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1、 编号 南京航空航天大学毕业设计题 目基于MATLAB的飞机发电机调压系统的数学建模学生姓名葛赣学 号030820535学 院自动化学院专 业电气工程与自动化班 级0308205指导教师马运东 副教授二一二年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目： 基于MATLAB的飞机发电机调压系统的数学建模）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）：基于MATLAB的飞机发电机调压系统的
2、数学建模摘 要本文在理论分析的基础上，利用MATLAB软件对飞机的电磁式无刷交流发电机调压系统进行了建模与仿真研究。首先根据电力系统的派克方程推导出电机的数学模型，并基于MATLAB的Simulink以及SimPowerSystem工具箱搭建出电机的核心模型，进而搭建出电磁式无刷交流发电机本体模型。其次根据调压器的原理搭建了调压电路的仿真模型。之后在此基础上构建出发电机调压系统的整体模型并进行仿真研究。并根据仿真所得结果对调压系统的性能进行了简要的分析。本文建立了完整的电磁式无刷交流发电机调压系统的仿真模型，并对调压系统的调压性能进行了仿真分析，为进一步研究发电机调压系统提供了有力的依据。关键
3、词：MATLAB、电磁式无刷交流发电机、调压系统、建模仿真Mathematical Modeling of Aircraft generator Voltage-regulating System based on MatlabAbstractThis paper has conducted the modeling and simulation research of Electrimagnetic Blushless AC Generator Voltage-regulating System using Matlab on the basis of theoretical analysi
4、s.First of all,this paper derives the mathematical model of the motor according to Park Equation and the core model of the motor is established by using the MATLAB7.0.1s Simulink and SimPowerSystem toolbox,then the body model of electromagnetic blushless AC generator is established.Secondly,the simu
5、lation model of the voltage regulator circuit is established according to the principle of the voltage regulator.After all,on these basis,the ovrall model of the generator is constructed and the simulation studies is finished.Then analysis the performance of the voltage regulation system briefly acc
6、ording to the simulation results.In this paper, a complete simulation model of electromagnetic blushless AC generator Voltage-regulating System has been given, and using it for simulation.And the performance of the voltage regulation system has been analysied, The model provides a powerful tool for
7、in-depth research in electromagnetic blushless AC generator Voltage-regulating System.Key Words: MATLAB、electromagnetic blushless AC generator、voltage regulation system、modeling、simulation目 录摘 要iAbstractii第一章 绪 论11.1 引言11.2 飞机电源系统发展历程11.3 课题的研究背景21.4 MATLAB仿真技术介绍41.5 课题研究的意义41.6 论文主要内容5第二章 电磁式无刷交流发电
8、机PSB建模62.1 无刷交流发电机的结构和原理62.2 同步电机的数学模型72.21 基本方程82.22 派克变换112.23 数学模型172.3 同步电机的Simulink模型182.4 同步电机的PSB模型202.5 电磁式无刷交流发电机的PSB模型222.6 本章小结23第三章 调压器建模243.1 调压器的作用及原理243.2 发电机调压器的设计与研究243.2.1 发电机调压控制模型243.2.2 励磁功率电路263.3 发电机调压系统的整体建模273.4 本章小结28第四章 系统仿真分析294.1 发电机开环仿真结果分析294.2 调压系统闭环仿真分析314.3 本章小结345.
9、1 本文工作小结355.2 进一步工作设想35参考文献36致 谢37第一章 绪 论1.1 引言人类自古以来就梦想着能像鸟一样在太空中飞翔。二十世纪最重大的发明之一，是飞机的诞生。1903年12月17日，莱特兄弟进行了人类历史上的首次有动力、可操纵持续飞行试验。20世纪20年代飞机开始载运乘客，60年代以来，世界上出现了一些大型运输机和超音速运输机，著名的有前苏联生产的安22、伊尔76；美国生产的C141、C5A、波音747；法国的空中客车等。百余年来，民用航空工业经历了多次变革，达到了如今以空中客车公司A380与波音公司B787等飞机为代表的高度现代化客机的水平。航空发动机产生推力、拉力或升力
10、使飞机飞行，是飞机的动力装置，称为飞机的一次能源设备。然而，航空航天器上的设备装置要完成其特定的功能，都需要一定的能量，而且所需的能量类型可能与一次能源直接提供的能量类型不同，因此飞机需要配备其他类型的能源，如电能，液压能，气压能等。飞机上的其他能源统称为二次能源。目前飞机上的辅助能源是电能、液压能和气压能三者并存，使飞机和发动机性能降低，系统复杂、重量大、费用高。对于飞机来说，由于用电能取代液压能和气压能后，可以减轻飞机的重量、提高飞机的可靠性和维修性、降低飞机的易损性以及降低飞机的寿命周期费用等，因此以电能取代液压能和气压能将是未来飞机的发展方向。近30年来，电工技术取得了突破性进展，新型
11、机电作动机构已经能够取代液压和气压作动机构。近年来，如波音公司B787等新型飞机已经使用了大量的电能作为二次能源，这也印证了机上电能具有广阔的应用前景。1.2 飞机电源系统发展历程由于电能易于输送、分配、变换和控制，绝大部分机载设备采用电能工作。我们把飞机上用来产生电能的设备组合（电源及其调节、控制和保护设备）称为飞机电源系统。目前国内外正在使用的飞机电源系统是多种多样的：有低压直流电源系统、恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统、混合电源系统、变频交流电源系统以及270V高压直流电源系统等。低压直流电源是飞机最早采用的电源，在二战期间趋于成熟。自1914年飞机上第一次使用航空直流发电机以
12、来,飞机直流电源系统经历了九十年的发展过程,其额定电压由6伏、12伏,逐步发展为28伏的低压直流电源系统,一直沿用至今。低压直流电源系统的主电源是由直流发电机、电压调节器、反流割断器和过压保护器等组成。由变流机或静止变流器把低压直流电变换为交流电作为二次电源。常用蓄电池作为应急电源。恒速恒频交流电源系统是一种通过各种恒速传动装置(简称恒装)使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统。1946年，美国发明恒速传动装置（Constant Speed Drive），简称恒装（CSD），开辟了恒速恒频交流电源的时代。几十年来，恒速恒频电源经历了四个发展阶段。50年代为第一阶段，采用差动液压恒速传动装置。6
13、0年代为第二阶段，采用齿轮差动液压恒速传动装置、无刷交流发电机和电磁式控制保护器。70年代为第三阶段，发展了具有多种优点的组合传动发动机。80年代进入第四阶段，微型计算机的应用成为了主流。目前它是应用最为广泛的一种飞机电源系统。变速恒频电源系统是一种通过电子功率变换器把变频发电机输出的变频交流电变换为恒频交流电的系统。在变速恒频电源系统中,交流发电机由飞机发动机直接驱动,发电机所输出的交流电的频率随发动机转速的变化而变化,通过功率变换器将变频交流电变换为400Hz恒频交流电。1972年美国通用电气公司研制的20kVA变速恒频电源首次装机使用。此后40年来变速恒频电源有了迅速的发展，成为了新型飞
14、机电源发展的方向。装有或两种以上的主电源的电源称为混合电源。新一代混合电源具有运动部件少占地空间小，电能质量高，效率高损耗小以及使用维修简单的特点。270V直流电源系统由发电机和控制器构成,美国的F - 14A战斗机、S - 3A和P -3C反潜机等局部采用了高压直流供电技术,而F-22战斗机上已采用了65kW 的270V高压直流电源系统, F-35战斗机则采用了250kW 、270V 高压直流起动发电系统。因此270V直流电源系统也将是今后飞机电源的发展方向之一。1.3 课题的研究背景飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分，它的作用是向飞机上所有用电设备提供电能，以保证飞机的安全飞行和完成
15、运输或作战任务。由供电系统和用电设备组成飞机电气系统。供电系统又可以分为电源系统和配电系统两大部分。电源系统按其用途可以分为主电源、二次电源和应急电源，有时还包括辅助电源。主电源是飞机上全部用电设备的能源。飞机发电机是飞机主电源的主要设备。发电机的可靠性、经济性、电气特性和参数直接影响飞机电源系统在飞机上的适用程度。飞机发电机有直流发电机和交流发电机两大类。40年代，飞机上开始应用交流发电机。电机容量较小，采用他励式，由飞机直流电网提供励磁电流。50年代，出现了无刷交流发电机。在飞机供电系统中，通常每台发电机都有电压调节器（简称调压器）配套工作，实现对电压的自动调节。其主要作用是：（1）使供电
16、系统电压稳定于规定的水平。（2）在并联供电系统中，保证各直流发电机之间功率的自动均衡分配、各交流同步发电机之间无功功率的自动均衡分配。（3）在供电系统发生故障时，提高保护装置动作的准确性。（4）当并联交流供电系统发生短路故障时，快速地增强同步发电机的励磁电流，发挥“强行励磁”的作用，提高同步发电机的动态稳定性。调压器的基本组成如图1.1所示，通常由检测环节、比较环节、放大环节与执行（操纵、控制）环节组成。随着半导体技术的发展，采用了晶体管调节器来调节电压，其优点是：三极管的开关频率高，且不产生火花，调节精度高、重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小。图1.1 调压器结构图1.4 MATL
17、AB仿真技术介绍MATLAB是Matlab Math Work公司于1984年推出的数学工具软件，其科学计算功能的强大和开放式的开发思想使其成为当今最为流行最为优秀的科技应用软件之一，在数值分析、科学计算、算法开发、建模仿真等方面具有独到的优势。Simulink是MATLAB提供的一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。作为一个动态的建模仿真工具，Simulink可以用来仿真线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、连续和离散混合系统、多速率采样系统以及单任务或多任务的离散事件驱动系统等。但Simulink原是为控制系统仿真设计的，不能直接进行电路仿真。1998年，MATLAB5.2中
18、开始提供电气系统模块库Power System Blockset（简称PSB）。电气系统模块库以Simlink为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。它由以下六个子模块库组成。（1）电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。（2）基本元件模块库：包括串联RCL负载/支路、并联RCL负载/支路、线性变压器、饱和变压器、互感、断路器、N相分布参数线路、单相型集中参数传输线路和浪涌放电器等。（3）电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、和理想开关等。为满足不同目的的仿真要求，并提高仿真速度，
19、还有晶闸管简化模型。（4）电机模块库：包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。（5）连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）。（6）测量模块库：包括电流和电压测量。PSB模型与Simulink模型有很大区别，它是主要针对电力系统设计分析，很多模型并不适用于电气传动及其控制系统的分析。1.5 课题研究的意义各种电气设备都要求在额定电压下工作，同步发电机的端电压变化很严重的情况下，电机本身，负载和整个电力系统都会受到极大的不利影响，甚至直接影响整个系统的工作和生存。因此，保持一定的电压水平，是供电质量的重要指标之一。在运行中，电压的变化是随机的，迅速
20、的，不可能实现人工调节。因此需要给同步发电机加入自动电压调整器。 电压调节系统由发电机和调压器构成，电压调节器是飞机供电系统中不可缺少的重要设备，其性能决定了电源输出电压品质，它直接关系着电源系统能否发出符合质量要求的电能供全机用电设备使用。正确建立其数学模型是闭环系统稳态性能及其动态过程理论分析的必要基础，可以为检测、校正等重要环节的参数设定提供有益参考，而且对数字调压器控制算法的研究也有非常重要的意义。1.6 论文主要内容本文在查阅、比较国内大量资料和理论学习的基础上，采用了近年来教学和工业应用中对动态系统进行仿真时，使用最为广泛的Simulink，通过详细分析系统元件（如发电机、调压器）
21、的工作原理，对电磁式无刷交流发电机调压系统进行了相关的建模与仿真工作。文中各章安排如下：第一章：绪论。介绍了课题研究的背景及意义，对MATLAB仿真工具做了简单介绍。第二章：电磁式无刷交流发电机PSB建模。在推导出同步电机状态方程的基础上，先后建立了同步电机的数学模型、Simulink模型和PSB模型。并建立了两极式无刷励磁电机的PSB模型，其可视为三级无刷励磁电机的简化版。第三章：调压器建模。介绍了调压器的结构及原理，建立了单环电压调节系统。并在第二章内容的基础上对发电机调压系统进行了整体建模。第四章：系统仿真分析。对所建立的模型在MATLAB环境下进行仿真，并根据结果对系统的调压性能进行了
22、简单分析。第五章：总结。对本文所做的工作进行了概括。第二章 电磁式无刷交流发电机PSB建模在MATLAB中建立电磁式无刷交流发电机的PSB模型，可以分为三个步骤，先是建立一般同步电机的Simulink模型，然后转化为PSB模型，最后将两个同步电机的模型与整流器连接起来就构成了无刷励磁同步电机的PSB模型。而要建立同步电机的Simulink模型，需要先建立同步电机的数学模型。2.1 无刷交流发电机的结构和原理目前，航空交流发电机多采用无刷励磁方式，三级式无刷交流同步发电机由副励磁机、励磁机和主发电机组成。主发电机为旋转磁极式同步发电机，交流励磁机是旋转电枢式同步发电机，副励磁机为旋转磁极式的永磁
23、同步发电机。交流励磁机转子上装有整流器（旋转整流器），发电机运转时，励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器直接整流给主发电机励磁绕组供电；而副励磁机专门为调压器和控制保护电路供电。这种发电机避免了电刷滑环，具有可靠性高，无需经常维护等优点。无刷交流发电机电压调节器通过控制励磁机的励磁电流间接的调节主发电机的励磁电流，达到调节输出电压的目的。其原理如图2.1所示。图 2.1 三级无刷交流同步发电机结构原理由于对三级式同步电机建模比较复杂，在本文中对两级式无刷交流发电机进行建模，用直流电源取代副励磁机为调压器和控制保护电路供电，其可视为三级式无刷交流发电机的简化模型。图2.2是两级式旋转整流器式无刷励
24、磁同步电机结构示意图。整个电机可分为两级，第一级为励磁机，其励磁绕组在定子上，而点数绕组在转子上。第二级为主发电机，励磁绕组在转子上而电枢绕组在定子上。励磁机的励磁绕组通上直流电后，电机旋转时，励磁机的电枢绕组切割磁力线，所产生的交流电经安装在转子上的整流器整流后变为直流电向主发电机的励磁绕组供电。这样，定转子之间取消了机械和电气的连接，从而实现了无刷励磁。由于主发电机和励磁机的磁路相对独立，这种结构的无刷同步电机可以看作两个同步电机同轴串联而成。图2.2 两级式无刷励磁同步电机结构图2.2 同步电机的数学模型建立同步电机的数学模型，通常假定电机为理想电机，即：（1）电机磁铁部分的磁导率为常数
25、，即忽略掉磁滞、磁饱和的影响，也不计涡流及集肤作用等的影响。（2）对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的。（3）定子的3个绕组的位置在空间互相相差1200电度角，3个绕组在结构上完全相同。同时，它们均在气隙中产生正弦形分布的磁动势。（4）定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。2.21 基本方程一、电压方程：定子各相绕组电压方程为： （2-1）式中，p=d/dt，为对时间的导数算子；ra为定子各相绕组的电阻。电压单位为V，电流单位为A，电阻单位为，磁链单位为Wb，时间单位为s。转子各绕组的电压方程为： （2-2）式中，rf、rD、rQ分
26、别为f、D、Q绕组的电阻。可把式（2-1）与式（2-2）合并，写成矩阵形式的abc坐标下的电压方程，即： （2-3）二、绕组磁链方程：写成矩阵形式为： （2-4）可简写成 （2-5）式（2-4）中L11为定子绕组的自感和互感；L22为转子绕组的自感和互感；而L12和L21为定子绕组与转子绕组相互间的互感。电感单位为H。电感矩阵L（66）为对称阵。A， 定子绕组自感（Laa，Lbb，Lcc）以定子a相绕组威力进行分析，b相、c相和a相相似。当转子d轴与a轴重合时，相应的磁阻最小，（-ia）产生的a相磁链a达最大值，亦即当a=00和a=1800时，Laa达最大值。而当d轴与a轴正交，即q轴与a轴重
27、合时，相应的磁阻最大，（-ia）产生的a最小，亦即当a=900和a=2700时，Laa为最小值。由以上分析和理想电机的假定可知，Laa将以1800为周期，随d轴与a轴夹角a的变化而呈正弦变化，且恒为正值。假定定子绕组自感中的恒定部分为LS（LS0），脉动部分幅值为Lt，则： （2-6a）同理可得： （2-6b）B， 定子绕组互感（Lab，Lba，Lbc ，Lcb，Lca，Lac）现以a,b相绕组间互感为例进行分析，其他的相绕组间的互感可以类推。由于a、b绕组在空间互差1200，故（-ib）0时，a0，即Lab0），即： （2-9b）E， 定子与转子绕组间的互感（L12，L21中元素）先以a相为
28、例讨论定子绕组与转子励磁绕组f间的互感。当a=00时，a绕组与f绕组的互感为正的最大值；当a=1800时，该互感为负的最大值。Laf将按正弦变化，设其幅值为Mf（Mf0），则可得： （2-10a）同理 （2-10b）同理可导出定子绕组与d轴阻尼绕组D间的互感为（设幅值为MD，MD0） （2-11）以及定子绕组与q轴阻尼绕组Q间的互感为（设幅值为MQ，MQ0） （2-12）三、转矩方程按发电机惯例电磁力矩瞬时值表达式为： （2-13）式中，pp为极对数；i=（-ia,-ib,-ic,if,iD,iQ）T;L为式（2-5）中的电感矩阵；为转子旋转的电角度。将磁链方程（2-4）和式（2-5）以及电感
29、参数表达式（2-6）（2-12）代入式（2-13），可导出 （2-14）2.22 派克变换一、平面旋转坐标变换图2.3 XOY坐标系变换到X，OY，坐标系如图2.3所示，点M，由XOY坐标系转换到X。OY，坐标系二、经典Park变换Park变换的提出：电感周期变换是因为定子与转子间存在相对运动，站在与转子同步旋转的坐标系上观察，得到DQ0变换。由abc变换到dq，三个坐标变为两个坐标，系数为2/3。为了保证可逆变换，加入0坐标由以上平面旋转坐标变换公式可得： （2-15） 如图2.4所示。图2.4 abc坐标变换到dq0坐标如设t=0时，转子d轴与a相绕组轴线重合，则：a=t （2-16）经典
30、派克变换的逆： （2-17）派克变换将定子abc坐标变换到与转子同步旋转的dq0坐标定子绕组abc变量 dq0绕组变量三、dq0坐标下的有名值方程1，电压方程：对于abc坐标下的电压方程（2-3），可将定子、转子量分开，改写为 （2-18）对式（2-18）两边左乘矩阵 （2-19）其中C（33）为派克变换矩阵（见式（2-15），I（33）为单位阵。则式（2-18）可化为即 （2-20）由矩阵乘积的微分性质可得 （2-21）由式（2-15）（2-16）（2-17）可得 （2-22）将式（2-22）代入（2-21）得 （2-23）将（2-23）代入（2-20）得dq0坐标下有名值电压方程为 （2-
31、24）2，磁链方程：abc坐标下的磁链方程(2-5)可改写为 （2-25）与电压方程相似，两边左乘矩阵（2-19），经整理后可得： （2-26）上式中电感矩阵下标S和R分别表示定子和转子。据式（2-4）、式（2-6）和式（2-7），可导出 （2-27）由式（2-4）、（2-8）和式（2-9）可知 （2-28）由式（2-4）和式（2-10）（2-12）可得 （2-29） （2-30）由式（2-27）（2-30）汇总得dq0坐标下磁链方程为： （2-31）3，转矩方程由abc坐标下的电磁力矩方程（2-14）出发，根据派克变换得 （2-32）式中四、dq0坐标下的标幺值方程两个约束条件：1）确保标幺
32、值互感可逆的约束（第一约束） 2）保留传统的标幺电机参数的约束（第二约束）1，电压方程标幺值电压方程与有名值电压方程形式相同，在此不作表述。2，磁链方程 （2-33）3， 转矩方程 （2-34）2.23 数学模型综上所述，在忽略了电机的饱和、磁滞等因素之后，同步电机的数学模型可以用如下的两组派克方程表示：磁链方程：电压方程：转矩可表达为：2.3 同步电机的Simulink模型在MATLAB/Simulink中，2.1中推导出的数学模型可以用如图2.5所示的Simulink模型来表示。模型的输入量为电机的电压Uf、Ud、Uq、U0、，而输出变量则为电机的电流if、id、iq、i0，我们称之为核心
33、模型。图2.5 同步电机的核心模型同步电机的Simulink模型如图2.6所示。其中CoreDQ0是上面已经得到的核心模型。加上了dq变换和dq反变换后，模型的输入量就变成了Ua、Ub、Uc、,而输出变量则变为了ia、ib、ic、if。另外，为了进行派克变换，还加入了转子位置信号theta。图2.6 同步电机的Simulink模型其中dq变换和dq反变换部分（即图2.4中abc-dq0和dq0-abc部分）分别如图2.7-1和图2.7-2所示。dq变换部分作用是将输入的电压信号Uabc转化为Udq0，dq反变换部分作用是将输出的电流信号idq0转化为iabc。图2.7-1 dq变换部分图2.7
34、-2 dq反变换部分2.4 同步电机的PSB模型PSB中的电压/电流检测模块和受控电压源/电流源是沟通Simulink模型和PSB模型的桥梁。通过这些器件模型就可以把Simulink信号转化为PSB信号，或反之。这使得电机的状态方程模型和电路的拓扑模型能够相互交换信息，从而结合在一个混合模型中。图2.8是同步电机的PSB模型的内部结构，其中1、2号输入端是励磁绕组的接线端，而4、5、6号输出端子是电机电枢绕组的接线端，7号输出端子是三相绕组的中点，这些都是PSB端子，应与PSB电路模型连接。3号输入端是电机转速的给定，由拖运电机的原动机决定；1、2、3输出端分别是电机三相电流、电压和转矩的检测
35、端，这几个都是Simulink端，可以与Simulink模型相连接。图2.8 同步电机的PSB模型的内部结构图2.8中machine的部分就是图2.6所示的同步电机的Simulink模型，以它为核心，分别控制电枢和励磁两套绕组。用电压检测模块测得电机电枢的三相输出电压和励磁绕组的输入电压，反馈回电机模型，求得相应的电流后，用受控电流源来驱动输出，从而实现了Simulink模型和PSB模型的连接。由于电流源不能开路，模型中还接了一个假负载。其阻值为10，对模型的影响是可以忽略的。另外，图中的-Theta模块用来把电机的转速转化为电机角速度和转子当前位置。其内部如图2.9所示。将其进行封装，即为图
36、2.8中-Theta模块。图2.9 -Theta模块内部结构图2.10为三相电流源的内部结构。图2.10 三相电流源内部结构图2.11为三相电压测量的内部结构。图2.11三相电压测量部分内部结构在MATLAB/Simulink应用这一同步电机的PSB模型，可方便与其他的电路、控制模型组合，进行混合仿真。用MASK功能对同步电机的模型进行封装，在接下来的仿真中，可以把电机作为一个整体来对待。2.5 电磁式无刷交流发电机的PSB模型三级无刷交流发电机的励磁机和主发电机均为电励磁式同步电机，应用上面得到的同步电机PSB模型，与MATLAB提供的三相整流桥相连，就形成了无刷励磁同步电机的PSB模型。图
37、2.12是由励磁机、整流器、主发电机联合起来构成两级式无刷交流发电机，可以看做三级电机的简化模型。图2.12 电磁式无刷交流发电机模型其输入输出接口中，仅有转速是Simulink信号，其余的均为PSB信号，可以直接与其他PSB模块相连。它表示的是模块之间的电气连接关系，既有电压又有电流，而不再是Simulink中单一、单向的信号传递关系。2.6 本章小结本章先简单介绍了三级无刷交流发电机和二级无刷交流发电机的结构和原理，建立了同步电机的数学模型，用派克变换推导出其状态方程，接下来对其进行了Simulink建模和PSB建模。最后将两个同步电机的模型串联，用直流电源代替副励磁机，建立了简化的三级式
38、无刷交流电机的PSB模型。为下面的调压系统的建模奠定了基础。第三章 调压器建模3.1 调压器的作用及原理调压系统的基本组成如图3.1所示。系统由调压器和发电机组成，发电机是系统的调节对象，调压器是系统的调节器。调压器的作用主要体现在两个方面：1.使电源系统输出电压的稳态精度和动态特性满足技术指标；2.发电机输出过载或短路情况下按电源系统的外特性降低输出电压。为提高电源系统工作的安全可靠性，现代飞机调压器往往除了基本调压功能外，还包括一些扩展功能，如：软起动；励磁电流限制、保护；自检测；过压限制及各种故障保护等；有并联要求的电源系统，调压内还应有负载（无功功率）均衡电路及相关控制电路。图3.1
39、三级式无刷交流电机的调压系统原理框图调压器基于脉宽调制原理调节发电机的励磁电流，通常由电压检测环节、比较控制环节、功率放大环节和执行环节等组成。电压检测环节实时反映被调节量（调节点电压），并输出至比较环节，与给定值进行比较，当调节点电压偏离给定值时，比较环节输出偏差信号，此偏差信号经PI调节和放大环节后，通过执行环节改变占空比改变发电机的励磁电流，从而起到调节电机的输出电压，达到稳定电源系统电压的作用。3.2 发电机调压器的设计与研究3.2.1 发电机调压控制模型PI控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中仍然是应用最为广泛的控制策略之一。据统计,在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PI
40、结构,而且许多高级控制都是以PI控制为基础的。PI控制能被广泛应用和发展,根本原因在于PI控制具有以下优点:原理简单,使用方便,PI参数Kp和Ti可以根据过程动态特性及时调整;适应性强;稳定性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。采用不同的PI参数,对控制系统的性能将会不一样,因此PI参数的调节和优化决定了控制系统最终能达到的控制性能,PI参数整定是控制系统设计的核心内容。根据电机模型以及电压调节原理可以选择PI单环调节系统或PI双环调节系统。对于变频交流发电系统，要求其带宽更宽，系统的动态响应更快。因此，选用加入励磁电流反馈的双环控制，通过励磁电流环对励磁电流的快速调节来改善系统的动
41、态响应性能。双环系统调压控制结构如图3.2所示。图3.2 双环调节系统结构图在MATLAB中建立其仿真模型如图3.3所示。图3.3 双环调压模块仿真模型双环调制系统比单环调制系统多一个励磁电流环，在调节点电压U+变化时，外环及内环作用都会使励磁电流If向相反方向变化。双环调节过程比较复杂，所需时间较长。单环调节结构简单，但动态响应速度较双环会慢些，但不影响仿真目的。在此，我选用电压单环调节。根据交流发电系统电压调节系统的工作原理，可以得出如图3.4所示的电压单环调节系统。图3.4 单环调节时电压调节系统框图根据系统框图搭建出电压调节系统的Simulink模型如图3.5所示。图3.5 单环调节的
42、Simulink模型其中，Uref为参考电压，Uout为输出电压，Urms为输出电压有效值反馈值，采取PI控制，PI调节器的输出电压与SimpowerSystem模块中的PWM Generator模块内部的三角波相交截，得到PWM输出信号。subsystem部分为求取输出电压（即被调量）有效值的函数。其内部结构如图3.6所示。图3.6 sunsystem内部结构3.2.2 励磁功率电路为了保证主发电机的输出电压恒定，可通过励磁功率电路控制交流励磁机的励磁电流。图3.7为励磁功率电路的原理图，只需要单相调节励磁电流，所以采用不对称半桥结构，它由MATLAB中带两个桥臂的Universal Bridge模块构成。当K1、K2开通时，励磁电源经K1、K2给励磁机提供励磁，励磁电流增加，主电机输出电压随之增大；而当K1、K2关断时，通过续流二极管D1、D2进行能量反馈，此时励磁机的励磁电流下降，主电机输出电压也随之减小。因此通过控制K1、K2的通断即可实现控制输出电压恒定的目的。图3.7 励磁功率电路3.3 发电机调压系统的整体建模结合第二章中发电机本体建模的内容，可得出加入电压单环控制的整体仿真模型。如图3.8所示。图3.8 发电机调压系统仿真模型将其进行
