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基于两相励磁机的多级式无刷同步起动/发电系统起动阶段关键技术研究
焦宁飞1
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摘要
随着大型飞机的发展，飞机交流电源系统面临越来越多的技术挑战。目前我国飞机交流电源系统多采用多级式无刷同步电机作为发电机，该类发电机均无起动航空发动机的功能，发动机由专用的起动机构进行起动，这使得该发动机-电源系统体积和重量较大，系统复杂。将航空发电机运行在电动状态带动航空发动机起动，起动完成后再由发动机带动发电机发电，这样的航空起动/发电一体化系统省去了专门的起动设备，减小了系统体积重量，对飞机电源系统具有重要意义。 多级式无刷同步起动/发电系统在起动阶段面临主电机励磁电流小、系统机电耦合严重等问题，这给最终实现系统起动/发电一体化带来很大困难。本文针对这些问题，开展基于两相励磁机的多级式无刷同步起动/发电系统起动阶段关键技术研究，包括两相励磁机设计分析及控制、起动/发电系统一体化建模研究以及主电机与励磁机协同最优控制研究。 首先，本文提出了一种用于航空多级式无刷同步起动/发电系统的新型两相励磁机结构及励磁策略。该两相励磁机采用两相对称励磁绕组，在起动阶段采用两相交流励磁，在发电阶段两相励磁绕组串联后采用直流励磁。详细阐述了基于两相励磁机的多级式无刷同步起动/发电系统在起动阶段和发电阶段的运行原理。 其次，基于一台原单相励磁机，在保持其转子结构和转子绕组不变的情况下设计了一台两相励磁机。搭建了两相励磁机有限元仿真分析模型，并对其在起动阶段和发电阶段的励磁特性进行了有限元分析，获取了该两相励磁机在起动初始阶段的最佳励磁方式。针对两相励磁机原理样机和原单相励磁机进行了静态励磁特性实验测试，验证了两相励磁机在起动阶段励磁效率高的优势。 再次，本文开展了起动阶段两相励磁机励磁控制研究。以保持起动过程中主电机励磁电流基本恒定为目标，提出了系统起动阶段三种励磁机励磁控制方法，其中励磁控制方法一全程采用两相交流励磁方式，通过控制励磁机励磁磁场恒定和转子绕组对气隙磁场的相对转速恒定来保证主电机励磁电流恒定。励磁控制方法二在方法一的基础上，当励磁频率减小到0时采用最优切换方式切换成直流励磁。励磁控制方法三起动初期采用与电机旋转方向同向的两相交流励磁，当电机达到一定转速后逐渐切换到直流励磁。励磁控制方法一和方法二可以保证起动阶段主电机励磁电流基本恒定，而方法三可以保证起动初期主电机电枢电流最小。在两相励磁机原理样机上进行了三种励磁控制方法的实验测试，验证了所提励磁控制方法的有效性。 然后，本文开展了多级式无刷同步起动/发电机一体化建模研究。分别建立了两相励磁机和主电机的Voltage-Behind-Reactance（VBR）模型，并通过旋转整流器连接构成起动/发电系统VBR 联合模型。基于该 VBR联合模型建立了旋转整流器改进型参数化平均值模型，并以该参数化平均值模型为桥梁连接主电机和励磁机转子方程，最终建立了以励磁机励磁电流、主电机励磁电流和电枢电流为状态变量的多级式无刷同步起动/发电机五阶非线性状态空间一体化模型。计算机仿真分析验证了所提出的起动/发电机一体化模型具有仿真精度高、仿真效率高的优势。 最后，本文开展了主电机与励磁机协同最优控制方法的研究。提出了一种从励磁机侧进行的主电机励磁电流估算方法，该估算方法首先通过励磁机定子电压和电流估算出励磁机转子电压和电流，然后通过旋转整流器参数化平均值模型估算出主电机励磁电流。基于该励磁电流估算方法，提出了一种起动阶段主电机与励磁机协同最优控制方法：通过主电机励磁电流的闭环控制保证在起动过程中主电机励磁电流保持恒定，主电机采用变参数最大转矩电流比控制实现起动/发电系统起动阶段的最优控制。分别搭建实验平台验证了所提主电机励磁电流估算方法和系统协同最优控制方法的有效性。
关键词
发电系统/航空起动发电机/多级式无刷同步电机/两相励磁机/一体化建模/励磁电流估算/协同最优控制引用本文复制引用
授予学位
博士学科专业
电机与电器导师
刘卫国学位年度
2017学位授予单位
西北工业大学语种
中文中图分类号
TM