[发明专利]变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及变频交流起动发电机中励磁机的绕组结构、变换器设计与控制技术，属于电机控制领域。

背景技术

随着航空电源技术的不断发展，大型民用飞机供电体制正从现有的恒速恒频、变速恒速逐渐过渡至变频交流供电体制，变频交流电源系统通过无刷交流发电机直接给后级负载供电，可有效提高发电系统的容量和效率，并且可以直接采用恒频400Hz的电源系统中的配电元件、辅助电源、APU发电机和应急电源，能够兼容现有的恒频电源系统中的各型负载，因此变频电源系统正成为当近大型民机电源系统的首选。目前最先进的大型民机如空客公司的A380、波音公司的B787正是采用这种变频交流电源系统，国外已形成单台容量至250kVA的大功率变频交流电源系列产品。我国航空电源技术相比较国外存在非常大的差异，虽然国内飞机电源系统已从低压直流过渡到恒频交流电源，但是成熟货架产品数量少，容量也在60kVA以内，难以适用于大型民机电源系统的需求。因此在当前我国大力发展的大型民用客机的新形势下，新型航空变频交流电源系统将成为民机电源系统的重要的发展方向。

自上世纪50年代恒速恒频电源系统应用于飞机电气系统以来，航空交流发电机类型只有三级式同步电机与永磁电机两种，永磁电机由于应用于航空电源系统中存在固有的缺陷，故障之后需专门的脱扣机构动作，难以满足航空电源系统高可靠性的要求，因此，五十多年来，飞机交流电源系统中发电机均采用三级式无刷同步电机。目前最先进的大型民机变频交流电源系统中也是采用三级式无刷同步电机，只是在A380的变频电源系统中三级式同步电机只作为发电机用，而更先进的B787变频交流电源系统中，该三级式无刷同步电机实现了起动、发电双功能，实现了起动发电一体化运行。

三级式无刷同步电机中由于旋转整流器的存在，应用于变频交流电源系统中作为起动机用时，即运行在电动状态，需要从静止开始起动，但是此时励磁机转子处于静止状态，无法提供励磁电流，导致主发电机励磁困难而存在无法起动的问题。通常为实现三级式无刷同步电机起动运行功能，需要对励磁机定子励磁绕组通以单相交流电，无需改变励磁机的定转子绕组结构，使励磁机工作在类似变压器的形式，即利用变压器电势，在其转子电枢绕组中感应出电压，再经过旋转整流器，为主发电机励磁绕组提供励磁电流，以实现无刷励磁同步电机静止时的主发电机励磁功能。该单相交流励磁方式不需要改变励磁机定子绕组结构，直接对励磁机的励磁绕组进行交流励磁，但是在对直流励磁绕组通入单相交流电时，转子电枢绕组中感应的变压器电势是脉振形式，能量传输效率比较低，使得主发电机难以获得足够的励磁电流，导致起动运行时输出转矩受限。因此该单相交流励磁方式通常只适用于中小功率等级的三级式同步电机起动发电系统。当三级式无刷同步电机应用于大功率变频交流起动发电系统时，需要对励磁机的结构及其控制方式进行调整，通过改变励磁机的定子绕组结构，在其定子直流励磁绕组的基础上增加一套三相励磁绕组，或者用三相励磁绕组替代原结构的直流励磁绕组，对其通以三相交流电，在电机转子静止时，该励磁机等效成三相变压器，在转子侧感应出三相交流电，通过整流桥给主发电机提供励磁。