Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine. II. Hardware prototype

The feasibility of operation of a new procedure to start a jet engine (JE) and to generate power by means of a single induction machine (IM) directly coupled to the turbine has been shown by means of a hardware prototype. An introduction, background, operation principle of this type of a system and software simulation portion was presented in Part I. Both in software simulation and in the experimental phase of the studies the JE is replaced by a DC machine. The DC machine is brought to an initial speed by the motoring operation of the IM. Later, the IM is taken into generating mode and the DC machine is into motoring mode of operation. This mode would correspond to the turbine catch-up initiation phase and initiate driving phase of the induction generator in the actual world. The generated power is then converted to a three-phase, 400 Hz (in software), 60 Hz (in hardware), 115 V voltage-regulated bus via a double stage power conversion utilizing a 20 kHz parallel resonant high frequency AC link and pulse density modulated converter technology. Independent of the coupled machine speed, a constant amplitude and constant frequency three-phase voltage-regulated AC bus is formed and maintained by the proper control of the power converters.     

High power factor AC/DC/AC converter with random PWM

A three-phase AC/DC/AC converter is presented with a power factor preregulator to improve the power quality in the input side and a pseudorandom noise generator to reduce the emitted acoustic noise and the mechanical vibration for an induction motor drive. The space vector modulation with hysteresis current control for a voltage source rectifier is adopted to simplify the hardware circuit. A control scheme is presented to drive the supply current following the reference current. The amplitude of reference current for the pulsewidth modulation (PWM) rectifier is derived from the DC bus voltage regulator and the estimated output power. Random switching frequency technique for a three-phase PWM inverter system to reduce the annoying tonal noise and resonant vibration from an induction motor is described. By randomly varying the instantaneous PWM switching frequency from one cycle to the next, the frequency distribution of harmonics is spread in a wide frequency range. The major advantage for using such a strategy is the nonrepetitive output spectral characteristic that results in reduction of torque pulsations in motor drive systems. The nearly unity power factor at the three-phase rectifier and the absence of acoustic noise concentrated at the specific tones which is usually present with conventional sinusoidal modulation are verified by the experimental tests     

Output Power Controller for a Wind-Driven Induction Generator

A constant stator power output controller for a wind-driven grid-connected induction generator is described. The load torque of the generator is controlled by varying the rotor resistance electronically. A dynamic model for the wind energy conversion system is proposed for both controlled and uncontrolled operation.The model is then used to predict the changes in shaft speed,turbine torque, and stator power output in response to change in wind speed. Data pertaining to a 60 kW commercial wind turbine generator is used in this investigation. Results based on analog computer simulation demonstrate the feasibility of the controller for scheduling a desired power output from the induction generator.Results of the tests on a laboratory induction generator driven by amicrocomputer-controlled dc motor drive simulating the characteristics of the wind turbine are included.     

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

涡轴发动机动力涡轮转子失去负载转速预测

为满足发动机适航规章CCAR33.27对涡轮失去负载时转子完整性的设计要求,研究涡轮失去负载瞬间转速随时间变化规律。采用多点稳态法对动力涡轮超转瞬时气动效率与转速对应关系进行研究,在此基础上,假设动力涡轮进口燃气能量不变,进而分析动力涡轮扭矩与转速的变化关系。然后采用理论力学和工程分析相结合的方法建立了动力涡轮失去负载瞬间转子转速随时间变化预测模型,并采用整机试验数据对该模型进行了验证,证明了该预测模型的合理性和准确性,建立的预测模型可为动力涡轮强度和超转保护设计提供理论依据。研究结果表明,动力涡轮转子失去负载后转速在200～300 ms上升至160%,接近大部分轮盘破裂转速,需要在涡轴发动机超转保护设计中引起足够重视。      

WZ-5发动机改装高温涡轮的试验研究及分析

WZ- 5发动机改装 WJ5A- 1发动机的高温涡轮,在工程上单台发动机总寿命已安全运行达 10 0 0 0 h,现已证明 :结构设计及改进是成功的;WJ5A- 1发动机的前二级燃气涡轮与压气机基本上是匹配的;燃气涡轮第一级导向器与动力涡轮导向器面积调整是合理的;在相对换算转速为0.95时,其喘振裕度与 WZ- 5发动机基本上一样;动力涡轮导向器面积总共放大了 5.32 %,对燃气涡轮特性没有带来很大影响。      

发动机的涡轮导向器面积、喷口直径等匹配参数调整的计算方法研究和应用

在双轴式涡轮喷气发动机中 , 及 级涡轮导向器面积和尾喷口面积匹配关系影响到发动机工作稳定性、可靠性和性能。本文用计算分析方法进行了研究 ,推导出便于编程计算的 6个方程 ,用低压涡轮功等于某一常数代替低压转子转速为常数的调节方案 ,并用发动机台架实测参数确定部件某些系数 ,计算仅在设计转速上进行。计算结果指导了某新研发动机三面积的调整 ,获得合适的三面积调整范围 ,解决了该发动机的调整参数匹配问题 ,按本方案调整的发动机经外场使用表明工作稳定、可靠     

基于预测扭矩前馈的涡轴发动机内模控制方法

基于内模原理设计了涡轴发动机功率涡轮转速控制器.针对主旋翼扭矩变化对功率涡轮转速的干扰,提出了一种基于极端学习机的扭矩预测方法.极端学习机训练基于动态仿真数据,其输入通过相关分析获得.基于内模原理的功率涡轮转速控制器采用极点配置的设计方法,将输入信号的内模直接加入控制器,实现鲁棒跟踪.扭矩前馈采用比例微分(PD)控制策略,实现对发动机负载变化干扰的有效补偿.数字仿真结果表明:极端学习机扭矩预测精度高,扭矩相对误差小于1.5‰,与不加前馈控制相比,所提出的控制方法减小了机动飞行过程中功率涡轮转速的超调或下垂30%以上.      

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

航空发动机整机性能仿真中的功率平衡方法

提出了一种在CFD三维整机仿真中实现功率平衡的计算方法。推导确定了决定平衡关系的关键变量:涡轮前温度与物理转速。提出了基于稳态流场和功率经验关系实现功率平衡的数值迭代方法。本文将该迭代方法与CFD三维求解耦合,发展了一种可用于三维整机CFD耦合仿真的功率平衡计算方法。采用该功率平衡计算方法对MTJ-80涡喷发动机开展了三维整机CFD数值计算,实现了整机性能三维仿真与控制规律的耦合和预测。在控制燃油量不变的条件下,通过转速迭代可以实现压气机和涡轮的功率差小于0.1%,可以预测固定燃油供给量条件下所能达到的稳态运转转速。在控制转速不变的条件下,通过调节燃油量实现压气机和涡轮的功率差小于0.15%,可以预测固定转速条件下的燃油流量。数据验证结果表明:该功率平很给计算方法可以与CFD三维整机计算耦合,并且具有很强的收敛性,解决了以往整机三维性能仿真过程中的功率不平衡问题。      

Wind Power System Using an Adaptive Sherbius Induction Machine

A wind turbine driven variable speed power generation system using a static Sherbius scheme in the generation mode is described. A control methodology to adapt the power output characteristics of double output induction generator to the output characteristics of the driving turbine is proposed. The control scheme has been implemented and experimental test results show that the induction machine can be made to adapt to the desired characteristics.     

直升机扭振固有频率测量试验方法

直升机扭振与FADEC控制的耦合具有强大的破坏作用,在FADEC中必须采取有效措施防止这种共振,有必要通过试验的方法测量扭振的固有频率。独创性地设计了用于直升机扭振固有频率测量的新方案:采用颤振扫频技术,直接对FADEC系统动力涡轮转速给定值进行激励,通过闭环系统对发动机动力涡轮转速进行扫频激励的方法,获取了直升机扭振系统不同工作模态下的扭振频率点。试验结果表明:该新方法能够在直升机平台准确地获取扭振固有频率。     

基于 MATLAB的交流电源频率调节环路仿真

在介绍某型恒频交流电源频率调节环路的组成和工作原理的基础上，分析了频率调节环路各组成部分的数学模型，建立了频率调节环路总的数学模型。文章重点讨论了某型发动机在中转速中负载状态下，改变滤波整形放大电路频率调节环路前向通道和反馈通道参数对系统动静态特性产生的影响。利用MATLAB仿真工具对系统进行了变参数仿真，得出了相应的仿真曲线，并对仿真结果进行了动静态特性分析。该仿真结果具有很好的应用价值。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

起动发电机在中国大型客机上的应用

变频交流（AC）发电机在三级式恒频交流同步发电机的基础上发展而来，其宽的变速工作范围给发电机系统带来了新的特点，而变频交流起动发电机又是在变频交流发电机基础上进一步发展的，其运行条件及工作特性更为复杂。首先介绍变频交流发电机的结构特点，并给出其设计关键点以及变频工作对发电系统的影响；进一步针对变频交流起动发电机新增的起动功能，重点分析起动工作时励磁机的两种工作方式，并给出建议的工作方式。通过分析现有变频交流起动发电机及其起动发电系统，指出进一步提高其功率密度和效率是完全可能且必要的，从而为其在中国未来大型客机上的应用和发展提供参考与建议。     

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

Implementation of nondeterministic pulsewidth modulation forinverter drives

A single-phase power factor preregulator to improve the power quality in the input side of an ac/dc/ac converter and a random pulsewidth modulation (PWM) to reduce the emitted noise energy and the mechanical vibration for an induction motor drive is proposed. The hysteresis current control (HCC) technique for a voltage source switching mode rectifier (SMR) is adopted. A control scheme is presented such that the line current is driven to follow the reference current which is derived from the dc bus voltage regulator and the output power estimator. A random pulse position technique for a three-phase voltage source inverter system to reduce the noise energy and resonant vibration from ac machine drive is described. By randomly varying the instantaneous pulse position in each switching frequency, the frequency distribution of harmonics is spread in a wide frequency range which results in reduction of torque pulsations in the ac motor drive systems. To investigate the proposed control scheme, experimental tests based on a laboratory prototype were implemented to show the nearly unity power factor at the SMR and reduce the noise energy concentrated at the specific tones     

美国高超声速涡轮基组合循环发动机的进展及分析

旨在为未来空天动力技术研究和产品研制提供参考与借鉴。综述了美国高超声速涡轮基组合循环(TBCC)发动机的进展,重点对与涡轮发动机有关的预研计划进行详细描述,如国家空天飞机(NASP)计划、高速推进评估(Hi SPA)计划、猎鹰组合循环发动机试验(Fa CET)计划等。总结与归纳了TBCC发动机的研究发展的特点:TBCC发动机一直是高超声速飞行器研究的关键技术;目前涡轮发动机的首选是现有涡轮发动机改进,未来可能选择正在预研的高速涡轮发动机或自适应发动机;冲压发动机和模态转换技术已经取得明显进展,但还需长期深入验证。