CN117578928A - 一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，涉及航空三级式起动发电机技术领域。在起动阶段，励磁机接入单相恒压恒频交流电源，通过两个与励磁机参数匹配的电容的移相作用，实现励磁机三相绕组电流的近似对称，在励磁机内部形成近似圆形的旋转磁场。在发电阶段，当达到发电转速后，励磁机接入发电机控制单元获取直流励磁电源，在直流励磁方式下电容天然断开，三相绕组串联在一起形成单相绕组。本发明仅增加了两个电容，就能够同时实现起动阶段采用三相交流励磁方式、发电阶段采用单相直流励磁方式，兼顾了两种励磁方式的优点，并且无需额外的绕组切换开关，即可实现三相交流励磁和单相直流励磁的切换。
Description
技术领域
本发明涉及航空三级式起动发电机技术领域，尤其涉及一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统。
背景技术
三级式电机作为飞机主电源在航空领域得到了广泛的应用，其基本结构如图1所示。随着飞机电气化发展，三级式电机还集成了起动功能，即作为电动机运行，带动飞机发动机起动。在发电状态下，发动机带动三级式电机，永磁励磁机通过发电机控制单元内部的整流电路为励磁机提供可控的直流励磁电流，励磁机给主电机提供励磁，主电机向外输出电能。在起动状态下，由起动控制器向主电机注入电流，使得主电机产生足够的转矩，带动发动机起动，此时励磁机依然作为发电机运行，向主电机提供励磁电流。但是主要为满足发电功能设计的传统三级式电机在起动状态下存在着励磁困难的问题：在起动状态下，三级式电机处于静止或低转速状态，励磁机的定子为单相直流励磁绕组，在低转速的情况下无法为主电机提供足够的励磁功率。
针对上述问题，目前的解决方案中，在起动阶段，电机转速较低，励磁机必须采用交流励磁，三相交流励磁方式的能量传输效率高于单相交流励磁方式，但是三相交流励磁需要专门的励磁控制器，且需要控制励磁电压幅值和频率，控制较为复杂，单相交流励磁对励磁电源的要求较低，可以采用恒压恒频单相交流电源。在发电阶段，电机处于中高速状态，采用传统的直流励磁控制简单、调压便利，而三相交流励磁方式下励磁机输出的励磁电流随转速变化很大，控制比较复杂。
因此新的设计目标，就在于在不额外增加大量新结构零件的基础上，能够同时兼顾三相交流励磁和直流励磁的优点，且还需具有绕组利用率高、无需专用的绕组切换开关，又还能够降低励磁电源的要求从而降低控制的难度，如何设计并改进一种具有上述设计目标的可以应用于航空三级式起动发电机的单相交/直流励磁系统，成为了需要进行深入研究的课题。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，能够同时兼顾三相交流励磁和直流励磁的优点，且还需具有绕组利用率高、无需专用的绕组切换开关，又还能够降低励磁电源的要求从而降低控制的难度。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，包括：主电机(1)、旋转整流器(2)、励磁机(3)、永磁励磁机(4)、发电机控制单元(5)和单相恒压恒频交流电源(6)；励磁机(3)的转子部分为三相电枢绕组，励磁机(3)的定子部分包括A相(31)、B相(32)和C相(33)形成的三相对称绕组，A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组均为开绕组结构，每相绕组的两个端口均由导线引出；A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组分别都与移相电容C1(34)和移相电容C2(35)连接。
励磁机(3)的定子输入端口通过切换开关(36)接入励磁电源，励磁机(3)在所述航空三级式起动发电机的起动阶段和发电阶段都为主电机(1)提供励磁电流；
在所述起动阶段，切换开关(36)接入单相恒压恒频交流电源(6)，当所述航空三级式起动发电机的转速达到发动机脱开转速后，切换开关(36)断开；
在所述发电阶段，当所述航空三级式起动发电机的转速达到发电转速时，切换开关(36)接入发电机控制单元(5)。
本发明实施例提供的用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，可以满足航空三级式起动发电机在起动和发电两种不同工作模态下的励磁需求。在起动阶段，励磁机接入单相恒压恒频交流电源，通过两个与励磁机参数匹配的电容的移相作用，实现励磁机三相绕组电流的近似对称，在励磁机内部形成近似圆形的旋转磁场，从而实现励磁机能量的高效传输，励磁效果接近三相交流励磁。当达到脱开转速后，励磁机切除单相交流电源。在发电阶段，当达到发电转速后，励磁机接入发电机控制单元获取直流励磁电源，在直流励磁方式下电容天然断开，三相绕组串联在一起形成单相绕组，实现发电阶段所需的直流励磁方式。本发明相比于传统的单相励磁或三相励磁系统，仅仅增加了两个电容，就能够同时实现起动阶段采用三相交流励磁方式、发电阶段采用单相直流励磁方式，兼顾了两种励磁方式的优点，并且无需额外的绕组切换开关，即可实现三相交流励磁和单相直流励磁的切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为一种现有的三级式电机原理示意图；
图2为本发明实施例提供的单相交/直流励磁系统原理示意图；
图3为本发明实施例提供的在起动阶段采用交流励磁时的系统连接方式示意图；
图4为本发明实施例提供的在发电阶段采用直流励磁时的系统方式示意图；
图5为本发明实施例提供的在发电阶段采用直流励磁时励磁机(3)定子绕组合成磁势的矢量图；
图6为本发明实施例提供的励磁机(3)仿真模型示意图；
图7为本发明实施例提供的励磁机(3)外电路示意图；
图8为本发明实施例提供的在起动阶段采用单相恒压恒频交流电源(6)供电时励磁机(3)三相励磁绕组的电流波形示意图；
图9为本发明实施例提供的励磁机(3)在0～6800rpm转速范围内的输出电流示意图；
图10为本发明实施例提供的在发电转速8200rpm下励磁机(3)采用直流励磁时的输出电流IF和输入励磁电流Ief之间的关系示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
目前国内外的主要解决方案有：1、不改变励磁机原有的结构，在起动阶段励磁机定子绕组通入单相交流电，产生脉振磁场，励磁机相当于一个旋转的变压器，能够在低速下为主电机提供励磁，当电机达到发电转速后再切换为直流励磁。该方案无需改变现有的励磁机结构，只需在不同阶段切换不同的励磁电源，但是脉振磁场的能量传输效率低，在单相交流励磁时励磁机为主电机提供的励磁功率有限。2、在励磁机定子中增加一套辅助三相绕组，在起动阶段使用辅助三相绕组，通入三相交流电，形成圆形旋转磁场，使得励磁机转子电枢绕组在低速下也能产生感应电流；当电机达到一定转速后将辅助三相绕组切除，换用励磁机原有的单相励磁绕组，采用单相直流励磁。三相交流励磁方式相比单相交流励磁方式，能量传输效率高，能够提供更大的励磁功率，但是该方案增加了额外的励磁绕组，增加了电机的体积、重量，使得励磁机结构更为复杂，且两套绕组不能复用，利用率低。3、将传统励磁机的定子单相励磁绕组改为三相励磁绕组，且在三相绕组中性点处设置了单刀双掷开关。在起动阶段采用三相交流励磁控制，当电机达到一定转速后利用单刀双掷开关将三相励磁绕组串联成为单相绕组进行直流励磁控制。该方案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。4、励磁机定子为三相励磁绕组，取消了单刀双掷开关，无需切换励磁方式，在起动和发电阶段全程采用三相交流励磁。该方案克服了方案3的缺点，但是没能利用中高速阶段直流励磁控制简单的优点。
本实施例的设计目标，就在于在不额外增加大量新结构零件的基础上，能够同时兼顾三相交流励磁和直流励磁的优点，且还需具有绕组利用率高、无需专用的绕组切换开关，又还能够降低励磁电源的要求从而降低控制的难度。
传统三级式电机的基本结构如图1所示，包括：主电机、旋转整流器(2)、励磁机(3)、永磁励磁机(4)以及外部的发电机控制单元(5)。主电机为电励磁同步电机，励磁机(3)为旋转电枢式电励磁同步发电机，永磁励磁机(4)为永磁同步发电机。励磁机(3)与旋转整流器(2)实现了主电机的无刷励磁。本发明实施例提供一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，如图2所示，包括：主电机(1)、旋转整流器(2)、励磁机(3)、永磁励磁机(4)、发电机控制单元(5)和单相恒压恒频交流电源(6)；
励磁机(3)的转子部分为三相电枢绕组，励磁机(3)的定子部分包括A相(31)、B相(32)和C相(33)形成的三相对称绕组，A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组均为开绕组结构，每相绕组的两个端口均由导线引出；
A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组分别都与移相电容C1(34)和移相电容C2(35)根据图2中的方式连接。
励磁机(3)的定子输入端口通过切换开关(36)接入励磁电源，励磁机(3)在所述航空三级式起动发电机的起动阶段和发电阶段都为主电机(1)提供励磁电流。
本实施例所提供的单相交直流励磁系统用于航空三级式起动发电机，在所述航空三级式起动发电机的起动阶段，切换开关(36)接入单相恒压恒频交流电源(6)，当当所述航空三级式起动发电机的转速达到发动机脱开转速后，切换开关(36)断开；其中，通过选择合适的移相电容C1(34)、移相电容C2(35)，A相(31)、B相(32)、C相(33)三相绕组电流近似对称，从而形成近似圆形的旋转磁场，励磁效果接近高效的三相交流励磁，系统连接如图3。当三级式电机达到发动机脱开转速后，切换开关(36)断开。
在所述发电阶段，当所述航空三级式起动发电机的转速达到发电转速时，切换开关(36)接入发电机控制单元(5)，从而获得直流励磁电源。
在本实施例的实际应用中，在所述起动阶段，单相恒压恒频交流电源(6)通过起动控制器获取供电；或者单相恒压恒频交流电源(6)接入机载三相交流电网并获取单相交流电。
在优选方案中，机载三相交流电网为115V/400Hz，单相恒压恒频交流电源(6)从机载三相交流电网获得线电压200V/400Hz的单相交流电。所述起动阶段的脱开转速为6800rpm。例如：在起动阶段，外电路模型中的励磁电源设置为200V/400Hz单相恒压恒频交流电源(6)。三级式电机转速从0上升到脱开转速6800rpm。图8为0rpm时励磁机(3)定子绕组三相电流波形Iefa、Iefb、Iefc，在移相电容C1、C2的作用下绕组电流接近三相对称。图9为0～6800rpm范围内励磁机(3)的输出励磁电流IF，可以看出在整个起动阶段励磁机(3)都能输出较高的励磁电流IF，尤其在起动初期低转速下输出的励磁电流IF较大。
在本实施例的实际应用中，在所述发电阶段，移相电容C1(34)和移相电容C2(35)在直流励磁的影响下天然断开；且A相(31)、B相(32)和C相(33)三相绕组串联在一起从而构成单相绕组的结构；A相(31)、B相(32)和C相(33)三相绕组串联后在励磁机(3)内部形成的合成磁场，从而使励磁机(3)实现单相直流励磁。例如：合成磁场方向如图5，为恒定磁场，励磁机(3)实现单相直流励磁。系统连接如图4。
在优选方案中，所述发电阶段的发电转速为8200rpm。例如：在发电阶段，外电路模型中的励磁电源设置为可调的直流电流源，励磁电流为Ief。当电机转速达到发电转速8200rpm时，励磁机(3)接入直流励磁电源。图10为8200rpm下励磁机(3)的输出电流IF和输入励磁电流Ief之间的关系。励磁机(3)在直流励磁方式下可为主电机提供灵活可调的励磁电流。
本实施例可以采用有限元+外电路联合仿真对方案进行验证。在Ansys Maxwell软件中搭建励磁机有限元仿真模型，如图6。搭建外电路模型，如图7。选取电容C1＝20.9μF、C2＝12.1μF。
电容数值的确定可以采用以下方法：
电容数值设计的目标是实现三相励磁电流的近似对称，因此可以设置优化目标函数f(C1，C2)＝In/Ip，In为三相励磁电流的负序分量、Ip为三相励磁电流的正序分量，f(C1，C2)＝In/Ip表示三相励磁电流的不平衡度。优化变量为C1、C2，优化目标是使得三相励磁电流不平衡度f(C1，C2)＝In/Ip最小。
C2对三相励磁效果的影响最为显著，C1的取值与C2有关，可以选取C1＝1.727C2，使得二维变量降为一维变量。因此可以对C1进行参数化仿真，使得f(C1，C2)＝In/Ip最小的C1即为所需的电容值。
本实施例的方案，仅通过增加了两个电容，通过励磁机(3)定子三相绕组和两个电容之间的特定连接方式，就可同时兼顾三相交流励磁和直流励磁的优点，且绕组利用率高，无需专用的绕组切换开关，对励磁电源的要求低，控制简单。
本实施例可以满足航空三级式起动发电机在起动和发电两种不同工作模态下的励磁需求。在起动阶段，励磁机接入单相恒压恒频交流电源，通过两个与励磁机参数匹配的电容的移相作用，实现励磁机三相绕组电流的近似对称，在励磁机内部形成近似圆形的旋转磁场，从而实现励磁机能量的高效传输，励磁效果接近三相交流励磁。当达到脱开转速后，励磁机切除单相交流电源。在发电阶段，当达到发电转速后，励磁机接入发电机控制单元获取直流励磁电源，在直流励磁方式下电容天然断开，三相绕组串联在一起形成单相绕组，实现发电阶段所需的直流励磁方式。本发明相比于传统的单相励磁或三相励磁系统，仅仅增加了两个电容，就能够同时实现起动阶段采用三相交流励磁方式、发电阶段采用单相直流励磁方式，兼顾了两种励磁方式的优点，并且无需额外的绕组切换开关，即可实现三相交流励磁和单相直流励磁的切换。
总的来说，本实施例的优点主要在于：1、本实施例可以同时实现起动阶段交流励磁、发电阶段直流励磁，能够兼顾两种励磁方式的优点，在起动和发电两个阶段下都能实现良好的励磁效果；2、本实施例中的移相电容在交、直流励磁切换时天然地断开，无需专门的绕组切换开关就可实现交、直流励磁切换；3、本实施例的励磁机(3)定子三相绕组在交流励磁和直流励磁两种励磁方式下能够完全复用，绕组利用率高；4、本实施例在起动阶段采用交流励磁时只需要单相恒压恒频交流电源(6)供电，就可获得与三相交流供电相似的励磁效果，对励磁电源的要求低，励磁控制简单。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于航空三级式起动发电机的单相交直流励磁系统，其特征在于，包括：主电机(1)、旋转整流器(2)、励磁机(3)、永磁励磁机(4)、发电机控制单元(5)和单相恒压恒频交流电源(6)；
励磁机(3)的转子部分为三相电枢绕组，励磁机(3)的定子部分包括A相(31)、B相(32)和C相(33)形成的三相对称绕组，A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组均为开绕组结构，每相绕组的两个端口均由导线引出；
A相(31)、B相(32)和C相(33)各自的绕组分别都与移相电容C1(34)和移相电容C2(35)连接；
励磁机(3)的定子输入端口通过切换开关(36)接入励磁电源，励磁机(3)在所述航空三级式起动发电机的起动阶段和发电阶段都为主电机(1)提供励磁电流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述起动阶段，切换开关(36)接入单相恒压恒频交流电源(6)，当所述航空三级式起动发电机的转速达到发动机脱开转速后，切换开关(36)断开。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述发电阶段，当所述航空三级式起动发电机的转速达到发电转速时，切换开关(36)接入发电机控制单元(5)。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述起动阶段，单相恒压恒频交流电源(6)通过起动控制器获取供电；
或者单相恒压恒频交流电源(6)接入机载三相交流电网并获取单相交流电。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，机载三相交流电网为115V/400Hz，单相恒压恒频交流电源(6)从机载三相交流电网获得线电压200V/400Hz的单相交流电。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述起动阶段的脱开转速为6800rpm。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在所述发电阶段，移相电容C1(34)和移相电容C2(35)在直流励磁的影响下天然断开；
且A相(31)、B相(32)和C相(33)三相绕组串联在一起从而构成单相绕组的结构。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，A相(31)、B相(32)和C相(33)三相绕组串联后在励磁机(3)内部形成的合成磁场，从而使励磁机(3)实现单相直流励磁。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述发电阶段的发电转速为8200rpm。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，移相电容C1(34)的电容值为20.9μF，移相电容C2(35)的电容值为12.1μF。
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2023
- 2023-12-08 CN CN202311698004.7A patent/CN117578928A/zh active Pending
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