交流勵磁發(fā)電機在航空電源上應用可能性分析
姜忠山，莊偉偉，郭雅琴
(海軍航空工程學院，山東煙臺264001)
摘要：介紹了交流勵磁電機的應用范圍，對交流勵磁發(fā)電機在航空電源上的應用進行了初步探討，給出了明確定義及理論基礎。詳細闡述了機載交流勵磁發(fā)電機的工作原理并且給出了原理圖，對頻率控制進行分析，從頻率的可控性方面說明了其可行性。
關鍵詞：交流勵磁發(fā)電機；頻率；可行性；航空電源
中圖分類號：TM331 文獻標識碼：A 文章編號：l004—7018(2008)08-0012—02
O引言
航空電源系統(tǒng)作為機上重要的二次動力源，在機載機電系統(tǒng)中乃至整個飛機先進技術發(fā)展中顯示了越來越重要的地位和作用。隨著新的機載武器及先進機載設備的發(fā)展，飛機的用電量將大幅度提高，多電飛機、全電飛機將成為航空發(fā)展的必然趨勢，未來發(fā)展趨勢是飛機只采用電能作為二次動力源。因此對機載電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量、容量、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及能力指標提出了更高的要求。而使用傳統(tǒng)的供電體制已不能滿足其在功率密度、容量及可靠性等各方面的要求。
異步化同步電機自1935年由德國科學家提出以后，一直被國內(nèi)外學者所關注。由于當時受變頻技術及數(shù)字控制技術的限制，其優(yōu)良性能無法得以充分發(fā)揮。隨著大功率電子器件與微電子技術的發(fā)展，轉(zhuǎn)子采用三相交流勵磁方式越來越受到重視。日本從上世紀80年代年代開始，研究三相交流勵磁發(fā)電技術，并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站取得了成功的應用。運行表明，通過水輪機變速運行可以提高水輪機的運行效率，增加水泵運行工況下的自動調(diào)頻能力，并可以通過有功、無功的快速調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1交流勵磁電機的應用
目前，交流勵磁發(fā)電機在風力發(fā)電及水輪發(fā)電上的應用得到了國內(nèi)外學者的關注，但其在航空電源上的應用仍乏人問津。
交流電機有三個可調(diào)量，一是可調(diào)節(jié)勵磁電流幅值；二是可改變勵磁頻率；三是可改變相位。這說明交流勵磁電機比同步電機多了兩個可調(diào)量。通過改變勵磁頻率，可改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的。這樣，在負荷體突變時，可通過快速控制勵磁頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放或吸收負荷，對電網(wǎng)擾動遠比常規(guī)電機小。改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的相位，即由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置上有一個位移，這就改變了發(fā)電機電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以交流勵磁電機不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。通過勵磁調(diào)節(jié)交流勵磁電機不僅保持了同步電機的可以調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)點，還能調(diào)速、調(diào)有功功率，因此可應用領域廣泛。如：1)交流勵磁變速發(fā)電機；2)交流勵磁調(diào)速電動機；3)交流勵磁發(fā)電機；4)交流勵磁高速發(fā)電機。
鑒于交流勵磁發(fā)電機的特點，本文采用交流勵磁高速發(fā)電機原理對其在航空電源上的應用進行了初步嘗試。
2交流勵磁發(fā)電機在飛機上應用的可行性及其理論基礎
2．1理論依據(jù)
從理論上講，當通過轉(zhuǎn)子的交流電相序與定子相序相反就能得到高于同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子。一臺二極機在50 Hz頻率下其轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，如在轉(zhuǎn)子中通入方向相反的50 Hz勵磁電流，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將為6 0—0—0 r／mIn。這樣一個轉(zhuǎn)速對機載電源系統(tǒng)來說很合適，因為機載電源系統(tǒng)工作時，其發(fā)動機拖動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常在4 000 r／min以上，甚至更高。
目前，飛機上普遍采用的是三相無刷交流同步發(fā)電機，它只有與功率變換器、控制器等配套運行，才能向飛機電網(wǎng)提供。400 Hz的恒頻交流電。而交流勵磁高速發(fā)電機不受高轉(zhuǎn)速的限制，可將其應用到航空電源上，使發(fā)電系統(tǒng)在去掉功率變換器以后仍能發(fā)出頻率恒定的交流電。
2.2交流勵磁發(fā)電機的原理與結構
2.2.l結構圖
交流勵磁電機也稱為交流勵磁同步機，或同步感應電機，也有的稱為異步化電機，或稱為雙饋電機，因為定、轉(zhuǎn)子都饋電。實際上，它是具有同步電機特性的交流勵磁異步電機，是一種從舊電機中發(fā)展出來的新型電機，其性能比同步機還優(yōu)越。下面給出機載交流勵磁發(fā)電機原型電機的結構圖，如圖1所示，它是由串級異步電動機組發(fā)展而來。所謂兩臺電機級聯(lián)，就是將兩臺繞線式電機的同軸相連，轉(zhuǎn)子繞組相互連接。這種串級異步電機系統(tǒng)從第一臺電機(圖上的pp對極電機)的定子方輸入電功率，通過轉(zhuǎn)子傳遞給第二臺電機(圖E的pc，對極電機)的原邊，第二臺電機的副邊繞組(即其定子繞組)通過外界電阻短接。這樣就可以省去滑環(huán)，該系統(tǒng)通過改變外界電阻大小就可以改變電機的轉(zhuǎn)速。
為了在飛機上使用，用永磁機代替原型電機中的工頻電源，用飛機電網(wǎng)代替外界電阻，通過在電壓輸出端及勵磁機(即第一臺電機)間外接控制器來調(diào)節(jié)永磁機輸出電能以得到所需電能。交流勵磁發(fā)電機線路圖如圖2所示。
2 2．2交流勵磁發(fā)電機發(fā)電原理
交流勵磁發(fā)電機可看作是一臺永磁同步發(fā)電機與兩臺極對數(shù)分別為p。、p。的繞線式電機系統(tǒng)，即兩臺電機轉(zhuǎn)子機械上同軸，兩套轉(zhuǎn)子繞組反相序聯(lián)接，
一套為勵磁機定子繞組(控制繞組，Pc對極)直接接永磁機，另一套為主發(fā)電機定子繞組(功率繞組，Pp對極)接飛機電網(wǎng)。永磁機向控制繞組提供勵磁電流，其電流頻率通過外接控制器根據(jù)控制繞組需要行控制。下面對交流勵磁發(fā)電機變速恒頻發(fā)電的工作原理進行分析。
當控制繞組通入頻率為fc的勵磁電流后，在該繞組產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為：
則控制繞組在轉(zhuǎn)子側感應出頻率為fcr的三相電流，fcr的表達式為：
由于電機共用同一轉(zhuǎn)軸，因此，fcr=±fpr，則功率繞組產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，其相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：
該旋轉(zhuǎn)磁場相對于功率繞組的轉(zhuǎn)速為：
根據(jù)式(1)、式(3)、式(4)，可得出功率繞組的電頻率為：
由此可知，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr變化時，只要適當調(diào)節(jié)控制繞組的輸入電流頻率fc，即可使功率繞組輸出電頻率fp維持不變，從而實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。文中正負號根據(jù)各繞組相序進行相應選擇，將在下文頻率控制中具體給出。實際上，可以證明fc=fp。
2.3頻率控制分析
任何電機在穩(wěn)定運行時，定子旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢是相對靜止、同步旋轉(zhuǎn)的。對交流勵磁電機就有：
式中：f1為定子繞組電流頻率，即勵磁電流頻率；f2為轉(zhuǎn)子繞組電流頻率，即感應頻率；nr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，p為極對數(shù)。當定、轉(zhuǎn)子相序相反時取“-”，反之取“+”。
對于控制繞組來說,fc為勵磁電流頻率，fcr為感應電流頻率，則有：
定、轉(zhuǎn)子相序相同取“+”，即有：
為了保證定、轉(zhuǎn)子相序相同，則使同軸轉(zhuǎn)子反序相接。對于功率繞組來說，為勵磁電流頻率Z為感應電流頻率，此時，勵磁電流在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢方向與轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速方向相反，則有：
定、轉(zhuǎn)子相序相同，但取“-”，即有：
則根據(jù)式(7)、式(8)可得fc=fp。
3結語
本文推導出功率繞組的頻率公式，證明了交流勵磁發(fā)電機實現(xiàn)變速恒頻的可能性，為其在飛機上的應用研究提供了理論基礎。
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