飞机无刷直流起动/发电系统的研究

论文摘要

本文对国内外航空起动/发电系统的历史、技术发展和研究现状进行了概括总结。在此基础上,选择12/8极电励磁双凸极电机作为起动/发电机,对航空起动/发电系统的起动控制和发电运行进行了研究,成功研制了18kW无刷直流起动/发电系统。同时,本文还对并列结构混合励磁双凸极发电机也进行了研究。文章研究了电励磁双凸极发电机的三种发电方式,建立了电励磁双凸极发电机的数学模型。利用实验和有限元仿真计算相结合的方法研究了发电机在不同发电方式下的基本特性。对不同发电方式下的电枢反应,换相重叠和外特性也进行了研究,给出了换相电感的组成和计算方法,推导了换相时间和换相重叠角的解析公式。随后,针对高、低压直流双输出发电系统进行了双输出发电调压的设计和研究,成功研制了18kW高、低压直流双输出发电系统。为了在保留电励磁双凸极发电机磁场调节方便的同时提高发电机的效率,文章又对并列结构的混合励磁双凸极发电机进行了研究。文中建立了相应的数学模型,运用实验和有限元仿真相结合的方式研究了混合励磁发电机的空载特性、外特性、调节特性和短路特性。分析了不同发电方式下发电机电枢反应与换相重叠的影响,揭示了并列结构混合励磁发电机具有三种工作模态,并求解了不同发电方式下三种工作模态的边界条件。给出了基于励磁电流双向对称的混合励磁发电机的设计原则,使电机励磁绕组用料最省,励磁时间常数和励磁功率最小。成功研制了一种能实现励磁电流双向控制的电压调节器,动态性能优越,响应快。文中还在分析涡轮喷气发动机起动要求的基础上,着重解决了电励磁双凸极电机起动发动机时的若干重要问题:通过采用双定子结构的双凸极电机,显著减小了电机电动时的转矩脉动和发电时的输出电压纹波;从理论和实验上解释了提前角度控制能提高电机输出转矩的内在机理,在此基础上提出了软件换相控制加硬件角度细分的提前角度控制实现方法,通过标准角度和提前角控制策略下机械特性的优化合成,确定了转速与提前角度值的关系表,建立了基于转速与时间的双重起动控制策略,保证了电机在低速和中、高速时的输出转矩和功率,很好地完成了发动机的冷开车和热开车试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 飞机电源系统的发展历史
• 1.1.1 低压直流电源系统
• 1.1.2 交流电源系统
• 1.1.3 现代技术下的交流变频与高压直流电源系统
• 1.2 飞机起动/发电系统的发展趋势
• 1.3 “多电飞机”中的关键技术
• 1.3.1 大功率发电机的制造技术
• 1.3.2 绝缘材料与有源器件的发展
• 1.3.3 功率器件IGBT、MCT 的发展
• 1.4 飞机起动/发电系统的研究现状
• 1.4.1 三级式无刷直流起动/发电系统
• 1.4.2 异步电机起动/发电系统
• 1.4.3 开关磁阻电机起动发电系统
• 1.4.4 双凸极电机起动/发电系统
• 1.5 本文选题背景与研究内容
• 第二章 无刷直流起动发电系统的发电运行
• 2.1 电励磁双凸极发电机的三种发电方式
• 2.2 SRG 发电方式
• 2.2.1 SRG 发电方式下的空载运行
• 2.2.2 SRG 和DSG1 发电方式下的短路运行
• 2.2.3 SRG 发电方式下的负载分析
• 2.3 DSG2 发电方式
• 2.3.1 DSG2 发电方式下的空载运行
• 2.3.2 DSG2 发电方式下的短路运行
• 2.3.3 DSG2 发电方式下的负载分析
• 2.3.4 容性和阻性负载下DSG2 发电方式分析
• 2.3.5 DSG2 发电方式下的外特性和调节特性
• 2.4 高、低压双输出直流发电电压调节器的设计
• 2.4.1 低压绕组输出电压调节
• 2.4.2 高压绕组输出电压调节
• 2.5 本章小结
• 第三章 混合励磁双凸极发电机的发电运行
• 3.1 DSHEG 的空载运行
• 3.1.1 DSHEG 结构
• 3.1.2 DSHEG 的数学模型
• 3.1.3 DSHEG 的空载特性
• 3.2 DSHEG 的三种发电方式
• 3.2.1 三种发电方式的定义和电路图
• 3.2.2 电枢反应分析
• 3.2.3 不同发电方式下的换相重叠
• 3.3 DSHEG 的三种工作模态
• 3.3.1 三种工作模态及其边界
• 3.3.2 工作模态与发电机外特性关系
• 3.3.3 DSHEG 的调节特性和输出功率
• 3.3.4 DSHEG 的短路特性
• 3.4 不同性质负载对DSHEG 的影响
• 3.5 混合励磁发电机PM、EM 部分长度比例设计
• 3.5.1 固定转速的DSHEG 设计
• 3.5.2 固定转速范围的DSHEG 设计
• 3.5.3 小结
• 3.6 基于励磁电流双向调节的电压调节器设计
• 3.6.1 电压调节器的构成与工作原理
• 3.6.2 驱动信号的构建
• 3.6.3 调压控制策略
• 3.6.4 试验结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 无刷直流起动发电系统的起动运行
• 4.1 航空涡轮喷气发动机的起动过程与对起动机的要求
• 4.2 无刷直流起动/发电系统构成
• 4.2.1 起动/发电机
• 4.2.2 起动/发电双向功率变换器
• 4.2.3 数字控制器
• 4.3 航空发动机的电起动控制
• 4.3.1 电励磁双凸极电机的数学模型
• 4.3.2 起动状态下励磁电流的确定
• 4.3.3 起动电流的限制
• 4.3.4 电励磁双凸极电机的电动控制策略
• 4.3.5 起动转矩脉动的改善
• 4.4 航空发动机起动控制系统的工程实现
• 4.4.1 功率变换器设计
• 4.4.2 航空涡轮喷气发动机起动控制软件流程
• 4.4.3 起动系统保护
• 4.4.4 航空涡轮喷气发动机的冷开车试验
• 4.4.5 航空涡轮喷气发动机的热开车试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 本文的主要工作和创新点
• 5.2 对后续研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录一 18kW 起动发电机机械尺寸表
• 附录二 并列式混合励磁双凸极电机机械尺寸表
• 附录三 博士期间完成的科研项目成果样机展示