飞机供电系统的Saber仿真.docx
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飞机供电系统的Saber仿真
收稿日期:
2006-10-27修回日期:
2007-02-09
第25卷第2期
计算机仿真
2008年2月
文章编号:
1006-9348（200802-0070-04
飞机供电系统的Saber仿真
吴小华,徐刚
（西北工业大学,陕西西安710072
摘要:
飞机供电系统是整个飞机系统的重要组成部分,负责向机上所有电气负载提供高可靠性的电能。
利用仿真软件Saber建立了一个具有双余度的飞机供电系统的仿真模型,在逐步建立起系统各个主要模块的基础上,搭建起一个能够保证稳定供电的飞机供电系统,并对系统在各个故障模式下的工作情况进行整体仿真。
仿真结果表明,该系统结构紧凑,功能完善,在各种故障模式下都能够稳定运行,并提供连续稳定的电能。
此外该系统还具有很好的扩展性,对于其他飞机供电系统的设计具有一定的参考价值。
关键词:
飞机供电系统;仿真;双余度;故障模式中图分类号:
TP3919文献标识码:
A
SaberSimulationofAircraftPowerSupplySystem
WUXiao-hua,XUGang
（NorthwesternPolytechnicUniversity,XianShanxi7100072,China
ABSTRACT:
Aircraftpowersupplysystemisanimportantpartofthewholeaircraftsystem.
Itisusedtosupply
high-reliableelectricitypowertoelectricloadsontheaircraft.Inthispaperadouble-redundantaircraftpower
supplysystemisestablishedusingsimulationsoftwareSaber,afterallcomponentmodelshavebeenestablished,anintegralpowersupplysystemwhichcanassurehighlyreliableelectricpowercanbefinished.Simulationshowsthatthesystemisreliable,anditcanprovidesteadyelectricpowerundereachfaultmodeandhasagoodexpandability.KEYWORDS:
Aircraftpowersupplysystem;Simulation;Double-redundant;Faultmode
1引言
飞机供电系统由电源系统和配电系统组成,负责向飞机上所有的用电设备提供电功率。
随着航空技术的飞速发展,
飞机的任务系统、航空电子系统及飞控系统的电子化程度越来越高,因此对供电系统的要求也越来越高。
飞机供电系统的结构和控制越来越复杂,电气系统的浪涌、尖峰等瞬态变化过程,会引起飞机机载电子系统产生误动作甚至于危险的操纵、或对飞机任务设备的性能产生不利的影响,导致飞机任务的取消。
因此飞机供电系统的设计就显得尤为重要。
本文采用美国Synopsys公司开发的Saber软件作为仿真工具,对飞机供电系统的仿真进行尝试研究。
文中利用Saber软件中所提供的电路模块搭建起系统的基本框架,根据系统的要求对各模块的参数进行设置,并按照飞机供电系统的功能结构对相应的模块进行封装,使系统更加紧凑、合理。
最后对系统进行仿真,并给出系统在各个故障情况下的仿真
波形。
2Saber软件简介
Saber仿真软件是美国Synopsys公司开发的一款EDA
软件,它为混合信号设计与验证提供了一个仿真平台,可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。
Saber支持自顶向下的系统设计和自底向上的具体设计验证。
在概念设计阶段支持模块化的方框图设计,详细设计阶段可用具体元器件组成实际系统。
Saber具有通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型,其使用的MAST语言是一种硬件描述性语言,运用该语言可以建立用户所需的元件或电路模型。
此外,Saber还是一个开放的软件环境,它可以与多种仿真工具软件如MATLAB等接口。
使用Saber软件仿真将缩短工程设计周期,降低设计及试验成本,并进一步提高产品的设计质量。
3飞机供电系统的仿真模型
在本文中,将对一个具有双余度供电能力的飞机供电系
统进行研究,该供电系统主要由飞机主电源,应急电源,变压整流器,直流逆变器以及汇流条功率控制单元（BPCU等几部分组成,该系统能够完成以下功能:
在正常情况下,由飞机主电源向飞机上的各个交流用电设备和直流用电设备进行供电,飞机主电源由两台三相同步交流发电机组成,两台发电机并联工作,并在发电控制单元的控制下向飞机上各用电设备进行供电,当其中一台发电机出现故障时,发电控制单元能够检测到该故障并将出现故障的发电机切除,此时系统由另一台正常工作的发电机进行供电,一旦两台发电机同时出现故障,则两台发电机都被切除,此时在汇流条控制单元的控制下系统由应急电源进行供电。
由于飞机上同时存在交流用电设备和直流用电设备,所以还要建立相应的变压整流单元和直流逆变单元以进行相应的变换。
该系统的结构图如图1
所示。
图1飞机供电系统结构图
在利用Saber进行飞机供电系统仿真模型的建立过程中,采用自底向上的方法,首先建立起各个主要功能模块（如发电机,BPCU等的模型并对其进行封装,再根据系统要求将各个模型连接起来,从而实现整个供电系统的建模,下面将对系统中几个关键部分的建模过程进行详细的介绍说明。
31同步发电机模型的建立
发电机是整个飞机供电系统中最重要的部分,负责向整个系统提供电能,其所发出的电能质量的好坏,直接影响到后面各部分的设计,本文中利用Saber软件对一个三相交流同步发电机进行建模,下面给出发电机模型的电路图和电机方程,并详细介绍该同步电机的结构和数学模型。
从图2可以看出,该同步发电机有6个绕组,其中三个定子绕组:
x-a,y-b,z-c,一个励磁绕组f-f,两个阻尼绕组D-D,Q-Q（以下简称F、D、Q绕组。
在图2中还标明了本模型中规定的各绕组的电流、电压和磁链的正方向。
忽略磁滞、饱和等因素,该同步发电机的派克方程如下式:
电压方程:
图2电励磁式同步发电机电路图
uduqufuDu=ra000
0ra00000rf
00000rD00
r+idiqifiDi
+pdpqpfpDp
+-qd0
00（1
磁链方程:
dqfD=Ld
0MafMaD00Lq0
0MaQ3
2fa0LfMfD032Da0
MDf
LD
32
Qa00LQ+
idiqifiD
i（2
其中,ra,rf,rD
rQ分别为电枢绕组、励磁绕组、直轴阻尼绕组、交轴阻尼绕组的电阻值,为电机的电角度,Ld为电枢绕组直轴等效电感,Lq为电枢绕组交轴等效电感,Lf为励磁绕组电感,LD、LQ分别为直轴、交轴阻尼绕组自感,Maf=Mfa为等效直轴电枢绕组和励磁绕组之间的互感,MaD=MDa为等效交轴电枢绕组和直轴阻尼绕组之间的互感,MaQ=MQa为等效交轴电枢绕组和交轴阻尼绕组之间的互感,MDf=MfD为励磁绕组和直轴阻尼绕组之间的互感。
根据上面的公式推导,选用型号为dq3wrsynd的发电机作为发电机模型,该发电机是一个绕线型的交流同步发电机,有两个控制输入端:
励磁电流输入端和发电机转子转速输入端.励磁电流的大小可以通过一个理想的直流电流源来提供,用来控制发电机所发出的三相交流电压的大小;而电压的频率则需要通过改变转子转速的大小来进行控制。
由于在Saber中能够提供转子转速的量只有转矩源,所以要对相应的转矩源进行设置,使之为一个PWL（PiecewiseLinear值,其初始值能够保证发电机正常启动,在启动后转子转矩提供的功率与发电机消耗的功率相等,这样就能保证电机正
常启动后,发出的电压大小和频率恒定.同步发电机的Saber模型如图3
所示。
图3同步发电机的Saber模型
32变压整流单元模型的建立
变压整流单元用来将交流发电机发出的交流电变换为直流电,以便向机上直流负载提供电能。
变压整流器在飞机电源系统中应用非常广泛。
为了降低波形畸变,使输出直流电压平稳,飞机供电系统变压整流器采用12脉波整流电路。
在建立变压整流模型的过程中,会遇到下面这样一个问题:
由于Saber中所有电压值的测量以及绘制波形时都是基于默认的参考地来给出的,所以整流电路的输出电压ud不能直接测出,要得到输出电阻两端的电压,需要使用Saber中的一个将电压量转化为控制量的模块v2var,该模块有两个输入端和一个输出端,输出端的值等于输入端两端的电压差,再利用将控制量转化为电压量的模块var2v便可以得到输出整流电压相对于参考地的电压。
变压整流单元的Saber模型如图4所示。
对该电路进行仿真可以看出:
在一个周期（25ms内,输出电压脉动12次,直流输出电压值ud=32
cos!
（U2
为输入电压的平均值,!
为控制角图4并联联结的12脉波整流电路仿真框图
33BPCU模型的建立
BPCU是飞机供电系统的一个非常重要的部分,除发电机的故障由GCU控制外,其他所有的故障状态的判断和相应的保护措施都是由BPCU来进行的。
BPCU对交流汇流条上的电压和频率以及直流汇流条上的电压进行检测,如果两路中的其中一路出现故障的话,就断开该路与发电机相连的接触器,并闭合与另一路正常工作的汇流条之间的接触器,当两路同时出现故障时,则选择由应急电源进行供电。
由于在Saber仿真过程中,与线路中各个点相对应的电量的值都默认为电压的值,因此在进行检测比较以判断电路的工作状
态时,使用的比较器comp14也是一个电压型的比较器,这就使得在进行BPCU的建模过程中,主要分为两个部分来进行:
!
电压和电流的测量;∀频率的测量。
3.31电压和电流的测量与保护
在正常状态下,发电机所发出的电压为115V、400Hz的三相交流电压,如果电压超出该范围的话,GCU应该检测到电压的异常状况并断开GCB以进行保护,进行电压检测时,首先将发电机发出的电压经变压整流器整流后输出28V的直流电压,该直流电压再经分压电阻分压后与正常状态下的
额定电压进行比较,我们选用型号为comp14的比较器作为比较装置,。
比较器的输出或输出的逻辑组合接到相应的开关上,就可以实现相应的电路切换。
本文中,BPCU可以对两个独立的交流汇流条和直流汇流条上的电压电流状态进行检测。
3.32频率的测量与保护
与电压电流相比,频率部分要相对复杂一些,由于Saber中没有现成可用的频率的检测器件,所以必须自行设计出频率部分的检测电路,以便将频率转化为可以进行控制的电压量,再送到比较器的输入端进行比较,从而满
足频率的要求,设计的频率检测电路如图5所示。
图5飞机供电系统频率检测电路图
在图5中,利用Saber中自带的八位同步计数器来进行频率测量,频率测量的过程如下:
首先将正弦交流信号转化为方波信号,再将转化后的方波信号送入上面所说的计数器中,该计数器能够对输入信号的上升沿或下降沿进行计数并
输出八位的逻辑信号,代表输入脉冲在一定时间内的上升沿（或下降沿数目,文中采用上升沿计数的方式。
由于输出的是逻辑电平,所以还要设计相应的将逻辑电平转换为电压量的转换电路,在图5中,计数器的输出信号控制着各自的开关,这些开关与具有不同权值的电压源相连,最后利用加法器对这些电压信号进行加法运算,就可以将输入脉冲的上升沿数目以电压的形式表现出来。
该计数器同时还具有清零端,因此对频率的测量可以每隔一段时间进行一次,在测量完毕将测量值输出后,给清零端施加一个短时的触发脉冲进行清零,然后在新的时间间隔内重新计数,这样就可以实现频率的测量,根据测量出的电压值与额定的频率范围进行比较,其过程与电压电流的比较保护过程相类似,文中便不再赘述。
4仿真试验及结果分析
在建立起了系统的各个主要部分的仿真模型后,搭建起系统的整体模型,对整个系统在各个故障状态下的运行情况进行仿真并给出汇流条在出现故障时的状态。
试验过程如下:
先给两台发电机的励磁电流和输入转矩分别赋值,使其发出的电压和频率都处于正常的范围内,然后在某个时刻（如t=5s时改变其中一台励磁电流（或输入转矩的值,使电压或频率进入故障状态,对汇流条上的电压波形进行观察就可以得知在各种故障下,系统的运行是否正常。
通过仿真可以看出,无论是过压、欠压、过频还是欠频,BPCU都能迅速检测到故障并做出相应的切换,并保证并联汇流条上的电压始终处于正常状态,在上述几种故障下,并联汇流条上的电压波形如图6所示。
图中由上向下依次代表欠频、过频、欠压和过压的故障状态。
从图6中可以看出,在1#发电机出现故障时,并联汇流条上的电压在经历了一个短时的故障状态时,迅速恢复到正常状态,从而保证整个飞机供电系统的正常运行,从故障到正常的间隔时间可以通过改变相应的接触器的开通或关断时间来设定,
以满足飞机供电特性的标准。
图6各种故障状态下的并联汇流条电压波形
5结束语
本文建立起了一个简单的飞机供电系统的仿真模型,在分析供电系统各个组成部分的基础上,利用功能强大的电力电子仿真软件Saber搭建起了系统各部分的仿真模型并对整个系统进行了仿真,仿真结果表明,该系统能够实现飞机供电系统的基本功能,并保证飞机的正常供电,此外,该模型还有很好的扩展性,在汇流条单元后添加上输出接口,可以与后面的负载管理单元一起,形成一个更完整的飞机电气综合系统,此外在加入适当的模块后,该模型还能够适应于其他的飞机供电系统,对于别的飞机供电系统的工程设计,也具有一定的参考价值。
参考文献:
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].西安:
西安交通大学出版
社,2001.
[2]岳怡.数字电路与数字电子技术[M].西安:
西北工业大学出
版社,2001.
[3]刘迪吉.航空电机学[M].北京:
航空工业出版社,1992.[4]高朝晖,张晓斌.带均衡电抗器12脉波变压整流器仿真模型的
研究[J].系统仿真学报,2006-7.
[5]蔡鸿武,刘晓林.三相永磁电机的Saber仿真研究[J].船电技
术,2004,（2.
[6]严仰光.航空航天器供电系统[M].北京:
航空工业出版
社,1995.
[作者简介]
吴小华（1969-,女（汉族,江西九江人,博士,副
教授,主要研究方向为电力电子技术,计算机测控技术。
徐刚（1983-,男（汉族,陕西蓝田人,在读硕
士研究生,主要研究方向为计算机测控技术。
（上接第60页参考文献:
[1]JohnD.Hunt.StructuralAnalysisoftheLightWeightHardNoseon
the71MAerostat[R].AIAA-93-4037-CP,1993.[2]
SimonChristoforato,RobertLAshford.ANewAirshipGroundHandlingSystemThatWorks[R].AIAA-97-1435,1997.[3]GAKhoury,JDGillett.AirshipTechnology[M].Cambridge:
GambridgeUniversityPress,1999.11-16.
[4]张永昌.MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M].北京:
科学出版社,2004247-256.
[5]SPJohn.Aerodynamicsofanewaerostatdesignwithinverted-Y
fins[R].AIAA-85-0867-CP,1985.
[6]SPJohn,SLDchroeder.Nonlineardynamicsimulationofateth
eredaerostat:
Afidelitystudy[J].JournalofAircraft,2001,38,（1.
[7]JRAzinheira.Influenceofwindspeedonairshipdynamic[J].
JournalofGuidance.ControlandDynamics,2002,25（6.
[作者简介]
杨燕初（19825-,男（汉族,河南郑州人,硕士
研究生,主要研究方向为飞艇、系留气球外形与结构的设计与分析。
王生（1963-,男（汉族,河北人,博士,中科院
光电研究院气球中心副主任,研究员,主要研究方向为飞行器总体设计、结构与机构分析设计和试验
研究。
马毅（1980-,男（汉族,江苏南京人,硕士,工程师,主要研究
方向为结构与机构分析设计和试验研究。
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