多电飞机起动/发电系统研究和关键技术分析

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【摘 要】先进民用飞机上急剧增加的电力需求不断推动着多电飞机时代的到来，起动/发电技术是多电飞机的一项关键技术。本文旨在介绍多电飞机起动/发电技术的原理和技术要求，并对其未来发展有待突破的关键技术进行探讨。

【关键词】多电飞机；起动发电；关键技术

0 概述

传统飞机的发动机是依靠安装于发动机附件齿轮箱上的空气涡轮起动机实现起动的。起动发动机时，空气涡轮起动机需从地面气源车、辅助动力装置（APU）或发动机交叉引气获得压缩气源起动发动机。但发动机正常工作时，空气涡轮起动机不工作，造成了飞机额外的重量负担。多电飞机用起动/发电系统取代空气涡轮起动系统，当发动机起动后，起动/发电机可作发电机运行，向飞机电网提供电能。由于起动/发电系统兼具两种功能模式，可以有效降低系统重量和成本，提高系统维护性和可靠性，同时改善发动机性能。在竞争激烈的航空领域，这些优势显得尤为重要，因此必须加快对多电飞机起动/发电技术的研究和应用。

1 起动/发电系统的工作原理

通过起动/发电机实现发动机的起动是利用电机的可逆原理：电机作电动机运行时，将电能转换为机械能；作发电机运行时，将机械能转换成电能。起动/发电机起动模式原理框图如图1所示。图中，单台主发动机安装2台起动/发电机以满足发动机起动扭矩需求。每台起动/发电机配有一台起动控制器控制其起动过程。起动/发电机安装在发动机附件齿轮箱上，在发动机起动过程中，起动控制器控制起动/发电机利用飞机交流电源或地面电源通过变压整流得到高压直流电，通过其内部的变换器得到起动/发电机做电动运行时的绕组电流和励磁电流，控制电动机运行，向发动机提供转矩拖动发动机转动。通常，起动控制器通过矢量控制、速度闭环控制和位置传感器读取电机转子位置信息，实现对起动/发电机电动运行的全数字控制。当发动机到达一定转速后，发动机喷油点火，发动机涡轮产生的功足以继续加速发动机到慢车转速。发动机从零转速过渡到慢车转速的过程即起动过程。起动过程结束后，发动机带动起动/发电机旋转，起动/发电机进入发电工作模式，把从发动机提取的机械能转换成电能，给机上用电设备供电。

2 起动/发电系统的技术要求

2.1 起动功率要求

起动/发电机的工作特点是首先保持恒转矩起动，控制电动机输出最大转矩不变，当转速达到一定值后，再保持恒功率运行，即保持最大功率不变，直到起动机达到脱离转速，起动发动机，如图2所示。如起动一台发动机所需转矩为100Nm，发电机转速范围为11000～22000rpm，根据发动机起动曲线经验，发动机需100Nm的最大转矩下起动并达到5000rpm，相当于最大功率约50kW，到达5000rpm之后，起动机应保持50kW恒功率输出，直到发动机达到脱离转速，发动机不再需要起动/发电机为其提供转矩而能自行运转。在主发动机正常运行后，当转速达到发电机要求的建压转速下限时，起动/发电机开始切换至发电模式，向飞机电网供电。

2.2 起动时间要求

适航条款25.9039（e）要求发动机具有空中再起动能力，参照AC25-7A，要求发动机30s内实现从燃油开关打开到点火，90s内发动机从点火到稳定慢车状态，满足发动机120s内完成空中起动。根据发动机起动特性和起动/发电机特性计算，电起动系统采用2台起动/发电机用于发动机在地面和空中的各种状态的起动，可以满足发动机起动时间要求。当一台起动/发电机失效时，使用另1台起动/发电机仍然可以实现起动发动机但是起动时间较长。

3 起动/发电系统的关键技术

由于多电飞机的起动/发电机均采用变频交流电源体制，因此相比恒频交流电源系统，发电机的本体设计和控制方式都面临更大的挑战；且起动/发电机安装于发动机短舱内，处于高温、振动和沙尘等等的恶劣环境中，对其机体材料、结构和制造技术的要求都更加严苛。未来的起动/发电系统主要有以下关键技术有待研究和突破：

3.1 发电机电磁设计、结构设计和制造技术

变频交流起动/发电机既要电动运行又要发电运行，它具有和功率变换器、发电机控制器三者之间强耦合特征，航空电机定转子磁路的深度饱和以及非线性、功率变换器的开关特性、控制方法的多样性和控制策略的非线性等，都使得变频交流起动/发电系统中三级式同步电机的电磁设计更加复杂。且由于多电飞机的起动/发电机由发动机直接传动，转速很高，因此发电机的设计和高速转子的制造是非常关键的，电机的转子结构强度和振动稳定性也是必须认真考虑的。尤其是高转速下转子上旋转整流器以及绕组受到机械应力成倍增大。另外，大功率起动/发电机必然采用油冷技术，高转速下发电机转子的喷油冷却技术也是必须要解决的难题。

3.2 宽转速范围高品质电压调节技术

飞机在飞行过程中要求有稳定的输出电压品质。但飞机发动机输入发电机的转速是变化的，飞机的负载电流也是随时变化的。对于变速工作的发电机，必须有快速响应的电压调节器相应改变励磁电流，补偿去磁的电枢反应和电阻压降的影响，以保证在输出变频的同时，有稳定的输出电压，也避免电机在高转速时发生大的瞬态过压危害用电设备。电压的瞬态特性和稳态特性也要同时兼顾。三级式同步电机内部实际上是由三个电机构成，励磁系统复杂，其电压调节系统动态性能的提升在恒速恒频电源系统下已经受到电机结构的制约，而对于宽转速范围的变频电源系统，这一问题将更加突出。

3.3 无位置传感器起动控制技术的应用

在起动/发电系统的起动控制中，通常需要在电机轴上安装位置传感器检测电机转子位置信息从而实现电机控制，这不仅增大了电机的尺寸和转动惯量，而且降低了运行可靠性，增加了成本和安装维护困难，并易受外界干扰。使用无位置传感器技术既可以（下转第40页）（上接第18页）更好地发挥起动/发电机在极端环境下的性能，同时也可以减少成本和整个系统的体积。因此，使用无位置传感器起动控制技术成为起动/发电系统未来发展的趋势和研究方向。

3.4 多电发动机技术的发展

多电发动机是在传统的发动机上，用主动磁浮轴承系统替代传统的滚动轴承系统，用安装在主轴上的大功率内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现发动机和飞机的全电气化传动。在多电发动机中，发电机是发动机的一部分，直接安装在发动机的轴上，采用这种高可靠性的内置式发电机，与发动机高压级匹配，可以作为起动/发电机。多电发动机技术大大减少了发动机的零件数，从而减轻了系统重量、降低了复杂性，提高了可靠性和维修性，降低了成本。

4 总结

由于起动/发电系统起动飞机发动机具有效率高、重量轻、可靠性高等综合优势，多电飞机用起动/发电技术取代传统气源起动发动机的方式已成为未来多电飞机的发展方向。同时，只有起动/发电系统中的关键技术不断取得突破，才能保障起动/发电系统的可靠运行并充分发挥其优点，在未来多电飞机中得以运用和发展。

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