交流励磁发电机在航空电源上应用可能性分析

  姜忠山，庄伟伟，郭雅琴

(海军航空工程学院，山东烟台264001)

    摘要：介绍了交流励磁电机的应用范围，对交流励磁发电机在航空电源上的应用进行了初步探讨，给出了明确定义及理论基础。详细阐述了机载交流励磁发电机的工作原理并且给出了原理图，对频率控制进行分析，从频率的可控性方面说明了其可行性。

    关键词：交流励磁发电机；频率；可行性；航空电源

    中图分类号：TM331  文献标识码：A  文章编号：l004—7018(2008)08-0012—02

O引言   

    航空电源系统作为机上重要的二次动力源，在机载机电系统中乃至整个飞机先进技术发展中显示了越来越重要的地位和作用。随着新的机载武器及先进机载设备的发展，飞机的用电量将大幅度提高，多电飞机、全电飞机将成为航空发展的必然趋势，未来发展趋势是飞机只采用电能作为二次动力源。因此对机载电源系统的供电质量、容量、稳定性、经济性及能力指标提出了更高的要求。而使用传统的供电体制已不能满足其在功率密度、容量及可靠性等各方面的要求。

    异步化同步电机自1935年由德国科学家提出以后，一直被国内外学者所关注。由于当时受变频技术及数字控制技术的限制，其优良性能无法得以充分发挥。随着大功率电子器件与微电子技术的发展，转子采用三相交流励磁方式越来越受到重视。日本从上世纪80年代年代开始，研究三相交流励磁发电技术，并在飞轮蓄能与抽水蓄能电站取得了成功的应用。运行表明，通过水轮机变速运行可以提高水轮机的运行效率，增加水泵运行工况下的自动调频能力，并可以通过有功、无功的快速调节，提高系统的稳定性。

1交流励磁电机的应用

目前，交流励磁发电机在风力发电及水轮发电上的应用得到了国内外学者的关注，但其在航空电源上的应用仍乏人问津。

    交流电机有三个可调量，一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷体突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁电流的相位，即由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以交流励磁电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。通过励磁调节交流励磁电机不仅保持了同步电机的可以调节无功功率的优点，还能调速、调有功功率，因此可应用领域广泛。如：1)交流励磁变速发电机；2)交流励磁调速电动机；3)交流励磁发电机；4)交流励磁高速发电机。

    鉴于交流励磁发电机的特点，本文采用交流励磁高速发电机原理对其在航空电源上的应用进行了初步尝试。

2交流励磁发电机在飞机上应用的可行性及其理论基础

2．1理论依据

    从理论上讲，当通过转子的交流电相序与定子相序相反就能得到高于同步转速的转子。一台二极机在50 Hz频率下其转速为3 000 r／min，如在转子中通入方向相反的50 Hz励磁电流，则转子转速将为6 0—0—0 r／mIn。这样一个转速对机载电源系统来说很合适，因为机载电源系统工作时，其发动机拖动转子的转速通常在4 000 r／min以上，甚至更高。

    目前，飞机上普遍采用的是三相无刷交流同步发电机，它只有与功率变换器、控制器等配套运行，才能向飞机电网提供。400 Hz的恒频交流电。而交流励磁高速发电机不受高转速的限制，可将其应用到航空电源上，使发电系统在去掉功率变换器以后仍能发出频率恒定的交流电。

2.2交流励磁发电机的原理与结构

2.2.l结构图

    交流励磁电机也称为交流励磁同步机，或同步感应电机，也有的称为异步化电机，或称为双馈电机，因为定、转子都馈电。实际上，它是具有同步电机特性的交流励磁异步电机，是一种从旧电机中发展出来的新型电机，其性能比同步机还优越。下面给出机载交流励磁发电机原型电机的结构图，如图1所示，它是由串级异步电动机组发展而来。所谓两台电机级联，就是将两台绕线式电机的同轴相连，转子绕组相互连接。这种串级异步电机系统从第一台电机(图上的p_p对极电机)的定子方输入电功率，通过转子传递给第二台电机(图E的p_c，对极电机)的原边，