基于Saber的飛機發(fā)電機并聯(lián)建模與仿真研究

摘 要：針對典型發(fā)電機并聯(lián)供電性能的檢測仍借助人工測試完成，對其進行真實的物理實 驗跟蹤記錄較為困難等問題，提出利用微增量法建立低壓直流發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型，采用平均電流 均流法建立發(fā)電機并聯(lián)控制模型。在Saber仿真環(huán)境下建立并聯(lián)系統(tǒng)分別模擬飛機發(fā)電機在穩(wěn)定 狀態(tài)、投入切除并聯(lián)及突加突卸負(fù)載狀態(tài)下系統(tǒng)的運行情況。仿真結(jié)果表明，建立的模型真實有 效、仿真精度高，能為真實的電機設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：直流發(fā)電機；并聯(lián)建模；自動均流法；仿真

中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）06-0055-04

ParallelModelingandSimulationofAircraft GeneratorBasedonSaber

ZHUYaFen，GUOLei，LIUYuLiang，ZHAOLong

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Thedetectionoftypicalgeneratorpowersupplycapacityisstilldonebymeansofmanual tests，itsactualphysicalexperimentsaredifficulttokeeptrackof.Thispaperestablishesamathematical modeloflowvoltageDCgeneratorwiththemicroincrementmethod，andusestheaveragecurrentmethod toestablishthegeneratorcurrentsharingcontrolmodel.UnderSabersimulatingconditions，theparallel systemisestablishedtosimulatetheoperationofaircraftgeneratorssysteminstatesofsteady，inputand thesuddenremovalof，andloadunload.Simulationresultsshowthatthemodelisvalid，simulationaccu racyishigh，andcanprovidesareferenceforanactualgeneratordesign.

Keywords：DCgenerator；parallelmodeling；currentsharingcontrol；simulation

0 引 言

在飛機發(fā)明后的半個世紀(jì)里，由發(fā)電機供電 的飛機電源系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。然而，直流發(fā)電 機由于體積小、簡單可靠、整體維護性好、全周期 維護費用不高等諸多優(yōu)點，如今在小飛機上仍舊 廣泛使用[1]。隨著航空作戰(zhàn)任務(wù)及供電需求的增 多，發(fā)電機并聯(lián)供電逐漸成為一種趨勢[2]；負(fù)載的 突然變化對并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的浪涌尖峰可能引起機載電子系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作[3]，因此對系統(tǒng)的并聯(lián)控 制要求也越來越高。在實際應(yīng)用中，電源系統(tǒng)性能 的檢測一直采用傳統(tǒng)的人工測試[4]，測試精度不 高。本文采用現(xiàn)代計算機仿真方法，建立飛機主電 源系統(tǒng)中帶有均流調(diào)壓控制的發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)模 型。用SaberScope直接觀測負(fù)載變化對發(fā)電機電 壓的影響，取代許多繁瑣的人工分析[4]，縮短測試 時間，減少測試成本，且為今后發(fā)電機及控制系統(tǒng) 中各參數(shù)的修正及優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

1 直流發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)

主電源部分包括發(fā)電機和發(fā)電機控制器[5]。

近些年來，隨著用電容量及質(zhì)量要求的日益提高， 單臺發(fā)電機也逐漸不能滿足日益提高的供電需求。 然而，在系統(tǒng)并聯(lián)情況下，兩套完全相同的電源系 統(tǒng)由于制造工藝的不同，使得其外特性產(chǎn)生一定 誤差，由于這些誤差的不可避免性，電源系統(tǒng)在直 接并聯(lián)的情況下，外特性差的發(fā)電機運行于輕載 或空載狀態(tài)，而電壓調(diào)整率相對較小、外特性較好 的發(fā)電機則會承擔(dān)較多的電流或過載。這樣的長 期運行，承擔(dān)電流較多的模塊，損壞的可能性變 大，系統(tǒng)的可靠性變低。系統(tǒng)運行于大負(fù)載情況 下，若各個模塊輸出電流相差較大，會導(dǎo)致輸出電 流最大的模塊最先達(dá)到最大電流限制，引起系統(tǒng) 的保護模塊動作，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

針對上述情況，本文將建立一個雙裕度供電 能力的電源系統(tǒng)，研究發(fā)電機的并聯(lián)供電性能。系 統(tǒng)包括發(fā)電機模塊及其并聯(lián)控制模塊。并聯(lián)控制 模塊中的調(diào)壓部分將并聯(lián)發(fā)電機的輸出電壓調(diào)整 到符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求，其功率部分則依據(jù) 均流調(diào)壓控制的信號給發(fā)電機提供勵磁電流。系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于Saber的建模

2.1 基于Saber對發(fā)電機的建模

本文利用Saber建立發(fā)電機的主電路和勵磁回 路的數(shù)學(xué)模型。在建立發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型前，為分 析方便，將發(fā)電機的主電路進行簡化處理[6-8]，如 圖2所示。由圖2可以得到發(fā)電機的電樞電動勢方 程式為

式中：Ra由發(fā)電機電樞繞組的電阻ra和發(fā)電機正 端引線電阻r+組成；Ea為發(fā)電機電樞電勢；Ia為 發(fā)電機電樞電流；La為電樞繞組電感；U為電網(wǎng)電壓；R為電網(wǎng)負(fù)載電阻；I為電網(wǎng)負(fù)載電流；Ij為勵 磁電流；Lj為勵磁繞組電感；rj為勵磁繞組等效電 阻。

發(fā)電機的額定功率為6W，額定電壓28.5V， 額定電流200A，根據(jù)負(fù)載及技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求， 采用單一變量法，取勵磁電流占空比為30%，即 σ=30%，得到發(fā)電機Saber仿真模型如圖4所示。

2.2 基于Saber對并聯(lián)控制模塊的建模

并聯(lián)均流控制[9]的實質(zhì)是調(diào)節(jié)輸出電壓。調(diào) 壓模塊包括檢測比較電路、脈沖調(diào)制電路及功率 放大電路。檢測比較電路的主要功能是按一定的 比率要求檢測發(fā)電機調(diào)壓點的電壓，構(gòu)成電壓負(fù) 反饋。脈寬調(diào)制電路是將振蕩電路的輸出信號和 基準(zhǔn)電壓信號相互疊加，并和檢測比較電路的輸 出信號進行比較，產(chǎn)生一個脈沖寬度隨電壓誤差 信號變化而變化的矩形脈沖電壓信號。

當(dāng)多臺并聯(lián)時，電源本身自動調(diào)整各自的輸 出電壓，但此時僅僅靠調(diào)壓模塊的作用，已不足 以完成發(fā)電機的無功功率平均分配。其關(guān)鍵是讓 負(fù)載電流參與到環(huán)路的調(diào)整系統(tǒng)中來，形成雙環(huán) 的控制系統(tǒng)。負(fù)載電流參與到系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié) 個體電源誤差來調(diào)節(jié)勵磁電壓的占空比，使輸出 的電流得以平均分配，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目 的。同時，平均電流均流法采用電流環(huán)和電壓環(huán) 雙環(huán)控制方式，電流環(huán)可以抑制均流母線上產(chǎn)生 的噪音，而電壓環(huán)調(diào)整輸出電壓，使均流系統(tǒng)具 有良好的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，并聯(lián)控制電路主要由 均流電流、電流檢測網(wǎng)絡(luò)、放大器、分壓電路、 檢測點電壓、比較器、功率放大電路、基準(zhǔn)電壓、 電流反饋信號和勵磁電路等組成。根據(jù)上述分析 進行相應(yīng)的模塊搭建，建立并聯(lián)控制方框圖如圖 5所示。

根據(jù)參數(shù)匹配調(diào)試，得到并聯(lián)均流控制Saber 仿真模型如圖6所示。

3 仿真與分析

3.1 投入切除故障電機時并聯(lián)系統(tǒng)暫態(tài)性能

（1）研究并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)性能，仿真發(fā)電機 投入并聯(lián)過程：起初1號發(fā)電機運行于滿載情況 下，2號發(fā)電機未投入運行；1s以后2號發(fā)電機投 入滿載狀態(tài)運行。仿真波形如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)只有一臺發(fā)電機發(fā)電時，負(fù) 載所需的電流200A全部由一臺發(fā)電機來提供；當(dāng) 兩臺發(fā)電機投入并聯(lián)運行時，兩臺發(fā)電機各提供 負(fù)載所需電流的一半，實現(xiàn)負(fù)載電流的平均分配， 輸出電流穩(wěn)定，且滿足額定電流設(shè)計要求。

（2）仿真發(fā)電機故障切除并聯(lián)過程：起初兩 臺發(fā)電機運行于半載情況下，1s以后一臺發(fā)電機 因故障而切除，另一臺發(fā)電機正常運行。仿真波形 如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，并聯(lián)系統(tǒng)在突然投入、切除發(fā) 電機時，控制器迅速響應(yīng)，由各自提供100A電流 轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌_電機單獨提供200A，輸出電流穩(wěn)定， 滿足額定電流設(shè)計要求。

3.2 突加突卸負(fù)載時系統(tǒng)的暫態(tài)均流性能

（1）突加突卸模式下均流能力檢測

為發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)接入π型負(fù)載，分別變化 發(fā)電機的加載情況來驗證并聯(lián)系統(tǒng)的均流能力。1 號發(fā)電機運行于10%—85%—10%突加突卸負(fù)載 模式，2號發(fā)電機空載運行。仿真波形如圖9所 示。

國軍標(biāo)規(guī)定[10]：發(fā)電機控制器負(fù)載均流偏差 應(yīng)小于額定電流的10%，即20A。由圖9看出，并 聯(lián)系統(tǒng)的均流偏差為0.1A左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國軍標(biāo) 規(guī)定值，由此可見，均流控制滿足要求且精度較 高，具有良好的穩(wěn)態(tài)均流性能。

（2）突加突卸負(fù)載模式下浪涌電壓檢測

1號發(fā)電機運行于10%—85%—10%突加突 卸負(fù)載模式，2號發(fā)電機滿載運行。仿真波形如圖 10所示。

國軍標(biāo)規(guī)定[10]：低壓直流電源系統(tǒng)浪涌尖峰穩(wěn)態(tài)極限為18～50V，據(jù)此本仿真尖峰需在0.08 s內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)電壓22～29V。由圖10看出，突 加負(fù)載時，電壓瞬間降低，在0.019s時恢復(fù)至 22.2V；突卸負(fù)載時，電壓瞬間升高，在0.06s時 恢復(fù)至29V，響應(yīng)較快，在國軍標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)。由 此可見，雙發(fā)并聯(lián)系統(tǒng)的浪涌電壓檢測滿足要求， 且具有較強的浪涌電壓恢復(fù)能力。

4 結(jié) 論

本文利用Saber軟件建立了飛機直流并聯(lián)供電 系統(tǒng)的仿真模型，模型真實有效，仿真表明系統(tǒng)在 滿足額定功率、額定電壓、額定電流設(shè)計要求基礎(chǔ) 上，在突加突卸狀態(tài)下快速響應(yīng)，結(jié)果符合國軍標(biāo) 規(guī)定，建立的模型為今后發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計及參 數(shù)修正提供了依據(jù)，可代替真實試驗中的人工測 試，提高試驗效率，降低試驗成本。同時，該模型 還具有較好的擴展性，可以在此基礎(chǔ)上增加保護 模塊、二次電源、負(fù)載模塊等，模擬全套的飛機電 源系統(tǒng)。

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