基于Simscape航空三級式起動/發(fā)電機建模仿真研究

宋勇剛

(中國飛行試驗研究院 航空電子機載設(shè)備飛行試驗技術(shù)研究所,西安 710000)

起動/發(fā)電一體化一直是多/全電飛機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),而三級式無刷同步電機是航空電源中被廣泛應(yīng)用的發(fā)電機種類,因此如果在現(xiàn)有三級式同步發(fā)電機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)起動功能,將是最為經(jīng)濟的實現(xiàn)起動/發(fā)電一體化技術(shù)途徑,這一技術(shù)也被廣泛研究[1-6]。對三級式同步電機的起動/發(fā)電一體化研究中,仿真技術(shù)一直是不可或缺的手段,高效、準確的仿真模型一直是起動/發(fā)電技術(shù)研究基礎(chǔ),需要處理好旋轉(zhuǎn)整流器(三相整流器)的建模,而三相全波整流器帶不同負載情況下的仿真模型實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。為了簡化旋轉(zhuǎn)整流器的建模,主流處理方法仍是將旋轉(zhuǎn)整流器、勵磁機的輸出和主電機的輸入均在電力域中進行仿真。參考文獻[7]中首次提出了三級式同步發(fā)電機的Matlab/PSB模型,該模型的核心為基于數(shù)學(xué)模型的同步電機Simulink仿真模型,外層通過電壓和電流測量模塊實現(xiàn)PSB信號向Simulink模型的傳遞,利用受控電壓源和受控電流源實現(xiàn)Simulink信號向PSB信號的傳遞,將核心的Simulink模型包裝為PSB模型。該方法雖然實現(xiàn)了Simulink內(nèi)核和PSB外殼之間的信號傳遞,但受限于受控電流源不能開路的特殊性,模型中還是會多出一些實際中并不存在的阻抗元件[8]。參考文獻[9]中,作者利用Matlab/Simscape工具箱完成了對勵磁機在 Electrical Domain的建模,實現(xiàn)了對勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器的電力域模型統(tǒng)一,但主電機仍然是Simulink模型,不能很好的仿真主電機電樞電流對勵磁電流的影響。本文在參考文獻[9]的基礎(chǔ)上,利用Simscape工具箱建立了勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主電機的Electrical Domain模型,該模型可工作在起動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài),實現(xiàn)起動到發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,能夠很好地支持起動控制算法的仿真研究。

1 三級式無刷同步電機結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1 三級式無刷同步電機結(jié)構(gòu)

航空三級式無刷同步電機由永磁副勵磁機、旋轉(zhuǎn)電樞式同步勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和旋轉(zhuǎn)磁極式主電機構(gòu)成,三級式無刷同步電機結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中勵磁機和主發(fā)電機均為凸極同步發(fā)電機,區(qū)別在于勵磁機沒有阻尼繞組,而主發(fā)電機有阻尼繞組[10]。

圖1 三級式無刷同步電機結(jié)構(gòu)

在發(fā)電狀態(tài)時,副勵磁機為勵磁機提供勵磁,勵磁機轉(zhuǎn)子輸出的三相交流電經(jīng)過安裝在轉(zhuǎn)子上的不可控整流電路-旋轉(zhuǎn)整流器整流為直流電,為主電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供勵磁電壓;在起動狀態(tài)時,副勵磁機不參與工作。當電機轉(zhuǎn)速為零(或者轉(zhuǎn)速較低)時,在勵磁機勵磁繞組施加直流電壓無法在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出足夠的電壓為主電機提供勵磁,此時必須在勵磁機勵磁繞組施加交流電,勵磁機轉(zhuǎn)子繞組才能感應(yīng)出交流電,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器后為主電機提供初始勵磁。主電機有足夠的勵磁后,在定子側(cè)施加正確的交流電壓,才能夠產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩,帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

1.2 三級式無刷同步電機數(shù)學(xué)模型

針對三級式同步電機的仿真研究主要集中在起動過程,且發(fā)電過程中副勵磁機的工作特性可以簡化為受控電壓源甚至直流電源,因此本文的仿真建模過程中忽略副勵磁機,只針對勵磁機和主電機進行建模。勵磁機和主電機均為凸極同步電機,帶有阻尼繞組的凸極同步電機在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的理想數(shù)學(xué)模型(采用電動機慣例)如公式(1)至公式(4)所示[11]。

(1)

(2)

公式(1)為電壓方程,公式(2)為磁鏈方程。對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

Te=p0(ψdiq-ψqid)

(3)

在起動過程中,對于主電機還需要機械運動方程:

(4)

2 基于Simscape的航空三級式起動/發(fā)電機仿真模型建立

Simscape為Matlab/Simulink中的工具箱,主要是用來完成物理仿真,包含了液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、模擬/數(shù)字電路、電力系統(tǒng)等。與Simulink中的其他工具箱不同,Simscape中信號的傳遞可以是雙向的,這也導(dǎo)致了Simscape中的模塊和其他工具箱中的模塊不能直接連接,需要使用轉(zhuǎn)換模塊。Simscape語言是Simscape中可以支持用戶定制特殊仿真模型的語言。利用Simscape語言可以建立Simscape基本庫中沒有的新元件,它使得物理系統(tǒng)建模更加簡單和直觀。使用它可以在文本文件中通過參數(shù)化、物理連接還有微分方程來定義/描述所需的元件。本文的仿真是在電力系統(tǒng)域即Electrical Domain中進行的。

2.1 主電機Simscape模型建立

當工作在起動狀態(tài)時,主電機為整個系統(tǒng)提供驅(qū)動力——電磁轉(zhuǎn)矩,因此主電機的模型涉及機械運動方程。雖然Simscape支持跨域模型,但考慮到主要關(guān)注點在整個系統(tǒng)的電氣特性,且機械運動方程較為簡單,因此將機械運動部分獨立出來,在Simulink中進行建模,而電氣部分則在Simscape的Electrical Domain中進行建模。這樣也更容易實現(xiàn)從起動到發(fā)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制,因為在發(fā)電狀態(tài),電機輸入為從發(fā)動機而來的機械轉(zhuǎn)速,無需考慮輸入轉(zhuǎn)矩,此狀態(tài)下可以舍棄機械運動模塊。具體Simscape語言描述結(jié)構(gòu)可以參考Matlab官方給出ThreePhaseExamples_lib中Synchronous Machine的源代碼。

本文建立的主電機Simscape模型如圖2(a)所示。其中Main motor MEC Part為主電機機械運動仿真模塊,輸入為主電機電磁特性仿真模塊sm TSmainSI輸出的電磁轉(zhuǎn)矩Te和負載轉(zhuǎn)矩TL,輸出為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速rpm。主電機電磁特性仿真模塊輸入為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速SPDrpm、勵磁電壓fd+和fd-、定子電壓ua、ub、uc和n。u_m、i_m和Psiab均為為了監(jiān)測控制方便而額外輸出的定子三相瞬時電壓、電流和定子磁鏈在兩相靜止坐標系下的分量。

圖2 Simscape仿真模型

2.2 勵磁機Simscape模型建立

勵磁機Simscape模型如圖2(b)所示,勵磁機模型與主電機模型類似,區(qū)別在于模型內(nèi)部描述中不涉及阻尼繞組,模型不需要機械運動仿真部分,同時不需要輸出電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈Psiab。

2.3 旋轉(zhuǎn)整流器Simscape模型

由于主電機的勵磁輸入和勵磁機的輸出均為電力系統(tǒng)域參數(shù),串聯(lián)其中的旋轉(zhuǎn)整流器直接使用Simscape工具箱中Power Systems/Semiconductors中提供的Rectifier模塊,為了測量其輸出參數(shù),在外圍加入電壓和電流測量模塊即可。

3 航空三級式起動/發(fā)電系統(tǒng)仿真

三級式起動/發(fā)電機起動-發(fā)電過程仿真模型如圖3所示。起動過程采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)策略對主電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩進行控制。DTC策略在定子靜止坐標系中直接控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈;采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙滯環(huán)控制以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)[8],控制方法簡單,非常適合起動控制。圖3中的 Starter Control模塊即為DTC控制模塊,其輸入為主電機定子三相電流和定子磁鏈,輸出為逆變器控制信號。

圖3 三級式起動/發(fā)電機起動-發(fā)電過程仿真模型

起動初始階段用交流電壓源對勵磁機進行勵磁,轉(zhuǎn)速高于500 r·min-1后切換為直流勵磁電壓,當轉(zhuǎn)速達到4 000 r·min-1并保持穩(wěn)定后,系統(tǒng)切換為發(fā)電狀態(tài),直接將勵磁機和主發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 000 r·min-1,并斷開電壓型逆變器,接入三相負載。為了縮短起動仿真過程,起動過程中的負載轉(zhuǎn)矩設(shè)置比較小(TL=10 Nm)。為了減小起動過程中的電流沖擊,勵磁機勵磁繞組內(nèi)先輸入交流電,在0.01 s后,逆變器輸入直流電壓開始增加,0.015 s時,給定電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)置為10 Nm并穩(wěn)步增加,同時施加負載轉(zhuǎn)矩。起動過程中電磁轉(zhuǎn)矩給定增加至 60 Nm后保持恒定。在轉(zhuǎn)速低于3 800 r·min-1之前轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制,之后轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制接入,使轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在4 000 r·min-1。0.27 s時,切換為發(fā)電狀態(tài)。發(fā)電過程中的副勵磁機輸出用直流電壓源代替,為了簡化仿真模型,發(fā)電過程輸出電壓未進行閉環(huán)穩(wěn)壓控制。

仿真結(jié)果如圖4至圖8所示。圖4為主電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線,可以看出主電機電磁轉(zhuǎn)矩很好地跟隨了給定轉(zhuǎn)矩,在起動初始階段線性增加,因電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩的差異逐漸增大,電機轉(zhuǎn)速變化率也逐漸增加。起動階段后期電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定,此時轉(zhuǎn)速以恒定的速率增加,直到轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)的4 000 r·min-1時,DTC控制策略控制電磁轉(zhuǎn)矩迅速減小至負載轉(zhuǎn)矩值(10 Nm)。在起動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)后,起動發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定為 4 000 r·min-1,此時電磁轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機所帶負載功率相關(guān),電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樽璧K電機轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩,因此其值變化為負值。圖5為主電機定子磁鏈變化曲線,結(jié)合圖4,表明DTC策略能夠很好地控制起動階段的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈。

圖4 主電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖5 主電機定子磁鏈變化曲線

圖6為主電機定子端電壓和電流變化曲線,表明采取勵磁機勵磁電壓先于主電機電樞電壓進行施加和主電機電樞電壓逐漸增加,均能很好地限制起動初始時刻的主電機定子電流,有利于減小起動沖擊。

圖6 主電機定子端電壓和電流變化曲線

圖7為勵磁機輸入勵磁電流變化曲線,圖8為旋轉(zhuǎn)整流器輸出電壓和電流變化曲線?？梢钥吹皆陔姍C初始轉(zhuǎn)速為零時,采用交流勵磁能夠在轉(zhuǎn)速為零時為主電機提供初始勵磁電流(旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流),在轉(zhuǎn)速增大后,及時切換為直流勵磁,能夠保證主電機勵磁電流更加平滑的增加。圖8中的電壓曲線表明本文建模方法能夠很好的對整個系統(tǒng)的電氣特性進行仿真。

圖7 勵磁機輸入勵磁電流變化曲線

圖8 旋轉(zhuǎn)整流器輸出電壓和電流變化曲線

仿真結(jié)果表明本文所建立的三級式起動/發(fā)電機模型正確,能夠支持后續(xù)的系統(tǒng)控制策略仿真。

4 結(jié)論

在分析研究當前三級式起動發(fā)電機建模仿真方法的基礎(chǔ)上,提出了基于Simscape電力系統(tǒng)域的三級式起動發(fā)電機統(tǒng)一域建模方法,給出了三級式起動發(fā)電機從起動到發(fā)電過程的仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明本文提出的建模方法可行、建模結(jié)果正確,能夠支持針對航空三級式起動/發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的仿真研究。