CN108847796B - 三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法及系统 - Google Patents

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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Abstract

本发明公开了一种三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法及系统，起动发电系统起动时通过起动控制器向主发电机三相电枢绕组通入三相交流电，不提供起动励磁电流，仅依靠磁阻转矩实现起动功能；起动控制器在起动发电系统起动阶段向主发电机电枢绕组通入交流电，主电机由于为转子凸极结构，将产生磁阻转矩，通过磁阻转矩实现系统的起动功能。此种起动控制方法仅需一套三相逆变器即可实现起动功能，简化了起动控制方法，降低了整个系统的复杂程度。

Description

三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及航空起动发电系统，尤其涉及一种三级式无刷同步起动发电系统的起动方式，包括系统结构和起动原理，属于航空电机技术领域。
背景技术
目前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，发动机的起动则是由直流起动机、空气涡轮起动机或燃气涡轮起动机等进行起动。但这样的起动系统体积重量大、可靠性低。一种简单可行的起动/发电一体化实现办法是在现有电源系统的基础上，直接省去专用的起动机，根据电机的可逆性原理，将三级式无刷同步发电机运行在电动状态来起动发动机。
然而，三级式无刷同步电机作为发动机的起动机电动运行时存在如下难题：电机静止时，若采用直流励磁，励磁机电枢无法向主电机励磁绕组输送励磁功率；电机低转速运行时，此时可以采用直流励磁为主电机提供励磁，但励磁功率无法满足起动要求。
针对上述问题，专利US7687928公布了一种三级式无刷同步电机励磁结构及控制方法，在励磁机的定子侧额外增加一套三相交流励磁绕组，起动过程中三相交流励磁绕组工作，发电过程中直流励磁绕组工作。三相交流励磁方案能够提供的主电机励磁电流较大，主电机的输出转矩较大，所需逆变器容量较小。但这种方案有明显的缺点，即需要改变主励磁机的结构，包括铁心和绕组的结构，这会使得结构原本就很复杂的三级式同步电机更加复杂。专利US7821145公布了一种采用单独的三相交流励磁绕组实现交、直流励磁双功能，在起动初期采用三相交流励磁，起动后期以及发电阶段通过控制接触器将三相绕组串联成一套绕组，实现直流励磁方式。该方法提高了励磁绕组的利用率，但是三相交流励磁控制与单刀双掷开关的协调控制增加了交、直流励磁切换的复杂性。专利US6906479公布了一种采用励磁机每个定子极上绕制多套励磁绕组的单相交流励磁方式，为了获得起动发电机最优的性能：发电时，通过控制器将励磁绕组串联在一起；而起动时，则并联在一起，从而减小阻抗，降低起动交流电压幅值，减轻逆变器的尺寸、重量等，而且对原有励磁机改动较小，但起动发电切换控制复杂，接触器较多，可靠性低，电机静止和低转速时，单相交流励磁效率较低。专利CN103532454B公布了一种两相无刷励磁机结构及起动发电过程中的控制方法，其励磁机采用励磁绕组是空间差90°电角度的两相对称绕组的无刷励磁机，采用4触点继电器将励磁机两相励磁绕组分别与两相逆变器和发电机控制单元相连。该方案相比单相交流励磁，励磁效率较高，但绕组连接方式复杂，且需要额外的逆变器提供两相对称电源。专利CN102420560公布了一种变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法，将交流励磁定子三相绕组设置为开路型结构，并在绕组两端各设置一组三相全桥变换器，起动阶段通过控制两套变换器实现三相交流励磁，发电阶段切换变换器控制策略，对每相绕组单独控制，等效成直流串联结构，采用直流励磁。该方案设置两组功率变换器提高了励磁绕组利用率，但两组功率变换器使得励磁控制过程较为繁琐，同时增加了系统结构的复杂性。
现已有的三级式无刷同步电机起动控制方法都需要起动励磁控制，同时为了获得零转速和低转速下足够的励磁电流，所使用的起动励磁控制方法都颇为复杂，需要调整主励磁机结构，增加大量功率器件，起动发电切换过程复杂。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在简化三级式无刷同步电机的起动控制策略，取消起动励磁，简化起动控制器。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
三级式无刷同步电机1利用主发电机5的转子凸极结构带来的磁阻转矩，实现起动功能。三级式无刷同步电机由永磁副励磁机2、主励磁机3、旋转整流器4和主发电机5三级组成。在发电运行时，永磁副励磁机2为主励磁机3定子励磁绕组提供励磁电流，主励磁机3为旋转电枢式发电机，通过与电枢绕组连接的旋转整流器4为主发电机5励磁绕组提供励磁电流。在起动运行时，传统三级式无刷同步电机的永磁副励磁机2不工作，起动控制器6向主励磁机3励磁绕组通入交流电，激发交变的磁场，使主励磁机3电枢绕组获得感应电势，从而为主发电机5提供励磁电流，起动控制器6向主发电机5电枢绕组通入三相交流电以获得转矩。本发明通过利用主发电机5转子d轴和q轴磁阻的不同，通入电流产生磁阻转矩，实现起动功能。起动过程中主励磁机3和永磁副励磁机2都不工作，简化了起动控制策略，简化了起动控制器6。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明利用三级式无刷同步电机主发电机的磁阻转矩实现系统的起动功能，发电运行与传统三级式同步起动发电机相同，起动运行时由于电机不旋转，主发电机无法获得励磁电流，因此需要复杂的起动控制策略，起动控制是起动发电机的一项关键技术。本发明中，电机起动运行时所有转矩均由磁阻转矩提供，主励磁机和永磁副励磁机都不工作。此举取消了起动励磁控制，简化了起动励磁策略，起动控制器只需向主发电机电枢绕组通入三相交流电，而不需向主励磁机励磁绕组提供交流激磁电流，简化了起动控制器，简化了起动系统的结构。
附图说明
图1为三级式无刷同步电机的起动系统框图；
图2为三级式无刷同步电机起动阶段矢量图；
图3为三级式无刷同步电机的主发电机电动运行磁链分布图；
图4为磁阻转矩波形图；
图中，1-三级式无刷同步电机，2-永磁副励磁机，3-主励磁机，4-旋转整流器，5-主电机，6-起动控制器，7-起动功率单元，8-辅助动力装置，9-旋转变压器，10-电流互感器，11-电压传感器。
具体实施方式
本发明提供一种三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法及系统，为使本发明的目的、思路更加清楚，明确，参照实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为用于辅助动力装置8的三级式无刷同步电机起动系统框图。该起动系统由三部分构成，分别为三级式无刷同步电机1、起动控制器6和起动功率单元7。起动过程中，起动功率单元7将输入的电源转换为高压直流电，输入起动控制器6中。起动控制器6根据旋转变压器9提供的转速、位置信息，向三级式无刷同步电机主电机5的电枢绕组通入对称的三相交流电，该三相交流电流在空间上的合成矢量在转子旋转方向上超前转子极轴线15°机械角，在d-q坐标系与d轴相差45°。d轴磁路为磁阻最小的路径，根据磁阻最小原理，电流矢量偏离磁阻最小路径时，磁通从磁阻最小路径通过的趋势将产生磁阻转矩。电流互感器10和电压传感器11负责返回电流和电压信号，实现电流和电压的闭环。三级式无刷同步电机1通过主发电机5部分产生的磁阻转矩，带动辅助动力装置8实现起动功能。在整个起动过程中，永磁副励磁机2、主励磁机3和旋转整流器4均不工作。
图2为三级式无刷同步电机起动阶段矢量图，定子电流矢量与d轴相差45°，以获得最大的磁阻转矩。定子电流根据d、q轴分解得Id、Iq，Id为励磁分量，转矩主要依靠Iq与Id产生的主磁场产生。
图3为三级式无刷同步电机的主发电机5电动运行磁链分布图，定子电流矢量超前转子极轴线15°机械角，该位置产生的磁阻转矩最大。转子旋转过程中，转子磁链保持恒定，定子磁链与转子保持相对静止，以同步速旋转。
图4为获得的磁阻转矩波形。该条件下通入的三相电流有效值与额定发电条件下的三相电流有效值相等，获得的磁阻转矩平均值约48Nm，提高电流能够获得更大的磁阻转矩。该等级的转矩足够用于起动飞机辅助动力装置或者其他起动转矩较小的发动机。
本发明方法实现简单，起动过程中不需要提供励磁电流，能够大幅简化起动控制策略，减小起动控制器体积、重量，同时对电机的发电性能不造成影响。
本专利具体应用途径很多，以上所述仅为本专利的优选实施方案，并非因此限制本专利的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，在本专利原理的前提下作出等同替换和显而易见变化所得到的方案，均应当包含在专利的保护范围内。

Claims (2)

1.三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法，其特征在于：所述方法基于一种三级式无刷同步电机磁阻式起动控制系统，所述三级式无刷同步起动控制系统包括三级式无刷同步电机（1）和起动控制器（6），所述三级式无刷同步电机（1）包括永磁副励磁机（2）、主励磁机（3）、旋转整流器（4）和主发电机（5），所述永磁副励磁机（2）、主励磁机（3）和主发电机（5）三者的转子同轴安装，永磁副励磁机（2）的三相交流输出接入发电控制器，所述旋转整流器（4）安装在主励磁机（3）转子上，主励磁机（3）的三相交流输出经过旋转整流器（4）转换为直流电流，提供给主发电机（5）励磁绕组，从而为主发电机（5）提供励磁；所述永磁副励磁机（2）的三相输出经过所述发电控制器后再传输至主励磁机（3）定子励磁绕组；
所述起动控制系统起动时通过起动控制器（6）向主发电机（5）三相电枢绕组通入三相交流电，不提供起动励磁电流，仅依靠磁阻转矩实现起动功能；
所述方法具体为：
起动过程中，起动功率单元（7）将输入的电源转换为高压直流电输入起动控制器（6）中；起动控制器（6）根据旋转变压器（9）提供的信息，向三级式无刷同步电机主发电机（5）的电枢绕组通入三相交流电，电流互感器（10）和电压传感器（11）负责返回电流和电压信号；三级式无刷同步电机（1）通过改变主发电机（5）定子电流矢量方向，使其偏离对准直轴磁路的位置，具体过程为：
向所述主发电机（5）电枢绕组中通入对称的三相交流电，在d-q坐标系中，电流合成矢量与d轴相差45°电角度，电流合成矢量在转子旋转方向上超前转子极轴线15°机械角度；
产生磁阻转矩，带动辅助动力装置（8）实现起动功能。
2.根据权利要求1所述的三级式无刷同步电机磁阻式起动控制方法，其特征在于，应用对象为飞机辅助动力装置（8）。
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