航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲及其容錯控制策略

本發明屬于電機系統領域，涉及一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲及其容錯控制策略。

背景技術：

1、飛機多電/全電化是支撐綠色航空發展、提高飛機性能的重要途經，多電飛機已成為21世紀飛機發展的重要方向。傳統飛機發動機起動時需要專門的渦輪起動機進行起動，在完成起動后，空氣渦輪起動機不再工作，成為飛機上的“死重”。基于電機的可逆原理，起動發電一體化技術將航空發動機電源系統中的發電機作為電動機使用來驅動航空發動機起動，從而去除了空氣渦輪起動機和相關裝置，簡化了發動機電源系統的結構，在體積和重量減少的同時，系統的集成度和可維護性也進一步提高，是航空電源系統的重要發展趨勢。

2、現有用于航空高壓直流電源系統的三級式起動發電系統包括副勵磁機、勵磁機、旋轉整流器、主電機、起動控制器、發電控制單元和發電整流電路以及起動發電狀態切換器。其中，副勵磁機、勵磁機和主電機同軸連接，構成三級式電機結構。勵磁機通過安裝在轉子側的旋轉整流器為主電機提供直流勵磁電流，實現主電機(電勵磁同步電機)的無刷化以及勵磁電流可調。在系統起動階段，由起動控制器向勵磁機提供交流勵磁，并控制主電機運行在電動狀態輸出轉矩帶動航空發動機起動。發動機達到發電轉速后，由副勵磁機通過發電控制單元向勵磁機提供直流勵磁，主電機運行在發電狀態，經三相不控整流電路輸出直流電給機載負載，并通過勵磁機的閉環勵磁調節實現主電機穩壓輸出。當電機或負載發生短路故障時，可通過切斷勵磁機勵磁實現主電機直接滅磁，防止故障蔓延，可靠性高。

3、三級式起動發電系統結構特點帶來的高可靠性優勢使其具有航空應用的巨大潛力，但也存在以下問題：

4、1)三級式系統結構復雜，集成度較低。起動控制器僅用于系統起動階段，副勵磁機僅在發電階段為勵磁機提供勵磁，不參與系統起動；發電控制器(含發電控制單元和發電整流電路)僅用于系統發電階段。

5、2)容錯運行性能欠佳。三級式起動發電系統發電階段發生短路故障后，直接切除勵磁系統實現完全滅磁，使得系統在故障發生后無容錯運行能力；另外，當勵磁機定子勵磁繞組、主電機轉子勵磁繞組等發生開路故障時，主電機勵磁繞組上不再有勵磁電流，系統也無法容錯發電運行。

6、隨著機載用電設備容量的不斷提升和類型的不斷增加，多電/全電飛機對航空起動發電系統提出了更高可靠性、更高集成度的需求。航空起動發電系統發電容錯運行能力是保證系統故障后能夠繼續為通訊、導航、著陸等涉及安全返航的機載設備供電的關鍵，是進一步提升飛機電源系統可靠性的重要途經。因此，有必要通過系統結構優化提升進一步提升起動發電系統集成度，并通過容錯控制進一步提升起動發電系統的可靠性。

7、現有航空三級式起動發電系統由三個電機以及多個功率變換器組成，其結構復雜、集成度低。此外當主電機或勵磁系統發生短路故障時，需要直接切除勵磁機的勵磁，系統將不再工作，故障容錯能力弱。

技術實現思路

1、要解決的技術問題

2、為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲及其容錯控制策略。針對航空三級式起動發電系統面臨的集成度低以及容錯能力弱的問題，本發明提出兩級式混合勵磁起動發電系統新型拓撲，并基于此新型拓撲設計系統不同故障后的容錯控制策略，提升航空起動發電系統的集成度和容錯能力。

3、技術方案

4、一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于包括兩級式混合勵磁起動發電機、起動/發電控制器和切換開關；所述兩級式混合勵磁起動發電機包括勵磁機、旋轉整流器和主電機；旋轉整流器輸入輸出側分別與勵磁機轉子電樞繞組以及主電機轉子勵磁繞組連接；起動/發電控制器包括共直流母線的勵磁機控制功率回路和主電機控制功率回路，勵磁機控制功率回路輸出側接勵磁機定子勵磁繞組，主電機功率控制回路輸出側接主電機雙三相繞組；切換開關輸入側接起動/發電控制器直流母線，輸出側由g1和g2兩個觸點組成，g1觸點接機載電力系統匯流條，g2觸點接外部供電電源；系統起動階段開關接通g2觸點，系統發電階段開關接通g1觸點。

5、所述主電機為混合勵磁雙三相同步電機。

6、所述主電機轉子側為電勵磁和永磁體混合勵磁方式。

7、所述混合勵磁方式包括串聯混合勵磁、并聯混合勵磁或串并聯混合勵磁。

8、所述切換開關類型采用繼電器、接觸器或電力電子開關器件。

9、所述的勵磁機的類型包括：兩相勵磁機或三相勵磁機。

10、一種所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲的容錯控制策略，其特征在于：

11、當故障為第一種主電機勵磁繞組開路或短路、或第二種勵磁機電樞繞組短路或多相開路、或第三種勵磁機勵磁繞組均開路或短路、或第四種旋轉整流器短路故障時：容錯控制策略為切除勵磁機勵磁電壓，主電機等效為永磁電機，按照永磁電機的發電控制方法進行系統容錯運行；

12、當故障為第五種旋轉整流器開路故障、或第六種勵磁機電樞組一相開路故障時：容錯控制策略為勵磁機正常勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行；

13、當故障為勵磁機勵磁繞組一相開路或短路故障時：容錯控制策略為切除勵磁機故障相勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行。

14、所述主電機在單純永磁勵磁情況下發生短路故障時其電樞繞組短路電流不超過系統發電運行時的額定電流。

15、一種可讀存儲介質，其特征在于，所述可讀存儲介質上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現如所述容錯控制策略的數據遷移方法的步驟。

16、一種計算機程序產品，其特征在于包括計算機可執行指令，所述指令在被執行時用于實現所述的容錯控制策略方法的的步驟。

17、有益效果

18、本發明提出的一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲及其容錯控制策略，系統由勵磁機、旋轉整流器、主電機、起動發電控制器和切換開關組成，其中主電機為混合勵磁雙三相同步電機。針對該系統的容錯控制策略為：主電機電樞繞組開路或短路后，勵磁機正常運行，主電機采用已有雙三相容錯控制方法容錯運行；主電機勵磁繞組開路或短路、勵磁機電樞繞組開路或短路、勵磁機勵磁繞組均開路或短路、旋轉整流器短路故障后，切除勵磁機勵磁電壓，主電機等效為永磁電機進行系統容錯運行；旋轉整流器開路故障、勵磁機電樞組一相開路故障后，勵磁機正常勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行；勵磁機勵磁繞組一相開路或短路故障后，切除勵磁機故障相勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行。

19、本發明所提出的航空兩級式混合勵磁起起動發電系統去掉了原三級式起動發電系統中的副勵磁機、發電機控制單元，將起動控制器與發電整流電路集成為起動/發電控制器，帶來的優勢體現在：(1)減小了起動發電系統體積重量，提升了系統集成度；(2)當主電機電樞繞組、主電機勵磁繞組、旋轉整流器、勵磁機勵磁繞組、勵磁機電樞繞組發生故障后，系統仍可繼續容錯運行，提升了航空起動發電系統的容錯能力及可靠性。

技術特征：

1.一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于包括兩級式混合勵磁起動發電機、起動/發電控制器和切換開關；所述兩級式混合勵磁起動發電機包括勵磁機、旋轉整流器和主電機；旋轉整流器輸入輸出側分別與勵磁機轉子電樞繞組以及主電機轉子勵磁繞組連接；起動/發電控制器包括共直流母線的勵磁機控制功率回路和主電機控制功率回路，勵磁機控制功率回路輸出側接勵磁機定子勵磁繞組，主電機功率控制回路輸出側接主電機雙三相繞組；切換開關輸入側接起動/發電控制器直流母線，輸出側由g1和g2兩個觸點組成，g1觸點接機載電力系統匯流條，g2觸點接外部供電電源；系統起動階段開關接通g2觸點，系統發電階段開關接通g1觸點。

2.根據權利要求1所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于：所述主電機為混合勵磁雙三相同步電機。

3.根據權利要求1所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于：所述主電機轉子側為電勵磁和永磁體混合勵磁方式。

4.根據權利要求1所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于：所述混合勵磁方式包括串聯混合勵磁、并聯混合勵磁或串并聯混合勵磁。

5.根據權利要求1所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于：所述切換開關類型采用繼電器、接觸器或電力電子開關器件。

6.根據權利要求1所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲，其特征在于：所述的勵磁機的類型包括：兩相勵磁機或三相勵磁機。

7.一種權利要求1～6任一項所述航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲的容錯控制策略，其特征在于：

8.根據權利要求7所述容錯控制策略，其特征在于：所述主電機在單純永磁勵磁情況下發生短路故障時其電樞繞組短路電流不超過系統發電運行時的額定電流。

9.一種可讀存儲介質，其特征在于，所述可讀存儲介質上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現如權利要求7至8任一項所述容錯控制策略的數據遷移方法的步驟。

10.一種計算機程序產品，其特征在于包括計算機可執行指令，所述指令在被執行時用于實現權利要求7～8所述的容錯控制策略方法的的步驟。

技術總結
本發明涉及一種航空兩級式混合勵磁起動發電系統拓撲及其容錯控制策略，拓撲由勵磁機、旋轉整流器、主電機、起動發電控制器和切換開關組成。系統的容錯控制策略：主電機電樞繞組開路或短路后，勵磁機正常運行，主電機采用雙三相容錯控制方法容錯運行；主電機勵磁繞組開路或短路、勵磁機電樞繞組開路或短路、勵磁機勵磁繞組均開路或短路、旋轉整流器短路故障后，切除勵磁機勵磁電壓，主電機等效為永磁電機進行系統容錯運行；旋轉整流器開路故障、勵磁機電樞組一相開路故障后，勵磁機正常勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行；勵磁機勵磁繞組一相開路或短路故障后，切除勵磁機故障相勵磁，主電機勵磁電流降低，系統降額容錯運行。

技術研發人員：焦寧飛,姚普,張環旭,梁培鑫,毛帥,劉衛國
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/12/26