两相无刷励磁机在三级式起动/发电系统起动发电过程中的控制方法

摘要

本发明主要提出一种用于三级式起动/发电系统的两相无刷励磁机在系统起动发电过程中的控制方法。励磁机采用励磁绕组为两相对称绕组的两相无刷励磁机，采用四触点继电器将励磁机两相励磁绕组（记为α相和β相）分别与两相逆变电路和发电机控制单元（GCU）相连。本发明的有益效果主要有：1）励磁机在电机处于起动和发电状态下时都能为主发电机提供足够的励磁电流，供主发电机起动或发电；2）相比于励磁机励磁绕组采用单相绕组的方法，本方法在交流励磁时励磁效率高，能够满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求；3）相比于励磁机励磁绕组采用三相绕组的方法，本方法励磁绕组利用率高。

权利要求

1.一种两相无刷励磁机在三级式起动/发电系统起动发电过程中的控制方法，其特征在于：励磁机采用励磁绕组为两相对称绕组的两相无刷励磁机，采用四触点继电器将励磁机两相励磁绕组α相和β相分别与两相逆变电路和发电机控制单元GCU相连；控制方法为：当系统处于起动状态下时，将励磁机两相励磁绕组与两相逆变电路相连接，控制两相逆变电路的两相调制波为相位差为90°的两相交流电，通过SPWM斩波技术控制两相逆变电路输出相位差为90°的两相交流电供给励磁机励磁绕组进行励磁；

当起动过程完成时，将励磁机两相励磁绕组反向串联，并与发电机控制单元GCU相连接；

当系统进入发电状态后，发电机控制单元GCU采用直流斩波技术向励磁机励磁绕组中输入直流电进行励磁；

所述的两相逆变电路采用双半桥两相逆变电路、双全桥两相逆变电路或三相全桥逆变电路。

说明书

两相无刷励磁机在三级式起动/发电系统起动发电过程中

的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于三级式无刷起动/发电系统的两相无刷励磁机，是一种两相无刷励磁机在系统起动和发电状态下分别采用两相交流励磁和直流励磁的新型控制方法，属于航空交流电机技术领域。

背景技术

[0002] 随着大型飞机的迅猛发展，交流电源系统在现代航空技术中的地位越来越重要。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。

[0003] 三级式无刷同步电机主要由主发电机、励磁机、副励磁机（永磁机）和旋转整流器构成。发电状态时，永磁机向励磁机提供直流励磁，励磁机转子电枢绕组上感应出三相交流电，经旋转整流器整流后变成直流电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。但电机起动时，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，主发电机将无法电动运行。所以实现三级式无刷同步电机起动/发电一体化的关键在于解决起动时的励磁问题。

[0004] 针对电机起动时的励磁问题，目前的解决方法主要有两种：一种是单相交流励磁起动方法，另一种是三相交流励磁起动方法。单相交流励磁起动方法可在原三级式无刷同步发电机的基础上仅通过励磁控制来实现，无需改变励磁机的冲片和绕组结构。但受到励磁机本体容量及供电电压幅值的限制，单相交流励磁时励磁机定转子间能量传输较差，励磁效率不高，很难满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求。三相交流励磁起动方法励磁效率较高，但励磁机的励磁绕组需变为三相绕组，系统处于发电状态下时，三相交流励磁向直流励磁切换较复杂，且励磁机励磁绕组利用率不高。

发明内容

[0005] 要解决的技术问题

[0006] 三级式无刷起动/发电系统带动航空发动机起动时，励磁机电枢绕组上需感应出足够的电势才能给主发电机提供足够大的励磁电流。所以在电机起动状态下，尤其是静止和低转速，励磁机励磁绕组需要产生变化的磁场。当系统进入发电状态下时，与传统三级式无刷同步发电机基本原理一致，励磁机需由永磁机三相定子电枢电压经过整流斩波电路进行直流励磁。

[0007] 为了满足上述对励磁机的要求，同时保证两种励磁方式切换简单，本发明采用励磁绕组为两相对称绕组的两相励磁机。电机处于起动状态下时，励磁机采用相差90°的两相交流电进行励磁；电机处于发电状态下时，将励磁机两相绕组反向串联后通入直流电进行励磁。

[0008] 技术方案

[0009] 一种两相无刷励磁机在三级式起动/发电系统起动发电过程中的控制方法，其特征在于：励磁机采用励磁绕组为两相对称绕组的两相无刷励磁机，采用四触点继电器将励磁机两相励磁绕组α相和β相分别与两相逆变电路和发电机控制单元GCU相连；控制方法为：

[0010] 当系统处于起动状态下时，将励磁机两相励磁绕组与两相逆变电路相连接，控制两相逆变电路的两相调制波为相位差为90°的两相交流电，通过SPWM斩波技术控制两相逆变电路输出相位差为90°的两相交流电供给励磁机励磁绕组进行励磁；

[0011] 当起动过程完成时，将励磁机两相励磁绕组反向串联，并与发电机控制单元GCU相连接；

[0012] 当系统进入发电状态后，发电机控制单元GCU采用直流斩波技术向励磁机励磁绕组中输入直流电进行励磁。

[0013] 所述的两相逆变电路采用双半桥两相逆变电路、双全桥两相逆变电路或三相全桥逆变电路。

[0014] 有益效果

[0015] 本发明主要提出一种用于三级式起动/发电系统的两相无刷励磁机在系统起动发电过程中的控制方法。励磁机采用励磁绕组为两相对称绕组的两相无刷励磁机，采用四触点继电器将励磁机两相励磁绕组（记为α相和β相）分别与两相逆变电路和发电机控制单元（GCU）相连，如图1所示。

[0016] 本发明的有益效果主要有：1）励磁机在电机处于起动和发电状态下时都能为主发电机提供足够的励磁电流，供主发电机起动或发电；2）相比于励磁机励磁绕组采用单相绕组的方法，本方法在交流励磁时励磁效率高，能够满足大功率主发电机实现起动/发电双功能的要求；3）相比于励磁机励磁绕组采用三相绕组的方法，本方法励磁绕组利用率高。

附图说明

[0017] 图1：两相无刷励磁机励磁原理示意图

[0018] 图2：两相无刷励磁机结构示意图

[0019] 图3：励磁机两相交流励磁电流（相位相差90°）

[0020] 图4：励磁机两相交流励磁时的主发电机励磁电流波形

[0021] 图5：励磁机直流励磁时的主发电机励磁电流波形

具体实施方式

[0022] 现结合附图对本发明作进一步描述：

[0023] 为验证本发明方法的可行性和有效性，采用MagNet6.0进行有限元仿真验证。

[0024] 本发明主要提出一种用于三级式起动/发电系统的两相无刷励磁机在系统起动发电过程中的控制方法。励磁机采用励磁绕组为两相对称绕组的两相无刷励磁机，采用四触点继电器将励磁机两相励磁绕组（记为α相和β相）分别与两相逆变电路和发电机控制单元（GCU）相连，如图1所示。

[0025] 图2所示为在MagNet软件中建立的两相励磁绕组无刷励磁机有限元模型。励磁机为转枢式电机，6对极；转子63槽，电枢绕组三相分布式连接，每相串联匝数为63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72槽，励磁绕组两相分布式连接，两相绕组在空间上相差90°电角度，每极匝数为120匝。

[0026] 下面分别从电机处于起动和发电两种状态下时励磁机的励磁情况进行说明。

[0027] 系统处于起动状态下时，励磁机两相励磁绕组经过继电器与两相逆变电路相连接，两相逆变电路输出相位差为90°的两相交流电供励磁机励磁。在本例中，两相交流电流的有效值为5A，频率为400Hz，由两相逆变器经过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可得，此时的主发电机励磁电流稳定后的值为42A，如图5所示，能够满足主发电机带载起动要求。在系统起动过程中可根据主发电机的励磁情况对励磁机的励磁电压和频率进行调节。

[0028] 起动过程完成时，通过上位机给出励磁机两相交流励磁向直流励磁切换的信号，通过控制继电器动作，使得励磁机两相励磁绕组反向串联，并经过继电器与发电机控制单元（GCU）相连接。

[0029] 系统进入发电状态下后，由GCU向励磁机两相反向串联绕组中输入直流电进行励磁。在本例中，电机发电状态下额定转速为8000rpm，励磁机直流励磁电流为5A。设置励磁机转子转速为8000rpm，经过有限元计算可得，此时主发电机励磁电流稳定后的值为44.5A，如图5所示，能够满足主发电机在额定转速下输出额定功率的要求。在系统发电过程中可通过调节励磁机励磁电压大小来调节主发电机的发电特性。