某型大功率起动发电机的中线接法对起动过程的影响分析
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摘 要：某型动力装置在地面联试起动时，引起地面电源过流、欠压保护，并造成交流起动控制器内部电容发生爆炸，击穿设备外壳。文章就该故障从理论分析入手，结合地面试验验证，得出该型动力装置在起动过程中，起动发电机的中线不能够与地面电源的中线短接，并提出了解决方案。经机上试验论证解决方案有效。
关键词：整流单元;支撑电容;SVPWM调制;中线压差;功率电阻
中图分类号：TM343 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）07-0104-03
Abstract： During the joint start-up of a certain type of power plant on the ground， it causes overcurrent and undervoltage protection of the ground power supply， and causes the internal capacitance of the AC starting controller to explode and break down the outer shell of the equipment. In this paper， starting with the theoretical analysis of the fault， combined with the ground test verification， it is concluded that in the starting process of this type of power plant， the middle line of the starting generator can not be short connected with the middle line of the ground power supply， and the solution is put forward. Through the on-board test， it is proved that the solution is effective.
Keywords： rectifier unit; support capacitor; SVPWM modulation; midline voltage difference; power resistance
1 概述
近年来，多电化和全电化已成为飞机技术发展的一种趋势，电驱动方式的大量使用、機载设备用电量的急剧增加、航电设备现代化程度的迅猛提高，导致飞机发电机的功率日益增大，相应的起动机功率也随之增大，起动/发电系统的高可靠性和高功率性在多电飞机蓬勃发展的大环境中尤为重要。目前， 多电飞机技术己经在F-35、A320和B787等飞机上广泛采用，但在国内还处于技术探索阶段，作为关键技术之一的起动/发电技术是多电飞机发展的基础。
2 背景及故障描述
某型动力装置配置了一台大功率起动/发电机，采用三相115V/400Hz交流电源起动，是大功率起动/发电系统在国内的初次尝试。该型动力装置在它机验证试飞地面起动试验过程中，地面电源的电压被迅速拉低，电源车欠压保护装置动作，多次试验也造成了起动发电机配套的起动控制器内部支撑电容单元发生爆炸。为解决该故障，从该型起动发电机的试飞装机状态和地面试车状态进行对比，结合起动系统的工作原理进行了研讨分析。
3 起动系统工作原理
该型动力装置起动系统功率拓扑图如图1所示。
地面三相115V/400Hz交流电源经交流起动控制器内的三相桥式不可控整流单元后可得到280V直流电压;当内部检测单元检测到280V直流电压达到标准并且电压值稳定后，软上电单元接通;280V直流电源经支撑电容单元滤波后，再由逆变单元将直流电源进行逆变，并采用SVPWM方式进行调制。SVPWM方法将逆变单元和异步电机看做一个整体（正弦波产生的旋转磁场带动电机的转子旋转），即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域里，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变单元的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变单元的开关状态，从而形成PWM波形。如图2所示。
4 理论分析
如图1所示，将起动电源中线点记为O，电机中线点记为N，控制器线支撑电容的负端为零电平，记为G。起动电源三相115V/400Hz交流电源经过三相全桥不控整流电路后可得到280V的直流电压，即控制器的直流母线电压UDC=280V。根据三相全桥不控整流电路接电容负载的运行原理可知，图中起动电源中线点O对G点的电压UOG为直流母线电压的一半，即140V，且由于三相全桥不控整流的作用，UOG中会含有频率为1200Hz（交流电源频率的3倍）的谐波分量。因此UOG可表示为：
UOG=140+U1sin（2π·1200·t） （1）
注：U1为起动电源的相电压，单位为伏/V;t为通电时间，单位为秒/S。
图中电机中线点N对G点的电压UNG。以逆变单元开关过程第一扇区为例进行分析说明。在第一扇区，三个桥臂上管在一个载波周期内的开通情况如图3的上部分所示。根据功率管的开通情况可以获取UNG在该载波周期内的波形如图3的下部分所示。 从图3中可以看出，UNG的平均值为140V，且其峰峰值为直流母线电压，即280V。因此UNG可表示为：
UNG=140+（峰峰值为280V、频率为载波频率的脉宽调制波） （2）
电机中线点N与起动电源中线点O的电压差UNO可表示为：
UNO=UNG-UOG（3）
得到：
UNO=U1sin（2π·1200·t）+（峰峰值为280V、频率为载波频率的脉宽调制波） （4）
由公式（4）可以看出：电机中线点N与起动电源中线点O的电压差为两个交流波形的叠加，即包括一个频率为1200Hz的正弦波和一个频率为载波频率、峰峰值为280V的调制波。当地面电源N线与电机N线通过飞机蒙皮短接在一起时，在起动过程中会产生较大的短路电流，引起地面电源电压大幅降低，造成地面电源车过流、欠压保护。
5 试验验證
为了对机上出现的问题在试验室进行验证并分析原因，搭建了该型交流起动发电系统试验台，进行相关试验。试验产品为装机同型号的产品，按交路起动控制器试验线路图进行接线，并将起动电源的N线与电机的N线通过电阻连接，然后进行起动试验，加相关测试线，进行280V母线电压、起动电源输出相电流、电机相电流、电机励磁电流、N线回路电阻上的电压及电流测试。如图4所示。
逐渐减小N线回路中功率电阻的阻值大小，监测起动电源电流值和N线回路电阻上的电压及电流值的变化趋势。通过对试验数据的分析，得出如表1和图5所示的结论。
通过试验结果可以看出，随着N线回路中电阻值的逐渐减小，电阻上的电流及起动电源输出电流值逐渐变大，并成比例增大，电阻上的电压波形及幅值基本不变。从试验可以推断，当N线回路中电阻减小到一定值直至短路时，在N线回路中将产生巨大的短路电流，该电流从起动电源输出到起动控制器，并通过电机N线回到起动电源的N线，造成地面电源电压迅速拉低，起动控制器内部电容被击穿以致发生爆炸。如图6所示。
6 解决方案
为解决某型动力装置交流起动发电系统在起动过程中地面电源N线与电机N线不能短接的问题，在地面起动电源的N线与电机的N线之间增加一个接触器，如图7所示。该接触器由交流起动控制器控制，在起动时交流起动控制器输出直流28V电源，中线隔离接触器吸合，使电机的N线与地面电源的N线断开;电机转为发电状态时，交流起动控制器无电压输出，中线接触器断开，电机N线接至机壳。
7 结论
该型动力装置在起动过程中，电机中线与起动电源中线必须采取隔离，否则会发生短路危险，经过多次试验验证，采用增加中线接触器的方法方便快捷，可以有效地解决某型动力装置在起动过程中拉低地面电源电压的问题。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009.
[2]戴文进，肖倩华.电机与电力拖动基础[M].机械工业出版社，2010.
[3]方俊初，凌有铸.SVPWM调制异步电机矢量控制系统的原理与仿真[J].自动化技术与应用，2006，25（4）：54-56.
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