起动发电机在中国大型客机上的应用

朱德明，李进才，韩建斌，张卓然，严仰光

1. 中国电子科技集团公司 第十四研究所，南京 210039 2. 南京航空航天大学 多电飞机电气系统工业和信息化部重点实验室，南京 210016

半个世纪以来，恒速恒频(CSCF)电源成为飞机电源的主流[1-3]。CSCF电源由恒速传动装置(CSD)，无刷交流发电机(Gen)和发电机控制器(GCU)等构成。20世纪70年代初国外将CSD和Gen组合成为组合传动装置(IDG)，进一步简化了结构，提高了IDG的功率密度[4-5]。由于CSCF电源由CSD将航空发动机变化的工作转速转换为恒定的工作转速，然后由发电机将机械能转为三相400 Hz、115/200 V交流电能。能量的二次转换不仅使CSCF发电系统效率较低，一般仅0.72，而且大的损耗要求大的冷却散热系统，从而限制了CSCF电源单机容量的提高。

变频交流电源和变频交流发电机是在恒速恒频交流电源和恒频交流发电机的基础上发展而来的。舍弃了结构复杂、效率较低的机械液压恒速传动装置，变速发电机直接由航空发动机传动，额定频率为360～800 Hz，电压为115/200 V或230/400 V，机械能到电能的效率增加到0.9。变频交流电源的诞生是航空电源发展历史上的重大事件，将单台发电机容量从几十kVA提升到250 kVA，甚至更大，从而为多电飞机的发展创造了条件[6-7]。

21世纪升空的2种大型客机A380和B787上就使用了变频交流发电机，前者为4台150 kVA发电机，后者为4台250 kVA起动发电机。这两种客机都是多电飞机，A380用电液和机电作动机构部分代替液压作动机构[8]。B787用电能代替压缩空气能用于机翼防冰和座舱环境控制系统，不再提取发动机的压缩空气，从而节省了燃油、减少了排污[9]。

多电飞机是用电能代替液压能、气压能和机械能的飞机，是飞机全局性优化技术，A380和B787是多电大型客机的第一代。多年运行表明，多电客机的优势是明显的。

多电飞机用电量的大幅度提升，要求变频交流发电机的额定容量相应提升，从而为航空发动机的电起动提供了可能[10-13]。变频交流发电机既用于起动航空发动机，又在发动机正常工作时用于发电，一台电机两个用途，可省去发动机的空气涡轮起动机，简化发动机的附件机匣，也消去了飞机上相应的起动管路，简化飞机内部结构。可见，起动发电机是多电飞机的关键机载设备和技术基础[14]。

1 变频交流发电机

1.1 结构特点

变频交流发电机实际上和恒频交流(AC)发电机相同，是一种三级式电机，如图1所示。图中：Gen为无刷交流发电机；ex为励磁机；pmg为永磁副励磁机；RD为旋转变压器；WF为发电机的励磁绕组；Wef为励磁机的励磁绕组。该电机的转子组件含永磁副励磁机的永磁转子，励磁机的三相电枢绕组，旋转整流器，发电机的励磁绕组WF和2个轴承。三级电机的定子含永磁机三相定子绕组，励磁机的励磁绕组Wef和发电机三相电枢绕组，为三相四线制输出方式。可见，改变励磁机励磁绕组Wef中的电流即可调节该电机发电机的励磁绕组中电流，从而实现无电刷与滑环发电[15]。

永磁副励磁机向发电机控制器GCU供电，用于调节励磁机的励磁电流使发电机调节点电压保持恒定，同时对发电机运行参数进行检测和实现电机故障保护。永磁励磁机使发电机能不依赖于飞机上的其他电源独立工作。

图1 三级式交流发电机结构原理图Fig.1 Structure diagram of three-grade AC generator

1.2 励磁机设计出发点

ief max/ief min=iF max/iF min

(1)

式中：iF max和iF min为发电机励磁电流的最大值和最小值，由发电机调节特性获得；ief max和ief min为励磁机励磁电流的最大值和最小值，由励磁机旋转整流器和发电机的组合调节特性获得。线性电流放大器特性是励磁系统的设计出发点，不仅减小了励磁机励磁电流变化范围，而且加快了电机突加突卸负载时电压恢复速度，减小了电压浪涌。

1.3 变频工作对电机设计影响

由于发电机直接面向用电设备，三级电机的特性主要由发电机的特性决定。变频交流发电机的频率必须在360～800 Hz范围内，输出相电压和线电压必须为115/200 V或230/400 V的正弦波，在三相不对称负载时，发电机三相电压的幅值和相位差应在规定的范围内，以利于用电设备能力的发挥。

360～800 Hz的频率要求实际上限制了电机的极对数和转速，从而限制了电机的功率密度。对于三对极电机，电机转速为7 200～16 000 r/min，对于二对极发电机电机转速为10 800～24 000 r/min，一对极的发电机转速为21 600～48 000 r/min。为了实现电压正弦度，三对极和二对极的电机电枢绕组必须用120°相带，一对极的电机电枢绕组必须用1/3短距的60°相带绕组。这类电枢绕组的绕组系数较低，电枢铜耗较大。不对称负载时要求三相电压对称，必须合理选用电枢绕组每相串联匝数和阻尼绕组。发电机电枢每相串联匝数多少，直接决定了电枢电感，不仅影响电压对称性，还和电机的功率密度、电机损耗等多个因素相关，涉及电机设计的全局。阻尼绕组用于抑制三相不对称负载时的反向旋转磁场，是恒频和变频交流发电机不可缺少的。

1.4 变频工作对发电机控制器影响

变频交流发电机的最高工作转速nmax与最低工作转速nmin之比大于2。转速的变化使电机参数相应变化，如dE/diF。发电机空载特性上工作点的斜率，在低速时工作在曲线饱和区，dE/diF很小，高速时工作在曲线非饱和区，dE/diF很大，二者差5～10倍。相应地，励磁机和永磁副励磁机的dEex/dief和dEpmg/dipmg也有很大变化，dEex/dief为励磁机空载特性工作点斜率，dEpmg/dipmg为永磁副励磁机负载特性工作点斜率。电机参数的变化，导致电机控制特性的改变，变频交流发电机在低速时突卸30 kVA负载和在高速时卸去同样负载，高速时的电压浪涌会远大于低速时的值。这就是国外要在飞机变频交流电源中加瞬态过电压保护装置(OVTPU)的原因[16-18]。显然，高速突卸负载时的瞬态过压和电机参数、卸载大小和GCU中的电压调节器等因素相关，借助于数字调压器的自动改变调整参数的功能能够将突卸负载时的浪涌限制在允许范围内。变频交流发电机高速下的特性改变是其区别于恒频发电机的重要特点。

1.5 变频工作对附属系统影响

三级式交流发电机的优点是功率密度高、效率高、平均故障间隔时间长。B787飞机的变频交流起动发电机平均故障间隔时间已达30 000 h。采用高饱和磁感应强度的铁钴钒软磁材料,采用喷油冷却和提高电机工作转速是三级发电机提高功率密度的重要方法。喷油冷却不仅降低了电机温升的速度，还润滑了电机轴承，不少三级式发电机的工作转速已达24 000 r/min。

恒速恒频电源IDG中的三级式电机的冷却油来自液压CSD。变速变频电源中省去CSD，由航空发动机直接传动，一方面将对发动机附件传动齿轮箱(Accessory GearBox,AGB)、传输齿轮箱(Transfer GearBox,TGB)和入口齿轮箱(Inlet GearBox,IGB)的转速范围和振动提出了更高的要求；另一方面，三级式电机必须自带油冷系统，以防电机中的杂质污染航空发动机。同时大容量变频交流发电机内部还有机械脱扣机构，万一电机有机械故障时，脱扣机构切断和发动机的机械连接，防止电机故障损害航空发动机。

2 变频交流起动发电机

2.1 结构特点

变频交流起动发电机是在变频交流发电机的基础上发展的，变频交流发电机是三级式同步发电机。为了实现起动航空发动机的电动机工作，必须对电机本体作两点改变。一是在电机上加用于检测电机转子位置的旋转变压器;二是让励磁机由发电工作时的同步发电机工作方式转为电动工作时的变压器工作方式，以使发电机不仅高转速时有足够励磁，在零转速和低转速时也有足够励磁。同时，还要有大功率的直交变换器，用于将直流电转变为频率从零到340 Hz幅值和相位均可调节的交流电，向发电机的电枢绕组供电[19]。

图2为直交变换器和变频交流起动发电机的电路连接关系，图中：RT为旋转变压器；DC/AC为直交变压器。变换器的输出端直接和发电机的三相电枢绕组A、B、C相连。直交变换器由6只大功率开关管T1～T6和反向并联的D1～D6二极管构成。图中没有画出变换器的输入和输出滤波器，输入输出滤波器中均有差模和共模两种滤波器，用于抑制变换器脉冲宽度调制工作时电磁干扰。输入输出滤波器的加入实现了飞机上自耦变压整流器(ATRU)到直交变换器的馈电线和直交变换器到变频交流起动发电机(VFSG)的三相起动电缆可以不用屏蔽线，降低了电缆的质量。

图2 直交变换器的连接电路和变频交流起动发电机Fig.2 Circuit connection between DC/AC converter and variable frequency AC starter/generator

2.2 起动控制系统

图3为电机起动航空发动机时磁场定向控制框图。图中：SM为同步电动机；iD为电枢电流检测传感器；DT为数字转换芯片；IqR为交轴电流调节器；IdR为直轴电流调节器，ABC/αβ为三相ABC坐标系到两相αβ坐标系的变换；DC/AC为直交变换器；SVPWM为空间矢量发生器；dq/αβ为旋转坐标系到两相固定坐标系的变换；iqref为交轴电流给定；idref为直轴电流给定;n为电机的转速；φ为电机的转子磁极位置角。图中有2个电流闭环，一个是交轴电流iq闭环，另一个是直轴电流id闭环。这两个电流闭环的电流给定iqref和idref由发动机的电子控制器起动过程的转速时间曲线实时给出，以实现在不同气象条件下一次起动成功。

图3 同步电动机起动原理框图Fig.3 Diagram of aero-engine started with synchronization motor

电流反馈信号iq和id由实测电机相电流iA和iB经计算获得。由图可见，电流传感器检测得到的电机相绕组电流是A、B、C三相坐标系中的电流，该电流需经A、B、C三相到αβ坐标系的转换和αβ坐标系到电机转子坐标系dq的两次转换才能得到id和iq。这两次转换使三相交流电流转换成直流电流id和iq，并经交轴电流调节器IqR和直轴电流调节器IdR形成2个电流闭环。IqR和IdR分别输出交轴电压给定uq和直轴电压给定ud。uq和ud是直流坐标系的量，必须经旋转变换转为αβ旋转坐标系的交流量uα和uβ。uα和uβ通过空间电压调制转为控制DC/AC变换器的6个开关管的正弦脉冲宽度调制信号，DC/AC变换器的输出用于驱动电动机电枢绕组。由图可见，用于检测电机转子位置的旋转变压器RT和将RT的余弦和正弦模拟信号转为数字量的解码芯片DT起了关键作用，电机转子位置信号保证了磁场定向控制的实现，在id=0控制时，使电机相电流总是和电机空载电动势方向相反。由于起动发电机起动工作时为电励磁电机，交轴电流iq的作用使电机气隙合成磁场偏离空载磁场，于是为了获得恒转矩区的最大转矩电流比，发动机电子控制(EEC)装置宜输出一个合理的iqref信号，从而使起动过程更合理、更节能。

因此交流电动机控制基础是磁场定向控制，借助于电机转子位置传感器的信号和直交变换器将电机的电枢电流与电机电动势间相位达180°电角，这就是通常讲的解耦控制。让电枢电流形成的磁场与转子励磁场间成90°电角，又称id=0控制，id为电枢电流的直轴分量。此时交轴电流iq使电机气隙磁场略有畸变，为了在iq不变时得到最大的转矩，实际电机电流中有少量的直轴电流分量id。

3 变频交流起动发电机励磁分析

三级式电机电动工作时励磁机的励磁绕组应由400 Hz交流电源供电，使励磁机运行于变压器状态。当供电电源为三相时，励磁机的励磁绕组应为空间对称的三相绕组，若供电电源为单相时，励磁机的励磁绕组也应为单相结构。下文针对励磁机工作在三相励磁方式和单相励磁方式进行分析。

3.1 三相励磁

励磁机三相励磁绕组供以三相交流电流时，形成圆形旋转励磁场Fa(θ,t)[20],即

(2)

(3)

式中：Fam为励磁机励磁绕组通入电流ief相绕组的磁势；Nef为励磁机励磁绕组每相串联匝数；kW为其绕组系数；Pef为励磁机极对数；3/2Fam为三相绕组的合成磁势。旋转磁场的转速na由交流电源频率f和励磁机极对数Pef确定:

(4)

若电机转子的转速n=0，即电机不旋转，则该旋转磁场对励磁机电枢的相对转速nd=na。若电机转速为n,且转子转向与旋转磁场同向，则励磁机电枢相对于旋转磁场的转速nd=na-n。反之若电机转速和旋转磁场转向相反时，nd=na+n。当旋转磁场幅值Fam不变时，转子正转，随着转子转速的增加，励磁机电枢绕组的感应电动势则随之减小。当nd=0时，励磁机电枢绕组感应电势降为零，故发电机的励磁电流也降为零，发电机不产生转矩。反接时，则正相反，随着转子转速n的增大，nd也相应增大，励磁机电枢绕组感应电势也增大，从而使发电机励磁电流iF也随转速的增大而增大。

例如：某变频交流发电系统的发电机为三对极，发电工作转速范围为7 200～16 000 r/min，起动工作转速范围为0～6 800 r/min。励磁机为四对极，当励磁机的励磁绕组加400 Hz三相交流电时，励磁机励磁绕组形成的圆形旋转磁场转速nm=60f/Pef=60 400/4=6 000 r/min，若电机转向与旋转磁场同向，则在n=nm=6 000 r/min时，发电机励磁电流iF降为零，起动转矩也降为零。为了防止此缺陷，该电机在n=4 000 r/min从三相励磁方式转为单相励磁方式。由此可见，该电机在起动航空发动机的过程中，发电机的励磁电流iF在不断变化中，导致直交变换器对电枢电流的控制也十分复杂。

上面对三相交流励磁的讨论仅出于励磁机电枢绕组电动势与电机转速间关系，为一个线性关系。实际上发电机励磁电流iF与电机转速间关系是非线性的。当励磁机励磁绕组加上400 Hz三相交流电，形成圆形旋转磁场后，不论转子转向与旋转磁场转向相同或相反，随着电机转速的升高，励磁机电枢绕组电动势频率的变化(正向旋转时，转子转速等于零，励磁机电枢绕组电动势与励磁电源同频，为400 Hz；当转子转速等于旋转磁场转速时，电枢绕组电动势频率为零；反向旋转时，当转子转速等于旋转磁场转速时，励磁机电枢绕组电动势频率为2×400=800 Hz)使励磁机电枢和发电机励磁绕组等效电抗随之变化，导致励磁机励磁绕组电流的功率因数大幅度变化，从而使励磁电流iF与电机转速有强非线性特性。在转子转向和旋转磁场转向相同，且达到旋转磁场转速时，交流励磁电源的功率因数降为零，故iF=0。在转子转向与旋转磁场转向相反时，随着转子转速的升高，励磁机电枢频率的增加。电枢电抗的增大，励磁电源的功率因数也随之下降，使iF并不随着转子转速的升高而线性增大。这种非线性因素的引入使电机控制更为复杂。

3.2 单相励磁

图4为起动发电机单相400 Hz励磁时，随电机转子处于不同位置励磁机电枢绕组wex和励磁机励磁绕组中心间夹角也不同，两线圈间磁耦合关系也随之变化[21-23]。图4(a)的转子位置，励磁机的a相电枢绕组wexa的中心线和励磁绕组Wef的中心线一致，理想状态下，为全耦合，故a相电枢绕组感应电动势

eexa=(kexnex/nef)uef

式中：nex为励磁机电枢绕组每相串联匝数；kex为其绕组系数；nef为励磁机励磁绕组串联匝数；uef为加于励磁机励磁绕组间电压。此时由于励磁机b相和c相电枢绕组与a相在空间差120°电角，故

eexb=eexc=(kexnex/nef)uefcos120°=

1/2(kexnex/nef)uef

(5)

此时加于旋转整流器上的线电势为

eexab=eexac=eexa+eexb=1.5(kexnex/nef)uef

(6)

由图4(b)可知，此时c相绕组和Wef成90°，磁耦合为零，故eexc=0，此时转子相对于图4(a)转过了30°电角，故

eexa=eexb=(kexnex/nef)uefsin60°=

(7)

故线电势为

(8)

图4(c)和图4(d)相对于图4(a)转过了60°和120°电角，图4(c)中wexc和Wef间耦合关系正与图4(a)相反，故感应电势eexb与图4(a)的eexa差180°电角，但大小相同。图4(a)中的C相电枢绕组与图4(a)的A相绕组同，故电动势相量图也与图4(a)相同。图中左侧为励磁机相绕组电动势相量图。由此可见，单相交流电源供电的励磁机是一台特殊的变压器，其副边的线电势与电机转子位置间关系很小。同时也可推知，单相供电的励磁机向发电机励磁绕组WF供电时，其电流iF与电机转速n关系很小。该特性为控制变频交流发电机起动航空发动机带来方便，通过直交变换器控制电机的电枢电流即可控制电机起动转矩，实现复杂气象条件下航空发动机的可靠起动。

综上，起动过程中，三相励磁方式励磁电流iF与转子转速有强非线性关系，控制复杂。而单向励磁方式励磁电流iF与转子转速关系很小，控制简单。

图4 励磁机励磁绕组加400 Hz交流电时励磁机的电枢绕组感应电势与转子角关系Fig.4 Relationship between rotor position and armature EMF of exciter with 400 Hz AC exciting current

4 提高起动发电系统功率密度的方法

电工科技发展促进了多电飞机的诞生，反过来，多电飞机对电工科技提出了更高的要求，这就是要求进一步提高机载机电设备的功率密度和效率[24]。这实际上是电工科技工作者永恒的课题，问题是如何加快提高功率密度和效率。

4.1 提高起动发电机的工作转速

B787飞机的VFSG为三对极，发电转速为7 200～16 000 r/min、电压为250 kVA、质量为92 kg、功率密度为2.73 kW/kg。同样该机的辅助动力装置起动发电机ASG为二对极，发电转速为12 000 r/min、电压为225 kV、质量为56 kg、功率密度为4 kW/kg。由此可见，提高电机转速，有利于提高功率密度。同时，转速的增加，减小了电机每相串联匝数，有利于降低铜损，提高效率。由于VFSG与ASG工作状态不同，前者为变速，后者为恒速。提高VFSG的最低工作转速必导致最高工作转速的增大，转子结构强度、旋转整流器的工作条件更为复杂。

4.2 碳化硅器件的应用

近20年来，以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带器件得到迅速发展和工业应用，为降低直交变换器的体积重量创造了条件。现在装机应用的直交变换器采用硅绝缘栅控晶体管(IGBT)，IGBT的主要缺点是关断时有电流施尾，关断损耗较大，而与之并联的硅二极管有大的反向恢复电流和较长的反向恢复时间。这不仅增大了它自身的关断损耗，也增大了IGBT的开通损耗。这两者限制了直交变换器的开关频率，从而增大了输入输出滤波器的质量和机箱结构质量。B787飞机用于起动航空发动机的直交变换器的开关器件为IGBT，其输入输出滤波器约为20 kg，整机质量为50 kg，体积质量大的原因就是使用硅开关器件。

由碳化硅做成的器件具有开关频率高、损耗小、工作结温高、散热方便、漏电流小和抗辐射等特点，SiC肖特基二极管没有反向恢复电流。由SiC器件构成的直交变换器高的开关频率可显著降低输入和输出滤波器质量，减小机箱结构材料。

将图2中的6个开关器件和反并二极管，以及开关器件的驱动电路集成于一个模块中，可以进一步缩小直交变换器的尺寸，减少散热器的质量。国外几年前已构成工作结温达250 ℃的SiC直交变换器，其功率密度和效率远高于硅变换器。

4.3 提高优化起动发电机设计参数

B787飞机起动航空发动机时正常情况下为2台VFSG同时工作，一起起动发动机，也可用一台电机起动发动机，但起动时间加长。由于该飞机的VFSG额定容量为250 kVA，适当调整电机设计参数即可实现单台电机起动航空发动机。从而减少了一台电机的起动用三相电缆，降低起动系统质量。

借助发电工作时电机到交流电源汇流条间的馈电线实现发动机起动。起动发电机VFSG的工作特点是先电动工作，用于起动发动机，发动机正常工作后，转为发电机工作向飞机电网供电，因此借助VFSG到电源汇流条间的馈电线实现航空发动机起动是可能的，从而节省起动用馈电线。

4.4 直交变换器的多功能复用

B787起动用直交变换器就是多功能的，称为通用电机起动控制器(Common MotorStarter Controller,CMSC)。B787飞机的4台大功率空调压缩机电动机、4台电动液压泵、2台空调通风电动机和1台氮气发生器电动机均匀调速电动机，总功率在500 kW左右，均可以由CMSC控制。除此之外，CMSC还控制4台250 kVA变频交流起动发电机和2台225 kVA交流气动发电机，从而实现CMCS的多功能分时复用，这是个很好的做法，值得借鉴。

4.5 直流起动发电机的发展和应用

变频交流起动发电机受频率、波形正弦度和不对称负载时三相电压对称性要求等因素制约，在现有技术基础下，进一步提升功率密度的裕量有限。直流起动发电机则不受上述因素制约，初步估计250 kW级别的电机功率密度可大于5 kW/kg。同时，还可省去自耦变压器整流器(ATRU)，一台150 kW的ATRU质量在30 kg以上。在功率和长度相同时，直流馈电线的质量比三相馈电线更轻。直流电源系统易于并联，可实现不中断供电，与蓄电池等贮能设备接口简单。直流系统有更强的非线性负载适应性，更适合变速电动机的工作。

由此可见，提高现有变频交流起动发电系统功率密度和效率是完全可能且必要的，而发展直流起动发电系统的潜力更大。借助中国C919大型客机进入深度试飞，CR929飞机进入研制阶段的大好时机，加快起动发电系统的研究与应用十分必要。起动发电系统的装机，必将为中国大型客机的发展增加光彩。

5 结 论

变频交流发电机和变频交流电源的诞生为多电大型客机的发展创造了条件，而多电飞机的发展又促进了变频交流起动发电机的发展，变频交流起动发电机成为多电飞机的一个重要标志。其发电工作时，工作于变速变频工作方式；起动工作时，工作在电动运行方式，本文通过对变频交流起动发电机的电磁关系研究，提出以下概念：

1)ief max/ief min=iF max/iF min是变频交流起动发电机的励磁机发电工作设计的基本出发点；电枢绕组每相串联匝数和阻尼绕组是发电机设计的关键点。

2) 发电工作时，由于转速变化范围大，导致dE/diF的大范围变化，要求GCU中电压调节器的参数应随电机转速的改变而快速改变。

3) 起动工作时，励磁机有两种交流励磁方法，其中单相励磁方法的发电机励磁电流iF随电机转速变化最小，是较为理想的励磁方式。

4) 变频交流起动发电机的功率密度受频率的约束，在现有条件下不易进一步提升。发展中国自主创新的多电/全电飞机需要进一步提升机载机电系统的功率密度(以及电压等级和功率容量)，须从基础研究及应用实践两方面提升变频交流发电机的技术水平。另外，高压直流发电机不受交流电频率制约，建议中国大飞机进一步发展高压直流无刷起动发电机技术。