270V 高壓直流供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性仿真研究

楊文俊

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

直升機(jī)供電系統(tǒng)是現(xiàn)代直升機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它為直升機(jī)上一切用電設(shè)備提供電能，以保證用電設(shè)備能夠正常工作，直升機(jī)能夠安全飛行并完成指定任務(wù)。直升機(jī)供電系統(tǒng)一般分為電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，電源系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生與變換，配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與分配。

目前，國(guó)內(nèi)直升機(jī)供電系統(tǒng)的發(fā)展從最初的低壓直流供電系統(tǒng)，到交、直流混合供電系統(tǒng)，再到交流供電系統(tǒng)，直至高壓直流供電系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)直升機(jī)主要采用28V低壓直流、115V 交流系統(tǒng)，難于滿足日益增長(zhǎng)的用電負(fù)載的供電需求，更不能滿足多電全電直升機(jī)技術(shù)要求，迫切需要270V 高壓直流供電系統(tǒng)來(lái)提高整機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力。高壓直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不再受發(fā)電頻率限制，能夠以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，可減小大功率電源系統(tǒng)的體積重量，且采用無(wú)刷化設(shè)計(jì)，工作可靠性高，發(fā)電效率高。而且還能夠并聯(lián)運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)不中斷供電，滿足關(guān)鍵飛行負(fù)載對(duì)供電可靠性的要求。同時(shí)，高壓直流電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性更好，電纜更輕，有助于降低系統(tǒng)整體的重量。高壓直流供電系統(tǒng)在美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用，美國(guó)RAH-66 科曼奇武裝直升機(jī)采用270V 高壓直流供電系統(tǒng)，主電源為兩臺(tái)30kW 的高壓直流發(fā)電機(jī)，輔助電源為1 臺(tái)30kW 的高壓直流發(fā)電機(jī)，次級(jí)電源為變流器和3 臺(tái)直流－直流變換器，顯著地改善了直升機(jī)綜合作戰(zhàn)性能。

目前，國(guó)內(nèi)直升機(jī)供電系統(tǒng)主要通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究，效果直觀，但有成本高、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)，尤其對(duì)于直升機(jī)故障狀態(tài)的研究，不僅付出的代價(jià)大，而且往往對(duì)故障狀態(tài)不能進(jìn)行全面考察。如果能通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件，采用仿真軟件內(nèi)置的各類(lèi)模型快速搭建器件級(jí)、部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)仿真模型，通過(guò)不同級(jí)別的模型構(gòu)建、集成，對(duì)直升機(jī)供電系統(tǒng)各種工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真，準(zhǔn)確模擬實(shí)際機(jī)上供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，就能夠使用仿真模型代替實(shí)際機(jī)上供電系統(tǒng)。這將對(duì)直升機(jī)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的設(shè)計(jì)思路參考，大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)方案的合理性，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，減少系統(tǒng)故障發(fā)生。因此，開(kāi)展直升機(jī)270V 高壓直流供電系統(tǒng)的仿真研究具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 高壓直流供電系統(tǒng)

1.1 高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)產(chǎn)直升機(jī)上所使用的最新供電體制為115V 交流供電體制，主電源為115V 交流電。270V 高壓直流電是通過(guò)對(duì)交流115V 整流得到的，在并聯(lián)供電及不間斷供電設(shè)計(jì)上存在很大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)評(píng)估，270V 供電體制與115V 供電體制相比，特點(diǎn)主要有：

（1）重量輕、體積小。傳輸同樣功率，高壓直流輸、配電系統(tǒng)重量輕、體積小、損耗小。

（2）適應(yīng)性好。隨著航空技術(shù)水平的不斷發(fā)展，用電設(shè)備逐漸從線性特性轉(zhuǎn)化為非線性特性，如大量使用的電力電子變換器、調(diào)速電動(dòng)機(jī)具有非線性特性，照明設(shè)備也從具有線性特性的白熾燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹蔷€性特性的LED 燈。非線性負(fù)載將增大高次諧波，改變交流電壓、電流的波形，加大電磁干擾，非線性負(fù)載的增加對(duì)交流電源的負(fù)面影響會(huì)更嚴(yán)重，而高壓直流更易滿足非線性負(fù)載的供電需求。

（3）軟起動(dòng)能力好。270V 直流電機(jī)，具有良好的軟起動(dòng)能力以及與負(fù)載匹配特性，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，不受頻率變化影響，也沒(méi)有功率因數(shù)對(duì)電網(wǎng)的不利影響。

（4）安全性好。270V 直流系統(tǒng)對(duì)人身安全優(yōu)于115V、400Hz 交流系統(tǒng)。

（5）二次電源變換裝置整體性能好。DC/DC 變換器與AC/DC 變換器相比，具有的優(yōu)勢(shì)有前者效率高，超過(guò)92%，后者大約在85%左右；前者的輸出電壓不因電源電壓和負(fù)載大小而變；前者的重量更輕。

（6）直流固態(tài)功率控制器比交流固態(tài)功率控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，損耗小，工作可靠。

（7）交流系統(tǒng)可用異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)泵和風(fēng)扇，簡(jiǎn)單、方便；高壓直流電動(dòng)機(jī)需要增加控制器，具有良好的軟起動(dòng)能力及與泵負(fù)載匹配特性，不受頻率變化影響，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。

270V 高壓直流電源系統(tǒng)為以后直升機(jī)大功率用電設(shè)備奠定了基礎(chǔ)，大大提高了電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，減輕了直升機(jī)的設(shè)計(jì)重量，成為未來(lái)直升機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)型

供電系統(tǒng)發(fā)電通道一般根據(jù)主發(fā)電機(jī)的數(shù)量進(jìn)行分類(lèi)，具體分為單發(fā)電通道、雙發(fā)電通道、三發(fā)電通道、四發(fā)電通道等類(lèi)型。由于需考慮大容量供電，如果采用單發(fā)電通道，將大大降低系統(tǒng)完成任務(wù)的能力；而采用三、四發(fā)電通道，系統(tǒng)復(fù)雜，動(dòng)力裝置又無(wú)現(xiàn)成接口可以利用，因此，將采用雙發(fā)電通道，這是目前使用的最多的一種供電系統(tǒng)，在戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)上得到廣泛運(yùn)用。

供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為轉(zhuǎn)換供電、并聯(lián)供電、分組并聯(lián)供電。并聯(lián)供電系統(tǒng)需要自動(dòng)負(fù)載均衡電路；在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需考慮的保護(hù)比較復(fù)雜，既要考慮并聯(lián)運(yùn)行引發(fā)的故障保護(hù)，又要考慮發(fā)電機(jī)退出電網(wǎng)后單機(jī)運(yùn)行的故障保護(hù)；另外，還要考慮系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流高于轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)，對(duì)接觸器的分?jǐn)嗄芰σ蟾?。因此，綜合上述因素考慮，擬采用轉(zhuǎn)換供電方式。

綜上分析，初步設(shè)計(jì)270V 高壓直流供電系統(tǒng)總體構(gòu)型如圖1 所示。主電源系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)組成，每個(gè)分系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下獨(dú)立工作，分別給各自的匯流條供電，當(dāng)某一個(gè)系統(tǒng)故障時(shí)，正常工作的系統(tǒng)自動(dòng)切換，給全機(jī)負(fù)載提供所需電力。APU 輔助電源系統(tǒng)提供機(jī)上備份電源。在地面，無(wú)地面電源時(shí)提供機(jī)上設(shè)備地面維護(hù)、校準(zhǔn)、裝載和準(zhǔn)備等階段所需的電源；當(dāng)主電源系統(tǒng)失效時(shí)，提供全機(jī)重要用電負(fù)載所需電源，此時(shí)，直升機(jī)盡快返航著陸。二次電源系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下獨(dú)立工作，分別給各自的匯流條供電，當(dāng)某一個(gè)系統(tǒng)故障時(shí)，正常工作的系統(tǒng)自動(dòng)切換，給全機(jī)負(fù)載提供所需電力。蓄電池組電源系統(tǒng)提供機(jī)上應(yīng)急直流電源。在野外無(wú)地面電源的條件下，提供輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)電源。在主直流電源兩個(gè)子系統(tǒng)都失效的情況下，向飛行安全所必需的用電設(shè)備提供應(yīng)急供電電源。

圖1 270V 高壓直流供電系統(tǒng)總體構(gòu)型

2 高壓直流主電源發(fā)電機(jī)仿真模型

2.1 三級(jí)式無(wú)刷同步電機(jī)

目前高壓直流主電源發(fā)電機(jī)有幾種方案可供選擇，例如三級(jí)無(wú)刷同步電機(jī)、雙凸極發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和雙凸極發(fā)電機(jī)都是磁阻類(lèi)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合高速運(yùn)行。但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)需要全功率變換器和位置傳感器，發(fā)電控制難度大，系統(tǒng)效率較低；雙凸極發(fā)電機(jī)與三相全橋整流器組合即可構(gòu)成高壓直流發(fā)電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流穩(wěn)定輸出電壓，發(fā)電控制簡(jiǎn)單，但功率密度相對(duì)較低。三級(jí)式無(wú)刷同步電機(jī)具有發(fā)電技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)載電源系統(tǒng)中。

三級(jí)無(wú)刷同步直流發(fā)電機(jī)由三級(jí)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)、輸出三相整流橋和輸出濾波電路等組成。圖2 為三級(jí)無(wú)刷同步直流發(fā)電機(jī)的等效電路示意圖，該發(fā)電機(jī)是由主發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器、永磁副勵(lì)磁機(jī)（永磁發(fā)電機(jī)）組成。主發(fā)電機(jī)為凸極旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組與阻尼繞組，定子裝電樞繞組，轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組之間通過(guò)磁場(chǎng)耦合進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換；交流勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)，勵(lì)磁繞組裝在定子上，電樞繞組裝在轉(zhuǎn)子上，且無(wú)阻尼繞組；交流勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組相連，提供主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流；永磁副勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式永磁發(fā)電機(jī)，為控制電路和交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁回路供電。輸出整流橋、輸出濾波電路實(shí)現(xiàn)將主發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電為直升機(jī)提供電源。

圖2 三級(jí)無(wú)刷同步直流發(fā)電機(jī)等效電路圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)都是凸級(jí)同步發(fā)電機(jī)，氣隙磁場(chǎng)均為正弦分布，兩者區(qū)別僅在于：勵(lì)磁機(jī)磁極上沒(méi)有阻尼繞組，但主電機(jī)磁極上裝有直軸阻尼繞組和正交軸阻尼繞組。因此勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型與主發(fā)電機(jī)一致，簡(jiǎn)化主發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的交直軸阻尼繞組項(xiàng)，就可得到勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型。發(fā)電機(jī)由定子（電樞）和轉(zhuǎn)子（磁極）兩部分組成。定子上有電樞鐵心和嵌在槽內(nèi)的電樞繞組，轉(zhuǎn)子上有磁極鐵心和勵(lì)磁繞組。當(dāng)勵(lì)磁繞組通上直流電后形成磁場(chǎng)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組將切割磁場(chǎng)并感應(yīng)出一定頻率的交流電。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與頻率以及極對(duì)數(shù)保持著如下關(guān)系式：n=60/p。

根據(jù)圖3 的參考方向來(lái)寫(xiě)定子電壓方程，可列出同步發(fā)電機(jī)的電壓方程如下：

圖3 凸級(jí)同步電機(jī)等效電路圖

對(duì)磁鏈的方程式進(jìn)行分析，首先，對(duì)于定子a 相所交鏈的總磁通，除了定子三相電流產(chǎn)生的與a 相交鏈的部分外，還包括轉(zhuǎn)子上每個(gè)繞組中的電流所產(chǎn)生的與a 相交鏈的部分，故可得：

式中L表示自感系數(shù)，m表示互感系數(shù)。

根據(jù)以上的分析，可同樣得出b 相、c 相以及轉(zhuǎn)子上每個(gè)繞組的磁鏈，可列出同步發(fā)電機(jī)的磁鏈方程如下：

2.3 仿真模型

整體三級(jí)無(wú)刷同步高壓直流發(fā)電機(jī)的整體仿真模型如圖4 所示。包括永磁發(fā)電機(jī)（副勵(lì)磁機(jī)）(sub exciter)、旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)（勵(lì)磁機(jī)）(main exciter)、旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)（主發(fā)電機(jī)）(main motor)、旋轉(zhuǎn)整流橋（Bridge）、主發(fā)輸出整流橋（Bridge1、Bridge2）、輸出濾波電路等主要組成部分。輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min），輸出m1、m2、m3 分別為永磁發(fā)電機(jī)（副勵(lì)磁機(jī)）、旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)（勵(lì)磁機(jī)）、旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)（主發(fā)電機(jī)）的電壓、電流等參量；FA、FB、FC 為永磁機(jī)輸出三相端口，F(xiàn)+、F-為勵(lì)磁繞組端口，Uo、GND 端口為主發(fā)三相輸出整流后的直流輸出端口。利用該仿真模型輸出的電壓波形如圖5 所示。

圖4 三級(jí)式同步直流發(fā)電機(jī)的Matlab 仿真模型

圖5 三級(jí)式無(wú)刷同步電機(jī)輸出的270V 電壓波形

3 直流穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試

3.1 穩(wěn)態(tài)直流電壓和穩(wěn)態(tài)直流電流

穩(wěn)態(tài)電壓為在任意長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)供電電壓保持在正常工作穩(wěn)態(tài)特性范圍內(nèi)的電壓大小，穩(wěn)態(tài)可有微小瞬變。穩(wěn)態(tài)電流為在不大于且接近 1s 的時(shí)間間隔內(nèi)直流瞬時(shí)電壓的時(shí)間平均值。穩(wěn)態(tài)電壓和穩(wěn)態(tài)電流的區(qū)別僅僅在于外部使用的測(cè)試模塊是電壓表還是電流表，其內(nèi)部測(cè)試模塊是相同的。uZi為采樣點(diǎn)電壓瞬時(shí)值，i為采樣序列，n為1s 期間總采樣次數(shù)，按下式計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流電壓Uz：

在Simulink 中搭建模塊，Switch 是一個(gè)關(guān)于時(shí)間邏輯的開(kāi)關(guān)，當(dāng)Clock 中的時(shí)間小于1 時(shí)，開(kāi)關(guān)向下導(dǎo)通，時(shí)間大于等于1 時(shí)，開(kāi)關(guān)向上導(dǎo)通。向下導(dǎo)通時(shí)，由于是第一秒的平均值，在一秒內(nèi)使用Mean 模塊直接取得平均值。向上導(dǎo)通時(shí)，由于進(jìn)入了第二秒后，要計(jì)算一秒內(nèi)的平均值需要減去前一秒的累加值，通過(guò)Integrator 模塊積分求出累加值，后使用一個(gè)Transport Delay 模塊，將Time Delay 設(shè)置為1，通過(guò)減去前一秒的累加值，得到一秒內(nèi)的積分。

3.2 直流畸變系數(shù)

直流畸變與穩(wěn)態(tài)直流電壓之比即為直流畸變系數(shù)。先測(cè)試計(jì)算直流畸變UZJ，T 為采集時(shí)間，uZJi為直流畸變波形采樣點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值，i為采樣序列，n為1s 期間總采樣次數(shù)，Δt為采樣周期。按下式計(jì)算出直流畸變：

直流畸變系數(shù)kZJ如下式所示：

3.3 直流電壓脈動(dòng)幅度

脈動(dòng)幅度為瞬時(shí)電壓與穩(wěn)態(tài)直流電壓的大差值，從所采集的瞬時(shí)電壓中求出最大值Umax和最小值Umin。然后按照下式求出直流電壓脈動(dòng)幅度UZM：

在Simulink 中搭建測(cè)試模塊，首先在Buffer 模塊中儲(chǔ)存一秒內(nèi)采集到的電壓值，并通過(guò)MinMax 模塊求得最大最小值，根據(jù)直流電壓脈動(dòng)幅度的計(jì)算公式，將所求得的最大值與穩(wěn)態(tài)直流電壓作差，再將穩(wěn)態(tài)直流電壓與最小值作差，通過(guò)MinMax 模塊求出兩個(gè)差值中的最大值即為直流電壓脈動(dòng)幅度。

3.4 測(cè)試結(jié)果

將這三個(gè)直流電源測(cè)試模塊進(jìn)行封裝，并對(duì)270V 電源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，測(cè)試結(jié)果與理想值相吻合，且在GJB 和704F 的規(guī)定范圍內(nèi)。

表1 270V直流穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 小結(jié)

本文根據(jù)特性參數(shù)的數(shù)學(xué)公式，設(shè)計(jì)直流電源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)的測(cè)試方法，在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建測(cè)試模塊對(duì)直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行仿真測(cè)試，包括穩(wěn)態(tài)電壓、畸變系數(shù)、脈動(dòng)幅度等。測(cè)試270V 電源的穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值相吻合，且在GJB-181B 的規(guī)定范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。