張卓然，李進(jìn)才，韓建斌，陸嘉偉，石珩

南京航空航天大學(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106

隨著對(duì)可靠性、維護(hù)性和可操作性、燃油經(jīng)濟(jì)性等方面的要求越來越高，多電/全電化已成為民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，是支撐綠色航空發(fā)展和提高戰(zhàn)術(shù)性能的重要途徑[1-3]。多電/全電飛機(jī)將機(jī)上氣壓能、液壓能、機(jī)械能等二次能源逐步統(tǒng)一為電能，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性，同時(shí)提高系統(tǒng)的整體效率，降低燃油消耗[4]。美國(guó)國(guó)防部和國(guó)家航空航天局從1990年起，就計(jì)劃分3個(gè)階段進(jìn)行多電/全電飛機(jī)的論證與研究工作[5-6]，以1998年、2005年和2012年為3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)和F-22飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)水平為基準(zhǔn)，計(jì)劃針對(duì)電源系統(tǒng)的技術(shù)方案從外裝式的高壓直流開關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)逐步向內(nèi)裝式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能裝置的組合體遞進(jìn)，功率等級(jí)從百千瓦級(jí)向數(shù)兆瓦級(jí)邁進(jìn)，由此可見大功率高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是多電/全電飛機(jī)的關(guān)鍵性支撐技術(shù)。

更進(jìn)一步地，電推進(jìn)技術(shù)是在多電飛機(jī)二次能源電氣化的基礎(chǔ)上，將飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)革新，實(shí)現(xiàn)一次能源電氣化，是航空電氣化發(fā)展的高級(jí)階段和重要方向，能夠進(jìn)一步提高動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率[7]。當(dāng)前的技術(shù)條件已經(jīng)使得小型電推進(jìn)飛機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，但由于電池的能量密度尚不能與燃料相媲美，純電推進(jìn)飛機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合仍然受限，混合電推進(jìn)更具有研究與應(yīng)用價(jià)值[8]，高壓直流架構(gòu)及輸配電系統(tǒng)是混合電推進(jìn)飛機(jī)電力網(wǎng)絡(luò)的重要形式。因而，高效、高功率密度、大功率機(jī)載高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)也是發(fā)展混合電推進(jìn)飛機(jī)的必要基礎(chǔ)。

高壓直流電源系統(tǒng)在可靠性、費(fèi)用、維修性、重量和供電質(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其易于并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)不間斷供電，提高供電可靠性。相比于交流電源系統(tǒng)的三相四線制，高壓直流電源系統(tǒng)只需要正極和負(fù)極兩根匯流條，能減輕約28%的饋線重量(270 VDC vs 115 VAC)[9]；高壓直流電源系統(tǒng)通過設(shè)置無感母線，可降低電網(wǎng)中電流突變導(dǎo)致的電壓尖峰，而交流電源系統(tǒng)中饋線交流阻抗卻對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能影響較大；高壓直流電源系統(tǒng)消除了交流電源系統(tǒng)中專用的給大量可調(diào)電動(dòng)機(jī)負(fù)載供電的整流單元[10]，從而提升系統(tǒng)功率密度，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性或作戰(zhàn)半徑。

早期的飛機(jī)起動(dòng)發(fā)電機(jī)采用有刷直流電機(jī)，其起動(dòng)過程簡(jiǎn)單，不需要專用的起動(dòng)控制器。但由于存在碳刷和換向器，高空換相困難，不宜采用高壓，同時(shí)也限制了轉(zhuǎn)速和功率，功率密度僅有0.5～0.7 kW/kg[11]。美國(guó)Sundstrand公司于1946年發(fā)明了恒速傳動(dòng)裝置(Constant Speed Device,CSD)，使得115 V/400 Hz交流電源系統(tǒng)首次應(yīng)用于B-36飛機(jī)上[12]，并逐步發(fā)展，廣泛應(yīng)用于美國(guó)Boeing公司、歐洲Airbus公司的多種型號(hào)飛機(jī)，這種電源系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)均是三級(jí)式無刷同步電機(jī)，其發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，并且功率密度不斷得到提升，比如B737NG的90 kVA組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)(Integrated Drive Generator,IDG)功率密度達(dá)到1.70 kW/kg。但由于CSD的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、能量傳遞單向性以及低效率，IDG也逐漸難以滿足飛機(jī)電源系統(tǒng)的需求和大功率起動(dòng)發(fā)電機(jī)的要求。飛機(jī)電源系統(tǒng)開始向著變頻交流和高壓直流體制發(fā)展。

目前來說，美國(guó)Boeing公司的B787、歐洲Airbus公司的A350和A380以及中國(guó)COMAC公司C919均采用了寬變頻交流電源系統(tǒng)[13-14]，頻率變化范圍超過2倍最低頻率，它們使用的是三級(jí)式變頻交流發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量分別為250、150、120、100 kVA。容量和功率密度均大幅度提高，過載能力和可靠性亦得到提高。值得一提的是，B787飛機(jī)的250 kVA變頻交流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)發(fā)電一體化，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到407 N·m，直接起動(dòng)大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，消除了專用的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)(Air Turbine Starter，ATS)。

高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)理論上輸出不受交流電頻率的約束，轉(zhuǎn)速和功率密度可進(jìn)一步提高，是航空電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多，在一些先進(jìn)飛機(jī)上也得到了應(yīng)用。美國(guó)GE和Sundstrand公司在美國(guó)空軍和NASA的支持下針對(duì)開關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并研制了30、250 kW等試驗(yàn)樣機(jī)[15-16]；英國(guó)諾丁漢大學(xué)研制了45 kW永磁高壓直流可控起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)[17]，南京航空航天大學(xué)開發(fā)了18 kW異步高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)[18]，并對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)成的高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。應(yīng)用方面，戰(zhàn)斗機(jī)F-22、F-35以及直升機(jī)Comanche均使用270 V高壓直流電源系統(tǒng)[19-21]。國(guó)內(nèi)在大功率機(jī)載高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)方面的研究與應(yīng)用尚未見相關(guān)報(bào)道。

三級(jí)式無刷同步電機(jī)發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，但其在大功率高壓直流體制下的起動(dòng)發(fā)電一體化運(yùn)行尚未見相關(guān)研究，其系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理和控制方法都亟需開展深入研究與實(shí)踐。同時(shí)，由于其無刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)特殊性，起動(dòng)發(fā)電一體化技術(shù)是難點(diǎn)，特別是大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合。一方面，起動(dòng)勵(lì)磁技術(shù)是三級(jí)式無刷同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)交流起動(dòng)發(fā)電機(jī)單相交流勵(lì)磁、兩相交流勵(lì)磁、三相交流勵(lì)磁以及勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)的重構(gòu)等方面進(jìn)行了研究和探索[22-26]。另一方面，起動(dòng)時(shí)需要主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的同時(shí)工作，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與二者電壓、電流參數(shù)等均息息相關(guān)，同時(shí)還受到轉(zhuǎn)速的影響，存在多變量耦合和協(xié)調(diào)控制的難題。

因此，基于大功率航空高壓直流電源的迫切需求，考慮航空三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊性，以及強(qiáng)非線性、多變量以及多電機(jī)強(qiáng)耦合、多功能復(fù)用等特征，本文提出航空大功率高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)，并深入研究其發(fā)電和起動(dòng)特性關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為發(fā)展中國(guó)自主創(chuàng)新的多電/全電飛機(jī)大功率高壓直流電源系統(tǒng)提供參考。

1 三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

三級(jí)式無刷同步電機(jī)是支撐機(jī)載電源發(fā)展的核心部件，也廣泛應(yīng)用于民用大型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)以及艦船發(fā)電機(jī)等[27-30]。

如圖1所示，三級(jí)式無刷同步電機(jī)包括永磁發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Generator, PMG)、勵(lì)磁機(jī)(Main Exciter, ME)、主電機(jī)(Main Generator, MG)以及旋轉(zhuǎn)整流器組件(Rotating Rectifier)等4個(gè)主要部分，在同一個(gè)殼體內(nèi)，安裝在同一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，構(gòu)成多極并列結(jié)構(gòu)。其中PMG通常是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在一些特殊的場(chǎng)合，比如為縮小電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，PMG也可采用外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心與ME轉(zhuǎn)子軛復(fù)用一個(gè)鐵心。ME是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式的電勵(lì)磁同步電機(jī)，定子為凸極式結(jié)構(gòu)，繞有單相集中式的勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極式結(jié)構(gòu)，繞有分布式電樞繞組。此外，ME轉(zhuǎn)子軛部安裝橋式整流二極管，以實(shí)現(xiàn)將ME電樞電流向MG勵(lì)磁電流的轉(zhuǎn)換。主電機(jī)MG是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁極式的電勵(lì)磁同步電機(jī)，其勵(lì)磁繞組首尾端與旋轉(zhuǎn)整流器的輸出正負(fù)極相連，三相電樞繞組位于定子側(cè)，主電機(jī)是對(duì)外輸出電能的主體。

在三級(jí)式無刷同步電機(jī)主電機(jī)的三相輸出側(cè)串接三相橋式整流器就組成了三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)。輸出整流器放置在電機(jī)內(nèi)部，利用電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)安裝，同時(shí)共用冷卻系統(tǒng)，直接輸出兩根高壓直流饋線，同時(shí)保留原有的A、B、C三相輸出端子，作為起動(dòng)之用，這種高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、冷卻效果好，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 三級(jí)式無刷起動(dòng)發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1.2 起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

圖2給出了三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖，包括三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)發(fā)電控制器(Starter Generator Control Unit，SGCU)、發(fā)電機(jī)控制接觸器(Generator Control Relay，GCR)、起動(dòng)接觸器(Starter Control Relay，SCR)、起動(dòng)控制斷路器(Starter Control Breaker，SCB)和發(fā)電控制斷路器(Generator Control Breaker，GCB)等部分。此外轉(zhuǎn)子軸上額外安裝有旋轉(zhuǎn)變壓器，用于檢測(cè)起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)的位置信號(hào)。SGCU包括PMG整流/功率變換單元、起動(dòng)整流單元、主電機(jī)逆變單元、勵(lì)磁機(jī)逆變單元以及控制單元等。圖中Uef、Ief分別為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓、電流；Uexa、Uexb、Uexc分別為旋轉(zhuǎn)整流器輸入端的三相電壓；Iexa、Iexb、Iexc分別為ME三相電樞繞組電流；UF、IF分別為MG勵(lì)磁電壓、電流。

圖2 三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)

發(fā)電模態(tài)下，SGCU內(nèi)部的整流單元將PMG輸出的三相交流電流整流后供給后級(jí)的不對(duì)稱半橋勵(lì)磁功率變換單元，控制部分根據(jù)檢測(cè)到直流調(diào)壓點(diǎn)(Point of Regulation，POR)電壓變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率器件MOSFET占空比，從而改變勵(lì)磁機(jī)的Uef和Ief以保持POR電壓在270 V。

起動(dòng)模態(tài)下，采用起動(dòng)整流單元將三相115 V/400 Hz 起動(dòng)電源整流成270 V直流，供給主電機(jī)逆變單元和勵(lì)磁機(jī)逆變單元。勵(lì)磁機(jī)逆變單元根據(jù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要調(diào)節(jié)單相勵(lì)磁電壓和頻率，也可固定勵(lì)磁電壓和頻率，本文提出采用恒壓、恒頻的單相勵(lì)磁方式。主電機(jī)逆變單元?jiǎng)t同時(shí)根據(jù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要和起動(dòng)轉(zhuǎn)速的變化，同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓及其頻率，向主電機(jī)A、B、C三相端子輸入變壓、變頻的交流電，從而輸出給定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至脫開轉(zhuǎn)速，起動(dòng)發(fā)電機(jī)脫開，在發(fā)動(dòng)機(jī)的加速下過渡到發(fā)電模態(tài)。發(fā)電模態(tài)下，GCR閉合、SCR與PMG整流/功率變換單元輸出連接，GCB閉合；起動(dòng)模態(tài)下，GCR、GCB斷開、SCR與勵(lì)磁機(jī)逆變單元連接，SCB閉合。

2 三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性

2.1 工作特性

由三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，單獨(dú)靠主電機(jī)難以完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)任務(wù)，必須要?jiǎng)?lì)磁機(jī)同時(shí)參與，以使主電機(jī)獲得勵(lì)磁電流并產(chǎn)生足夠大的起動(dòng)力矩。因此，歸納起來，結(jié)合起動(dòng)發(fā)電雙功能需求，三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)主電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)的工作特性如表1所示。由表1可知，三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)兼顧起動(dòng)、發(fā)電雙功能下，勵(lì)磁機(jī)與主電機(jī)的輸入特性、輸出特性比較復(fù)雜。發(fā)電時(shí)、勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁繞組輸入的是經(jīng)PWM斬波的直流電壓和穩(wěn)定的直流電流，主電機(jī)交流側(cè)為六脈波交流電壓和正弦電流、直流側(cè)為穩(wěn)定的270 V直流電壓和直流電流；起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁繞組通入的為單相正弦波交流電壓和單相正弦波交流電流，主電機(jī)三相繞組輸入的為SGCU輸出的PWM交流電壓和三相正弦波電流。

值得注意的是，勵(lì)磁機(jī)與主電機(jī)在起動(dòng)、發(fā)電雙工況下輸入的電壓、電流均存在非線性、強(qiáng)耦合、多變量的特點(diǎn)，給起動(dòng)發(fā)電一體化設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。另外，需要指出的是，發(fā)電模態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器不工作；起動(dòng)模態(tài)下，PMG和輸出整流器不工作。

表1 主電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)的工作特性

2.2 發(fā)電特性

由1.1節(jié)可知，發(fā)電模態(tài)下，需要主電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和PMG的同時(shí)參與，由于勵(lì)磁機(jī)作為中間環(huán)節(jié)，接收PMG的勵(lì)磁功率，受到起動(dòng)發(fā)電控制器SGCU監(jiān)測(cè)和不斷調(diào)節(jié)，將其勵(lì)磁電流Ief轉(zhuǎn)化為主電機(jī)需要的勵(lì)磁電流IF，對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性都有影響，占據(jù)著舉足輕重的地位，因此這里重點(diǎn)研究勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電特性。

勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)，有三相電樞繞組，一套勵(lì)磁繞組，無阻尼繞組，其本質(zhì)也是一臺(tái)凸極式同步發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁機(jī)三相電樞繞組經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器與主電機(jī)勵(lì)磁繞組相連，負(fù)載性質(zhì)為滯后的、高感性的、非線性的RF-LF整流負(fù)載，其等效電路如圖3所示，圖中Eexa、Eexb、Eexc為ME三相繞組反電勢(shì)；xc為換相電抗；ra為相電阻；RF、LF分別為MG勵(lì)磁繞組的電阻、電感。一般來說，RF為幾十mΩ量級(jí)，而LF為幾十mH量級(jí)，隨功率等級(jí)和轉(zhuǎn)速大小而變化。

圖3 勵(lì)磁機(jī)等效電路

隨著勵(lì)磁機(jī)工作環(huán)境的變化(冬天低溫、夏天高溫)、主電機(jī)工況的變化(空載、額定負(fù)載、過載；冷態(tài)、熱態(tài)等)，主電機(jī)勵(lì)磁繞組所處的實(shí)際溫度變化較大，從而影響其電阻阻值RF。就本文研究的120 kW/270 V高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)而言，溫度變化范圍為-40～180 ℃時(shí)，RF由0.198 Ω增大到0.468 Ω，增大為原來的2.36倍。因此，勵(lì)磁機(jī)的負(fù)載變化很大，且隨主電機(jī)負(fù)載工況不同及工作時(shí)長(zhǎng)的不同，負(fù)載RF是時(shí)刻變化的，具有不確定性。

在負(fù)載不變的情況下，主電機(jī)勵(lì)磁繞組RF的大范圍變化，將導(dǎo)致其勵(lì)磁功率PF隨之變化。這樣一來，使得勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流Ief被迫作大范圍的變化以適應(yīng)RF的變化。然而這是不利的：一方面，勵(lì)磁電流Ief的大范圍變化必然導(dǎo)致勵(lì)磁功率的增大，使得PMG功率增大，重量加重；另一方面，負(fù)載變化時(shí)，起動(dòng)發(fā)電控制器SGCU的調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。因此，為解決工作溫度寬范圍變化帶來的勵(lì)磁機(jī)負(fù)載RF的同步變化，勵(lì)磁機(jī)應(yīng)具有高阻抗特性，從而使電阻RF的變化影響可以忽略。

圖4為120 kW/270 V高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)整流輸出電流IF隨主電機(jī)勵(lì)磁繞組電阻RF變化的仿真曲線，仿真時(shí)在給定的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流Ief條件下，改變溫度，亦即改變負(fù)載電阻RF，從而獲得不同工作溫度對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流IF。由圖中曲線可知，盡管負(fù)載RF(即溫度)變化很大，從RF=0.198 Ω增加到RF=0.468 Ω，變?yōu)樵瓉淼?.36倍，但輸出電流IF基本保持平直，最大變化率均在3%以下。因此，可知?jiǎng)?lì)磁機(jī)電樞反應(yīng)電抗較大，從而自然地抑制了負(fù)載RF的影響，使得勵(lì)磁機(jī)具有恒流源的特性，這樣一來，溫度的變化即可忽略。

圖5給出了勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ief變化時(shí)主電機(jī)獲得的勵(lì)磁電壓UF、勵(lì)磁電流IF的變化曲線，可知隨著Ief的增大，UF、IF同時(shí)線性增大，因此Ief與IF之間有一定的比例關(guān)系，這里定義為電流放大器特性，即

圖4 IF隨負(fù)載RF(溫度T)變化的仿真曲線

圖5 電壓UF、電流IF隨勵(lì)磁電流Ief的變化曲線(RF=0.468 Ω, T=180 ℃)

IF=f(Ief)=kIef

(1)

式中：k為放大倍數(shù)。

具有電流放大器特性的勵(lì)磁機(jī)，其始終工作于磁不飽和狀態(tài)，以滿足負(fù)載RF變化時(shí)所需的勵(lì)磁電壓UF。同時(shí)，可知在主電機(jī)負(fù)載變化需要?jiǎng)?lì)磁電流IF同步變化時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ief只需要輕微變化即可滿足要求，從而提高響應(yīng)速度。而且，勵(lì)磁機(jī)的電流放大器特性對(duì)于起動(dòng)也是有利的，這將在后文中給出具體分析。

2.3 起動(dòng)特性

2.3.1 理論分析

由于三級(jí)式無刷同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，起動(dòng)時(shí)除需要給主電機(jī)電樞繞組通入電壓和頻率均跟隨轉(zhuǎn)速變化的三相交流電外，還需要給勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁繞組通入單相交流勵(lì)磁電流。起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩主要依靠主電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)為其提供起動(dòng)所需的勵(lì)磁電流IF。從轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理來看，主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與定子電樞電流Ia、電樞電流相位角β和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IF有關(guān)，是這3個(gè)變量的函數(shù)，即

TMG=f(Ia,β,IF)

(2)

由于勵(lì)磁電流IF是通過勵(lì)磁機(jī)在單相交流勵(lì)磁工況下經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流而來，因此起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁機(jī)的交流勵(lì)磁電流Ief直接影響到IF。合理的設(shè)計(jì)勵(lì)磁機(jī)，使其在起動(dòng)和發(fā)電模態(tài)下均具有電流放大器特性，整流輸出勵(lì)磁電流IF與定子輸入勵(lì)磁電流Ief之間具有線性關(guān)系，見式(1)，從而

TMG=f(Ia,β,kIef)

(3)

因此，合理設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)匹配主電機(jī)的電樞電流Ia、相位角β及勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁電流Ief的大小非常重要，以獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩輸出，利于減輕起動(dòng)控制SGCU中起動(dòng)功率變換器的負(fù)擔(dān)，減小起動(dòng)發(fā)電機(jī)的損耗與發(fā)熱。

2.3.2 單相交流勵(lì)磁特性

起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁繞組通入200 V、400 Hz恒壓、恒頻的單相交流電，勵(lì)磁機(jī)工作于變壓器模式，其中勵(lì)磁機(jī)定子可看做是變壓器的原邊，勵(lì)磁機(jī)三相電樞繞組是變壓器的副邊，通過定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的耦合和勵(lì)磁功率的傳遞。

勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁繞組通入單相交流電時(shí)，將產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，其軸線始終在定子磁極中心上。由于勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，三相電樞繞組的軸線與勵(lì)磁繞組軸線將不斷介于重合、垂直及重合與垂直之間的某個(gè)狀態(tài)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組的耦合狀態(tài)也在零耦合和全耦合之間切換。因此，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組之間的耦合關(guān)系也隨之變化。

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)電樞繞組A相軸線與勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)，如圖6(a)所示，A相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(4)

式中：Nex為勵(lì)磁機(jī)電樞繞組每相總串聯(lián)匝數(shù)；kex為電樞繞組的繞組系數(shù)；Nef為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的總串聯(lián)匝數(shù)；uef為交流勵(lì)磁電壓。

圖6 電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系

此時(shí)，B相和C相的感應(yīng)電勢(shì)為A相電勢(shì)的0.5倍，因此施加在旋轉(zhuǎn)整流器上的線電勢(shì)為

(5)

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)電樞繞組A相軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°電角度，如圖6(b)所示，C相繞組與勵(lì)磁繞組成90°電角度，磁耦合為零，而A相和B相的感應(yīng)電勢(shì)相等，為式(4)中電勢(shì)的0.866倍，因此，施加在旋轉(zhuǎn)整流器上的線電勢(shì)為

(6)

圖6(c)與圖6(a)、圖6(d)與圖6(b)中電樞繞組與勵(lì)磁繞組的耦合關(guān)系類似，區(qū)別在于感應(yīng)電勢(shì)的相位發(fā)生變化，但大小相同。

同時(shí)可推知，起動(dòng)模態(tài)下，勵(lì)磁機(jī)采用單相交流勵(lì)磁方式向主電機(jī)提供勵(lì)磁電流IF時(shí)，IF與轉(zhuǎn)速的關(guān)系很小，如圖7所示，與發(fā)電模態(tài)類似，起動(dòng)模態(tài)勵(lì)磁機(jī)整流輸出同樣具有恒流源特性。進(jìn)而可推知?jiǎng)?lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流Ief也不會(huì)由于轉(zhuǎn)速的變化而波動(dòng)較大，實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，如圖8所示。由圖7和圖8的波形和數(shù)據(jù)可知，起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁電流IF與Ief存在不同于發(fā)電模態(tài)的比例關(guān)系，通過設(shè)計(jì)勵(lì)磁機(jī)即可獲得起動(dòng)所需的恒定的勵(lì)磁電流IF，從而在控制上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流IF的解耦，起動(dòng)時(shí)僅需要控制主電機(jī)電樞電流。

圖7 單相交流勵(lì)磁方式下勵(lì)磁電流IF隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 勵(lì)磁電流Ief隨轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3.3 主電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

起動(dòng)時(shí)，控制策略既可采用控制方式簡(jiǎn)單的id=0控制，也可以采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Amperes,MTPA)控制。但發(fā)電工況下對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值僅有143 N·m，而起動(dòng)最大阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到250 N·m，達(dá)到發(fā)電轉(zhuǎn)矩的1.75倍，因此起動(dòng)時(shí)主電機(jī)具有更高的電負(fù)荷和磁負(fù)荷，磁路飽和程度更高，使得磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)總輸出轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)有限。因此，本文采用id=0的控制策略，起動(dòng)控制框圖如圖9所示，起動(dòng)時(shí)僅通過控制主電機(jī)電樞電流的大小即可獲得所需的輸出轉(zhuǎn)矩特性，大大減輕了控制器的軟件負(fù)擔(dān)和計(jì)算任務(wù)。

圖9 起動(dòng)控制框圖

圖10 主電機(jī)轉(zhuǎn)矩-電流仿真曲線

圖10給出了采用id=0控制策略、起動(dòng)模態(tài)下主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨電樞電流Ia和勵(lì)磁電流IF變化的仿真曲線，仿真時(shí)電流角β取90°，參數(shù)化電樞電流Ia和勵(lì)磁電流IF。可得到如下結(jié)論：① 隨著電樞電流Ia的增加，輸出轉(zhuǎn)矩線性增大，此時(shí)主磁路不飽和；② 隨著勵(lì)磁電流IF的增加，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸增大，但當(dāng)IF=80 A時(shí)，由于主磁路飽和程度較高，勵(lì)磁電流IF的增加或輕微波動(dòng)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響已經(jīng)可以忽略，如圖7給出的單相交流勵(lì)磁方式下IF從84 A(1 000 r/min)變化到78 A(2 000 r/min)，電樞電流為400 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩由252 N·m減小到249 N·m，僅減小了3 N·m；③ 為了滿足250 N·m最大阻轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)需求，同時(shí)受限于控制器內(nèi)部功率器件IGBT最大800 A的標(biāo)稱通流能力，電樞電流不宜取得過大，使得IF應(yīng)大于80 A，對(duì)應(yīng)的電樞電流Ia為400 A，此時(shí)轉(zhuǎn)子極身磁密為2.2 T，鐵心材料采用飽和磁密達(dá)到2.4 T的1J22，轉(zhuǎn)子磁路已趨于飽和。另外，當(dāng)電樞電流為500 A時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到300 N·m以上。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研制了120 kW/270 V三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)和起動(dòng)控制器工程樣機(jī)，并構(gòu)建了起動(dòng)發(fā)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖11所示。

三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如表2所示，發(fā)電轉(zhuǎn)速為8 000 r/min恒速，額定功率為120 kW，額定電壓、電流分別為270 V、444.4 A，同時(shí)要求具有輸出1.25倍額定負(fù)載150 kW、1.5倍額定負(fù)載180 kW的過載能力。起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到250 N·m，起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)脫開轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。起動(dòng)發(fā)電機(jī)的重量不大于52 kg，額定功率密度達(dá)到2.33 kW/kg。起動(dòng)控制器的主要參數(shù)如表3所示。

構(gòu)建的起動(dòng)發(fā)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括120 kW/270 V三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)、電源控制盒、發(fā)電機(jī)控制器GCU、起動(dòng)控制器SCU、HBM T40B扭矩儀、K938起動(dòng)發(fā)電一體化拖動(dòng)平臺(tái)以及120 kW/270 V高壓直流負(fù)載等相關(guān)設(shè)備。可開展起動(dòng)實(shí)驗(yàn)、起動(dòng)發(fā)電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)和高壓直流發(fā)電實(shí)驗(yàn)等方面的驗(yàn)證。

① 120 kW起動(dòng)發(fā)電(SG)；② 電源控制盒；③ GCU；④ SCU；⑤ 扭矩儀；⑥ K938起動(dòng)發(fā)電一體化拖動(dòng)平臺(tái)；⑦ 120 kW/270 V高壓直流負(fù)載柜

表2 120 kW高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表3 起動(dòng)控制器主要電氣參數(shù)

3.1 發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

發(fā)電運(yùn)行時(shí)，120 kW/270 V高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)直流側(cè)輸出端與高壓直流負(fù)載柜相連，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Ief和負(fù)載電阻大小，實(shí)現(xiàn)不同功率的輸出。圖12給出了高壓直流發(fā)電機(jī)輸出功率Pdc隨勵(lì)磁電流Ief變化的實(shí)驗(yàn)曲線，輸出功率隨勵(lì)磁電流線性增加，發(fā)電機(jī)輸出能力較強(qiáng)。受限于負(fù)載的容量，實(shí)驗(yàn)最大輸出功率達(dá)到106.8 kW，此時(shí)直流輸出電壓為276 V，直流輸出電流為387 A，對(duì)應(yīng)的電壓和電流波形如圖13所示。

圖12 輸出直流功率隨勵(lì)磁電流Ief的變化曲線

圖13 三相電壓與電流波形(Pdc=106.8 kW)

3.2 起動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

首先開展了120 kW/270 V高壓直流發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。起動(dòng)控制器SCU采用id=0控制策略，勵(lì)磁機(jī)采用200 V、400 Hz恒壓恒頻交流勵(lì)磁方式。輸出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與主電機(jī)電樞電流的變化關(guān)系如圖14所示，分析可知，輸出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電樞電流Ia呈線性關(guān)系，且仿真值與實(shí)驗(yàn)值一致，誤差僅3%。當(dāng)Ia=500 A時(shí)，通過HBM T40B扭矩儀測(cè)量起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到300 N·m，相比于250 N·m的發(fā)動(dòng)機(jī)最大阻轉(zhuǎn)矩，有足夠的能力來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的成功起動(dòng)。

圖15為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的運(yùn)行特性，實(shí)驗(yàn)時(shí)K938拖動(dòng)平臺(tái)用于加載，加載曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。分析可知，模擬起動(dòng)過程中，盡管阻轉(zhuǎn)矩跟隨轉(zhuǎn)速不斷變化，經(jīng)過起動(dòng)控制器SCU控制的起動(dòng)發(fā)電機(jī)能夠很好的跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩曲線，實(shí)際轉(zhuǎn)速基本以恒定加速度上升，起動(dòng)時(shí)間約為52 s，滿足起動(dòng)要求。圖16為起動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 400 r/min、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到300 N·m時(shí)主電機(jī)三相電樞電流波形，圖17為對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁機(jī)單相交流勵(lì)磁電壓Uef和勵(lì)磁電流Ief的波形。

圖14 輸出轉(zhuǎn)矩與主電機(jī)電樞電流的關(guān)系

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)模擬起動(dòng)特性

圖16 起動(dòng)時(shí)主電機(jī)電樞電流波形(1 400 r/min，75 A/V)

圖17 單相交流勵(lì)磁電流波形(100 V/格，20 A/格)

4 結(jié) 論

大功率高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是多電/全電飛機(jī)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，而多電全電飛機(jī)的發(fā)展又對(duì)直流電源系統(tǒng)提出了更高的要求。高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)涵蓋了起動(dòng)發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器、起動(dòng)控制器等多個(gè)部件，部件間互相耦合。同時(shí)，集成了起動(dòng)功能后，起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)本體之間存在雙向的轉(zhuǎn)矩傳遞和功率流動(dòng)，其特性和設(shè)計(jì)都更加復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)并研制了120 kW/270 V三級(jí)式無刷高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)和起動(dòng)控制器，構(gòu)建了起動(dòng)發(fā)電一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了高壓直流發(fā)電試驗(yàn)和模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，主要結(jié)論有：

1) 提出了一種三級(jí)式高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，輸出整流器內(nèi)置于電機(jī)殼體內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，起動(dòng)采用恒壓、恒頻的單相交流勵(lì)磁方式，顯著簡(jiǎn)化了勵(lì)磁系統(tǒng)和控制策略。

2) 勵(lì)磁機(jī)與主電機(jī)在起動(dòng)發(fā)電雙工況下輸入的電壓、電流均存在非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，在起動(dòng)發(fā)電一體化設(shè)計(jì)中需充分重視，應(yīng)根據(jù)勵(lì)磁機(jī)和主電機(jī)在起動(dòng)、發(fā)電兩種模態(tài)下的不同工作特性和輸入要求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并對(duì)照各自輸出指標(biāo)進(jìn)行匹配性考核。必要時(shí)還應(yīng)對(duì)勵(lì)磁機(jī)、主電機(jī)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行精確建模和聯(lián)合仿真，以獲取準(zhǔn)確的特性數(shù)據(jù)和波形。

3) 提出并闡釋了勵(lì)磁機(jī)的恒流源特性需求，從原理上避免了工作溫度的大范圍變化對(duì)勵(lì)磁功率的影響，以適應(yīng)復(fù)雜工況和無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求。

4) 起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩是主電機(jī)電樞電流Ia、電流角β以及勵(lì)磁機(jī)單相交流勵(lì)磁電流Ief的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了從控制角度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩與主電機(jī)勵(lì)磁電流IF的解耦，簡(jiǎn)化了起動(dòng)控制策略和系統(tǒng)架構(gòu)。

5) 實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出功率超過100 kW，功率密度達(dá)到2.33 kW/kg；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到300 N·m，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)模擬起動(dòng)實(shí)驗(yàn)并滿足起動(dòng)要求。

大功率高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在新一代飛機(jī)機(jī)載電源系統(tǒng)中有重要應(yīng)用價(jià)值，其運(yùn)行機(jī)理和特性提升需要進(jìn)一步深入研究與實(shí)踐。