摘 要： 利用Matlab平臺構(gòu)建了起動發(fā)電實驗臺仿真模型，使用同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模擬航空發(fā)動機(jī)點火前的風(fēng)阻性負(fù)載轉(zhuǎn)矩與點火工作后的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，研究了APU起動發(fā)電實驗臺的控制方式，證明了APU起動發(fā)電實驗臺控制方式的可行性。
關(guān)鍵詞： 起動發(fā)電機(jī)；輔助動力裝置；同步電機(jī)
輔助動力裝置APU（Auxiliary Power Unit）是裝在飛機(jī)上的一套不依賴于機(jī)外任何能源、自成獨立體系的小型動力裝置。其功用是在地面為飛機(jī)提供電源和氣源，用于向飛機(jī)電網(wǎng)供電、起動主發(fā)動機(jī)以及向飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)提供壓縮空氣，當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到發(fā)動機(jī)停車故障時，也可作為應(yīng)急動力源為飛機(jī)提供電源和氣源。
APU發(fā)動機(jī)起動時，起動發(fā)電機(jī)工作于電動方式，帶動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機(jī)開始點火，起動機(jī)繼續(xù)拖動，直到發(fā)動機(jī)進(jìn)入自行工作狀態(tài)后，起動發(fā)電機(jī)再進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動達(dá)到額定電壓頻率后接入?yún)R流條對負(fù)載供電。
從起動發(fā)電機(jī)驅(qū)動APU發(fā)動機(jī)起動到發(fā)動機(jī)正常工作，這一過程只需要10 s左右的時間，而起動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)卻變換了數(shù)次控制方式，這使得對起動發(fā)電系統(tǒng)的控制變得非常復(fù)雜，因此需要構(gòu)建APU起動發(fā)電實驗臺研究其控制方式。本文利用Matlab平臺構(gòu)建了實驗臺仿真模型，設(shè)計了APU起動發(fā)電系統(tǒng)的控制方案。
1 實驗臺系統(tǒng)構(gòu)成
目前大型民用客機(jī)（如波音737）上的APU所使用的起動發(fā)電機(jī)多為同軸安裝永磁發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的三級式同步電機(jī)，而本文使用的起動發(fā)電機(jī)為同軸安裝勵磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的兩級式同步電機(jī)，利用勵磁電源代替永磁發(fā)電機(jī)，在保證不影響起動發(fā)電機(jī)電氣特性的前提下簡化了起動發(fā)電實驗臺的結(jié)構(gòu)[1-2]。
APU發(fā)動機(jī)在點火之前為風(fēng)阻性負(fù)載轉(zhuǎn)矩，點火后為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，本文使用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模擬發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（模擬發(fā)動機(jī)的永磁同步電機(jī)簡稱為發(fā)動機(jī)電機(jī)），在能夠模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的前提下進(jìn)一步簡化了實驗臺的結(jié)構(gòu)。實驗臺系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
圖1中發(fā)動機(jī)電機(jī)、發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器、變頻器、三相電流表以及位置、轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用來模擬APU發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性；起動發(fā)電機(jī)、勵磁電源、起動發(fā)電機(jī)控制器、變頻器、三相電流電壓表以及轉(zhuǎn)速位置傳感器構(gòu)成了驅(qū)動及發(fā)電系統(tǒng)，用來驅(qū)動發(fā)動機(jī)電機(jī)提速以及對負(fù)載供電。
為了盡快驅(qū)動發(fā)動機(jī)電機(jī)提速，起動發(fā)電機(jī)控制器。輸出最大的轉(zhuǎn)矩給定值，通過變頻器輸出電流矢量，驅(qū)動起動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
在t1時刻起動發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到了APU發(fā)動機(jī)點火對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（典型值為發(fā)動機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速的25%），此時發(fā)動機(jī)電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)點火后的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。為了盡快驅(qū)動起動發(fā)電系統(tǒng)提速，發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器輸出最大的轉(zhuǎn)矩給定值，通過變頻器輸出電流矢量，驅(qū)動發(fā)動機(jī)電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
?。?）t1~t2階段：發(fā)動機(jī)電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，使起動發(fā)電系統(tǒng)盡快提速，發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器和起動發(fā)電機(jī)控制器均輸出最大的轉(zhuǎn)矩給定值，通過變頻器輸出電流矢量，驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
在t2時刻起動發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到APU發(fā)動機(jī)的自持轉(zhuǎn)速（典型值為發(fā)動機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速的70%），此時起動發(fā)電機(jī)控制器輸出零轉(zhuǎn)矩給定值，通過變頻器輸出零電流矢量，使變頻器和起動發(fā)電機(jī)之間的電流迅速減小，當(dāng)電流減小到零時，開關(guān)k1將起動發(fā)電機(jī)與變頻器斷開。
?。?）t2~t3階段：發(fā)動機(jī)電機(jī)驅(qū)動起動發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)提速。為了模擬APU發(fā)動機(jī)和液壓馬達(dá)通過游星齒輪聯(lián)合驅(qū)動起動發(fā)電機(jī)，使其平滑提升至正常工作轉(zhuǎn)速的過程，發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器按照轉(zhuǎn)速給定方式，將系統(tǒng)實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相減，通過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩給定值，通過變頻器輸出電流矢量，驅(qū)動發(fā)動機(jī)電機(jī)提速。
起動發(fā)電機(jī)進(jìn)入空載調(diào)壓狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)勵磁機(jī)的勵磁電源控制起動發(fā)電機(jī)的空載端電壓，使端電壓在提速過程中保持為發(fā)電狀態(tài)的額定電壓。
在t3時刻起動發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到APU發(fā)動機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速、對應(yīng)的起動發(fā)電機(jī)也達(dá)到了發(fā)電狀態(tài)的額定頻率電壓時，起動發(fā)電機(jī)控制器將控制開關(guān)k1與負(fù)載連接，使起動發(fā)電機(jī)開始對負(fù)載供電。
（4）t3~t4階段：起動發(fā)電機(jī)對負(fù)載供電，發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器仍然按照轉(zhuǎn)速給定方式，通過變頻器驅(qū)動發(fā)動機(jī)電機(jī)，補(bǔ)償起動發(fā)電機(jī)發(fā)電時產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
起動發(fā)電機(jī)控制器通過調(diào)節(jié)勵磁機(jī)勵磁電壓補(bǔ)償帶載時電樞繞組產(chǎn)生的壓降。
3 起動發(fā)電系統(tǒng)仿真模型建立與結(jié)果分析
起動發(fā)電系統(tǒng)的Matlab仿真模型圖如圖3所示。圖3中：S/G_main為起動發(fā)電機(jī)主電機(jī)，S/G_EX為起動發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)，主電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速信號引入到勵磁機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入端W表示主電機(jī)和勵磁機(jī)同軸相連。為了表示勵磁機(jī)產(chǎn)生勵磁功率時對起動發(fā)電機(jī)造成的負(fù)載性轉(zhuǎn)矩，輸入到主電機(jī)TL的轉(zhuǎn)矩為從連接軸Mechanical Shaft傳入的轉(zhuǎn)矩減去勵磁機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。
EX_ctrl為勵磁機(jī)的勵磁電源，通過調(diào)節(jié)勵磁機(jī)勵磁繞組的電壓，在起動發(fā)電機(jī)處于電動狀態(tài)時，使主電機(jī)的勵磁電流在轉(zhuǎn)速提升過程中保持恒定；在發(fā)電狀態(tài)時，使主電機(jī)的端電壓保持在額定電壓。
Engine為發(fā)動機(jī)電機(jī)，發(fā)動機(jī)電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速信號輸入到連接軸，連接軸通過比較發(fā)動機(jī)電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生扭差轉(zhuǎn)矩，扭差轉(zhuǎn)矩以正負(fù)相反的方式輸入到起動發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸入端。
Engine_ctrl為發(fā)動機(jī)電機(jī)控制器，S/G_ctrl為起動發(fā)電機(jī)控制器。
起動發(fā)電系統(tǒng)Matlab仿真圖如圖4所示，由圖可以看出：
在t0~t1階段，發(fā)動機(jī)電機(jī)產(chǎn)生風(fēng)阻性負(fù)載轉(zhuǎn)矩，起動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，但是在t0時刻起動發(fā)電機(jī)輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩很小，這是因為起動發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)在零轉(zhuǎn)速情況下無法產(chǎn)生勵磁電流，因此，此時的電磁轉(zhuǎn)矩主要由主電機(jī)勵磁繞組中的剩磁鏈和定子繞組中的磁鏈相互作用產(chǎn)生。在t0時刻后起動發(fā)電機(jī)主電機(jī)帶動勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)，勵磁機(jī)電樞繞組輸出的電流經(jīng)整流器整流后輸入到主電機(jī)勵磁繞組中增強(qiáng)勵磁磁場，從而增強(qiáng)起動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，可以從圖4看出t0時刻后起動發(fā)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩迅速上升直至達(dá)到設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩。
在t1~t2階段，發(fā)動機(jī)電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)均產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，聯(lián)合拖動起動發(fā)電系統(tǒng)迅速加速。
在t2~t3階段，為了平滑過渡到APU發(fā)動機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩越來越小，起動發(fā)電機(jī)進(jìn)入空載調(diào)壓狀態(tài)，產(chǎn)生的空載轉(zhuǎn)矩幾乎為零。
在t3~t4階段，起動發(fā)電機(jī)帶載，由于起動發(fā)電機(jī)是一種感性電源，在t3時刻輸出的電流是從空載電流開始逐漸增大的，所以產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也逐漸增大。發(fā)動機(jī)電機(jī)按照轉(zhuǎn)速給定方式對起動發(fā)電機(jī)發(fā)電時產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。
本文完成了航空發(fā)動機(jī)起動發(fā)電實驗臺的Matlab模型建立，利用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模擬航空發(fā)動機(jī)，在充分考慮兩級式同步電機(jī)電氣及機(jī)械特性的前提下，仿真研究了起動發(fā)電系統(tǒng)的控制方式。通過仿真實驗證明了起動發(fā)電實驗臺控制方式的可行性，為實際構(gòu)建實驗臺提供了控制方案。
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