多级式航空无刷同步起动/发电系统起动机理及起动转矩平滑控制研究

Multi-stage aviation brushless synchronous generators, wich widely used in airplanes of our country, have no function of starting aircraft engines. So developing start ability of these generators is absorbing great concern. When the exciter stator is fed with single phase AC voltage, the excitation current of the main generator contains pulsating components, and the electromagnetic and mechanical coupling between the main generator and exciter is serious. The adoption of traditional control method based on single motor model for starting control will lead to the motor torque with larger ripple, and make the start of the aircraft engine difficult. This research intends to explore the mechanism of the system coupling relationship based on the combine of multi-stage structure and electromechanical coupling of the generator, and analyze the influence of the main generator excitation current pulse component to the air-gap flux and torque ripple, then obtain the relationship of the unstable current excitation and torque ripple in the starting dynamic process; research multi-input multi-output nonlinear state space variables considering the integration of exciter, rotating rectifier and main generator, and build a integration model of the brushless synchronous starter/generator in start-up period, then design an adaptive air-gap flux and torque observers based on the unified model to realize direct instantaneous torque control of the system. The integration model and control method proposed in the research provide a theoretical reference and application basis for understanding the intrinsic electromechanical coupling relationship of the multi-stage brushless synchronous starter/generator system and achieving the smooth start control of the system.

我国飞机广泛应用的多级式航空无刷同步发电机均无起动航空发动机的功能，开展该类发电机的电动起动特性研究日益受到关注。在励磁机单相交流励磁模式下，主发电机励磁电流脉动、与励磁机电磁和机械耦合严重，基于单一电动机模型的传统起动控制方法会导致电机转矩脉动大，发动机起动困难。本项目拟在综合发电机多级结构机电耦合的基础上，探讨系统耦合关系机理，研究主发电机励磁电流脉动分量对气隙磁链、转矩脉动的影响，获取起动动态过程中非恒定电流励磁与主发电机转矩脉动之间的关系特性；研究集励磁机、旋转整流器和主发电机为一体的多输入多输出非线性状态空间变量，建立无刷同步起动/发电系统起动过程一体化模型，并据此构建自适应反演气隙磁链和转矩观测器，开展非恒定磁场下起动/发电系统直接瞬时转矩控制研究。所提出的一体化模型和控制方法对理解多级式无刷同步起动/发电系统内在机电耦合关系提供理论参考，为实现系统平滑起动控制提供应用依据。

目前我国飞机广泛应用的多级式航空无刷同步发电机均无起动航空发动机的功能。随着我国大飞机的发展，研究具有起动功能的起动发电一体化系统具有重要意义。本项目以多级式航空无刷同步起动/发电系统励磁机和主发电机耦合机理为基础，开展起动/发电系统一体化建模及起动机理研究，实现起动/发电系统起动转矩平滑控制。主要研究内容及取得的研究结果有：. (1)提出了一种多级式无刷同步起动/发电系统主发电机电压转矩闭环起动控制方法，解决了主发电机在弱励磁下无法带大负载起动以及励磁电流变化和脉动影响主发电机输出转矩平稳性的问题。. (2)提出了一种励磁机动态励磁控制方法，解决了起动过程中励磁机交直流励磁切换时电流不平稳的问题，并结合电压转矩闭环起动控制方法实现了多级式无刷同步起动/发电系统带航空发动机模拟负载的顺利起动。. (3)提出了一种用于多级式无刷同步起动/发电系统的新型两相励磁机结构及控制方法，解决了主发电机励磁电流在静止和低速时较弱、在起动过程中随转速变化的问题。此两相励磁机及其控制方法具有自主产权，对我国民机起动/发电一体化系统具有重要意义。. (4)提出了一种三相交流励磁系统稳态数学模型的建模方法，在此模型基础上分析了旋转整流器二极管故障状态时的系统模型，并基于此实现了旋转整流器二极管的故障检测；提出了一种多级式无刷同步起动/发电机一体化建模方法，建立了以励磁机励磁电流、主发电机励磁电流和电枢电流为状态量的起动/发电机五阶状态方程一体化模型，为起动/发电系统的深入分析以及最优控制研究提供了基础。. (5)提出了一种基于电压矢量脉冲注入法的主发电机转子初始位置检测方法，解决了主发电机励磁电流脉动导致的转子初始位置检测误差大的问题，为起动/发电系统顺利带载起动提供了保障。. 结合该项目的研究，在国内外学术期刊、国际会议上发表论文21篇，被SCI收录4篇、EI收录11篇；申请国家发明专利19项，8项授权，11项公开；获国防科学技术进步一等奖1项。