畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于matlab的飛機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

1、<p>　　編號(hào) </p><p><b>　　南京航空航天大學(xué)</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　二〇一二年六月</b></p><p><b>　　南京航空航天大學(xué)</b>&l

2、t;/p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目： 基于MATLAB的飛機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p>　　作者簽

3、名： 年 月 日 </p><p><b>　?。▽W(xué)號(hào)）：</b></p><p>　　基于MATLAB的飛機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文在理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件對(duì)飛機(jī)的

4、電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究。</p><p>　　首先根據(jù)電力系統(tǒng)的派克方程推導(dǎo)出電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并基于MATLAB的Simulink以及SimPowerSystem工具箱搭建出電機(jī)的核心模型，進(jìn)而搭建出電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)本體模型。其次根據(jù)調(diào)壓器的原理搭建了調(diào)壓電路的仿真模型。之后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的整體模型并進(jìn)行仿真研究。并根據(jù)仿真所得結(jié)果對(duì)調(diào)壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行了簡要的分析。&

5、lt;/p><p>　　本文建立了完整的電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)調(diào)壓系統(tǒng)的調(diào)壓性能進(jìn)行了仿真分析，為進(jìn)一步研究發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)提供了有力的依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MATLAB、電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)、調(diào)壓系統(tǒng)、建模仿真</p><p>　　Mathematical Modeling of Aircraft generator Voltage-

6、regulating System based on Matlab</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper has conducted the modeling and simulation research of Electrimagnetic Blushless AC Generator Voltage-re

7、gulating System using Matlab on the basis of theoretical analysis.</p><p>　　First of all,this paper derives the mathematical model of the motor according to Park Equation and the core model of the motor is e

8、stablished by using the MATLAB7.0.1’s Simulink and SimPowerSystem toolbox,then the body model of electromagnetic blushless AC generator is established.Secondly,the simulation model of the voltage regulator circuit is est

9、ablished according to the principle of the voltage regulator.After all,on these basis,the ovrall model of the generator is constructed and the simula</p><p>　　In this paper, a complete simulation model of el

10、ectromagnetic 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 i

11、n-depth research in electromagnetic blushless AC generator Voltage-regulating System.</p><p>　　Key Words: MATLAB、electromagnetic blushless AC generator、voltage regulation system、modeling、simulation</p>

12、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要i</b></p><p>　　Abstractii</p><p>　　第一章 緒 論1</p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p

13、>　　1.2 飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)展歷程1</p><p>　　1.3 課題的研究背景2</p><p>　　1.4 MATLAB仿真技術(shù)介紹4</p><p>　　1.5 課題研究的意義4</p><p>　　1.6 論文主要內(nèi)容5</p><p>　　第二章 電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)PSB建模6</

14、p><p>　　2.1 無刷交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理6</p><p>　　2.2 同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.21 基本方程8</p><p>　　2.22 派克變換11</p><p>　　2.23 數(shù)學(xué)模型17</p><p>　　2.3 同步電機(jī)的Simulink模

15、型18</p><p>　　2.4 同步電機(jī)的PSB模型20</p><p>　　2.5 電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)的PSB模型22</p><p>　　2.6 本章小結(jié)23</p><p>　　第三章 調(diào)壓器建模24</p><p>　　3.1 調(diào)壓器的作用及原理24</p><p>

16、　　3.2 發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的設(shè)計(jì)與研究24</p><p>　　3.2.1 發(fā)電機(jī)調(diào)壓控制模型24</p><p>　　3.2.2 勵(lì)磁功率電路26</p><p>　　3.3 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的整體建模27</p><p>　　3.4 本章小結(jié)28</p><p>　　第四章 系統(tǒng)仿真分析29</p&g

17、t;<p>　　4.1 發(fā)電機(jī)開環(huán)仿真結(jié)果分析29</p><p>　　4.2 調(diào)壓系統(tǒng)閉環(huán)仿真分析31</p><p>　　4.3 本章小結(jié)34</p><p>　　5.1 本文工作小結(jié)35</p><p>　　5.2 進(jìn)一步工作設(shè)想35</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36&

18、lt;/b></p><p>　　致 謝37</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　人類自古以來就夢(mèng)想著能像鳥一樣在太空中飛翔。二十世紀(jì)最重大的發(fā)明之一，是飛機(jī)的誕生。1903年12月17日，萊特

19、兄弟進(jìn)行了人類歷史上的首次有動(dòng)力、可操縱持續(xù)飛行試驗(yàn)。20世紀(jì)20年代飛機(jī)開始載運(yùn)乘客，60年代以來，世界上出現(xiàn)了一些大型運(yùn)輸機(jī)和超音速運(yùn)輸機(jī)，著名的有前蘇聯(lián)生產(chǎn)的安－22、伊爾－76；美國生產(chǎn)的C－141、C－5A、波音－747；法國的空中客車等。百余年來，民用航空工業(yè)經(jīng)歷了多次變革，達(dá)到了如今以空中客車公司A380與波音公司B787等飛機(jī)為代表的高度現(xiàn)代化客機(jī)的水平。</p><p>　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力、

20、拉力或升力使飛機(jī)飛行，是飛機(jī)的動(dòng)力裝置，稱為飛機(jī)的一次能源設(shè)備。然而，航空航天器上的設(shè)備裝置要完成其特定的功能，都需要一定的能量，而且所需的能量類型可能與一次能源直接提供的能量類型不同，因此飛機(jī)需要配備其他類型的能源，如電能，液壓能，氣壓能等。飛機(jī)上的其他能源統(tǒng)稱為二次能源。</p><p>　　目前飛機(jī)上的輔助能源是電能、液壓能和氣壓能三者并存，使飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，系統(tǒng)復(fù)雜、重量大、費(fèi)用高。對(duì)于飛機(jī)來說，由

21、于用電能取代液壓能和氣壓能后，可以減輕飛機(jī)的重量、提高飛機(jī)的可靠性和維修性、降低飛機(jī)的易損性以及降低飛機(jī)的壽命周期費(fèi)用等，因此以電能取代液壓能和氣壓能將是未來飛機(jī)的發(fā)展方向。近30年來，電工技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，新型機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)能夠取代液壓和氣壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)。近年來，如波音公司B787等新型飛機(jī)已經(jīng)使用了大量的電能作為二次能源，這也印證了機(jī)上電能具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)展歷

22、程</p><p>　　由于電能易于輸送、分配、變換和控制，絕大部分機(jī)載設(shè)備采用電能工作。我們把飛機(jī)上用來產(chǎn)生電能的設(shè)備組合（電源及其調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)設(shè)備）稱為飛機(jī)電源系統(tǒng)。</p><p>　　目前國內(nèi)外正在使用的飛機(jī)電源系統(tǒng)是多種多樣的：有低壓直流電源系統(tǒng)、恒速恒頻交流電源系統(tǒng)、變速恒頻交流電源系統(tǒng)、混合電源系統(tǒng)、變頻交流電源系統(tǒng)以及270V高壓直流電源系統(tǒng)等。</p>

23、<p>　　低壓直流電源是飛機(jī)最早采用的電源，在二戰(zhàn)期間趨于成熟。自1914年飛機(jī)上第一次使用航空直流發(fā)電機(jī)以來,飛機(jī)直流電源系統(tǒng)經(jīng)歷了九十年的發(fā)展過程,其額定電壓由6伏、12伏,逐步發(fā)展為28伏的低壓直流電源系統(tǒng),一直沿用至今。低壓直流電源系統(tǒng)的主電源是由直流發(fā)電機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器、反流割斷器和過壓保護(hù)器等組成。由變流機(jī)或靜止變流器把低壓直流電變換為交流電作為二次電源。常用蓄電池作為應(yīng)急電源。</p><p&

24、gt;　　恒速恒頻交流電源系統(tǒng)是一種通過各種恒速傳動(dòng)裝置(簡稱恒裝)使發(fā)電機(jī)恒速運(yùn)行以產(chǎn)生恒頻交流電的系統(tǒng)。1946年，美國發(fā)明恒速傳動(dòng)裝置（Constant Speed Drive），簡稱恒裝（CSD），開辟了恒速恒頻交流電源的時(shí)代。幾十年來，恒速恒頻電源經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。50年代為第一階段，采用差動(dòng)液壓恒速傳動(dòng)裝置。60年代為第二階段，采用齒輪差動(dòng)液壓恒速傳動(dòng)裝置、無刷交流發(fā)電機(jī)和電磁式控制保護(hù)器。70年代為第三階段，發(fā)展了具有多

25、種優(yōu)點(diǎn)的組合傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。80年代進(jìn)入第四階段，微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用成為了主流。目前它是應(yīng)用最為廣泛的一種飛機(jī)電源系統(tǒng)。</p><p>　　變速恒頻電源系統(tǒng)是一種通過電子功率變換器把變頻發(fā)電機(jī)輸出的變頻交流電變換為恒頻交流電的系統(tǒng)。在變速恒頻電源系統(tǒng)中,交流發(fā)電機(jī)由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),發(fā)電機(jī)所輸出的交流電的頻率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,通過功率變換器將變頻交流電變換為400Hz恒頻交流電。1972年美國通用電氣公司研

26、制的20kVA變速恒頻電源首次裝機(jī)使用。此后40年來變速恒頻電源有了迅速的發(fā)展，成為了新型飛機(jī)電源發(fā)展的方向。</p><p>　　裝有或兩種以上的主電源的電源稱為混合電源。新一代混合電源具有運(yùn)動(dòng)部件少占地空間小，電能質(zhì)量高，效率高損耗小以及使用維修簡單的特點(diǎn)。</p><p>　　270V直流電源系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和控制器構(gòu)成,美國的F - 14A戰(zhàn)斗機(jī)、S - 3A和P -3C反潛機(jī)等局部采

27、用了高壓直流供電技術(shù),而F-22戰(zhàn)斗機(jī)上已采用了65kW 的270V高壓直流電源系統(tǒng), F-35戰(zhàn)斗機(jī)則采用了250kW 、270V 高壓直流起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。因此270V直流電源系統(tǒng)也將是今后飛機(jī)電源的發(fā)展方向之一。</p><p>　　1.3 課題的研究背景</p><p>　　飛機(jī)供電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它的作用是向飛機(jī)上所有用電設(shè)備提供電能，以保證飛機(jī)的安全飛行和完成運(yùn)輸

28、或作戰(zhàn)任務(wù)。由供電系統(tǒng)和用電設(shè)備組成飛機(jī)電氣系統(tǒng)。供電系統(tǒng)又可以分為電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)兩大部分。電源系統(tǒng)按其用途可以分為主電源、二次電源和應(yīng)急電源，有時(shí)還包括輔助電源。主電源是飛機(jī)上全部用電設(shè)備的能源。</p><p>　　飛機(jī)發(fā)電機(jī)是飛機(jī)主電源的主要設(shè)備。發(fā)電機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、電氣特性和參數(shù)直接影響飛機(jī)電源系統(tǒng)在飛機(jī)上的適用程度。飛機(jī)發(fā)電機(jī)有直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。40年代，飛機(jī)上開始應(yīng)用交流發(fā)電機(jī)。電

29、機(jī)容量較小，采用他勵(lì)式，由飛機(jī)直流電網(wǎng)提供勵(lì)磁電流。50年代，出現(xiàn)了無刷交流發(fā)電機(jī)。</p><p>　　在飛機(jī)供電系統(tǒng)中，通常每臺(tái)發(fā)電機(jī)都有電壓調(diào)節(jié)器（簡稱調(diào)壓器）配套工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)。其主要作用是：</p><p>　　（1）使供電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定于規(guī)定的水平。</p><p>　?。?）在并聯(lián)供電系統(tǒng)中，保證各直流發(fā)電機(jī)之間功率的自動(dòng)均衡分配、各交流同步

30、發(fā)電機(jī)之間無功功率的自動(dòng)均衡分配。</p><p>　?。?）在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，提高保護(hù)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。</p><p>　?。?）當(dāng)并聯(lián)交流供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，快速地增強(qiáng)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，發(fā)揮“強(qiáng)行勵(lì)磁”的作用，提高同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。</p><p>　　調(diào)壓器的基本組成如圖1.1所示，通常由檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)與執(zhí)行（操縱、控制）環(huán)節(jié)

31、組成。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，采用了晶體管調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電壓，其優(yōu)點(diǎn)是：三極管的開關(guān)頻率高，且不產(chǎn)生火花，調(diào)節(jié)精度高、重量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小。</p><p>　　圖1.1 調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.4 MATLAB仿真技術(shù)介紹</p><p>　　MATLAB是Matlab Math Work公司于1984年推出的數(shù)學(xué)工具軟件，其科學(xué)

32、計(jì)算功能的強(qiáng)大和開放式的開發(fā)思想使其成為當(dāng)今最為流行最為優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一，在數(shù)值分析、科學(xué)計(jì)算、算法開發(fā)、建模仿真等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　Simulink是MATLAB提供的一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的建模仿真工具，Simulink可以用來仿真線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)、多速率采樣系統(tǒng)以及單任務(wù)或多任務(wù)的離散事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

33、等。但Simulink原是為控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的，不能直接進(jìn)行電路仿真。</p><p>　　1998年，MATLAB5.2中開始提供電氣系統(tǒng)模塊庫Power System Blockset（簡稱PSB）。電氣系統(tǒng)模塊庫以Simlink為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。它由以下六個(gè)子模塊庫組成。</p><p>　?。?）電源模塊

34、庫：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。</p><p>　　（2）基本元件模塊庫：包括串聯(lián)RCL負(fù)載/支路、并聯(lián)RCL負(fù)載/支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感、斷路器、N相分布參數(shù)線路、單相П型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。</p><p>　?。?）電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、和理想開關(guān)等。為滿足不同目的的仿真要求，并提高仿

35、真速度，還有晶閘管簡化模型。</p><p>　?。?）電機(jī)模塊庫：包括勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。</p><p>　?。?）連接模塊庫：包括地、中性點(diǎn)和母線（公共點(diǎn)）。</p><p>　?。?）測(cè)量模塊庫：包括電流和電壓測(cè)量。</p><p>　　PSB模型與Simulink模型有很

36、大區(qū)別，它是主要針對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，很多模型并不適用于電氣傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的分析。</p><p>　　1.5 課題研究的意義</p><p>　　各種電氣設(shè)備都要求在額定電壓下工作，同步發(fā)電機(jī)的端電壓變化很嚴(yán)重的情況下，電機(jī)本身，負(fù)載和整個(gè)電力系統(tǒng)都會(huì)受到極大的不利影響，甚至直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作和生存。因此，保持一定的電壓水平，是供電質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在運(yùn)行中，電壓的變化是隨機(jī)的，

37、迅速的，不可能實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)。因此需要給同步發(fā)電機(jī)加入自動(dòng)電壓調(diào)整器。 </p><p>　　電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和調(diào)壓器構(gòu)成，電壓調(diào)節(jié)器是飛機(jī)供電系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，其性能決定了電源輸出電壓品質(zhì)，它直接關(guān)系著電源系統(tǒng)能否發(fā)出符合質(zhì)量要求的電能供全機(jī)用電設(shè)備使用。正確建立其數(shù)學(xué)模型是閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能及其動(dòng)態(tài)過程理論分析的必要基礎(chǔ)，可以為檢測(cè)、校正等重要環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定提供有益參考，而且對(duì)數(shù)字調(diào)壓器控制算法的研究

38、也有非常重要的意義。</p><p>　　1.6 論文主要內(nèi)容</p><p>　　本文在查閱、比較國內(nèi)大量資料和理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，采用了近年來教學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，使用最為廣泛的Simulink，通過詳細(xì)分析系統(tǒng)元件（如發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器）的工作原理，對(duì)電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的建模與仿真工作。文中各章安排如下：</p><p>　　第一

39、章：緒論。介紹了課題研究的背景及意義，對(duì)MATLAB仿真工具做了簡單介紹。</p><p>　　第二章：電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)PSB建模。在推導(dǎo)出同步電機(jī)狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，先后建立了同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、Simulink模型和PSB模型。并建立了兩極式無刷勵(lì)磁電機(jī)的PSB模型，其可視為三級(jí)無刷勵(lì)磁電機(jī)的簡化版。</p><p>　　第三章：調(diào)壓器建模。介紹了調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)及原理，建立了單環(huán)電壓調(diào)

40、節(jié)系統(tǒng)。并在第二章內(nèi)容的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了整體建模。</p><p>　　第四章：系統(tǒng)仿真分析。對(duì)所建立的模型在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真，并根據(jù)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的調(diào)壓性能進(jìn)行了簡單分析。</p><p>　　第五章：總結(jié)。對(duì)本文所做的工作進(jìn)行了概括。</p><p>　　第二章 電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)PSB建模</p><p>　　在M

41、ATLAB中建立電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)的PSB模型，可以分為三個(gè)步驟，先是建立一般同步電機(jī)的Simulink模型，然后轉(zhuǎn)化為PSB模型，最后將兩個(gè)同步電機(jī)的模型與整流器連接起來就構(gòu)成了無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的PSB模型。而要建立同步電機(jī)的Simulink模型，需要先建立同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　2.1 無刷交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理</p><p>　　目前，航空交流發(fā)電機(jī)多采用無刷勵(lì)

42、磁方式，三級(jí)式無刷交流同步發(fā)電機(jī)由副勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)組成。主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)，副勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式的永磁同步發(fā)電機(jī)。交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有整流器（旋轉(zhuǎn)整流器），發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器直接整流給主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電；而副勵(lì)磁機(jī)專門為調(diào)壓器和控制保護(hù)電路供電。這種發(fā)電機(jī)避免了電刷滑環(huán)，具有可靠性高，無需經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。無刷交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器通過控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電

43、流間接的調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。其原理如圖2.1所示。</p><p>　　圖 2.1 三級(jí)無刷交流同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　由于對(duì)三級(jí)式同步電機(jī)建模比較復(fù)雜，在本文中對(duì)兩級(jí)式無刷交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，用直流電源取代副勵(lì)磁機(jī)為調(diào)壓器和控制保護(hù)電路供電，其可視為三級(jí)式無刷交流發(fā)電機(jī)的簡化模型。圖2.2是兩級(jí)式旋轉(zhuǎn)整流器式無刷勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)電機(jī)

44、可分為兩級(jí)，第一級(jí)為勵(lì)磁機(jī)，其勵(lì)磁繞組在定子上，而點(diǎn)數(shù)繞組在轉(zhuǎn)子上。第二級(jí)為主發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁繞組在轉(zhuǎn)子上而電樞繞組在定子上。勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組通上直流電后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組切割磁力線，所產(chǎn)生的交流電經(jīng)安裝在轉(zhuǎn)子上的整流器整流后變?yōu)橹绷麟娤蛑靼l(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電。這樣，定轉(zhuǎn)子之間取消了機(jī)械和電氣的連接，從而實(shí)現(xiàn)了無刷勵(lì)磁。由于主發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的磁路相對(duì)獨(dú)立，這種結(jié)構(gòu)的無刷同步電機(jī)可以看作兩個(gè)同步電機(jī)同軸串聯(lián)而成。</p>

45、;<p>　　圖2.2 兩級(jí)式無刷勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　建立同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通常假定電機(jī)為理想電機(jī)，即：</p><p>　　（1）電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率為常數(shù)，即忽略掉磁滯、磁飽和的影響，也不計(jì)渦流及集膚作用等的影響。</p><p>　?。?）對(duì)縱軸及橫軸而

46、言，電機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上是完全對(duì)稱的。</p><p>　?。?）定子的3個(gè)繞組的位置在空間互相相差1200電度角，3個(gè)繞組在結(jié)構(gòu)上完全相同。同時(shí)，它們均在氣隙中產(chǎn)生正弦形分布的磁動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　（4）定子及轉(zhuǎn)子的槽及通風(fēng)溝等不影響電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子的電感，即認(rèn)為電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子具有光滑的表面。</p><p><b>　　2.21 基本方程</

47、b></p><p><b>　　一、電壓方程：</b></p><p>　　定子各相繞組電壓方程為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，p=d/dt，為對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)算子；ra為定子各相繞組的電阻。電壓單位為V，電流單位為A，電阻單位為Ω，磁鏈單位為Wb

48、，時(shí)間單位為s。</p><p>　　轉(zhuǎn)子各繞組的電壓方程為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，rf、rD、rQ分別為f、D、Q繞組的電阻。</p><p>　　可把式（2-1）與式（2-2）合并，寫成矩陣形式的abc坐標(biāo)下的電壓方程，即：</p><p>

49、;<b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　二、繞組磁鏈方程：</b></p><p><b>　　寫成矩陣形式為：</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　可簡寫成</b>

50、;</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式（2-4）中L11為定子繞組的自感和互感；L22為轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感；而L12和L21為定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組相互間的互感。電感單位為H。電感矩陣L（6×6）為對(duì)稱陣。</p><p>　　定子繞組自感（Laa，Lbb，Lcc）</p><p&

51、gt;　　以定子a相繞組威力進(jìn)行分析，b相、c相和a相相似。當(dāng)轉(zhuǎn)子d軸與a軸重合時(shí)，相應(yīng)的磁阻最小，（-ia）產(chǎn)生的a相磁鏈Ψa達(dá)最大值，亦即當(dāng)θa=00和θa=1800時(shí)，Laa達(dá)最大值。而當(dāng)d軸與a軸正交，即q軸與a軸重合時(shí)，相應(yīng)的磁阻最大，（-ia）產(chǎn)生的Ψa最小，亦即當(dāng)θa=900和θa=2700時(shí)，Laa為最小值。</p><p>　　由以上分析和理想電機(jī)的假定可知，Laa將以1800為周期，隨d軸與a

52、軸夾角θa的變化而呈正弦變化，且恒為正值。假定定子繞組自感中的恒定部分為LS（LS>0），脈動(dòng)部分幅值為Lt，則：</p><p><b>　?。?-6a）</b></p><p><b>　　同理可得：</b></p><p><b>　　（2-6b）</b></p><p

53、>　　定子繞組互感（Lab，Lba，Lbc ，Lcb，Lca，Lac）</p><p>　　現(xiàn)以a,b相繞組間互感為例進(jìn)行分析，其他的相繞組間的互感可以類推。</p><p>　　由于a、b繞組在空間互差1200，故（-ib）>0時(shí)，Ψa<0，即Lab<0恒為負(fù)值。當(dāng)d軸落后于a軸300（θa=-300）或領(lǐng)先a軸1500（θa=1500）時(shí)，|Lab|達(dá)到最大值；

54、而當(dāng)θa=600和θa=-1200時(shí)，|Lab|達(dá)到最小值。設(shè)Lab的定常部分絕對(duì)值為MS，則可以證明在忽略漏磁時(shí)定子互感的脈動(dòng)部分幅值與定子自感的脈動(dòng)部分幅值相等，也為Lt，由前面分析可得：</p><p><b>　?。?-7a）</b></p><p><b>　　同理有</b></p><p><b>　

55、?。?-7b）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組自感（Lff，LDD，LQQ）</p><p>　　由于轉(zhuǎn)子各繞組自感所對(duì)應(yīng)的磁路磁阻在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中保持不變，故轉(zhuǎn)子繞組自感均為常數(shù)，且均為正值。設(shè)：</p><p><b>　?。?-8a）</b></p><p>　　同理，D繞組、Q繞組有：</p&

56、gt;<p><b>　?。?-8b）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子繞組互感（LDf，LfD，LDQ ，LQD，LfQ，LQf）</p><p>　　由于d，q軸互相正交，故d軸上的繞組與q軸上的繞組間的互感為零，即：</p><p><b>　?。?-9a） </b></p><p&

57、gt;　　而轉(zhuǎn)子d軸上繞組f和D間的互感由于其所對(duì)應(yīng)的磁路磁阻在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中保持不變，因此為常數(shù)，其值設(shè)為MR（MR>0），即：</p><p><b>　?。?-9b）</b></p><p>　　定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感（L12，L21中元素）</p><p>　　先以a相為例討論定子繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組f間的互感。當(dāng)θa=00時(shí)，a繞組與

58、f繞組的互感為正的最大值；當(dāng)θa=1800時(shí)，該互感為負(fù)的最大值。Laf將按正弦變化，設(shè)其幅值為Mf（Mf>0），則可得：</p><p><b>　?。?-10a）</b></p><p><b>　　同理</b></p><p><b>　　（2-10b）</b></p>&l

59、t;p>　　同理可導(dǎo)出定子繞組與d軸阻尼繞組D間的互感為（設(shè)幅值為MD，MD>0）</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　以及定子繞組與q軸阻尼繞組Q間的互感為（設(shè)幅值為MQ，MQ>0）</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p&g

60、t;<b>　　三、轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　按發(fā)電機(jī)慣例電磁力矩瞬時(shí)值表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中，pp為極對(duì)數(shù)；i=（-ia,-ib,-ic,if,iD,iQ）T;L為式（2-5）中的電感矩陣；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角度。將磁鏈方程（2-4）和式（2-5）

61、以及電感參數(shù)表達(dá)式（2-6）~（2-12）代入式（2-13），可導(dǎo)出</p><p><b>　　（2-14）</b></p><p><b>　　2.22 派克變換</b></p><p>　　一、平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換</p><p>　　圖2.3 XOY坐標(biāo)系變換到X，OY，坐標(biāo)系</p&g

62、t;<p>　　如圖2.3所示，點(diǎn)M，由XOY坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到X。OY，坐標(biāo)系</p><p>　　二、經(jīng)典Park變換</p><p>　　Park變換的提出：電感周期變換是因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，站在與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，得到DQ0變換。</p><p>　　由abc變換到dq，三個(gè)坐標(biāo)變?yōu)閮蓚€(gè)坐標(biāo)，系數(shù)為2/3。為了保證可逆變換，加入0

63、坐標(biāo)</p><p>　　由以上平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換公式可得：</p><p><b>　　（2-15）</b></p><p><b>　　如圖2.4所示。</b></p><p>　　圖2.4 abc坐標(biāo)變換到dq0坐標(biāo)</p><p>　　如設(shè)t=0時(shí)，轉(zhuǎn)子d軸與a相繞組

64、軸線重合，則：</p><p>　　θa=ωt （2-16）</p><p><b>　　經(jīng)典派克變換的逆：</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　派克變換將定子abc坐標(biāo)變換到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)<

65、;/p><p>　　定子繞組abc變量 dq0繞組變量</p><p>　　三、dq0坐標(biāo)下的有名值方程</p><p><b>　　1，電壓方程：</b></p><p>　　對(duì)于abc坐標(biāo)下的電壓方程（2-3），可將定子、轉(zhuǎn)子量分開，改寫為</p><p><b>　?。?-18）<

66、;/b></p><p>　　對(duì)式（2-18）兩邊左乘矩陣</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　其中C（3×3）為派克變換矩陣（見式（2-15）），I（3×3）為單位陣。則式（2-18）可化為</p><p>　　即 </p&g

67、t;<p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　由矩陣乘積的微分性質(zhì)可得</p><p><b>　　（2-21）</b></p><p>　　由式（2-15）（2-16）（2-17）可得</p><p><b>　?。?-22）</b><

68、/p><p>　　將式（2-22）代入（2-21）得</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　將（2-23）代入（2-20）得dq0坐標(biāo)下有名值電壓方程為</p><p><b>　　（2-24）</b></p><p><b>　　2，磁

69、鏈方程：</b></p><p>　　abc坐標(biāo)下的磁鏈方程(2-5)可改寫為</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　與電壓方程相似，兩邊左乘矩陣（2-19），經(jīng)整理后可得：</p><p><b>　?。?-26）</b></p><

70、p>　　上式中電感矩陣下標(biāo)S和R分別表示定子和轉(zhuǎn)子。</p><p>　　據(jù)式（2-4）、式（2-6）和式（2-7），可導(dǎo)出</p><p><b>　　（2-27）</b></p><p>　　由式（2-4）、（2-8）和式（2-9）可知</p><p><b>　　（2-28）</b>&l

71、t;/p><p>　　由式（2-4）和式（2-10）~（2-12）可得</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　由式（2-27）~（2-30）匯總得dq0坐標(biāo)下磁鏈方程為：</p><p><b

72、>　　（2-31）</b></p><p><b>　　3，轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　由abc坐標(biāo)下的電磁力矩方程（2-14）出發(fā)，根據(jù)派克變換得</p><p><b>　　（2-32）</b></p><p><b>　　式中</b></

73、p><p>　　四、dq0坐標(biāo)下的標(biāo)幺值方程</p><p>　　兩個(gè)約束條件：1）確保標(biāo)幺值互感可逆的約束（第一約束）</p><p>　　2）保留傳統(tǒng)的標(biāo)幺電機(jī)參數(shù)的約束（第二約束）</p><p><b>　　1，電壓方程</b></p><p>　　標(biāo)幺值電壓方程與有名值電壓方程形式相同，在此

74、不作表述。</p><p><b>　　2，磁鏈方程</b></p><p><b>　?。?-33）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　?。?-34）</b></p><p><

75、b>　　2.23 數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　綜上所述，在忽略了電機(jī)的飽和、磁滯等因素之后，同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以用如下的兩組派克方程表示：</p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p><b>　　電壓方程：</b></p><p><b>

76、　　轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為：</b></p><p>　　2.3 同步電機(jī)的Simulink模型</p><p>　　在MATLAB/Simulink中，2.1中推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型可以用如圖2.5所示的Simulink模型來表示。模型的輸入量為電機(jī)的電壓Uf、Ud、Uq、U0、ω，而輸出變量則為電機(jī)的電流if、id、iq、i0，我們稱之為核心模型。</p><p>

77、　　圖2.5 同步電機(jī)的核心模型</p><p>　　同步電機(jī)的Simulink模型如圖2.6所示。其中CoreDQ0是上面已經(jīng)得到的核心模型。加上了dq變換和dq反變換后，模型的輸入量就變成了Ua、Ub、Uc、ω,而輸出變量則變?yōu)榱薸a、ib、ic、if。另外，為了進(jìn)行派克變換，還加入了轉(zhuǎn)子位置信號(hào)theta。</p><p>　　圖2.6 同步電機(jī)的Simulink模型</p&

78、gt;<p>　　其中dq變換和dq反變換部分（即圖2.4中abc-dq0和dq0-abc部分）分別如圖2.7-1和圖2.7-2所示。dq變換部分作用是將輸入的電壓信號(hào)Uabc轉(zhuǎn)化為Udq0，dq反變換部分作用是將輸出的電流信號(hào)idq0轉(zhuǎn)化為iabc。</p><p>　　圖2.7-1 dq變換部分</p><p>　　圖2.7-2 dq反變換部分</p>&l

79、t;p>　　2.4 同步電機(jī)的PSB模型</p><p>　　PSB中的電壓/電流檢測(cè)模塊和受控電壓源/電流源是溝通Simulink模型和PSB模型的橋梁。通過這些器件模型就可以把Simulink信號(hào)轉(zhuǎn)化為PSB信號(hào)，或反之。這使得電機(jī)的狀態(tài)方程模型和電路的拓?fù)淠Ｐ湍軌蛳嗷ソ粨Q信息，從而結(jié)合在一個(gè)混合模型中。</p><p>　　圖2.8是同步電機(jī)的PSB模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中1、2號(hào)

80、輸入端是勵(lì)磁繞組的接線端，而4、5、6號(hào)輸出端子是電機(jī)電樞繞組的接線端，7號(hào)輸出端子是三相繞組的中點(diǎn)，這些都是PSB端子，應(yīng)與PSB電路模型連接。3號(hào)輸入端是電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定，由拖運(yùn)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)決定；1、2、3輸出端分別是電機(jī)三相電流、電壓和轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)端，這幾個(gè)都是Simulink端，可以與Simulink模型相連接。</p><p>　　圖2.8 同步電機(jī)的PSB模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p&

81、gt;　　圖2.8中machine的部分就是圖2.6所示的同步電機(jī)的Simulink模型，以它為核心，分別控制電樞和勵(lì)磁兩套繞組。用電壓檢測(cè)模塊測(cè)得電機(jī)電樞的三相輸出電壓和勵(lì)磁繞組的輸入電壓，反饋回電機(jī)模型，求得相應(yīng)的電流后，用受控電流源來驅(qū)動(dòng)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了Simulink模型和PSB模型的連接。由于電流源不能開路，模型中還接了一個(gè)假負(fù)載。其阻值為10Ω，對(duì)模型的影響是可以忽略的。另外，圖中的ω-Theta模塊用來把電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電

82、機(jī)角速度和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置。其內(nèi)部如圖2.9所示。將其進(jìn)行封裝，即為圖2.8中ω-Theta模塊。</p><p>　　圖2.9 ω-Theta模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.10為三相電流源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2.10 三相電流源內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.11為三相電壓測(cè)量的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。</p>&

83、lt;p>　　圖2.11三相電壓測(cè)量部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　在MATLAB/Simulink應(yīng)用這一同步電機(jī)的PSB模型，可方便與其他的電路、控制模型組合，進(jìn)行混合仿真。用MASK功能對(duì)同步電機(jī)的模型進(jìn)行封裝，在接下來的仿真中，可以把電機(jī)作為一個(gè)整體來對(duì)待。</p><p>　　2.5 電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)的PSB模型</p><p>　　三級(jí)無刷交

84、流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)均為電勵(lì)磁式同步電機(jī)，應(yīng)用上面得到的同步電機(jī)PSB模型，與MATLAB提供的三相整流橋相連，就形成了無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的PSB模型。圖2.12是由勵(lì)磁機(jī)、整流器、主發(fā)電機(jī)聯(lián)合起來構(gòu)成兩級(jí)式無刷交流發(fā)電機(jī)，可以看做三級(jí)電機(jī)的簡化模型。</p><p>　　圖2.12 電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)模型</p><p>　　其輸入輸出接口中，僅有轉(zhuǎn)速是Simulink信號(hào)，其余

85、的均為PSB信號(hào)，可以直接與其他PSB模塊相連。它表示的是模塊之間的電氣連接關(guān)系，既有電壓又有電流，而不再是Simulink中單一、單向的信號(hào)傳遞關(guān)系。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章先簡單介紹了三級(jí)無刷交流發(fā)電機(jī)和二級(jí)無刷交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，建立了同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用派克變換推導(dǎo)出其狀態(tài)方程，接下來對(duì)其進(jìn)行了Si

86、mulink建模和PSB建模。最后將兩個(gè)同步電機(jī)的模型串聯(lián)，用直流電源代替副勵(lì)磁機(jī)，建立了簡化的三級(jí)式無刷交流電機(jī)的PSB模型。為下面的調(diào)壓系統(tǒng)的建模奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第三章 調(diào)壓器建模</p><p>　　3.1 調(diào)壓器的作用及原理</p><p>　　調(diào)壓系統(tǒng)的基本組成如圖3.1所示。系統(tǒng)由調(diào)壓器和發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象，調(diào)壓器是系

87、統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。調(diào)壓器的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1.使電源系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)特性滿足技術(shù)指標(biāo)；2.發(fā)電機(jī)輸出過載或短路情況下按電源系統(tǒng)的外特性降低輸出電壓。為提高電源系統(tǒng)工作的安全可靠性，現(xiàn)代飛機(jī)調(diào)壓器往往除了基本調(diào)壓功能外，還包括一些擴(kuò)展功能，如：軟起動(dòng)；勵(lì)磁電流限制、保護(hù)；自檢測(cè)；過壓限制及各種故障保護(hù)等；有并聯(lián)要求的電源系統(tǒng)，調(diào)壓內(nèi)還應(yīng)有負(fù)載（無功功率）均衡電路及相關(guān)控制電路。</p><p>　　圖

88、3.1 三級(jí)式無刷交流電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　調(diào)壓器基于脈寬調(diào)制原理調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，通常由電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較控制環(huán)節(jié)、功率放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)等組成。電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)反映被調(diào)節(jié)量（調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓），并輸出至比較環(huán)節(jié)，與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓偏離給定值時(shí)，比較環(huán)節(jié)輸出偏差信號(hào)，此偏差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)和放大環(huán)節(jié)后，通過執(zhí)行環(huán)節(jié)改變占空比改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而起到調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)定

89、電源系統(tǒng)電壓的作用。</p><p>　　3.2 發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的設(shè)計(jì)與研究</p><p>　　3.2.1 發(fā)電機(jī)調(diào)壓控制模型</p><p>　　PI控制是最早發(fā)展起來且目前在工業(yè)過程控制中仍然是應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PI結(jié)構(gòu),而且許多高級(jí)控制都是以PI控制為基礎(chǔ)的。PI控制能被廣泛應(yīng)用和發(fā)展,根本原因在于P

90、I控制具有以下優(yōu)點(diǎn):原理簡單,使用方便,PI參數(shù)Kp和Ti可以根據(jù)過程動(dòng)態(tài)特性及時(shí)調(diào)整;適應(yīng)性強(qiáng);穩(wěn)定性強(qiáng),即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。采用不同的PI參數(shù),對(duì)控制系統(tǒng)的性能將會(huì)不一樣,因此PI參數(shù)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化決定了控制系統(tǒng)最終能達(dá)到的控制性能,PI參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。</p><p>　　根據(jù)電機(jī)模型以及電壓調(diào)節(jié)原理可以選擇PI單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或PI雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p>&

91、lt;p>　　對(duì)于變頻交流發(fā)電系統(tǒng)，要求其帶寬更寬，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。因此，選用加入勵(lì)磁電流反饋的雙環(huán)控制，通過勵(lì)磁電流環(huán)對(duì)勵(lì)磁電流的快速調(diào)節(jié)來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。雙環(huán)系統(tǒng)調(diào)壓控制結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在MATLAB中建立其仿真模型如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 雙環(huán)調(diào)

92、壓模塊仿真模型</p><p>　　雙環(huán)調(diào)制系統(tǒng)比單環(huán)調(diào)制系統(tǒng)多一個(gè)勵(lì)磁電流環(huán)，在調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓U+變化時(shí)，外環(huán)及內(nèi)環(huán)作用都會(huì)使勵(lì)磁電流If向相反方向變化。雙環(huán)調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜，所需時(shí)間較長。單環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較雙環(huán)會(huì)慢些，但不影響仿真目的。在此，我選用電壓單環(huán)調(diào)節(jié)。</p><p>　　根據(jù)交流發(fā)電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理，可以得出如圖3.4所示的電壓單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</

93、p><p>　　圖3.4 單環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)框圖搭建出電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的Simulink模型如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 單環(huán)調(diào)節(jié)的Simulink模型</p><p>　　其中，Uref為參考電壓，Uout為輸出電壓，Urms為輸出電壓有效值反饋值，采取PI控制，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓與Simp

94、owerSystem模塊中的PWM Generator模塊內(nèi)部的三角波相交截，得到PWM輸出信號(hào)。</p><p>　　subsystem部分為求取輸出電壓（即被調(diào)量）有效值的函數(shù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 sunsystem內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2.2 勵(lì)磁功率電路</p><p>　　為了保證

95、主發(fā)電機(jī)的輸出電壓恒定，可通過勵(lì)磁功率電路控制交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流。圖3.7為勵(lì)磁功率電路的原理圖，只需要單相調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，所以采用不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)，它由MATLAB中帶兩個(gè)橋臂的Universal Bridge模塊構(gòu)成。當(dāng)K1、K2開通時(shí)，勵(lì)磁電源經(jīng)K1、K2給勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁，勵(lì)磁電流增加，主電機(jī)輸出電壓隨之增大；而當(dāng)K1、K2關(guān)斷時(shí)，通過續(xù)流二極管D1、D2進(jìn)行能量反饋，此時(shí)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流下降，主電機(jī)輸出電壓也隨之減小。因此通過控制

96、K1、K2的通斷即可實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓恒定的目的。</p><p>　　圖3.7 勵(lì)磁功率電路</p><p>　　3.3 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的整體建模</p><p>　　結(jié)合第二章中發(fā)電機(jī)本體建模的內(nèi)容，可得出加入電壓單環(huán)控制的整體仿真模型。如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)仿真模型</p><p

97、>　　將其進(jìn)行封裝，連上三相電阻可得如圖3.9所示的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的模型。</p><p>　　圖3.9 發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)整體模型</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了調(diào)壓器的基本要求以及工作原理，在此基礎(chǔ)上建立了PI單環(huán)調(diào)節(jié)的Simulink模型，并結(jié)合第二章中發(fā)電機(jī)整體建模的知識(shí)，建立的發(fā)

98、電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的整體模型。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)仿真分析</p><p>　　4.1 發(fā)電機(jī)開環(huán)仿真結(jié)果分析</p><p>　　對(duì)第三章中建立的發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)整體模型（如圖3.9所示）在MATLAB中進(jìn)行仿真運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速為20400rpm，給定頻率為400Hz，勵(lì)磁電壓50V，其余參數(shù)如表4.1：</p><p>　　表4.1

99、發(fā)電機(jī)本體仿真參數(shù)</p><p>　　無刷交流發(fā)電機(jī)開環(huán)時(shí)仿真所得波形如下：</p><p>　　圖4.1 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓</p><p>　　圖4.2 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流</p><p>　　圖4.3 主發(fā)電機(jī)輸出三相電壓</p><p>　　圖4.4 主發(fā)電機(jī)輸出三相電壓穩(wěn)態(tài)部分</p><p

100、>　　可以看到，隨著主發(fā)電機(jī)得到的勵(lì)磁電壓的增大，其勵(lì)磁電流也逐漸增加，主發(fā)電機(jī)的輸出電壓也同步增長，并逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。主發(fā)的勵(lì)磁電壓是由勵(lì)磁機(jī)輸出整流后得到，所以其波形是高頻饅頭波，因主發(fā)的勵(lì)磁繞組電感很大，主發(fā)得到的勵(lì)磁電流仍為直流。</p><p>　　4.2 調(diào)壓系統(tǒng)閉環(huán)仿真分析</p><p>　　加入調(diào)壓電路后整個(gè)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的仿真所得波形如下所示：</p>

101、<p>　　圖4.5 勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流</p><p>　　圖4.10 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓</p><p>　　圖4.11 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流</p><p>　　圖4.12 主發(fā)電機(jī)輸出電流</p><p>　　圖4.13 主發(fā)電機(jī)輸出電流穩(wěn)態(tài)部分</p><p>　　圖4.14 主發(fā)電機(jī)輸出三相電壓</

102、p><p>　　圖4.15 主發(fā)電機(jī)輸出三相電壓穩(wěn)態(tài)部分</p><p>　　圖4.16 主發(fā)電機(jī)輸出電壓有效值</p><p>　　對(duì)比圖4.1和圖4.10，圖4.2和圖4.11，圖4.3和圖4.14，圖4.4和圖4.15，可知，開環(huán)仿真時(shí)隨著主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流一直增大，輸出電壓也逐漸增大。閉環(huán)仿真時(shí)，加入電壓調(diào)節(jié)器，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流在短暫波動(dòng)后趨于

103、穩(wěn)態(tài)，主發(fā)電機(jī)的輸出電流和輸出電壓經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后也趨于穩(wěn)定?？梢娬{(diào)壓器的調(diào)壓作用是很明顯的。</p><p>　　由圖4.14和圖4.15可見，電機(jī)在經(jīng)過調(diào)節(jié)時(shí)間后穩(wěn)定輸出三相正弦電壓，從圖4.16有效值波形可以看出，電機(jī)穩(wěn)定輸出有效值為115V的電壓，穩(wěn)定性較好，調(diào)節(jié)時(shí)間比較短，可見電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置較合理，調(diào)節(jié)情況良好，達(dá)到畢設(shè)要求。</p><p><b>　　4.3

104、 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章分別對(duì)發(fā)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了簡單的分析，由分析結(jié)果知所建模型達(dá)到畢設(shè)要求。</p><p><b>　　第五章 總結(jié)與展望</b></p><p>　　5.1 本文工作小結(jié)</p><p>　　本文對(duì)基于MATLAB的飛機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)壓系

105、統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要展開了以下幾項(xiàng)工作：</p><p>　　根據(jù)同步電機(jī)的基本方程，利用dq變換與dq反變換推導(dǎo)出同步電機(jī)的派克方程，這也是本文的主要理論基礎(chǔ)。</p><p>　　根據(jù)同步電機(jī)的狀態(tài)方程，建立了同步電機(jī)的Simulink核心模型，PSB模型，進(jìn)而完成了電磁式無刷交流發(fā)電機(jī)整體的建模。</p><p>　　設(shè)計(jì)了交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的調(diào)壓器，介紹了調(diào)壓

106、器的結(jié)構(gòu)和工作原理。并完成了調(diào)壓器的建模，從而完成整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)的建模。</p><p>　　對(duì)所建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，并對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行了分析。主發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)態(tài)有效值為115V，達(dá)到了畢設(shè)要求。</p><p>　　5.2 進(jìn)一步工作設(shè)想</p><p>　　由于本人能力有限，有些問題欠缺考慮，一些工作未能深入。個(gè)人認(rèn)為本文的后續(xù)工作可以在以下幾個(gè)方面著手：&

107、lt;/p><p>　　進(jìn)一步完善建立MATLAB電機(jī)模型，盡可能使建立的電機(jī)模型接近實(shí)際情況。</p><p>　　進(jìn)一步開展提高發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)壓性能的技術(shù)研究。</p><p>　　需要對(duì)三級(jí)式同步電機(jī)的無刷交流發(fā)電機(jī)的性能做更深入實(shí)驗(yàn)研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><

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116、the generation mode[J]. IECON, 2008.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，學(xué)姐的幫助，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。</p