三級無刷交流發電機調壓系統的建模及其仿真分析

一、引言

三級式無刷交流同步發電機由副勵磁機、勵磁機和主發電機組成。主發電機為旋轉磁極式同步發電機；交流勵磁機是旋轉電樞式同步發電機；副勵磁機為旋轉磁極式的永磁同步發電機。交流勵磁機轉子上裝有整流器（旋轉整流器），發電機運轉時，勵磁機電樞產生的交流電經旋轉整流器直接整流給主發電機勵磁繞組供電；而副勵磁機專門為調壓器和控制保護電路供電。這種發電機避免了電刷滑環，具有可靠性高，無需經常維護等優點。無刷交流發電機電壓調節器通過控制勵磁機的勵磁電流間接的調節主發電機的勵磁電流，達到調節輸出電壓的目的[1,2]。其原理如圖1所示。

圖1 三級無刷交流同步發電機結構原理圖

研究交流發電機調壓系統的穩定性就是利用自動控制理論分析系統受到干擾后的動態品質和穩定性，以及構成系統環節及其參數對系統性能、品質的影響程度，從而能指導系統的設計和改進。本文基于物理建模的方法建立了發電機調壓系統的數學模型，然后分別利用頻域法和時域法分析了系統的動態品質及其穩定性。

二、發電機調壓系統的建模

調壓器的基本組成如圖2所示，有檢測、比較、放大、與執行（操縱、控制）四個環節

圖2 三級無刷交流發電機調壓系統原理框圖

1、三級發電機建模

對于恒速恒頻電源系統，在忽略發電機阻尼繞組作用以及電樞繞組變壓器電勢情況下，電磁式同步發電機可以等效成一階慣性環節[1-3]，即同步發電機的線性化傳遞函數可以寫成

（1）

其中k為發電機的電壓增益，r為發電機時間常數，與負載大小有關：

在三級發電機系統中，永磁副勵磁機可看成一放大的比例環節

（3）

在某確定負載下，橋式整流的換相重疊角r為一固定值，因而整流橋亦為一比例環節

（4）

因此，三級無刷交流發電機的線性化傳遞函數為

（5）

2、調壓器建模[3]

檢比模塊

根據文獻[3]，平均電壓檢測的檢比回路可以等效為一階慣性環節

（6）

調制模塊

調制模塊的比較器輸出基本上沒有延時，其線性化傳遞函數為：

（7）

為鋸齒波（三角波）幅值

根據三級發電機調壓系統的結構原理，建立了平均電壓檢測的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 三級發電機調壓系統仿真模型

在利用軟件對調壓進行器建模時，檢比模塊可以等效為一比例環節，硬件概念上可認為是減小濾波電容沖放電時間常數，加快系統響應時間。調制模塊由三角波與放大補償輸出信號交割，輸出PWM信號。這些措施體現了軟硬件的結合的一致性，認為是可行的。

3、系統特性分析

某無校正環節的發電機調壓系統在滿載情況下開環傳遞函數為

(8)

圖4 無校正環節的發電機調壓系統幅相特性

從圖4的系統開環幅頻特性曲線可以看出：不加任何校正環節的發電機調壓系統，滿載情況下系統穩定相角裕度小，低頻增益低。為使系統有更高的低頻開環增益和更大的相角裕度，可在系統中增設串聯校正環節來改善系統的性能[4]。傳統的PID串聯校正可以滿足系統性能的要求，但是該系統的高頻衰減特性差，容易受到高頻信號的干擾,在擾動突變時就顯示出微分的缺陷。在PID算法中加入一個低通濾波器

，可改善系統的性能[5]。具有改進PID校正環節的傳遞函數為：

圖5 有改進PID校正環節的發電機調壓系統幅相特性

從圖5的開環系統幅頻特性曲線可以看出，帶低通濾波器的PID串聯校正環節的發電機調壓系統，有更大的相角裕度和更高的低頻開環增益，同時提高了系統的截止頻率，加快了系統的動態響應速度。

三、數字時域仿真分析

發電機調壓系統的時域仿真模型如圖3所示，仿真條件：轉速12000rpm，主發電機：額定功率

，頻率

，勵磁繞組時間常數

；勵磁機：額定功率

，頻率

，勵磁繞組時間常數：

；負載：20％額定載突加到200％額定載，再突減到20％額定載。采用上述帶低通濾波器的PID串聯校正環節。從圖6所示的主發電機輸出可以看出，此發電機調壓系統具有良好的動態性能和穩態精度，勵磁電流脈動小，輸出電壓平穩無脈動。在負載突變的情況下，主發電機輸出電壓在30ms內回復正常值，符合規范要求。

圖6系統主發電機勵磁電流和輸出電壓波形

四、結論

通過分析三級發電機調壓系統的幅頻特性，采取一種帶有低通濾波器的PID控制策略，從而增大了系統的開環增益和相角裕度，提高了系統的截止頻率，加快系統的響應速度。

參考文獻

[1] 嚴仰光. 航空航天器供電系統. 航空工業出版社. 1995年8月

[2] 蔣志揚,李頌倫. 飛機供電系統.國防工業出版社. 1990年4月

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[4] 胡壽松. 自動控制原理.科學出版社2001年2月

[5] 劉金錕. 先進PID控制Matlab仿真. 電子工業出版社. 2004年9月