趙徐成，劉章龍，趙　輝，楊　陽(yáng)

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州　221000)

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航空地面電源發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙徐成，劉章龍，趙輝，楊陽(yáng)

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州221000)

受系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性、安全性等的限制，很多航空地面電源的實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接在原型系統(tǒng)上進(jìn)行；為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)地模擬航空地面電源發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，方便檢測(cè)其實(shí)際工作狀況和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提高可靠性和安全性；以某型航空地面電源車(chē)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)模型的建立和仿真進(jìn)行了分析，選用Matlab軟件平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)；仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，表明了該模型能夠真實(shí)地反映航空地面電源發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特性，具有較好的動(dòng)態(tài)性能；該設(shè)計(jì)可為未來(lái)航空地面電源的分析和設(shè)計(jì)提供新的思路和方法，同時(shí)也可為新型航空地面電源的研制提供試驗(yàn)平臺(tái)。

航空地面電源；勵(lì)磁系統(tǒng)；PID控制；Matlab仿真

0　引言

航空地面電源是一種集發(fā)電與供電功能于一體的移動(dòng)式航空地面電站，主要是為飛機(jī)地面通電檢查機(jī)載用電設(shè)備和地面起動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)的，其品質(zhì)的高低直接影響飛機(jī)性能的發(fā)揮和飛行安全。軍用的車(chē)載式航空地面電源裝備通稱(chēng)航空電源車(chē)[1]。

受系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)際測(cè)量手段的限制，在設(shè)計(jì)、分析和研究航空地面電源時(shí)很多電力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)都無(wú)法直接在原型設(shè)備上進(jìn)行，因此本文采用系統(tǒng)仿真工具來(lái)分析其電力系統(tǒng)。本文以某型航空地面電源車(chē)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)模型的建立和仿真進(jìn)行了分析，建立了該型電源車(chē)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模型，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其不同工作狀態(tài)下的輸出特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的可行性。考慮到該電源車(chē)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)規(guī)模較小，數(shù)學(xué)模型計(jì)算編程復(fù)雜，需要進(jìn)行控制及電路系統(tǒng)的混合仿真，為此選用Matlab作為系統(tǒng)仿真分析的軟件平臺(tái)。

1　電源車(chē)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

為了滿足飛機(jī)對(duì)地面交流電源的要求，該型航空電源車(chē)上安裝了一臺(tái)三相中頻同步無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)，用以發(fā)出115 V/200 V、400 Hz的交流電。圖1為發(fā)電機(jī)的原理圖。為了方便分析，將其分解為主發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器三部分來(lái)加以分析。

圖1　旋轉(zhuǎn)整流器式無(wú)刷發(fā)電機(jī)原理圖

1.1勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該型電源車(chē)采用的是旋轉(zhuǎn)整流器無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)，交流勵(lì)磁機(jī)與主發(fā)電機(jī)同軸同機(jī)座安裝。勵(lì)磁機(jī)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)，主極鐵心用低碳鋼板制成，其中一個(gè)磁極為永久磁鐵，用來(lái)保證電機(jī)可靠地自勵(lì)建壓，其余磁極上都套有勵(lì)磁繞組，由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器輸出給勵(lì)磁電流。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子為電樞[2]。其原理如圖2所示。

圖2　勵(lì)磁系統(tǒng)原理框圖

該型電源車(chē)使用的WZT-2自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器由三相電壓綜合采樣電路，比較、放大和校正網(wǎng)絡(luò)，電壓給定電路，驅(qū)動(dòng)電路，功率開(kāi)關(guān)電路以及直流電源電路，前饋補(bǔ)償電路等單元組成，如圖3所示。

圖3　電壓調(diào)節(jié)器工作原理方框圖

1.2勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

由圖2可以看出：交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組經(jīng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器接到主發(fā)電機(jī)定子三相輸出的某一項(xiàng)上，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組發(fā)出的三相中頻電經(jīng)三相橋式整流后又為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓出現(xiàn)波動(dòng)而產(chǎn)生微小的電壓偏時(shí)，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器能根據(jù)這一偏差迅速地增大或減小供給勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，從而維持發(fā)電機(jī)的端電壓幾乎不變。

2　電源車(chē)勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

構(gòu)成無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)的基本元件有：交流勵(lì)磁機(jī)、整流器、滯后超前補(bǔ)償器、放大器、勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定反饋電路等。本文參考IEEE推薦的AC1A型勵(lì)磁機(jī)模型[3]，建立交流勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4　無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方框圖

模型用于模擬該電源車(chē)的無(wú)刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)，系統(tǒng)由交流勵(lì)磁機(jī)和不可控整流橋兩部分組成。在該數(shù)學(xué)模型中，用反饋系數(shù)KD來(lái)表示勵(lì)磁電流對(duì)勵(lì)磁機(jī)電壓UE的去磁效應(yīng)，用飽和函數(shù)SE的反饋來(lái)表示勵(lì)磁機(jī)的飽和效應(yīng)，用曲線FEX和系數(shù)KC來(lái)表示在換弧過(guò)程引起的勵(lì)磁機(jī)輸出電壓的降低。

2.2交流勵(lì)磁機(jī)和整流器數(shù)學(xué)模型

圖4所示的勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型方框圖充分考慮了由電樞反應(yīng)而引起的負(fù)荷調(diào)節(jié)[4]。模型中IFD(主發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)電流)表示勵(lì)磁機(jī)的負(fù)載電流，而電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)則通過(guò)負(fù)反饋KDIFD體現(xiàn)。即有：

其中：UE為勵(lì)磁機(jī)的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)，TE為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，UR為比例飽和環(huán)節(jié)的輸出電壓，SE為勵(lì)磁機(jī)的飽和函數(shù)，KE為勵(lì)磁機(jī)的放大倍數(shù)，KD為電樞反應(yīng)系數(shù)。

考慮了負(fù)載電流對(duì)交流勵(lì)磁機(jī)輸出電壓動(dòng)態(tài)特性的去磁效應(yīng)，若已知?jiǎng)?lì)磁機(jī)的特性曲線，則：

其中：EFD為主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓，KC為整流器換相壓降系數(shù)。

交流勵(lì)磁機(jī)采用三相橋式全波整流電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行整流。當(dāng)整流器從空載時(shí)的負(fù)載電流變到短路狀態(tài)的負(fù)載電流時(shí)，根據(jù)換相壓降的不同，整流電路運(yùn)行在3個(gè)不同方式中的某一種。這時(shí)可定義換流器調(diào)節(jié)為換相壓降的函數(shù)[5]，其表達(dá)式如下：

EFD=UEFEX

其中：FEX為整流器換相函數(shù)。隨著換弧角γ的變化，整流橋有3種不同性質(zhì)的換弧狀態(tài)，3種運(yùn)行方式的函數(shù)f(IN)表達(dá)式如下：

2.3電壓差模型

每個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要輸入信號(hào)是整流濾波器輸出UTF。在第一個(gè)相加點(diǎn)，電壓調(diào)節(jié)器參考電壓UREF減去信號(hào)UTF，再加上補(bǔ)償器輸出UF，如果使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，則再加上它的輸出USTAB，這樣產(chǎn)生的動(dòng)作信號(hào)來(lái)控制勵(lì)磁系統(tǒng)。初始勵(lì)磁電壓UF0的設(shè)置可以使系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行。

同步電機(jī)端電壓經(jīng)整流濾波后輸出為：

勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓差信號(hào)為：

ΔU=UREF+VF0/KE-UTF+USTAB-UF

其中：TR為整流濾波器時(shí)間常數(shù)，Ud、Uq分別為發(fā)電機(jī)d軸和q軸電樞端電壓，ΔU為綜合后的電壓差信號(hào)，KE為勵(lì)磁機(jī)的放大倍數(shù)，UF為反饋環(huán)節(jié)輸出電壓。

2.4PID調(diào)節(jié)器模型

補(bǔ)償器、放大器和反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)3個(gè)環(huán)節(jié)合成作用體現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用。其中補(bǔ)償器模型體現(xiàn)的是D微分作用，放大器模型體現(xiàn)的是P放大作用，反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)體現(xiàn)的是I積分作用[7]。

補(bǔ)償器的輸出為：

其中：TB、TC分別為補(bǔ)償器滯后和超前補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間常數(shù)，UC為補(bǔ)償器輸出電壓。

放大器的輸出為：

其中：UA、KA、TA分別為放大器的輸出電壓、增益和時(shí)間常數(shù)。

反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)的輸出為：

UEF=SEUE+KEUE+KDIFD

其中：KH為反饋環(huán)節(jié)增益，TH為反饋環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

比例飽和環(huán)節(jié)的模型為：

UR=EF

0≤EF≤Efmax，且EF=Efd

其中：EF和Ef max分別為比例飽和環(huán)節(jié)的輸出電壓和其最大值，Ef d為電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓，KP為比例飽和環(huán)節(jié)的增益。

至此，勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已推導(dǎo)完畢。

3　電源車(chē)勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真

3.1勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)上文中對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型，在Matlab中利用Simulink建立仿真模型[8]，如圖5所示。

圖5　勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真框圖

其中Voltage模塊的功能是計(jì)算是電壓差。PID模塊實(shí)現(xiàn)的是PID調(diào)解器的作用，包括補(bǔ)償器環(huán)節(jié)、放大器、反饋環(huán)節(jié)和比例飽和環(huán)節(jié)。proportional saturation模塊實(shí)現(xiàn)的是比例飽和環(huán)節(jié)的作用[9]。

3.2仿真試驗(yàn)分析

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析如圖5所示由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)組成的簡(jiǎn)單系統(tǒng)的運(yùn)行波形曲線。

圖5為負(fù)載功率因數(shù)和外接電阻標(biāo)幺值均設(shè)置為1，額定頻率恒定為400 Hz，三相加平衡負(fù)載時(shí)得到的。a相電樞電流和端電壓隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示，由于外接電阻的標(biāo)幺值為1，因此電壓和電流輸出標(biāo)幺值皆為1，兩者變化曲線重合。由于三相所加負(fù)載是平衡的，其它兩相的波形曲線與a相相同。

圖6　波形圖

圖7所示為發(fā)電機(jī)空載情況下，t=0.015 s時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷由額定負(fù)載加到額定負(fù)載的兩倍，負(fù)載功率因數(shù)為1，且保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為同步轉(zhuǎn)速不變。其它參數(shù)與圖6一樣。由圖7的仿真結(jié)果可知，負(fù)載的增加使電流上升，電壓下降，在勵(lì)磁系統(tǒng)的作用下，電壓又恢復(fù)到原來(lái)值，而電流則上升到一個(gè)更大值。由此可知所建模型能夠滿足同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)基本性能指標(biāo)。

圖7　波形圖

4　總結(jié)

本文在討論了飛機(jī)對(duì)地面電源供電性能要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合地面電源目前的狀況和發(fā)展趨勢(shì)，指出了電力系統(tǒng)數(shù)字仿真在地面電源保障中的必要性和重大意義。以某型電源車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)Matlab仿真軟件平臺(tái)，建立了該型電源車(chē)勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真模型，并經(jīng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性,達(dá)到了用系統(tǒng)仿真工具方法來(lái)分析航空地面電源發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研究目的。該設(shè)計(jì)可為未來(lái)航空地面電源的分析和設(shè)計(jì)提供新的思路和方法，同時(shí)也可為新型航空地面電源的研制提供試驗(yàn)平臺(tái)。

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Simulation Design and Realization of Excitation System of Aerial Ground Power Supply

Zhao Xucheng，Liu Zhanglong，Zhao Hui，Yang Yang

(Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou221000,China)

Restricted by system size and complexity,security etc,a lot experiments about Aviation ground power cannot conduct directly on the prototype system. The purpose of this paper is in order to realize the real simulation of the excitation system of the Aviation ground power generator,convenient to detect the actual working condition and the simulation experiments,and improve the reliability and security. This paper analyzed the system modeling and simulation based on one of the Aerial Ground Power Supply. Simulation and experiments are performed on the system by Matlab. The feasibility of the design was proved. The simulation results show that the model is able to reflect the real operating characteristics of the excitation system of the Aviation ground power generator and has better dynamic performance. The work of this paper can present a new idea and method for the analysis and design of the future Ground Power Supply and offer experimental platform for new type Ground Power Supply equipment.

aerial ground power supply; excitation system; PID control; Matlab simulation

1671-4598(2016)04-0178-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.052

TN919；TM34

A

2015-10-13；

2015-12-14。

趙徐成(1961-)，男，江蘇徐州人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事航空地面保障裝備方向的研究。

劉章龍(1991-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事航空四站保障技術(shù)與信息化方向的研究。