交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在航空電源上應(yīng)用可能性分析
姜忠山，莊偉偉，郭雅琴
(海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001)
摘要：介紹了交流勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在航空電源上的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討，給出了明確定義及理論基礎(chǔ)。詳細(xì)闡述了機(jī)載交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的工作原理并且給出了原理圖，對(duì)頻率控制進(jìn)行分析，從頻率的可控性方面說明了其可行性。
關(guān)鍵詞：交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；頻率；可行性；航空電源
中圖分類號(hào)：TM331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：l004—7018(2008)08-0012—02
O引言
航空電源系統(tǒng)作為機(jī)上重要的二次動(dòng)力源，在機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)中乃至整個(gè)飛機(jī)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展中顯示了越來越重要的地位和作用。隨著新的機(jī)載武器及先進(jìn)機(jī)載設(shè)備的發(fā)展，飛機(jī)的用電量將大幅度提高，多電飛機(jī)、全電飛機(jī)將成為航空發(fā)展的必然趨勢(shì)，未來發(fā)展趨勢(shì)是飛機(jī)只采用電能作為二次動(dòng)力源。因此對(duì)機(jī)載電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量、容量、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及能力指標(biāo)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(jī)自1935年由德國(guó)科學(xué)家提出以后，一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。由于當(dāng)時(shí)受變頻技術(shù)及數(shù)字控制技術(shù)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(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)子采用三相交流勵(lì)磁方式越來越受到重視。日本從上世紀(jì)80年代年代開始，研究三相交流勵(lì)磁發(fā)電技術(shù)，并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站取得了成功的應(yīng)用。運(yùn)行表明，通過水輪機(jī)變速運(yùn)行可以提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，增加水泵運(yùn)行工況下的自動(dòng)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(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用
目前，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電及水輪發(fā)電上的應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，但其在航空電源上的應(yīng)用仍乏人問津。
交流電機(jī)有三個(gè)可調(diào)量，一是可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值；二是可改變勵(lì)磁頻率；三是可改變相位。這說明交流勵(lì)磁電機(jī)比同步電機(jī)多了兩個(gè)可調(diào)量。通過改變勵(lì)磁頻率，可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。這樣，在負(fù)荷體突變時(shí)，可通過快速控制勵(lì)磁頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，釋放或吸收負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的相位，即由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在氣隙空間的位置上有一個(gè)位移，這就改變了發(fā)電機(jī)電勢(shì)與電網(wǎng)電壓向量的相對(duì)位置，也就改變了電機(jī)的功率角。所以交流勵(lì)磁電機(jī)不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁電機(jī)不僅保持了同步電機(jī)的可以調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)點(diǎn)，還能調(diào)速、調(diào)有功功率，因此可應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。如：1)交流勵(lì)磁變速發(fā)電機(jī)；2)交流勵(lì)磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)；3)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；4)交流勵(lì)磁高速發(fā)電機(jī)。
鑒于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，本文采用交流勵(lì)磁高速發(fā)電機(jī)原理對(duì)其在航空電源上的應(yīng)用進(jìn)行了初步嘗試。
2交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在飛機(jī)上應(yīng)用的可行性及其理論基礎(chǔ)
2．1理論依據(jù)
從理論上講，當(dāng)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(tái)二極機(jī)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(lì)磁電流，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將為6 0—0—0 r／mIn。這樣一個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)載電源系統(tǒng)來說很合適，因?yàn)闄C(jī)載電源系統(tǒng)工作時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常在4 000 r／min以上，甚至更高。
目前，飛機(jī)上普遍采用的是三相無刷交流同步發(fā)電機(jī)，它只有與功率變換器、控制器等配套運(yùn)行，才能向飛機(jī)電網(wǎng)提供。400 Hz的恒頻交流電。而交流勵(lì)磁高速發(fā)電機(jī)不受高轉(zhuǎn)速的限制，可將其應(yīng)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(lì)磁發(fā)電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)
2.2.l結(jié)構(gòu)圖
交流勵(lì)磁電機(jī)也稱為交流勵(lì)磁同步機(jī)，或同步感應(yīng)電機(jī)，也有的稱為異步化電機(jī)，或稱為雙饋電機(jī)，因?yàn)槎�、轉(zhuǎn)子都饋電。實(shí)際上，它是具有同步電機(jī)特性的交流勵(lì)磁異步電機(jī)，是一種從舊電機(jī)中發(fā)展出來的新型電機(jī)，其性能比同步機(jī)還優(yōu)越。下面給出機(jī)載交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)原型電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，它是由串級(jí)異步電動(dòng)機(jī)組發(fā)展而來。所謂兩臺(tái)電機(jī)級(jí)聯(lián)，就是將兩臺(tái)繞線式電機(jī)的同軸相連，轉(zhuǎn)子繞組相互連接。這種串級(jí)異步電機(jī)系統(tǒng)從第一臺(tái)電機(jī)(圖上的p p對(duì)極電機(jī))的定子方輸入電功率，通過轉(zhuǎn)子傳遞給第二臺(tái)電機(jī)(圖E的p c，對(duì)極電機(jī))的原邊， |
