赖耀祖 姜宇 管毅

摘 要：本文提出一种大功率交流起动发电一体化系统。文章利用传统三级电励磁同步电机作为直升机的起动和发电装置，针对其中的关键技术进行了分析和优化，并通过试验平台，模拟系统的各种工作状态，对系统功能进行了全面测试。结果表明：系统方案可行，控制逻辑正确，可满足直升机的使用需求。

關键词：交流起动发电一体化； 三级式电励磁同步电机； 试验验证

Research on an AC integrated starter/generator system for helicopter

Lai Yaozu Jiang Yu Guan Yi

（1.China Helicopter Research and Development institute，Jingdezhen，333000，china 2.AVIC SHAANXI AERO ELECTRIC CO.， LTD，xi'an，710000，china 3.AVIC SHAANXI AERO ELECTRIC CO.， LTD，xi'an，710000，china ）

Abstract： The paper provides an AC high power integrated starter/generator （ISG） system for helicopter. The article uses the traditional three-stage synchronous generator as helicopter's stator and generator， analyzes and optimizes the key technical， completes tests on system functions by the experiment to simulate all the working state of the system. The results show that the system runs reliably， the control logic and functions are reasonable， and the design requirements of the helicopter are fulfilled completely.

Key word： AC ISG； three-stage synchronous generator； experimental verification

0 引言

航空用发动机有活塞式和燃气涡轮式两类，都不能自行起动工作，需靠外力使它们达到一定转速后才能工作。将发动机从转速为零加速到能自行工作转速的过程叫做发动机起动。目前直升机发动机起动方式主要分为两种，空气涡轮起动机起动以及电起动方式。一般来说，大功率航空发动机采用空气/燃气涡轮起动机起动，而中小功率的航空发动机均采用电起动方式。目前国内直升机的发动机起动，大部分采用的是低压直流电起动方式。

随着航空电源以及电力电子技术的发展，大功率的航空发动机也开始采用电起动方式，而低压直流电起动方式受直流起动发电机的体积、重量、高空换向等因素制约，已经满足不了日益增加的发动机起动的功率需求。目前在国外大型军机和民用飞机上已开始采用大功率无刷变频交流起动/发电系统，国内的舰载预警机、大型无人机、运输机等军用飞机机种已开始了大功率变频交流起动/发电系统的需求探索。因此针对大功率的直升机的发动机起动的应用，本文提出了一种大功率变频交流起动/发电一体化系统，一种基于航空三级电励磁同步电机的交流起动发电系统，利用传统三级电励磁同步电机作为航空发动机起动和发电装置的交流起动发电一体化研究。

1 一体化系统架构

本文旨在不改变现有直升机交流电源体制的基础上，提出一种以传统航空三级电励磁同步电机作为系统架构的交流起动发电一体化系统。系统包括交流起动发电机、交流起动控制器、交流发电控制器、起动发电转换装置、负载转换装置，系统架构框图如图1所示。

图1 起动发电一体化系统架构框图

如图1所示，图中上半部分为三级式电励磁同步电机的原理框图，电机分为定子与转子两部分结构，按功能又可分为永磁机、励磁机和主发电机；图中下半部分包括发电控制器、起动控制器、起动/发电转换装置。发电控制器（GCU）主要作用为当系统工作在发电状态时，控制发电机并网发电，并对发电机状态、电源品质等指标进行实时监控；起动控制器主要作用为当系统工作在起动状态时，控制起动机的励磁电流与电枢电流，使发动机从转速为零按既定要求加速至发动机的自行工作转速；起动/发电转换装置作用为起动过程结束后，将系统输出由电起动回路切换至发电回路，从而向全机输出交流电源；负载转换回路作用为系统工作在发电状态时，起动控制器可通过该装置提供控制用电。

2 系统运行方式

2.1起动控制系统

交流起动发电系统在执行起动动作时，系统的原理框图如图2所示。此时，起动控制系统主要由交流起动发电机、起动控制器以及起动/发电转换装置组成；系统的能量传输路径为外部交流电能经交流起动发电机转换为机械能，通过传动链施加于发动机的旋转部件。

图2 起动控制系统原理框图

起动控制系统以115V/400Hz的三相交流电作为系统输入，通过起动控制器的电力变换单元分别控制交流起动发电机的励磁机与主发电机电枢电流，使电机工作在电动运行状态。起动控制系统可采用基于电压、转矩双闭环的控制策略，以提高系统效率及输出转矩的平稳性。起动/发电转换装置受起动控制器的指令控制，在起动过程时，起动侧触点吸合，起动结束后触点断开。此时，负载转换装置保持断开状态。

2.2 发电控制系统

交流起动发电系统在执行发电动作时，系统的原理框图如图3所示。系统主要包括交流起动发电机、发电控制器和起动/发电转换装置；系统的能量传输途径为发动机输出机械能，通过传动链输出至交流起动发电机，再转换为电能，提供给直升机的机载用电设备。

图3 发电控制系统原理框图

發动控制系统与传统的飞机交流电源控制系统相同，在起动任务结束后，发电机由发动机带动到要求的发电转速后开始发电过程，向全机电网提供115V/400Hz的三相交流恒频电源。起动/发电转换装置在起动过程结束后，由起动控制器控制，输出回路切换至发电侧。

2.3电动负载控制

交流起动发电系统除正常的起动和发电功能外，还具有电动类负载的控制功能。在执行电动负载控制时，系统的原理框图如图4所示。

为保证交流起动发电系统最大化利用，起动控制器可根据直升机需要，在系统处于发电状态时，作为电动控制器使用，为机上的电动机负载提供控制系统的支持，此时起动控制器作为电动机通用控制器实现功能复用。

图4 起动控制系统原理框图

此时，系统工作在发电状态，交流起动发电机受发电控制控制，起动/发电转换装置保持在发电侧。交流电源从直升机电网传输至起动控制器，经负载转换装置的回路提供给机上的电动类负载。

3交流起动发电一体化系统的关键技术分析

交流起动发电一体化系统的关键技术主要有以下几方面：

3.1交流起动控制方法设计

交流起动发电机结构复杂，主发电机与励磁机之间耦合性强，电磁关系具有较强的非线性，另外电机转子侧的电压、电流大小无法直接获取；同时，系统需要同步控制电机的电枢电流与励磁电流，因此交流起动的控制方法设计成为系统设计的关键。

根据三级式电励磁同步电机的电磁特性，本系统选择采用基于矢量控制的直接转矩角算法，对多目标参数进行解耦运算，对系统进行闭环控制，实现变频交流起动功能。区别于传统矢量控制策略，在该控制策略中，转速闭环直接给出电压矢量模值，而不再控制电流环给定；电流环与转矩角环综合计算给出电压相位，矢量控制精度得到提高，控制误差减小，可提高系统控制效率。通过大量的试验验证，该控制方法与策略能够较好地满足发动机起动的需求。

3.2交/直流混合励磁控制方法研究

起动发电机有静止、低速和高速三种工作模式，在不同工作模式下励磁机工作特性不同，同时电机磁场的饱和程度受励磁电流影响，因此对系统控制性能影响。而采用单一的励磁控制方式不能较好地完成系统控制，所以需对励磁控制方法进行优化设计，主要包括静态时励磁机最优励磁条件的确定以及交流励磁与直流励磁切换时机的研究。

采用交/直流混合励磁控制算法可以有效的实现多励磁模式的优化控制，为不同工作阶段的电机提供充足且高效的励磁功率。通过试验验证，交/直流混合励磁控制可以提供主电机起动过程中对励磁功率的需求；同时，采用SVPWM调制技术能够有效提高系统电能利用率，优化起动控制方法。

3.3交流起动系统输出特性与发动机阻力矩特性匹配

发动机的起动过程与很多因素相关联，其中包括起动发电机的机械特性、起动控制策略、发动机阻力矩、压气机的工作特性、燃烧室的供油规律以及点火时间等。为了使交流起动系统更好的适应发动机阻力矩特性，需要对包括压气机的消耗功率、燃气涡轮的发出功率以及起动发电机的驱动功率进行综合研究，并通过发动机地面台架的起动试验验证，对起动控制策略以及电气参数进行匹配调整，找到合适的起动控制规律，保证交流起动发电机输出特性能够与发动机阻力矩良好匹配。

（1 压气机所需消耗的功率Wc； 2 燃气涡轮所发出的功率WT； 3 起动发电机的驱动功率WSG）

图5 起动阶段的功率示意

3.4励磁机的交流励磁能力提高与优化设计

起动过程中，励磁电流是起动控制系统的关键参数，如何在静止和低速时获得足够的励磁电流，是起动发电系统的关键技术，可以通过在励磁机的设计中优化电枢绕组及励磁绕组参数（匝数、线径），同时综合考虑励磁机在低速起动时交流励磁、直流励磁及高速发电时的参数的匹配设计。通过原理样机的试验验证，励磁机不仅在静态和低速时能够为主发电机起动提供足够的励磁电流，而且在起动过程中转换为直流励磁以及发电，均具有较好的励磁特性。

3.5不平衡度和相移性能设计

由于电机要同时满足发电及起动的性能指标要求，需综合考虑交流起动及发电特性。另外，为了确保在不平衡负载下，电机的电压不对称和不平衡可满足范围要求，需要考虑阻尼绕组的设计，并同步减小电枢绕组和励磁绕组的漏磁以减小负序阻抗和零序阻抗，但这些优化设计对电机效率和转子强度有一定的影响。因此，根据原理样机的试验结果，在工程样机设计时，对起动、发电及效率特性的电磁参数进行迭代优化设计。

4 起动发电系统试验验证

4.1试验验证平台概述

交流起动发电一体化系统的试验验证平台如图6所示，该验证平台整体架构采用一台90kVA三级电励磁式同步电机，一台AVTROL公司的1500马力加载台用于模拟发动机起动及发电过程，一台起动控制器和一台发电控制器，并包括交直流地面电源以及可编程交流电子负载等。工控机作为上位机，实现对系统运行状态的监控以及人机交互功能等。

图6 交流起动发电一体化系统验证平台

在起动试验中，力矩测试系统实时监测起动发电系统在起动过程中的输出的实时力矩，起动控制器按照设定的控制策略，控制起动发电机电机实现起动功能。起动控制器使用地面恒频三相交流电源，输出给起动发电机，电能质量分析仪和功率分析仪实时监测、分析起动控制器的输出电能品质；另外，还可通过波形/函数发生器和双脉冲测试系统、示波器、数字表等测试设备来分析、定位控制器的故障模式，进行起动控制器的故障诊断模拟。

在发电试验过程中，发电控制器用来控制发电机的输出，控制电源为地面28V低压直流电源。发电机输出机载电源给交流电子模拟负载，使用电能质量分析仪和功率分析儀来分析发电机输出电源品质是否满足要求；另外，通过波形/函数发生器和双

图7 交流起动发电一体化系统地面试验

脉冲测试系统、示波器、数字表等测试设备来进行发电控制器的模拟故障诊断。可编程交流电子负载用于模拟机上的负载实现系统的闭环试验，包括功率因素、负载的突加突卸等。

4.2试验验证

交流起动发电一体化系统通过开展工程样机研制、设备综合调试及系统级试验平台联试。其中，起动试验曲线如图8所示：

图8 交流起动发电一体化系统起动试验曲线

在试验过程中，对整个交流起动发电一体化系统的起动性能、发电性能、故障判断、逻辑时序等功能进行了全面的验证。试验结果表明：起动控制系统能够满足发动机起动特性要求，能够稳定的将发动机带入自运转状态；发电控制系统能够满足直升机交流供电系统的各项性能指标要求；起动发电一体化系统在起动控制、发电控制、起动与发电状态切换、系统保护及逻辑时序控制等方面设计合理、关系协调，系统能够满足设计要求。

5总结

随着全电和多电技术的发展与应用，直升机对发动机起动的功率需求也越来越大，以往的低压直流电起动的方式逐渐满足不了新的需求，交流起动发电一体化设计提供了新的电起动的可能。起动系统在完成发动机的起动后，转为发电向全机提供电源，实现起动发电的双功能。通过本项目的研究，可以突破并掌握了大功率变频交流起动/发电一体化系统的关键技术，为大功率变频交流起动/发电一体化系统的工程设计及装机应用奠定坚实的基础

参考文献：

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[7] 沈颂华.航空航天器供电系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

作者简介：

赖耀祖（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：直升机电气系统设计。

姜宇（1978-），男，硕士，高级工程师，研究方向：航空电力电子与电力变换技术。

管毅（1985-），男，本科，工程师，研究方向：航空电力电子与电力变换技术。