CN110752731A - 超同步和亚同步状态均能协同供电的rat发电机及发电*** - Google Patents

超同步和亚同步状态均能协同供电的rat发电机及发电*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机及发电***，所述RAT发电***输出可为交流或直流，超同步状态下，转子侧与定子侧可并联向同一交流/直流汇流条供电，或分别向不同汇流条供电；亚同步状态下，RAT发电机控制器可通过定子侧输出或蓄电池，进行电能变换，对转子进行交流励磁，实现亚同步发电，同时可实现RAT发电机全飞行包线不切出，RAT发电机与蓄电池协同供电的构型。

Description

超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机及发电***
技术领域
本发明属于航空电气***领域，具体涉及一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机及发电***。
背景技术
RAT发电机是安装在飞机机腹的应急小型风力发电机，其作用是在引擎停车、燃油耗尽或者主发电***故障后，供给飞机能维持操纵的紧急电力。
当前RAT发电***主要由RAT发电机以及发电机控制器组成，RAT发电机主要有三种类型：三级式发电机(TSSM)、整体传动发电机(IDG)，或永磁发电机(PMG)；发电机控制器具备RAT发电机输出电压调节、***保护、接触器控制、冲压空气涡轮复位等功能。
当前传统RAT发电***的共性问题是RAT发电机容量随飞机相对空气的速度(空速)的下降而降低，某型RAT发电***(额定容量50kW)输出功率与空速及飞行高度的关系如图1所示。
随着多电技术的发展，对RAT发电***的容量要求越来越高，如仍采用传统RAT发电***的功率拓扑，在不改变RAT发电***配套机械部分设计的情况下，RAT发电***由于容量不足离线，采用主蓄电池供电，对应主蓄电池设计容量需要增加，***重量增加，飞机运行经济性降低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机，所述RAT发电机为绕线式转子电机，其特征在于，所述RAT发电机包括转轴、定子、转子、励磁绕组、集电环和电刷，所述定子和转子包覆在转轴的一端，所述励磁绕组绕设于所述转子外，所述定子连接在励磁绕组外侧，所述集电环包覆在转轴的另一端，所述电刷连接在集电环外侧；
进一步地，所述励磁绕组为三厢转子绕组，所述励磁绕组一端星型连接，另一端与所述电刷连接，其中，亚同步状态是指，发电机控制器通过电刷向励磁绕组注入励磁电流，超同步状态是指，发电机控制器通过电刷将励磁绕组中剩余能量进行馈网发电；
进一步地，所述RAT发电机还包括机箱、机座和电刷罩，所述定子、转子和励磁绕组均设置在机箱内，所述机座设置在机箱下方，所述集电环和电刷位于所述电刷罩内，所述转轴一部分设置在机箱内，另一部分设置在电刷罩内；
进一步地，一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电***，所述发电***包括RAT发电机和RAT发电机控制器，所述RAT发电机一端连接变速箱，另一端连接RAT发电机控制器，所述RAT发电机输出定子侧电压，所述RAT发电机控制器输入/输出转子侧电压；
进一步地，所述RAT发电机控制器为电能变换装置，所述电能变换装置在超同步状态下，将转子输出电能进行电能变换，完成RAT发电机转子、定子协同发电；在亚同步状态下，所述电能变换装置从电机定子端取电，进行电能变换，通过对转子进行交流励磁，完成亚同步转速发电；
进一步地，所述发电***在超同步状态下，转子侧与定子侧并联向同一交流/直流汇流条供电，或分别向不同汇流条供电；
亚同步状态下，RAT发电机控制器通过定子侧输出或蓄电池进行电能变换，对转子进行交流励磁，完成亚同步发电，所述RAT发电机全飞行包线不切出，RAT发电机与蓄电池协同供电；
进一步地，所述RAT发电机控制器包括AC/DC变换装置和DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置连接DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置和DC/AC变换装置同时通过直流触控器连接蓄电池；
进一步地，所述DC/AC变换装置通过交流触控器连接RAT发电机，所述DC/AC变换装置连接交流汇流条；
进一步地，所述AC/DC变换装置连接RAT发电机；
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过对发电机转子进行交流励磁的方式，对RAT发电机的变速恒频或变速变频控制，从而大大拓宽RAT发电***工作对应的空速范围，同时提高RAT发电***功率密度；
2、本发明在高空速时，可允许RAT发电机轴上输入转速超过发电机定子同步转速，通过定子、转子同时发电提高整机功率密度，并按照额定电频率输出；
3、本发明在低空速时，可允许RAT轴上输入转速低于发电机定子同步转速，通过在转子回路中通入励磁电流使RAT发电机按照额定电频率输出，拓宽RAT发电***工作对应的空速区间。
4、本发明所述发电***预计可在30KCAS实现额定容量50kW输出；
5、本发明在不改变传统RAT发电***配套机械部分设计的情况下，克服了RAT发电***由于容量不足离线，采用主蓄电池供电的问题，飞机运行的经济性显著提高。
附图说明
图1为传统RAT发电***容量变化趋势图；
图2为传统RAT发电***功率拓扑图；
图3为本发明RAT发电***功率拓扑图；
图4为本发明RAT发电机结构图；
图5为本发明RAT发电机等值电路图；
图6为本发明超同步运行时本发明RAT发电机功率流向图；
图7为本发明亚同步运行时本发明RAT发电机功率流向图；
图8为本发明RAT发电***设计实例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
本发明提供一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机及发电***，所述RAT发电机为绕线式转子电机，如图4所示，所述RAT发电机包括转轴、定子、转子、励磁绕组、集电环、电刷、机箱、机座和电刷罩，所述定子和转子包覆在转轴的一端，所述定子连接在转子外侧，所述励磁绕组的，所述集电环包覆在转轴的另一端，所述电刷连接在集电环外侧。所述定子、转子和励磁绕组均设置在机箱内，所述机座设置在机箱下方，所述集电环和电刷位于所述电刷罩内，所述转轴一部分设置在机箱内，另一部分设置在电刷罩内。所述励磁绕组本质为三厢转子绕组，缠绕在转子铁芯上，绕组一端星型连接，一端与电刷连接，亚同步状态，发电机控制器通过电刷向励磁绕组注入励磁电流，超同步状态，发电机控制器通过电刷将励磁绕组中剩余能量进行馈网发电。
本发明所述发电***包括RAT发电机和RAT发电机控制器，如图3所示，所述RAT发电机一端连接变速箱，另一端连接RAT发电机控制器，所述RAT发电机输出定子侧电压，所述RAT发电机控制器输入/输出转子侧电压所述RAT发电机控制器为电能变换装置，所述电能变换装置在超同步状态下，将转子输出电能进行电能变换，完成RAT发电机转子、定子协同发电；在亚同步状态下，所述电能变换装置从电机定子端取电，进行电能变换，通过对转子进行交流励磁，完成亚同步转速发电，所述发电***在超同步状态下，转子侧与定子侧并联向同一交流/直流汇流条供电，或分别向不同汇流条供电；亚同步状态下，RAT发电机控制器通过定子侧输出或蓄电池，进行电能变换，对转子进行交流励磁，完成亚同步发电，所述RAT发电机全飞行包线不切出，RAT发电机与蓄电池协同供电。
本发明通过对发电机转子进行交流励磁的方式，实现本发明RAT发电机的变速恒频或变速变频控制，从而大大拓宽RAT发电***工作对应的空速范围，同时提高RAT发电***功率密度。高空速时，可允许RAT发电机轴上输入转速超过发电机定子同步转速，通过定子、转子同时发电提高整机功率密度，并按照额定电频率输出；低空速时，可允许RAT轴上输入转速低于发电机定子同步转速，通过在转子回路中通入励磁电流使RAT发电机按照额定电频率输出，拓宽RAT发电***工作对应的空速区间。在不改变图1RAT发电***配套机械部分设计的情况下，若采用本发明RAT发电***，预计可在30KCAS实现额定容量50kW输出。
传统的RAT发电***功率拓扑如图2所示，RAT发电***由RAT发电机(三级式发电机)、RAT发电机控制器两部分组成。
本发明所述RAT发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向汇流条馈电，本发明所述RAT发电机属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数。
本发明所述RAT发电机的等值电路如图5所示，其中发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率S按转子转速小于同步转速为正。
图中，Rs、Xs分别为定子电阻与漏抗；Rr’、Xr’分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗；Xm为激磁电抗；Us、Es、Is分别为定子侧电压、感应电势和电流；Ur、Is分别为转子侧电压、和电流。
RAT轴上输入的净机械功率(扣除损耗后)为Pmech，RAT发电机定子向汇流条输出的电磁功率为P1，转子输入/输出的电磁功率为P2，s为转差率，转子转速小于同步转速时为正，反之为负。P2又称为转差功率，它与定子的电磁功率存在如下关系：
P2＝|s|P1
当RAT输入机械转速超过RAT发电机同步转速时(超同步)，功率流如图6所示。
根据图6中的功率流向和能量守恒原理，流入的功率等于流出的功率，转差率s<0。
Pmech＝P1+|s|P1＝(1+|s|)P1
当RAT输入机械转速低于RAT发电机同步转速时(亚同步)，功率流如图7所示。
根据图7中的功率流向和能量守恒原理，流入的功率等于流出的功率，转差率s>0。
Pmech+|s|P1＝P1
本发明所述RAT发电机控制器本质为电能变换装置，在超同步状态下，本发明所述RAT发电机控制器将转子输出电能进行电能变换，实现RAT发电机转子、定子协同发电；在亚同步状态下，本发明RAT发电机从电机定子端取电，进行电能变换，通过对转子进行交流励磁，实现亚同步转速发电。
本发明所述RAT发电机控制器主要用于在超同步状态下，将转子输出交流变为交流或直流；在亚同步状态下，将直流或交流变为交流向转子供电，进行交流励磁。
本发明所述RAT发电***输出可为交流或直流，超同步状态下，转子侧与定子侧可并联向同一交流/直流汇流条供电，或分别向不同汇流条供电；亚同步状态下，RAT发电机控制器可通过定子侧输出或蓄电池，进行电能变换，对转子进行交流励磁，实现亚同步发电，同时可实现RAT发电机全飞行包线不切出，RAT发电机与蓄电池协同供电的构型。
本发明所述RAT发电***设计实例，如图8所示，所述RAT发电机控制器包括AC/DC变换装置和DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置连接DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置和DC/AC变换装置同时通过直流触控器连接蓄电池，所述DC/AC变换装置通过交流触控器连接RAT发电机，所述DC/AC变换装置连接交流汇流条，AC/DC变换装置连接RAT发电机。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电机，所述RAT发电机为绕线式转子电机，其特征在于，所述RAT发电机包括转轴、定子、转子、励磁绕组、集电环和电刷，所述定子和转子包覆在转轴的一端，所述励磁绕组绕设于所述转子外，所述定子连接在励磁绕组外侧，所述集电环包覆在转轴的另一端，所述电刷连接在集电环外侧。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述励磁绕组为三厢转子绕组，所述励磁绕组一端星型连接，另一端与所述电刷连接，其中，亚同步状态是指，发电机控制器通过电刷向励磁绕组注入励磁电流，超同步状态是指，发电机控制器通过电刷将励磁绕组中剩余能量进行馈网发电。
3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述RAT发电机还包括机箱、机座和电刷罩，所述定子、转子和励磁绕组均设置在机箱内，所述机座设置在机箱下方，所述集电环和电刷位于所述电刷罩内，所述转轴一部分设置在机箱内，另一部分设置在电刷罩内。
4.一种超同步和亚同步状态均能协同供电的RAT发电***，基于上述权利要求1-3之一所述的发电机，其特征在于，所述发电***包括RAT发电机和RAT发电机控制器，所述RAT发电机一端连接变速箱，另一端连接RAT发电机控制器，所述RAT发电机输出定子侧电压，所述RAT发电机控制器输入/输出转子侧电压。
5.根据权利要求4所述的发电***，其特征在于，所述RAT发电机控制器为电能变换装置，所述电能变换装置在超同步状态下，将转子输出电能进行电能变换，完成RAT发电机转子、定子协同发电；在亚同步状态下，所述电能变换装置从电机定子端取电，进行电能变换，通过对转子进行交流励磁，完成亚同步转速发电。
6.根据权利要求5所述的发电***，其特征在于，所述发电***在超同步状态下，转子侧与定子侧并联向同一交流/直流汇流条供电，或分别向不同汇流条供电；
亚同步状态下，RAT发电机控制器通过定子侧输出或蓄电池进行电能变换，对转子进行交流励磁，完成亚同步发电，所述RAT发电机全飞行包线不切出，RAT发电机与蓄电池协同供电。
7.根据权利要求6所述的发电***，其特征在于，所述RAT发电机控制器包括AC/DC变换装置和DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置连接DC/AC变换装置，所述AC/DC变换装置和DC/AC变换装置同时通过直流触控器连接蓄电池。
8.根据权利要求7所述的发电***，其特征在于，所述DC/AC变换装置通过交流触控器连接RAT发电机，所述DC/AC变换装置连接交流汇流条。
9.根据权利要求7所述的发电***，其特征在于，所述AC/DC变换装置连接RAT发电机。
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