[發(fā)明專利]三級式無刷同步電機分階段式起動控制系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810551395.2
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108964532A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張卓然;李進才;陸嘉偉;郝士誠
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02P6/20
• 分類號: H02P6/20;H02P6/32
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

本發(fā)明公開了一種三級式無刷同步電機分階段式起動控制系統(tǒng)及方法，所述三級式無刷同步電機包括永磁副勵磁機、主勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機、起動控制器、起動功率單元和發(fā)電控制器。所述主勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機依次連接。所述起動控制器在起動發(fā)電系統(tǒng)起動階段向主發(fā)電機電樞繞組通入交流電，將產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，通過磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)系統(tǒng)零轉(zhuǎn)速時的起動，當電機獲得一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電控制器向主勵磁機勵磁繞組通入直流電，為主發(fā)電機提供勵磁電流，以在之后的加速過程中大幅降低起動控制器向主發(fā)電機電樞繞組通入電流幅值。此種起動控制方法對發(fā)電控制器實現(xiàn)了復用，起動控制器僅需一套三相逆變器即可實現(xiàn)起動功能，降低整個系統(tǒng)的復雜程度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空起動發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種三級式無刷同步起動發(fā)電系統(tǒng)的起動方式，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和起動原理，屬于航空電機技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前飛機交流電源系統(tǒng)大都采用三級式無刷同步電機作為發(fā)電機，發(fā)動機的起動則是由直流起動機、空氣渦輪起動機或燃氣渦輪起動機等進行起動。但這樣的起動系統(tǒng)體積重量大、可靠性低。一種簡單可行的起動/發(fā)電一體化實現(xiàn)辦法是在現(xiàn)有電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，直接省去專用的起動機，根據(jù)電機的可逆性原理，將三級式無刷同步發(fā)電機運行在電動狀態(tài)來起動發(fā)動機。

然而，三級式無刷同步電機作為發(fā)動機的起動機電動運行時存在如下難題：電機靜止時，若采用直流勵磁，勵磁機電樞無法向主電機勵磁繞組輸送勵磁功率；電機低轉(zhuǎn)速運行時，可以采用直流勵磁為主電機提供勵磁，但勵磁功率無法滿足起動要求。

針對上述問題，專利US7687928公布了一種三級式無刷同步電機勵磁結(jié)構(gòu)及控制方法，在勵磁機的定子側(cè)額外增加一套三相交流勵磁繞組，起動過程中三相交流勵磁繞組工作，發(fā)電過程中直流勵磁繞組工作。三相交流勵磁方案能夠提供的主電機勵磁電流較大，主電機的輸出轉(zhuǎn)矩較大，所需逆變器容量較小。但這種方案有明顯的缺點，即需要改變主勵磁機的結(jié)構(gòu)，包括鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)，這會使得結(jié)構(gòu)原本就很復雜的三級式同步電機更加復雜。專利US7821145公布了一種采用單獨的三相交流勵磁繞組實現(xiàn)交、直流勵磁雙功能，在起動初期采用三相交流勵磁，起動后期以及發(fā)電階段通過控制接觸器將三相繞組串聯(lián)成一套繞組，實現(xiàn)直流勵磁方式。該方法提高了勵磁繞組的利用率，但是三相交流勵磁控制與單刀雙擲開關(guān)的協(xié)調(diào)控制增加了交、直流勵磁切換的復雜性。專利US6906479公布了一種采用勵磁機每個定子極上繞制多套勵磁繞組的單相交流勵磁方式，為了獲得起動發(fā)電機最優(yōu)的性能：發(fā)電時，通過控制器將勵磁繞組串聯(lián)在一起；而起動時，則并聯(lián)在一起，從而減小阻抗，降低起動交流電壓幅值，減輕逆變器的尺寸、重量等，而且對原有勵磁機改動較小，但起動發(fā)電切換控制復雜，接觸器較多，可靠性低，電機靜止和低轉(zhuǎn)速時，單相交流勵磁效率較低。專利CN103532454B公布了一種兩相無刷勵磁機結(jié)構(gòu)及起動發(fā)電過程中的控制方法，其勵磁機采用勵磁繞組是空間差90°電角度的兩相對稱繞組的無刷勵磁機，采用4觸點繼電器將勵磁機兩相勵磁繞組分別與兩相逆變器和發(fā)電機控制單元相連。該方案相比單相交流勵磁，勵磁效率較高，但繞組連接方式復雜，且需要額外的逆變器提供兩相對稱電源。專利CN102420560公布了一種變頻交流起動發(fā)電系統(tǒng)勵磁結(jié)構(gòu)及交、直流勵磁控制方法，將交流勵磁定子三相繞組設(shè)置為開路型結(jié)構(gòu)，并在繞組兩端各設(shè)置一組三相全橋變換器，起動階段通過控制兩套變換器實現(xiàn)三相交流勵磁，發(fā)電階段切換變換器控制策略，對每相繞組單獨控制，等效成直流串聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用直流勵磁。該方案設(shè)置兩組功率變換器提高了勵磁繞組利用率，但兩組功率變換器使得勵磁控制過程較為繁瑣，同時增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性。

傳統(tǒng)三級式無刷同步起動發(fā)電機起動運行時需要在主勵磁機中通入交流勵磁電流，使主發(fā)電機勵磁繞組獲得勵磁電流，從而獲得電磁轉(zhuǎn)矩。但是起動勵磁是起動發(fā)電系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，原因在于靜止狀態(tài)下勵磁困難。為了獲得較大的主電機勵磁電流，普遍需要復雜的主勵磁機定子結(jié)構(gòu)以及大勵磁機勵磁電流，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，效率低。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明旨在簡化三級式無刷同步起動發(fā)電機的起動控制策略，簡化起動勵磁，簡化起動控制器。