交流勵磁發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   

    航空電源系統作為機上重要的二次動力源，在機載機電系統中乃至整個飛機先進技術發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展的必然趨勢，未來發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的供電質量、容量、穩定性、經濟性及能力指標提出了更高的要求。而使用傳統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，一直被國內外學者所關注。由于當時受變頻技術及數字控制技術的限制，其優良性能無法得以充分發揮。隨著大功率電子器件與微電子技術的發展，轉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頻能力，并可以通過有功、無功的快速調節，提高系統的穩定性。

1交流勵磁電機的應用

目前，交流勵磁發電機在風力發電及水輪發電上的應用得到了國內外學者的關注，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量，一是可調節勵磁電流幅值；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量。通過改變勵磁頻率，可改變電機的轉速，達到調速的目的。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速，充分利用轉子的動能，釋放或吸收負荷，對電網擾動遠比常規電機小。改變轉子勵磁電流的相位，即由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位置上有一個位移，這就改變了發電機電勢與電網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節無功功率，也可調節有功功率。通過勵磁調節交流勵磁電機不僅保持了同步電機的可以調節無功功率的優點，還能調速、調有功功率，因此可應用領域廣泛。如：1)交流勵磁變速發電機；2)交流勵磁調速電動機；3)交流勵磁發電機；4)交流勵磁高速發電機。

    鑒于交流勵磁發電機的特點，本文采用交流勵磁高速發電機原理對其在航空電源上的應用進行了初步嘗試。

2交流勵磁發電機在飛機上應用的可行性及其理論基礎

2．1理論依據

    從理論上講，當通過轉子的交流電相序與定子相序相反就能得到高于同步轉速的轉子。一臺二極機在50 Hz頻率下其轉速為3 000 r／min，如在轉子中通入方向相反的50 Hz勵磁電流，則轉子轉速將為6 0—0—0 r／mIn。這樣一個轉速對機載電源系統來說很合適，因為機載電源系統工作時，其發動機拖動轉子的轉速通常在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，才能向飛機電網提供。400 Hz的恒頻交流電。而交流勵磁高速發電機不受高轉速的限制，可將其應用到航空電源上，使發電系統在去掉功率變換器以后仍能發出頻率恒定的交流電。

2.2交流勵磁發電機的原理與結構

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展出來的新型電機，其性能比同步機還優越。下面給出機載交流勵磁發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展而來。所謂兩臺電機級聯，就是將兩臺繞線式電機的同軸相連，轉子繞組相互連接。這種串級異步電機系統從第一臺電機(圖上的p_p對極電機)的定子方輸入電功率，通過轉子傳遞給第二臺電機(圖E的p_c，對極電機)的原邊，