电枢绕组与逆变器相连，传统的通过检测主电机电枢绕组端电压实现主电机励磁电流闭环调节的方法无法适用，主电机励磁电流需要闭环控制实施困难。为了减小转速对主电机励磁电流的影响，方案2在起动过程中需要通过改变励磁方式来限制主电机励磁电流，但是切换过程引起的主电机励磁电流振荡会严重影响起动/发电系统的起动性能。方案3在实施过程中，为了对主电机励磁电流进行限制，需要对励磁系统保持转差率恒定，但当系统的转速增大到一定程度，励磁机中同步磁场旋转方向将发生反转，励磁机有可能进入发电模式并对励磁电源进行反向充电，使励磁电源受到损害。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统及控制方法。

技术方案

一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统，其特征在于：三相交流励磁机定子铁心与转子铁心均为圆筒型结构，励磁机转子与旋转整流器以及主电机转子同轴连接，励磁机定子与转子之间无轴向相对运动；三相交流励磁机定子的三相对称绕组、转子的三相对称绕组均沿起动/发电机的轴向分布，励磁机定子绕组与三相逆变器连接产生沿轴向行波磁场，励磁机转子绕组切割行波磁场产生的三相感应电经同轴连接的旋转整流器整流为直流后为主电机励磁绕组提供励磁电流。

所述一台三相逆变器构成励磁系统的功率变换器。

所述三相双向逆变器是三相全桥双向逆变器或三相半桥双向逆变器。

一种控制所述三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统的方法，其特征在于：

电机起动阶段：励磁机定子绕组为三相y型连接方式，三相逆变器的直流母线与航空直流电源相连，三相逆变器的交流侧与励磁机定子三相绕组相连；以spwm技术控制三相逆变器工作在逆变状态，为励磁机提供三相交流励磁电压；控制三相逆变器实现对主电机励磁电流的控制

在电机发电运行阶段：将三相逆变器的直流侧母线从270v直流电源切换到副励磁机定子侧整流器的直流输出端，三相逆变器的电能由副励磁机提供；改变三相逆变器的占空比实现主电机的励磁电流调节。

有益效果

本发明提出的一种三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统及控制方法，三相交流励磁机定子铁心与转子铁心均为圆筒型结构，励磁机转子与旋转整流器以及主电机转子同轴连接，励磁机定子三相对称绕组与转子三相对称绕组均沿起动/发电系统轴向分布。在电机起动阶段，通过控制三相逆变器实现对主电机励磁电流的控制；在发电阶段，通过控制励磁系统的三相逆变器的占空比来实现主电机的励磁电流调节。

本发明方法具有以下有益效果：

1)本发明中采用一台基于行波磁场的三相励磁机，在主发电机起动与发电过程均作为主励磁机，励磁系统输出的主电机励磁电流不随系统转速改变而变化。

2)本发明方法中采用的励磁方式控制方法，在起动过程中无需对励磁系统进行调节即可输出大小恒定的主电机励磁电流，在发电过程中能够通过调节行波磁场励磁机的励磁电压与频率实现对主电机励磁电流的控制，能够满足主发电机在不同运行模式下对励磁电流的需求。

附图说明

图1：三级式无刷同步发电系统结构图

图2：无刷励磁系统结构图

图3：行波磁场励磁机结构图

1-转子绕组，2-定子绕组，3-定子铁心，4-转子铁心，5-转轴

图4：励磁机静止时，励磁机三相交流励磁相电压斩波电压

图5：励磁机静止时，主电机转子励磁电流波形

图6：励磁机8000rpm转速时，励磁机定子励磁电压波形

图7：励磁机8000rpm转速时，主电机励磁电流波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在三级式无刷起动/发电机的起动与发电阶段，为了使励磁系统输出的主电机励磁电流不随转速改变而变化同时满足主电机在不同阶段的励磁需求，励磁系统不仅需要与转速解耦同时具备较强的励磁输出能力。

为了满足励磁系统输出的主电机励磁电流与转速解耦的要求，同时满足主发电机对励磁电流的需求，本发明提出的三级式无刷起动/发电机三相交流励磁系统：励磁机定子三相对称绕组、转子三相对称绕组均沿起动/发电机的轴向分布，励磁机定子绕组与三相逆变器连接并产生沿轴向行波磁场，励磁机转子绕组切割行波磁场产生的三相感应电经同轴连接的旋转整流器整流为直流后为主电机励磁绕组提供励磁电流。由于励磁机定/转子绕组之间通过行波磁场耦合，因此励磁系统具有较强的输出能力，同时励磁系统输出的主电机励磁电流不随转速改变而变化。

为验证本发明方法的可行性和有效性，采用magnet6.0进行仿真验证。图3为在magnet软件中建立的三相交流励磁机有限元模型：励磁机为转枢式结构，2对极；转子铁心12槽，三相分布，每相串联匝数为24匝，三相绕组通过全桥整流接阻感性负载(模拟主发电机励磁绕组)；定子铁心12槽，三相分布，每相串联匝数为60匝。

三相交流励磁机定子铁心与转子铁心均为圆筒型结构，励磁机转子与旋转整流器以及主电机转子同轴连接，励磁机定子与转子之间无轴向相对运动；三相交流励磁机定子的三相对称绕组、转子的三相对称绕组均沿起动/发电机的轴向分布，励磁机定子绕组与三相逆变器连接并产生沿轴向行波磁场，励磁机转子绕组切割行波磁场产生的三相感应电经同轴连接的旋转整流器整流为直流后为主电机励磁绕组提供励磁电流，一台三相逆变器构成励磁系统的功率变换器。三相双向逆变器可以是三相全桥双向逆变器、三相半桥双向逆变器。

如图2所示，在电机起动阶段，两触点继电器连接到常开触点a1与a2，三相桥式逆变器直流母线通过继电器与航空直流母线相连，逆变器交流侧与行波磁场励磁机定子三相绕组链接。励磁机定子三相a、b、c绕组分别连接到励磁系统逆变器交流侧三相桥臂。励磁系统能量从直流母线经过三相桥式逆变器流入励磁机，励磁机转子绕组切割轴向行波磁场产生的感应电势经旋转整流器整为直流后为主电机励磁绕组提供直流励磁。由于行波磁场励磁机转子与定子之间不发生轴向位移，因此励磁系统输出的主电机励磁电流不随转速变化而变化。

在本例中，励磁机逆变器交流侧直流母线电压为270vdc，逆变器交流侧输出电压相电压115vac，三相桥式逆变器经过spwm控制技术得到，如图4所示。电机静止时，经过有限元仿真计算，主发电机励磁绕组电流为55a，如图5所示，能够满足主发电机起动需求。在电机起动过程中，保持逆变器占空比不变即可使励磁系统输出恒定大小的主电机励磁电流。

在电机发电阶段，两触点继电器连接到常闭触点b1与b2，三相桥式逆变器直流母线通过继电器与副励磁机定子侧的整流器直流输出相连，逆变器交流侧与行波磁场励磁机定子三相绕组链接。主电机励磁电流可以能够通过调节行波磁场励磁机的励磁电压幅值与频率来实现。

在本例中，励磁机定子励磁电流为，频率为400hz，由励磁系统三相逆变器得到，波形如图6所示。经过有限元计算，电机转速为8000rpm时，主发电机励磁绕组电流为55a，波形如图7所示，能够满足系统需求。系统在发电过程中，主发电机励磁电流的控制可以通过调节励磁机定子绕组的励磁电压幅值及频率实现。