三级无刷交流发电机调压系统的建模及其仿真分析

一、引言

　　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[1,2]。其原理如图1所示。

图1 三级无刷交流同步发电机结构原理图

　　研究交流发电机调压系统的稳定性就是利用自动控制理论分析系统受到干扰后的动态品质和稳定性，以及构成系统环节及其参数对系统性能、品质的影响程度，从而能指导系统的设计和改进。本文基于物理建模的方法建立了发电机调压系统的数学模型，然后分别利用频域法和时域法分析了系统的动态品质及其稳定性。

二、发电机调压系统的建模

　　调压器的基本组成如图2所示，有检测、比较、放大、与执行（操纵、控制）四个环节

图2 三级无刷交流发电机调压系统原理框图

1、三级发电机建模

　　对于恒速恒频电源系统，在忽略发电机阻尼绕组作用以及电枢绕组变压器电势情况下，电磁式同步发电机可以等效成一阶惯性环节[1-3]，即同步发电机的线性化传递函数可以写成

　　　（1）
　　其中k为发电机的电压增益，r为发电机时间常数，与负载大小有关：

　　在三级发电机系统中，永磁副励磁机可看成一放大的比例环节

　　　 （3）
　　在某确定负载下，桥式整流的换相重叠角r为一固定值，因而整流桥亦为一比例环节

　　　 （4）
　　因此，三级无刷交流发电机的线性化传递函数为

　　　 （5）

2、调压器建模[3]

　　检比模块
　　根据文献[3]，平均电压检测的检比回路可以等效为一阶惯性环节

　　　 （6）
　　调制模块
　　调制模块的比较器输出基本上没有延时，其线性化传递函数为：

　　　 （7）
　　为锯齿波（三角波）幅值
[page]　　根据三级发电机调压系统的结构原理，建立了平均电压检测的Matlab仿真模型，如图3所示。

图3 三级发电机调压系统仿真模型

　　在利用软件对调压进行器建模时，检比模块可以等效为一比例环节，硬件概念上可认为是减小滤波电容冲放电时间常数，加快系统响应时间。调制模块由三角波与放大补偿输出信号交割，输出PWM信号。这些措施体现了软硬件的结合的一致性，认为是可行的。

3、系统特性分析

　　某无校正环节的发电机调压系统在满载情况下开环传递函数为

　　　　(8)

图4 无校正环节的发电机调压系统幅相特性
　　从图4的系统开环幅频特性曲线可以看出：不加任何校正环节的发电机调压系统，满载情况下系统稳定相角裕度小，低频增益低。为使系统有更高的低频开环增益和更大的相角裕度，可在系统中增设串联校正环节来改善系统的性能[4]。传统的PID串联校正可以满足系统性能的要求，但是该系统的高频衰减特性差，容易受到高频信号的干扰,在扰动突变时就显示出微分的缺陷。在PID算法中加入一个低通滤波器，可改善系统的性能[5]。具有改进PID校正环节的传递函数为：

图5 有改进PID校正环节的发电机调压系统幅相特性
从图5的开环系统幅频特性曲线可以看出，带低通滤波器的PID串联校正环节的发电机调压系统，有更大的相角裕度和更高的低频开环增益，同时提高了系统的截止频率，加快了系统的动态响应速度。
[page]三、数字时域仿真分析
　　发电机调压系统的时域仿真模型如图3所示，仿真条件：转速12000rpm，主发电机：额定功率，频率，励磁绕组时间常数；励磁机：额定功率，频率，励磁绕组时间常数：；负载：20％额定载突加到200％额定载，再突减到20％额定载。采用上述带低通滤波器的PID串联校正环节。从图6所示的主发电机输出可以看出，此发电机调压系统具有良好的动态性能和稳态精度，励磁电流脉动小，输出电压平稳无脉动。在负载突变的情况下，主发电机输出电压在30ms内回复正常值，符合规范要求。

图6系统主发电机励磁电流和输出电压波形

四、结论

　　通过分析三级发电机调压系统的幅频特性，采取一种带有低通滤波器的PID控制策略，从而增大了系统的开环增益和相角裕度，提高了系统的截止频率，加快系统的响应速度。


参考文献

[1] 严仰光. 航空航天器供电系统. 航空工业出版社. 1995年8月 
[2] 蒋志扬,李颂伦. 飞机供电系统.国防工业出版社. 1990年4月
[3] 谢少军. 飞机交直交变速恒频电源系统的数字仿真. 南京航空航天大学博士研究生学位论文. 1995年10月
[4] 胡寿松. 自动控制原理.科学出版社2001年2月
[5] 刘金锟. 先进PID控制Matlab仿真. 电子工业出版社. 2004年9月