CN108964532A - 三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统及方法，所述三级式无刷同步电机包括永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机、起动控制器、起动功率单元和发电控制器。所述主励磁机、旋转整流器和主发电机依次连接。所述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，将产生磁阻转矩，通过磁阻转矩实现系统零转速时的起动，当电机获得一定转速后，发电控制器向主励磁机励磁绕组通入直流电，为主发电机提供励磁电流，以在之后的加速过程中大幅降低起动控制器向主发电机电枢绕组通入电流幅值。此种起动控制方法对发电控制器实现了复用，起动控制器仅需一套三相逆变器即可实现起动功能，降低整个系统的复杂程度。

Description

三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统及方法

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，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。

传统三级式无刷同步起动发电机起动运行时需要在主励磁机中通入交流励磁电流，使主发电机励磁绕组获得励磁电流，从而获得电磁转矩。但是起动励磁是起动发电系统的一项关键技术，原因在于静止状态下励磁困难。为了获得较大的主电机励磁电流，普遍需要复杂的主励磁机定子结构以及大励磁机励磁电流，系统结构复杂，效率低。

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起动发电机的起动控制策略，简化起动励磁，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：

三级式无刷同步起动发电机1的主发电机5利用凸极转子带来的磁阻转矩，实现零转速时的起动功能，之后通过发电控制器8向主励磁机3提供直流励磁电流，使主发电机5获得励磁电流，加速起动过程，同时减小所需的主发电机5电枢电流。三级式无刷同步起动发电机1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起动发电机1的永磁副励磁机2不工作，起动控制器7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7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，实现零转速时的起动功能，通过发电控制器8向主励磁机3提供直流电磁，使主发电机5获得励磁电流，实现后续加速过程。简化了起动励磁策略，简化了起动控制器8。

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起动发电机主发电机1的磁阻转矩和发电控制器8的复用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，电机零转速起动时所有转矩均由磁阻转矩提供，主励磁机3和永磁副励磁机2都不工作，当电机获得一定转速之后由发电控制器8提供直流励磁电流。此举简化了起动励磁策略，起动控制器7只需向主电机5电枢绕组通入三相交流电，而不需向主励磁机3励磁绕组提供交流激磁电流，转而通过复用发电控制器8提供直流励磁电流，简化了起动控制器7，减小了起动控制器7的体积、重量。

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主励磁机励磁电流随转速变化的示意图矢量图；

图3为三级式无刷同步电机起动阶段主发电机电枢电流随转速变化的示意吐；

图4为三级式无刷同步电机起动阶段输出转矩岁转速变化的示意图；

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-发电控制器，9-辅助动力装置，10-旋转变压器，11-电流互感器，12-电压传感器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为用于辅助动力装置9的三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统框图。该起动系统由三级式无刷同步电机1、起动控制器6、起动功率单元7和发电控制器8组成。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10提供的转速、位置信息，向三级式无刷同步电机主电机5的电枢绕组通入三相交流电，电流互感器11和电压传感器12负责返回电流和电压信号。主电机5定子电流矢量偏离主轴方向，由于磁通倾向于走磁阻最小的直轴磁路，该趋势将产生磁阻转矩，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9实现零转速时的起动。在电机获得一定转速后，发电控制器8通过调压电路开始向主励磁机3通入直流励磁电流，从为主发电机5提供励磁电流。

图2为三级式无刷同步电机起动阶段发电控制器8向主励磁机3提供的励磁电流随转速变化的趋势图。在阶段I，发电控制器8不提供励磁电流，系统依靠主发电机5的磁阻转矩实现零转速的起动。阶段II发电控制器8开始工作，将永磁副励磁机2发出的三相交流电进行整流调压后通入主励磁机3励磁绕组，从而主发电机5提供励磁电流。当达到较高转速后，发电控制器8提供的励磁电流开始减小，进行弱磁控制。

图3为三级式无刷同步电机起动阶段主发电机5电枢绕组电流幅值随转速变化的趋势图。在阶段I，系统依靠主发电机5的磁阻转矩实现零转速的起动功能，需要较大的电流。阶段II中，主发电机5获得了励磁电流，提供同等输出转矩所需的电流得到了大幅降低。

图4为三级式无刷同步电机起动阶段电机输出转矩随转速变化的示意图。在阶段I，由主发电机5的磁阻转矩提供所有输出转矩，电励磁转矩为零。阶段II中，主发电机5获得了励磁电流，输出转矩为磁阻转矩和电励磁转矩之和。

本专利采用发电控制器，在第二阶段通过发电控制器将永磁副励磁机发出的三相交流电进行整流调压后通入主励磁机励磁绕组，从而主发电机提供励磁电流。

本发明方法实现简单，发电控制器提供起动励磁控制，能够简化起动控制策略，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 (4)

1.一种三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统，其特征在于，所述三级式无刷同步起动发电系统包括三级式无刷同步电机(1)、起动控制器(6)、起动功率单元(7)和发电控制器(8)；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；所述起动控制器(6)由起动功率单元(7)供电，起动控制器(6)向在起动阶段向主发电机(5)提供三相交流电；

主发电机(5)转子为凸极结构。

2.根据权利要求1所述的三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统，其特征在于，所述驱动系统的应用对象为飞机辅助动力装置(9)。

3.三级式无刷同步电机分阶段式起动控制方法，其特征在于，在起动发电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，依靠磁阻转矩实现零转速时的起动功能，此为阶段I；

控制所述主发电机(5)定子的三相电流矢量角度，使其偏离直轴方向产生磁阻转矩；

在主发电机(5)转速达到设定值之后，发电控制器(8)工作，向主励磁机(3)励磁绕组提供直流励磁电流，以减小所需主发电机(5)电枢电流；此为阶段II；

所述阶段I与阶段II由三级式无刷同步电机(1)在转速区分，其分界点在点火转速附近，略小于点火转速，大约在数百转每分钟至上千转每分钟之间。

4.根据权利要求3所述的三级式无刷同步电机分阶段式起动控制方法，其特征在于，在起动过程分为两阶段，阶段I主励磁机(3)不通入起动励磁电流，在主发电机转(5)速达到设定值之后，进入阶段II，阶段II主励磁机(3)由发电控制器(8)通入直流励磁电流；所述主发电机(5)电枢绕组中通入的三相交流电流矢量与直轴方向相差45°电角度，即电流矢量偏离转子极轴线15°机械角，并且电流矢量角与直轴方向的偏离亮在两个起动阶段中保持不变，在两个起动阶段中通过改变主发电机(5)电枢电流大小以调节输出转矩；阶段I主发电机(5)输出的转矩为磁阻转矩，阶段II由于提供了励磁电流，主发电机(5)输出的转矩同时包含磁阻转矩和电励磁转矩。