[发明专利]一种两级式无刷电励磁起动发电系统拓扑及其控制策略

说明书

本发明涉及一种两级式无刷电励磁起动发电系统拓扑及其控制策略，该系统包括励磁机、旋转整流器、主电机、起动控制器、发电控制单元和切换开关，发电控制单元输入端接主电机定子绕组发电输出端。系统起动阶段，起动控制器功率输出端连接励磁机和主电机定子绕组，为励磁机提供励磁并驱动主电机运行在电动状态带动航空发动机起动；起动完成后，起动控制器与主电机定子绕组断开连接，且不再为励磁机提供励磁；进入发电阶段时，主电机定子电枢绕组接机载电力系统汇流条，起动控制器为励磁机提供直流励磁，待发电控制单元输入电压满足励磁机励磁控制需求后，励磁机励磁绕组连接从起动控制器切换到发电控制单元输出端，由发电控制单元为励磁机提供励磁。

技术领域

本发明属于电机系统领域，具体涉及一种新型的两级式无刷电励磁起动发电系统的结构拓扑及其控制策略。

背景技术

航空起动发电系统可以省去传统发动机起动所用的专用起动机构，减小系统体积重量、提高系统集成度，是航空发动机-电源系统的重要发展趋势。三级式起动发电系统凭借其优异的可靠性及发电品质，成为航空起动发电一体化研究及应用的重点。欧美国家研究机构在航空三级式起动发电系统的研究及应用领域一直走在世界前列，代表目前多电大飞机最高水平的波音787飞机上已成功应用了航空三级式起动发电系统。在国内，航空三级式起动发电系统尚无装机应用情况，仍处于基础理论探究及关键技术攻关阶段。

三级式无刷同步发电机由副励磁机、励磁机、旋转整流器、主发电机以及发电控制单元组成。其中，副励磁机为小功率永磁发电机，通过GCU为励磁机提供直流励磁；励磁机为转枢式电励磁发电机，通过旋转整流器为主电机提供励磁电流；主电机为电励磁同步电机，由发动机带动运行在发电状态为机载设备供电。三个电机转子同轴安装，且旋转整流器也安装在转子侧，构成系统旋转部分。三级式无刷同步发电机需要三级式结构的意义在于：为了实现主电机(电励磁同步电机)的无刷化以及励磁电流可调，添加励磁机(电励磁发电机)和旋转整流器为主电机转子绕组提供可调励磁电流；为了取消励磁机外部供电实现发电机系统作为一个独立发电电源，添加副励磁机 (永磁发电机)通过发电控制单元为励磁机提供励磁。

从三级式无刷同步发电机的结构及运行原理中可以看出，该电机系统在航空大飞机中应用的优势体现在：1)电机或者负载发生短路故障时，可通过切断励磁机励磁实现主电机直接灭磁，防止故障蔓延，可靠性高。2)主电机励磁电流可通过励磁机励磁控制进行实时调节，系统功率因数高，发电品质好。3)主电机励磁电流方便调节的优势使得该系统可适用于多种航空电源系统，包括变速变频系统、恒速恒频系统以及高压直流系统等，适用性广。

在三级式无刷同步发电机的基础上，通过添加起动功能可实现三级式起动发电系统。相比于单纯发电机，三级式起动发电系统增加了起动控制器，其中起动控制器用于系统起动控制。该系统起动阶段，励磁机由起动控制器进行交流励磁(或者由外部交流电源直接励磁)，副励磁机不接入系统；主电机由起动控制器控制在电动运行模式，输出转矩带动航空发动机起动。起动完成后，通过起动/发电切换将系统切换至与单纯发电机结构一致的状态。可以看出，三级式起动发电系统在保持三级式无刷同步发电机高可靠高品质发电优势的基础上，实现了起动发电一体化。然而，该构型结构复杂，体积重量大，影响了系统的功率密度，迫切需要进行优化改进。

发明内容

要解决的技术问题

传统三级式起动发电系统较为复杂的结构拓扑直接影响该系统的功率密度和可靠性。为了提升起动发电系统的功率密度和高可靠性，需要在保证系统起动功能和发电特性满足要求的前提下，对传统三级式起动发电系统的结构拓扑及控制策略进行重新设计，使其能够较好地满足航空应用中高功率密度和高可靠性的要求。

技术方案