CN108880363A - 三级式无刷同步电机异步起动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式无刷同步电机异步起动控制方法及系统，所述控制方法在所述起动发电系统起动时通过起动控制器向主发电机三相电枢绕组通入三相交流电，不提供起动励磁电流，仅依靠由于阻尼绕组产生的异步转矩实现起动功能，起动控制器由起动功率单元供电。系统起动阶段向主发电机电枢绕组通入交流电，由于主电机转子上的阻尼绕组，将产生异步转矩，通过异步转矩实现系统的起动功能。此种起动控制方法仅需一套三相逆变器即可实现起动功能，简化了起动控制方法，降低了整个系统的复杂程度。

Description

三级式无刷同步电机异步起动控制方法及系统

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，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，此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。

现已有的三级式无刷同步电机异步起动控制方法都需要起动励磁控制，同时为了获得零转速和低转速下足够的励磁电流，所使用的起动励磁控制方法都颇为复杂，需要调整主励磁机结构，增加大量功率器件，且起动发电切换过程复杂。

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电机的起动控制策略，取消起动励磁，简化起动控制器。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

三级式无刷同步电机1利用主发电机5的转子阻尼绕组带来的异步转矩，实现起动功能。三级式无刷同步电机由永磁副励磁机2、主励磁机3、旋转整流器4和主发电机5三级组成。在发电运行时，永磁副励磁机2为主励磁机3定子励磁绕组提供励磁电流，主励磁机3为旋转电枢式发电机，通过与电枢绕组连接的旋转整流器4为主发电机5励磁绕组提供励磁电流。在起动运行时，传统三级式无刷同步电机的永磁副励磁机2不工作，起动控制器6向主励磁机3励磁绕组通入交流电，激发交变的磁场，使主励磁机3电枢绕组获得感应电势，从而为主发电机5提供励磁电流，起动控制器6向主发电机5电枢绕组通入三相交流电以获得转矩。本发明通过利用主发电机5转子上的全阻尼绕组，向电枢绕组通入三相交流电产生异步转矩，实现起动功能。起动过程中主励磁机3和永磁副励磁机2都不工作，简化了起动控制策略，简化了起动控制器6。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明利用三级式无刷同步电机主发电机的异步转矩实现系统的起动功能，发电运行与传统三级式同步起动发电机相同，起动运行时由于电机不旋转，主发电机无法获得励磁电流，因此需要复杂的起动控制策略，起动控制是起动发电机的一项关键技术。本发明中，电机起动运行时所有转矩均由异步转矩提供，主励磁机和永磁副励磁机都不工作。此举取消了起动励磁控制，简化了起动励磁策略，起动控制器只需向主发电机电枢绕组通入三相交流电，而不需向主励磁机励磁绕组提供交流激磁电流，简化了起动控制器，简化了起动系统的结构。

附图说明

图1为三级式无刷同步电机的起动系统框图；

图2、图3、图4为三级式无刷同步电机主发电机转子结构图；

图5为异步起动阶段主发电机电枢电流控制策略示意图；

图中，1-三级式无刷同步电机，2-永磁副励磁机，3-主励磁机，4-旋转整流器，5-主电机，6-起动控制器，7-起动功率单元，8-辅助动力装置，9-旋转变压器，10-电流互感器，11-电压传感器；

5.1-转子铁心，5.2-励磁绕组，5.3-压板，5.4-阻尼条。

具体实施方式

本发明提供一种三级式无刷同步电机异步起动控制方法及系统，为使本发明的目的、思路更加清楚，明确，参照实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为用于辅助动力装置8的三级式无刷同步电机起动系统框图。该起动系统由三部分构成，分别为三级式无刷同步电机1、起动控制器6和起动功率单元7。起动过程中，起动功率单元7将输入的电源转换为高压直流电，输入起动控制器6中。起动控制器6根据旋转变压器9提供的转速、位置信息，向三级式无刷同步电机主电机5的电枢绕组通入三相交流电，电流互感器10和电压传感器11负责返回电流和电压信号。主发电机5通入的三相电流的合成矢量转速快于转子转速，转子与定子电流矢量存在转差，转子阻尼绕组将由于切割磁感线产生感应电势和感应电流，从而产生转矩，带动辅助动力装置8实现起动功能。在整个起动过程中，永磁副励磁机2、主励磁机3和旋转整流器4均不工作。

三级式无刷同步电机(1)的主发电机(5)转子上安装有铜制阻尼绕组，阻尼绕组通过压板或端环相互连接，形成全阻尼绕组。全阻尼绕组类似于鼠笼式异步电机的鼠笼条，因此当主发电机(5)定子电枢中通入三相电流时，阻尼绕组将起到鼠笼式异步电机中鼠笼条的作用。主发电机(5)定子电流矢量旋转速度快于转子，与转子存在转差率，转子阻尼绕组将由于切割磁感线的作用产生感应电势，从而产生感应电流，产生异步转矩。三级式无刷同步电机(1)的主发电机(5)产生异步转矩的原理类似于鼠笼式异步电机的运行原理。

图2至图4为三级式无刷同步电机主发电机转子结构图。主发电机转子主要由转子铁心5.1、励磁绕组5.2、阻尼条5.4和压板5.3组成，此外还包括护套等结构件。阻尼条5.4和压板5.3材料为铜，阻尼条5.4安放在转子极上的槽中，转子极轴向两端均安装有一块压板5.3，压板5.3和阻尼条5.4两端紧密接触。各阻尼条5.4通过压板形成回路，形成阻尼绕组。

图5为恒压频比起动时的电源电压随频率变化的示意图。在利用异步转矩进行起动时，在改变电源频率f₁的同时改变电源电压U₁，保持两者比值为一恒值，即其中W₁为电枢绕组每相串联匝数，K_w1为电枢绕组绕组因数，Φ_m为主磁通，K为常数。

本发明方法实现简单，起动过程中的励磁由发电控制器提供，能够大幅简化起动控制策略，减小起动控制器体积、重量，同时对电机的发电性能不造成影响。

本专利具体应用途径很多，以上所述仅为本专利的优选实施方案，并非因此限制本专利的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，在本专利原理的前提下作出等同替换和显而易见变化所得到的方案，均应当包含在专利的保护范围内。

Claims (7)

1.三级式无刷同步电机异步起动控制方法，其特征在于：所述控制方法在起动时通过起动控制器(6)向主发电机(5)三相电枢绕组通入三相交流电，不提供起动励磁电流，仅依靠阻尼绕组产生的异步转矩实现起动功能，所述起动控制器(6)由起动功率单元(7)供电。

2.根据权利要求1所述的三级式无刷同步电机异步起动控制方法，其特征在于，应用对象为飞机辅助动力装置(8)。

3.根据权利要求1所述的三级式无刷同步电机异步起动控制方法三级式无刷同步电机异步起动控制方法，其特征在于，所述控制方法具体为：

起动功率单元(7)将输入的电源转换为高压直流电输入至起动控制器(6)中，起动控制器(6)根据旋转变压器(9)提供的信息向三级式无刷同步电机主电机(5)的电枢绕组通入三相交流电，电流互感器(10)和电压传感器(11)负责返回电流和电压信号；

三级式无刷同步电机(1)通过主发电机(5)部分产生的异步转矩，带动辅助动力装置(8)实现起动功能，在起动过程中，永磁副励磁机(2)、主励磁机(3)和旋转整流器(4)均不工作。

4.根据权利要求3所述的三级式无刷同步电机异步起动控制方法，其特征在于，主发电机电枢绕组中通入的三相交流电采用恒压频比控制。

5.根据权利要求4所述的三级式无刷同步电机异步起动控制方法，其特征在于，在利用异步转矩进行起动时，在改变电源频率f₁的同时改变电源电压U₁，保持两者比值为一恒值，即其中W₁为电枢绕组每相串联匝数，K_w1为电枢绕组绕组因数，Φ_m为主磁通，K为常数。

6.三级式无刷同步电机异步起动控制系统，其特征在于，所述三级式无刷同步起动系统包括三级式无刷同步电机(1)和起动控制器(6)；所述三级式无刷同步电机(1)包括永磁副励磁机(2)、主励磁机(3)、旋转整流器(4)和主发电机(5)，所述主发电机(5)的转子上安装有全阻尼绕组；

所述永磁副励磁机(2)、主励磁机(3)和主发电机(5)三者的转子同轴安装，所述永磁副励磁机(2)的三相交流输出接入发电控制器，主励磁机的励磁绕组在发电状态下从发电控制器获得直流励磁电流；所述旋转整流器(4)安装在主励磁机(3)转子上，主励磁机(3)的三相交流输出经过旋转整流器(4)转换为直流电流，提供给主发电机(5)励磁绕组，从而为主发电机(5)提供励磁；

所述起动控制器(6)的三相交流输出接入主发电机(5)定子电枢绕组，在起动过程中向主发电机(5)定子电枢绕组提供三相交流电。

7.根据权利要求6所述的三级式无刷同步电机异步起动控制系统，其特征在于，所述三级式无刷同步电机(1)的主发电机(5)包括转子铁心、励磁绕组、阻尼条、压板或者端环，还包括护套结构件；其中，所述转子铁心上等间距设有转子极，所述励磁绕组缠绕在转子极上；

所述阻尼条设有若干条，嵌在转子极周向侧面上，沿转子轴向方向设置；

所述阻尼条和压板材料为铜，转子轴向两端均安装有一块压板，压板和阻尼条两端紧密接触；各阻尼条通过压板形成回路，形成阻尼绕组。