航空交流電源實現(xiàn)起動/發(fā)電一體化技術是國內(nèi)外航空電源的重要發(fā)展方向。目前,我國航空交流電源普遍采用三級式同步電機作為發(fā)電機,由于該電機所采用的直流勵磁系統(tǒng)在靜止以及低轉(zhuǎn)速下無法為主電機提供起動發(fā)動機所需要的勵磁電流,因而不具備起動航空發(fā)動機的功能。航空發(fā)動機需要采用專門的起動機進行起動,當發(fā)動機起動后起動機變成了無用的“死重”,這種發(fā)動機-電源拓撲結構不僅體積大、重量重,而且系統(tǒng)復雜。開展航空三級式同步電機的勵磁系統(tǒng)研究,使航空發(fā)電機具備起動航空電動機的功能,實現(xiàn)航空三級式同步電機的起動/發(fā)電一體化技術,可以減小發(fā)動機-電源系統(tǒng)的體積重量,簡化系統(tǒng)結構,對未來多電飛機的發(fā)展具有重要意義。在航空三級式同步電機起動過程中,三相交流勵磁系統(tǒng)由于非線性、多變量、強耦合特性面臨系統(tǒng)輸入量(勵磁電壓、勵磁頻率以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)與輸出量(主電機勵磁電流)之間數(shù)學關系不易建立、主電機勵磁電流閉環(huán)控制實施困難以及旋轉(zhuǎn)整流器二極管故障難以檢測等關鍵問題,從而使起動/發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)面臨重要挑戰(zhàn)。針對這些問題,本文開展航空三相交流勵磁系統(tǒng)研究,包括建立輸入量與輸出量之間數(shù)學關系(勵磁系統(tǒng)方程)、分析采用航空交流電源勵磁時時所面臨的勵磁方式切換問題、實現(xiàn)主電機勵磁電流閉環(huán)控制以及旋轉(zhuǎn)整流器二極管故障在線檢測。1.針對三相交流勵磁系統(tǒng)輸入量與輸出量之間數(shù)學關系不易建立問題,本文提出一種三相交流勵磁系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等效耦合電路模型,通過電路分析推導出勵磁系統(tǒng)方程,建立了勵磁系統(tǒng)輸入量與輸出量之間數(shù)學關系。在此基礎上,結合優(yōu)化算法提出了一種勵磁系統(tǒng)“最佳運行點”的計算方法。搭建實驗平臺,通過三相交流勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性實驗,驗證了系統(tǒng)方程以及“最佳運行點”計算方法的有效性。2.當三相交流勵磁系統(tǒng)采用航空三相交流電源(115V/400Hz或者230V/400Hz)供電并開環(huán)運行至高轉(zhuǎn)速區(qū)域時,由于勵磁系統(tǒng)輸出無法滿足主電機的勵磁需求,需要將勵磁方式切換為單相交流勵磁或者直流勵磁方式。為了減小勵磁切換對主電機勵磁電流帶來的影響,本文以三相交流勵磁系統(tǒng)方程為基礎,研究了三相交流勵磁系統(tǒng)采用航空三相交流電源時勵磁的運行特性,建立了單相交流勵磁方式下的數(shù)學模型,分析了單相交流勵磁方式的運行特性,并在此基礎上對勵磁方式切換的時刻進行了分析。仿真與實驗結果表明三相交流勵磁系統(tǒng)在進行三相勵磁向單相交流勵磁切換時,切換時刻對主電機勵磁電流的影響較小。同時,針對三相交流勵磁系統(tǒng)從三相交流勵磁向直流勵磁方式切換時面臨的切換問題,本文建立了三相交流勵磁系統(tǒng)在直流勵磁方式下的勵磁系統(tǒng)等效耦合電路模型以及系統(tǒng)方程,給出了計算勵磁系統(tǒng)在切換后所需要的勵磁電流大小的計算方法,分析了勵磁系統(tǒng)從三相交流勵磁切換到直流勵磁方式時的切換時刻選擇問題。分析與實驗結果表明三相交流勵磁系統(tǒng)在切換直流勵磁方式時,選擇切換前的定子磁鏈與切換后反電勢矢量角度差為零時,主電機勵磁電流在切換過程中的震蕩能夠保持在較小范圍內(nèi)。3.在起動過程中,由于主電機與逆變器相連,通過主電機電樞電壓檢測實現(xiàn)主電機勵磁電流閉環(huán)控制的傳統(tǒng)方法無法使用,同時由于勵磁系統(tǒng)的非線性多變量強耦合特性且采用無刷結構,使勵磁系統(tǒng)面臨主電機勵磁電流閉環(huán)控制不易實施的問題。針對上述問題,本文提出一種主電機勵磁電流閉環(huán)控制方法。該方法通過電路變換將勵磁系統(tǒng)等效為普通的三相橋式二極管整流電路,結合三相橋式二極管整流電路的運行特性以及直流輸出控制方法,實現(xiàn)主電機勵磁電流閉環(huán)控制。實驗結果表明,本文提出的主電機勵磁電流閉環(huán)控制方法可以有效控制主電機勵磁電流。4.旋轉(zhuǎn)整流器二極管是三相交流勵磁系統(tǒng)中核心部件,針對其在線故障檢測不易實現(xiàn)問題,本文提出了一種旋轉(zhuǎn)二極管故障在線故障檢測方法。該方法利用勵磁機轉(zhuǎn)子繞組電流在旋轉(zhuǎn)二極管故障時發(fā)生畸變現(xiàn)象,通過分析旋轉(zhuǎn)二極管發(fā)生不同故障時勵磁機轉(zhuǎn)子三相電流諧波成分,提取出二極管的故障特征,從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二極管的故障檢測。分析與實驗結果表明,勵磁機轉(zhuǎn)子電流的三次諧波與基波含量可以作為旋轉(zhuǎn)二極管故障特征。本文提出的方法不受系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度限制,不僅可在系統(tǒng)運行狀態(tài)對旋轉(zhuǎn)二極管進行故障在線檢測,而且可以在起動/發(fā)電系統(tǒng)每次起動前對旋轉(zhuǎn)整流器二極管進行故障檢測,防止起動/發(fā)電系統(tǒng)“帶傷”運行。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM341
【部分圖文】：

傳統(tǒng)的航空無刷電勵磁同步發(fā)電機根據(jù)電機的可逆原理，主電機在航空發(fā)動機的拖動下可以產(chǎn)生電能，那么主電機

國內(nèi)外研究機構提出了多種無刷勵磁系統(tǒng)拓撲結構，主要包括：無電容傳輸[69]、單相交流勵磁[70]、兩相交流勵磁[71]以及三相交流勵磁磁結構。，基于無線能量傳輸?shù)膭畲艡C系統(tǒng)在拓撲結構上靜止的原邊線圈與成（如圖 1-2 所示）。在系統(tǒng)工作時，首先由逆變器將高頻電傳輸給（定子繞組），副邊線圈（轉(zhuǎn)子繞組）在交變磁鏈作用下產(chǎn)生的高頻接的旋轉(zhuǎn)整流器整流后為主電機勵磁繞組提供勵磁。由于該勵磁系用補償電容使整個系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)以提高整個系統(tǒng)的傳輸效率過程受到干擾而無法在諧振點運行時，勵磁系統(tǒng)的傳輸效率將急劇性較差，因此將無線能量傳輸應用于起動/發(fā)電系統(tǒng)中還需要進一步傳輸?shù)膯蜗嘟涣鳠o刷勵磁系統(tǒng)工作原理（如圖 1-3 所示）與基于無線似：定子高頻電源發(fā)出的高頻電壓在經(jīng)過電感、旋轉(zhuǎn)電容以及單相，為主電機勵磁繞組供電。為了讓系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，需要的頻率使勵磁系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)�；陔娙輦鬏�?shù)膭畲畔到y(tǒng)與無磁系統(tǒng)一樣存在非諧振點運行傳輸效率較低的問題。

圖 1-3 基于電容傳輸?shù)臒o刷交流勵磁系統(tǒng)原理圖單相交流無刷勵磁系統(tǒng)（如圖 1-4 所示）是在得到的一種切實可行的方案。傳統(tǒng)的三級式當系統(tǒng)靜止或低轉(zhuǎn)速運行時，勵磁機轉(zhuǎn)子繞。但如果在靜止的勵磁機定子繞組中通入單相振磁場，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組中在脈振磁場的作可以輸出一定的勵磁能力。
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本文編號：2873768