航空交流電源實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)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(jī)作為發(fā)電機(jī),由于該電機(jī)所采用的直流勵(lì)磁系統(tǒng)在靜止以及低轉(zhuǎn)速下無法為主電機(jī)提供起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的勵(lì)磁電流,因而不具備起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用專門的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后起動(dòng)機(jī)變成了無用的“死重”,這種發(fā)動(dòng)機(jī)-電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅體積大、重量重,而且系統(tǒng)復(fù)雜。開展航空三級式同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)研究,使航空發(fā)電機(jī)具備起動(dòng)航空電動(dòng)機(jī)的功能,實(shí)現(xiàn)航空三級式同步電機(jī)的起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù),可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)-電源系統(tǒng)的體積重量,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對未來多電飛機(jī)的發(fā)展具有重要意義。在航空三級式同步電機(jī)起動(dòng)過程中,三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)由于非線性、多變量、強(qiáng)耦合特性面臨系統(tǒng)輸入量(勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)與輸出量(主電機(jī)勵(lì)磁電流)之間數(shù)學(xué)關(guān)系不易建立、主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制實(shí)施困難以及旋轉(zhuǎn)整流器二極管故障難以檢測等關(guān)鍵問題,從而使起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)實(shí)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(lì)磁系統(tǒng)研究,包括建立輸入量與輸出量之間數(shù)學(xué)關(guān)系(勵(lì)磁系統(tǒng)方程)、分析采用航空交流電源勵(lì)磁時(shí)時(shí)所面臨的勵(lì)磁方式切換問題、實(shí)現(xiàn)主電機(jī)勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)輸入量與輸出量之間數(shù)學(xué)關(guān)系不易建立問題,本文提出一種三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等效耦合電路模型,通過電路分析推導(dǎo)出勵(lì)磁系統(tǒng)方程,建立了勵(lì)磁系統(tǒng)輸入量與輸出量之間數(shù)學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合優(yōu)化算法提出了一種勵(lì)磁系統(tǒng)“最佳運(yùn)行點(diǎn)”的計(jì)算方法。搭建實(shí)驗(yàn)平臺,通過三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)方程以及“最佳運(yùn)行點(diǎn)”計(jì)算方法的有效性。2.當(dāng)三相交流勵(lì)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(yùn)行至高轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí),由于勵(lì)磁系統(tǒng)輸出無法滿足主電機(jī)的勵(lì)磁需求,需要將勵(lì)磁方式切換為單相交流勵(lì)磁或者直流勵(lì)磁方式。為了減小勵(lì)磁切換對主電機(jī)勵(lì)磁電流帶來的影響,本文以三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)方程為基礎(chǔ),研究了三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)采用航空三相交流電源時(shí)勵(lì)磁的運(yùn)行特性,建立了單相交流勵(lì)磁方式下的數(shù)學(xué)模型,分析了單相交流勵(lì)磁方式的運(yùn)行特性,并在此基礎(chǔ)上對勵(lì)磁方式切換的時(shí)刻進(jìn)行了分析。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)在進(jìn)行三相勵(lì)磁向單相交流勵(lì)磁切換時(shí),切換時(shí)刻對主電機(jī)勵(lì)磁電流的影響較小。同時(shí),針對三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)從三相交流勵(lì)磁向直流勵(lì)磁方式切換時(shí)面臨的切換問題,本文建立了三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)在直流勵(lì)磁方式下的勵(lì)磁系統(tǒng)等效耦合電路模型以及系統(tǒng)方程,給出了計(jì)算勵(lì)磁系統(tǒng)在切換后所需要的勵(lì)磁電流大小的計(jì)算方法,分析了勵(lì)磁系統(tǒng)從三相交流勵(lì)磁切換到直流勵(lì)磁方式時(shí)的切換時(shí)刻選擇問題。分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)在切換直流勵(lì)磁方式時(shí),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(shí),主電機(jī)勵(lì)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(dòng)過程中,由于主電機(jī)與逆變器相連,通過主電機(jī)電樞電壓檢測實(shí)現(xiàn)主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制的傳統(tǒng)方法無法使用,同時(shí)由于勵(lì)磁系統(tǒng)的非線性多變量強(qiáng)耦合特性且采用無刷結(jié)構(gòu),使勵(lì)磁系統(tǒng)面臨主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制不易實(shí)施的問題。針對上述問題,本文提出一種主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制方法。該方法通過電路變換將勵(lì)磁系統(tǒng)等效為普通的三相橋式二極管整流電路,結(jié)合三相橋式二極管整流電路的運(yùn)行特性以及直流輸出控制方法,實(shí)現(xiàn)主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的主電機(jī)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制方法可以有效控制主電機(jī)勵(lì)磁電流。4.旋轉(zhuǎn)整流器二極管是三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)中核心部件,針對其在線故障檢測不易實(shí)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(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流在旋轉(zhuǎn)二極管故障時(shí)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(shí)勵(lì)磁機(jī)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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二極管的故障檢測。分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,勵(lì)磁機(jī)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(yùn)行狀態(tài)對旋轉(zhuǎn)二極管進(jìn)行故障在線檢測,而且可以在起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)每次起動(dòng)前對旋轉(zhuǎn)整流器二極管進(jìn)行故障檢測,防止起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)“帶傷”運(yùn)行。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM341
【部分圖文】：

傳統(tǒng)的航空無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)根據(jù)電機(jī)的可逆原理，主電機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下可以產(chǎn)生電能，那么主電機(jī)

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了多種無刷勵(lì)磁系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括：無電容傳輸[69]、單相交流勵(lì)磁[70]、兩相交流勵(lì)磁[71]以及三相交流勵(lì)磁磁結(jié)構(gòu)。，基于無線能量傳輸?shù)膭?lì)磁機(jī)系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上靜止的原邊線圈與成（如圖 1-2 所示）。在系統(tǒng)工作時(shí)，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(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁。由于該勵(lì)磁系用補(bǔ)償電容使整個(gè)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)以提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率過程受到干擾而無法在諧振點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)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(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中還需要進(jìn)一步傳輸?shù)膯蜗嘟涣鳠o刷勵(lì)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(jī)勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。基于電容傳輸?shù)膭?lì)磁系統(tǒng)與無磁系統(tǒng)一樣存在非諧振點(diǎn)運(yùn)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(lì)磁系統(tǒng)原理圖單相交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)（如圖 1-4 所示）是在得到的一種切實(shí)可行的方案。傳統(tǒng)的三級式當(dāng)系統(tǒng)靜止或低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞。但如果在靜止的勵(lì)磁機(jī)定子繞組中通入單相振磁場，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中在脈振磁場的作可以輸出一定的勵(lì)磁能力。
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