飞机专用电源系统的设计与仿真.pdf

触持电棚 2 0 0 6 年 第 6 期 设计分析 一- -_ 一 一 一- -一 c ， ； 2 2 一一一 飞机专用电源系统的设计与仿真 周增福 ， 严仰光 ( 南京航空航天大学 ， 江苏南京 2 1 0 0 1 6 ) De s i g n a n d S i mu l a t i o n f o r S p e c i a l El e c t r i c a l P o we r S u p p l y S y s t e m o f Ai r c r a f t ZHOU zm g一 ， Y AN Y ggu an g ( N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) 摘要： 介绍了一种适用于未来先进飞机的新型飞机专 用电源系统的设计方案， 由永磁同步发电机和宽电压输入范 围的变换 调节装置组成。该方案具有系统结构简单、 可靠 性高和转速范围宽等优点， 并对专用电源系统进行了仿真 ， 仿真结果与理论分析一致。 关键词： 飞机飞行控制系统； 高可靠性； 专用电源系统 ； 设计与仿真 中图分类号： T MM1 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 4- 7 0 1 8 ( 2 0 0 6 ) o 6 0 0 2 7一 o 3 Ab s t r a c t ： A n o v e l d e s i g n p r o j e c t f o r t h e s p e c i a l e l e c t r i c al p o we r s u p p l y s y s t e m o f t h e a d v a n c e d a i r c r a f t t o t h e s p e c i al e l e c t r i c al po w e r s u p p l y s y s t e m T h e s y s t e m c o n s i s t s o f a p e r ma n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r a n d a c o n v e r t e r r e g u l a t o r wi t h a w i d e r ang e o f t h e i n p u t v o l t a g e Th e p r o j e c t h a s m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s t h e s i mp l e c o n fig u r a t i o n o f s y s t e m， t h e h i g h r e l i a b i l i t y and t h e wi d e r an g e o f r e v o l u t i o n s p e e d Th e c o n c l u s i o n s o f s i mu l a t i n g o f t h e p a r a me t e r s a r e p r e s e n t e d Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n are c o n s i s t e n t wi t h t h e t h e o r y an aly s i s Ke y wo r d s ：fl i g h t c o n t r o l s y s t e m o f a i r c r a f t ； h ig h r e l i ab i l i t y ； s p e c i al e l e c t r i c al po we r s u p p l y s y s t e m ； d e s i gn a n d s i mu l a t i o n 现代飞机， 尤其是第三代以后的先进战斗机， 由 于采用了电传操纵系统， 大大提高了对供电可靠性 的要求。为了保证飞行安全， 飞行控制系统专用电 源系统均采用多余度供电系统， 造成飞机电源系统 和配电系统非常复杂， 供电子系统较多。如法国的 幻影 一 2 0 0 0和美国的 F一1 6等战斗机的飞控系统 专用供电系统， 为保证供电可靠性， 可通过设置多个 独立供电通道实现。其缺点是专用电源和配电系统 十分复杂， 虽然任务可靠性得到保证 ， 但系统的基本 可靠性大大降低。 为了克服以上缺点， 减化飞机供电系统， 提高供 电系统的基本可靠性， 同时还要保证飞控系统供电 的可靠性 ， 需要设计一种新的高可靠性飞机专用电 源系统 ， 以满足未来先进飞机的需求 。要求发 电机 适应的转速范围大 ， 即使 飞机发动机空中停车而处 收稿 t3 期 ： 2 0 0 4一 O l O 8 改稿 13期 ： 2 0 0 40 3 0 9 于风车转速下， 仍可使专用电源系统输出满足用电j 要求的电能， 以保证飞行控制系统的供电可靠性。 1飞机专用电源系统的设计方案 i 飞机专用电源系统采用飞机发动机直接驱动的 永磁同步发电机加宽 电压输入 范围的变换 调节装 置的方案。该方案具有系统结构简单、 可靠性高和 转速范围宽等优点。根据未来先进飞机飞控系统的i 用电需求， 专用电源系统的设计容量定为 5 0 0 W。 如图 1所示 。 ； 变 节 - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 l 图1 飞机专用电源系统原理框图 1 1采用永磁同步发电机 j 永磁同步发电机具有结构简单、 工作可靠、 维护 方便、 效率高等优点， 采用新型高性能稀土永磁材料j 时， 还可以使电机的体积和重量大为减小。稀土永 磁同步发电机具有以下优点 ： ! ( 1 )适于高速运行， 具有很高的功率密度 i 稀土永磁发电机由高能积稀土永磁体励磁， 转! 子直径可以做得较小； 外设紧圈时， 类似于实心转子 电机， 适应于高转速下工作， 因此功率密度很高。 ( 2 )高效率 i 稀土永磁发 电机由于转子上无励磁绕组 ， 没有 励磁损耗和电刷滑环间的摩擦 、 接触损耗 。另外 ， 当 外设 紧圈时 ， 表面光滑， 风阻小。与凸极式交流同步 发电机相比， 同 等功率的稀土永磁发电机的总损耗 喜 约 小 1 0 1 5 。 塞 ( 3 ) 高可靠性 紊 稀土永磁同步发电机由飞机发动机传动机匣直 接驱动， 可靠性高。同步发电机转子上没有励磁绕 i 髯 组和 滑 环， 因 而不 存在 线 绕转子 发电 机的 励磁 短路、 是 断路、 绝缘损坏、 电刷环滑接触不良等故障因素及转 箕 子过热 问题 ， 而且零部件数也 比一般线绕转子发 电 机少， 所以可靠性高。另外， 转子只要旋转即可产生 激 磁 磁 势 ， 不 仅 可 以 适 应 于 发 动 机 从 慢 车 转 速 到 额 一 维普资讯 http:/ 飞 机 专 用 电 源 系 统 ， 设计 斩 触持电棚 ， O O 6 lJtlJtllt 年 第 6 期 ， _ 一 一 1_ ： _一 - 曼 定转速的范围， 而且还可在发动机风车转速下工作， 因此发电机可 以适应于很宽的转速范围。 1 2采用宽电压输入范 围的变换 调节装置 永磁同步发电机一个最大的缺点是没有直接调 节电压的方法 。当永磁发 电机结构一定时， 由于发 电机输出相 电压仅与发电机转子转速有关 ， 当转速 变化范围较大时， 发 电机三相电压 经直接整流后 的 电压变化较大。为使电压恒定， 需要设计一个适应 宽电压输入范围的变换 调节装置。 由此可以得 出， 变换 调 节装 置的输 出电压 与三相整流电压 的关系式为 ： = 其中 ： D为 占空 比， D= Y o n。 通过改变 占空比 D， 输出电压 既可以比整流 电压 高 ， 也可以比 低。当 0D0 5时为降 压变换 ， 0 5D1时为升压变换。 2飞机专用电源系统数学模型和电路拓扑 3仿真结果 2 1永磁同步发电机的数学模型 根据电机双反应理论 ， 在 d q轴 系下 ， 永磁 同步 发电机的数学关系式为： d ， M d= 一R i d+L q p t O i 口 ( 1 ) ， l ； M 口= 口 一Rs i 口一L p t o i dA p o J ( 2 ) =1 5 p A +( d 一 ) d ( 3 ) 其中： 、 。 一 分别为 d 轴、 g 轴电枢电感； R 一 一相绕组的电枢电阻； i d 、 i 。 一 d轴、 g 轴电枢电流； M d 、 M 。 一d轴 、 g轴电压； ， 一转子角速度 ； A一转子永磁铁在定子中产生的感应磁通 ( 假 定为正弦分布) 的幅值； P一电机的极对数 ； 一 电机的电磁转矩。 2 2宽电压输入范围变换 调节装置的电路拓扑 由于永磁 同步发电机 的转速变化范围较大 ， 造 成发 电机三相输出电压变化较大 ， 三相整流电压变 化较大。为使专用电源系统的输出电压恒定， 可以 采用 B o o s t B u c k ( 升降压 ) 斩波 电路变换器进行调 节。 采用 B o o s t B u c k变换 器时变换 调节装置 的 电路拓扑如图 2所示。 R 的 i 图2 采用 B o o s t B u c k 斩波的变换 调节装置的电路拓扑 电路中电感 L和电容 C值都很大。稳态时， 一 i个周期 T内电感 L两端电压 u 。 对时间的积分为零 ， 真 I J d f-o o 当可控开关 V处于通态期间时， u 。 = u ； 而当V 一 处 于 断 态 期 间 时 ，u ： 一 u 。 。 于 是 。 ： U o 3 1永磁同步发 电机三相 电压 u 。 、 u u 随转速 n 的变化情况 通过大量仿真和优化， 综合确定出永磁同步发 电机 、 三相整流 电路和 B o o s t B u c k型变换器 的参 数。优化的原则 ： 一是综合考虑永磁同步发电机 、 三 相整流电路和 B o o s t B u c k型变换器的参数， 使变 换器的占空比在发电机宽转速范围工作时的调节范 围适当， 以便于控制器的设计和工程实现； 二是专用 电源系统的输出电压脉动值在不超出有关电源标准 的前提下， 尽可能减小电容量和电感量。 图 3给出了在额定负载 5 0 0 W 时， 转速为 4 0 0 0 r mi n 、 3 0 0 0 0 r m i n时发 电机三相输 出电压 M 。 、 M 、 u 的仿真结果。图4给出了当负载一定时， 转速从 4 0 0 0到 3 0 0 0 0 r m i n变化时， 永磁同步发 电机相 电 压幅值的变化曲线。 5 0 专 0 5 0 t s ( a )n ： 4 0 0 0 r rai n U 0 UU Z 0 0 04 0 00 6 0 0 08 U U l f ， s ( b )n ：3 0 0 0 0 r m i n 图3 电机三相电压 u 。 、 u 、 u 的仿真曲线 从图4中可以看出： 当负载一定时， 永磁同步发 电机相电压的幅值随转速增加而呈线性增大。事实 上 ， 对 于永磁 同步发 电机来说 ， 当， 一定时 ， j ，+ n d r - rain 图4 发电机相电压随 n ， 变化曲线 维普资讯 http:/ 触持电棚 2 0 0 6 年 第 6 期 设计 斩 -_ 一 一一 一 芒_ 厦 。 ， r 可视为常量 ， =E 。 一 j ，一， r ， 则 只随 E 。 变化而变化。而 E 。 =C 凡 ， 因此 仅 随 n 的变 化而呈线性变化。仿真结果与理论分析是一致的。 3 2 B o o s t b u c k斩波 型变换器的 占空 比 D随发 电