飛機高壓直流電源系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

李 運， 李 巖， 盛正印

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.91685部隊 海南 樂東 572528）

自從供電飛行開始，飛機供電要求穩(wěn)定地增長，包括安裝重量、體積、環(huán)境、可靠性、維修性、配電結(jié)構(gòu)、效率和擁有成本等因素多年來在飛機的電氣系統(tǒng)選擇中占據(jù)各種不同的位置。低壓直流電源是飛機最早采用的電源，它的主要優(yōu)點是簡單可靠。但隨著飛機的發(fā)展，用電設(shè)備的增加，電源容量加大后，飛機直流電網(wǎng)的質(zhì)量也顯著增加。為了改善低壓帶來的問題，迫切需要提高電源電壓。但由于當(dāng)時直流發(fā)電機高壓滅弧和換向兩大問題，飛機電源系統(tǒng)并沒有直接進入高壓直流電源時代，而是先后進入恒速恒頻電源時代和變速恒頻電源時代[1]。隨著多電飛機和全電飛機技術(shù)的不斷發(fā)展，以往的低壓直流，恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)在可靠性、安全性、發(fā)電機大容量、高功率密度以及安裝重量和體積等重要指標(biāo)上已無法滿足飛機總體要求。基于此，設(shè)計了以下高壓直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足以上要求。

1 高壓直流電源系統(tǒng)設(shè)計方案

所設(shè)計的高壓直流電源系統(tǒng)由飛機發(fā)動機直接驅(qū)動的永磁同步發(fā)電機、PWM整流器以及控制器組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1 永磁同步發(fā)電機

選擇永磁同步發(fā)電機的理由如下[2]：

圖1 高壓直流電源系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Functional block diagram of high voltage direct current power system

1）永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，維護方便。

2）由稀土永磁材料制成的永磁同步發(fā)電機具有很高的功率密度，轉(zhuǎn)子直徑可以做得很小，從而減小電機的體積和重量，這對于飛機上寶貴的空間來說很有必要。

3）稀土永磁同步發(fā)電機由于轉(zhuǎn)子上無勵磁繞組，沒有勵磁損耗和電刷滑環(huán)間的摩擦、接觸損耗，從而具有很高的效率。

1.2 PWM整流器

目前在各個領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或者二極管整流電路，晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延遲角的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同時，輸入電流中諧波分量也相當(dāng)大，因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路雖然位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。隨著用電設(shè)備諧波標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，采用高功率因數(shù)、低諧波的高頻開關(guān)模式PWM整流器，替代傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流裝置是大勢所趨。通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，還可以把交流輸入電流的功率因數(shù)控制為任意值。此外，PWM整流和傳統(tǒng)相控整流器相比較，體積和重量可以大大地減少，動態(tài)響應(yīng)速度顯著提高[3]。鑒于以上考慮，選擇PWM整流。

1.3 控制器

控制器是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，直流電壓給定信號和實際的直流電壓比較后送入PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出為直流電流指令信號，該信號的大小和整流器輸入電流的幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時，實際直流電壓等于給定直流電壓，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，輸出和整流器負載電流大小相對應(yīng)，也和整流器交流輸入電流的幅值相對應(yīng)。當(dāng)負載電流增大時，直流側(cè)電容C放電而使其電壓下降，PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)偏差，使其輸出直流電流增大，從而使整流器交流輸入電流增大，也使直流側(cè)電壓回升。達到穩(wěn)態(tài)時，實際電壓仍和給定電壓相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而直流電流則穩(wěn)定在新的較大的值，與較大的負載電流和較大的交流輸入電流相對應(yīng)。當(dāng)負載電流減小時，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)，電流跟蹤控制方法一般采用電流滯環(huán)比較方式。外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為直流電流信號，該信號分別乘以和三相相電壓同相位的正弦信號，就得到三相交流電流的正弦指令信號。該指令信號與實際交流電流信號比較后，通過對PWM整流器各開關(guān)器件進行控制，便可使實際交流輸入電流跟蹤指令值，跟蹤誤差由滯環(huán)寬度決定[4]。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型

2.1 永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型

在dq軸系下，永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)關(guān)系式為[5]：

其中：Ld、Lq分別為 d 軸、q軸電樞電感；Rs為一相繞組的電樞電阻；id、iq分別為 d 軸、q 軸電樞電流；Ud、Uq分別為 d軸、q軸電壓；wr為轉(zhuǎn)子角速度；λ為轉(zhuǎn)子永磁鐵在定子中產(chǎn)生的感應(yīng)磁通（假定為正弦分布）的幅值；p為電機的極對數(shù)；Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

2.2 系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)永磁同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型、PWM整流器模型以及控制器模型建立高壓直流電源系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示[6]。

圖2 高壓直流電源系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of high voltage direct current power system

3 仿真結(jié)果

合理設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，仿真運行，得到各種工作情況下的仿真數(shù)據(jù)。

3.1 負載一定，轉(zhuǎn)速改變時輸出電壓與輸入電流的變化情況

負載保持不變，轉(zhuǎn)速分別取4 000 r/min，10 000 r/min時，負載端輸出電壓的變化情況分別如圖3，4所示，穩(wěn)態(tài)時a相輸入電流的局部情況分別如圖5，6所示。

由圖3，4可知，轉(zhuǎn)速改變時輸出電壓都可以快速達到并穩(wěn)定在270 V左右。不同轉(zhuǎn)速時，達到要求穩(wěn)定電壓的時間不同，轉(zhuǎn)速越大，達到要求穩(wěn)定電壓的時間越短。這是因為，在不加調(diào)節(jié)的情況下，對于同一負載，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間一樣，但穩(wěn)態(tài)值不同，轉(zhuǎn)速越大，穩(wěn)態(tài)值越大。當(dāng)需要調(diào)節(jié)到同一個穩(wěn)定值時，轉(zhuǎn)速越大，所需時間越短。

圖3 轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時輸出電壓的變化情況Fig.3 Situation change of output voltage while rotate speed is 4 000 r/min

圖5 轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時穩(wěn)定局部電流的變化情況Fig.5 Situation change of stable local current while rotate speed is 4 000 r/min

圖6 轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時穩(wěn)定局部電流的變化情況Fig.6 Situation change of stable local current while rotate speed is 10 000 r/min

由圖5，6可知，系統(tǒng)穩(wěn)定時，電機側(cè)穩(wěn)態(tài)輸入電流幾乎為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。這是因為隨著充電過程的進行，負載端輸出電壓不斷增大，從而與給定電壓之間的差值不斷減小，當(dāng)負載電壓達到給定電壓，PI調(diào)節(jié)器的輸入為零，輸出直流電流同時達到穩(wěn)定，進而交流輸入電流幅值達到穩(wěn)定，最終交流輸入電流按照給定正弦電流變化。穩(wěn)態(tài)輸入電流的幅值與頻率跟隨轉(zhuǎn)速變化而變化，轉(zhuǎn)速越大，穩(wěn)態(tài)輸入電流幅值越大，頻率越高。這可以從穩(wěn)態(tài)電壓方程式和轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系式得到。

3.2 轉(zhuǎn)速一定，負載改變時輸出電壓與輸入電流的變化情況

保持轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，將負載從感性負載變?yōu)殡娮柝撦d，輸出電壓與電機側(cè)輸入電流的變化情況分別如圖7，8所示。

由圖7與圖4可以知道，不同負載下都可以快速得到270 V并穩(wěn)定在270 V左右，只是達到穩(wěn)態(tài)的時間稍微不同。由圖8與圖6可以知道，在轉(zhuǎn)速一定，負載改變的情況下，穩(wěn)態(tài)輸入電流幾乎是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且幅值與頻率保持不變。這說明，穩(wěn)態(tài)輸入電流的幅值與頻率只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，與負載無

圖7 電阻負載時輸出電壓的變化情況Fig.7 Situation change of output voltage while load is resistance

圖8 電阻負載時輸入電流的變化情況Fig.8 Situation change of input current while load is resistance

關(guān)。這由穩(wěn)態(tài)電壓方程和轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系式可以推測出。

4 結(jié)束語

由以上仿真結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計的高壓直流電源系統(tǒng)達到了預(yù)期效果，既滿足穩(wěn)態(tài)時電機側(cè)輸入電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，改善了功率因數(shù)，提高了發(fā)電效率，且滿足在飛機速度發(fā)生改變或者負載發(fā)生變化時始終輸出穩(wěn)定高壓直流，可靠性高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。可以預(yù)測，在不久的將來，隨著飛機上用電設(shè)備的增加以及飛機供電要求的增長，高壓直流電的優(yōu)勢將越來越明顯，高壓直流電源系統(tǒng)將成為飛機上不可缺少的電源系統(tǒng)之一。

[1]沈頌華.航空航天器供電系統(tǒng)[M].1版.北京：北京航空航天出版社，2005.

[2]王秀和.永磁電機[M].2版.北京：中國電力出版社，2010.

[3]陳堅，康勇.電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[4]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]周增福，嚴(yán)仰光.飛機專用電源系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].微特電機，2006，10（6）：1-2.ZHOU Zeng-fu，YAN Yang-guang.Design and simula tion for special electr ical power supply system of aircraft[J].Small and Special Motor，2006，10（6）:1-2.

[6]洪乃剛.電力電子電機控制系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].1版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.