[发明专利]三级式无刷同步电机分阶段式起动控制系统及方法

说明书

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。

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。