【正文】 ................................................................... 31 本章小結 ......................................................................................................................... 34 本文工作小結 ................................................................................................................. 35 進一步工作設想 ............................................................................................................. 35 參考文獻 ....................................................................................................................................... 36 致 謝 ............................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 1 第一章 緒 論 引言 人類自古以來就夢想著 能像鳥一樣在太空中飛翔。二十世紀最重大的發(fā)明之一，是飛機的誕生。 1903 年 12 月 17 日，萊特兄弟進行了人類歷史上的首次有動力、可操縱持續(xù)飛行試驗。 20 世紀 20 年代飛機開始載運乘客， 60 年代以來，世界上出現(xiàn)了一些大型運輸機和超音速運輸機，著名的有前蘇聯(lián)生產(chǎn)的安－ 2伊爾－ 76；美國生產(chǎn)的 C－ 14 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，達到了如今以空中客車公司 A380 與波音公司 B787 等飛機為代表的高度現(xiàn)代化客機的水平。 航空發(fā)動機產(chǎn)生推力、拉力或升力使飛機飛行，是 飛機的動力裝置，稱為飛機的一次能源設備。然而，航空航天器上的設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，因此飛機需要配備其他類型的能源，如電能，液壓能，氣壓能等。飛機上的其他能源統(tǒng)稱為二次能源。 目前飛機上的輔助能源是電能、液壓能和氣壓能三者并存，使飛機和發(fā)動機性能降低，系統(tǒng)復雜、重量大、費用高。對于飛機來說，由于用電能取代液壓能和氣壓能后，可以減輕飛機的重量、提高飛機的可靠性和維修性、降低飛機的易損性以及降低飛機的壽命周期費用等，因此以電能取代液壓 能和氣壓能將是未來飛機的發(fā)展方向。 近 30 年來，電工技術取得了突破性進展，新型機電作動機構已經(jīng)能夠取代液壓和氣壓作動機構。近年來，如波音公司 B787等新型飛機已經(jīng)使用了大量的電能作為二次能源，這也印證了機上電能具有廣闊的應用前景。 飛機電源系統(tǒng)發(fā)展歷程 由于電能易于輸送、分配、變換和控制，絕大部分機載設備采用電能工作。我們把飛機上用來產(chǎn)生電能的設備組合（電源及其調(diào)節(jié)、控制和保護設備）稱為飛機電源系統(tǒng)。 目前國內(nèi)外正在使用的飛機電源系統(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。 低壓直流電源是飛機最早采用的電源，在二戰(zhàn)期間趨于成熟。 自 1914年飛機上第一次使 畢業(yè)設計（論文）報告紙 2 用航空直流發(fā)電機以來 ,飛機直流電源系統(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、電壓調(diào)節(jié)器、反流割斷器和過壓保護器等組成。由變流機或靜止變流器把低壓直流電變換為交流電作為二次電源。常用蓄電池作為應急電源。 恒速恒頻交流電源系統(tǒng)是一種通過各種恒速傳動裝置 (簡稱恒 裝 )使發(fā)電機恒速運行以產(chǎn)生恒頻交流電的系統(tǒng)。 1946 年，美國發(fā)明恒速傳動裝置（ Constant Speed Drive），簡稱恒裝（ CSD），開辟了恒速恒頻交流電源的時代。幾十年來，恒速恒頻電源經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。50 年代為第一階段，采用差動液壓恒速傳動裝置。 60 年代為第二階段，采用齒輪差動液壓恒速傳動裝置、無刷交流發(fā)電機和電磁式控制保護器。 70 年代為第三階段，發(fā)展了具有多種優(yōu)點的組合傳動發(fā)動機。 80 年代進入第四階段，微型計算機的應用成為了主流。 目前它是應用最為廣泛的一種飛機電源系統(tǒng)。 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)電機由飛機發(fā)動機直接驅(qū)動 ,發(fā)電機所輸出的交流電的頻率隨發(fā)動機轉(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制的 20kVA變速恒頻電源首次裝機使用。此后 40年來變速恒頻電源有了迅速的發(fā)展，成為了新型飛機電源發(fā)展的方向。 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動部件少占地空間小，電能質(zhì)量高，效率高損耗小以及使用維修簡單的特點。 270V直流電源系統(tǒng)由發(fā)電機和控制器構成 ,美國的 F 14A戰(zhàn)斗機、 S 3A和 P 3C反潛機等局部采用了高壓直流供電技術 ,而 F22戰(zhàn)斗機上已采用了 65kW 的 270V高壓直流電源系統(tǒng) , F35戰(zhàn)斗機則采用了 250kW 、 270V 高壓直流起動發(fā)電系統(tǒng)。因此 270V直流電源系統(tǒng)也將是今后飛機電源的發(fā)展方向之一。 課題的研究背景 飛機供電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的一個重要組成部分，它的作用是向飛機上所有用電設備提供電能，以保證飛機的安全飛行和完成運輸或作戰(zhàn)任務。由供電系統(tǒng)和用電設備組成飛機電氣系統(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、二次電源和應急電源，有時還包括輔助電源。主電源是飛機上全部用電設備的能源。 飛機發(fā)電機是飛機主電源的主要設備。發(fā)電機的可靠性、經(jīng)濟性、電氣特性和參數(shù)直接影響飛機電源系統(tǒng)在飛機上的適用程度。飛機發(fā)電機有直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩大類。 40 畢業(yè)設計（論文）報告紙 3 年代，飛機上開始應用交流發(fā)電機。電機容量較小，采用他勵式，由飛機直流電網(wǎng)提供勵磁電流。 50 年代，出現(xiàn)了無刷交流發(fā)電機。 在飛機供電系統(tǒng)中，通常每臺發(fā)電機都有電壓調(diào)節(jié)器（簡稱調(diào)壓器）配套工作，實現(xiàn)對電壓的自動調(diào)節(jié) 。其主要作用是： （ 1）使供電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定于規(guī)定的水平。 （ 2）在并聯(lián)供電系統(tǒng)中，保證各直流發(fā)電機之間功率的自動均衡分配、各交流同步發(fā)電機之間無功功率的自動均衡分配。 （ 3）在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，提高保護裝置動作的準確性。 （ 4）當并聯(lián)交流供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，快速地增強同步發(fā)電機的勵磁電流，發(fā)揮 “強行勵磁 ”的作用，提高同步發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性。 調(diào)壓器的基本組成如圖 所示，通常由檢測環(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)組成。隨著半導體技術的發(fā)展，采用了晶體管調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電壓，其優(yōu)點是：三極 管的開關頻率高，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。 檢 測 環(huán) 節(jié)比較環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)對象基 準 值被調(diào)節(jié)量U f自 動 調(diào) 節(jié) 器 圖 調(diào)壓器結構圖 MATLAB仿真技術介紹 MATLAB 是 Matlab Math Work 公司于 1984 年推出的數(shù)學工具軟件，其科學計算功能的 畢業(yè)設計（論文）報告紙 4 強大和開放式的開發(fā)思想使其成為當今最為流行最為優(yōu)秀的科技應用軟件之一，在數(shù)值分析、科學計算、算法開發(fā)、建模仿真等方面具有獨到的優(yōu)勢。 Simulink 是 MATLAB 提供的一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析 的軟件包。作為一個動態(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)以及單任務或多任務的離散事件驅(qū)動系統(tǒng)等。但 Simulink 原是為控制系統(tǒng)仿真設計的，不能直接進行電路仿真。 1998 年， 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 為運行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。它由以下六個子模塊庫組成 。 （ 1）電源模塊庫：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。 （ 2）基本元件模塊庫：包括串聯(lián) RCL 負載 /支路、并聯(lián) RCL 負載 /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。 （ 3） 電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、 GTO、 MOSFET、和理想開關等。為滿足不同目的的仿真要求，并提高仿真速度，還有晶閘管簡化模型。 （ 4） 電機模塊庫：包括勵磁裝置、水輪機及其調(diào)節(jié)器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。 （ 5） 連接模塊庫：包括地、中性點和母線（公共點）。 （ 6） 測量模塊庫：包括電流和電壓測量 。 PSB 模型與 Simulink 模型有很大區(qū)別，它是主要針對電力系統(tǒng)設計分析，很多模型并不適用于電氣傳動及其控制系統(tǒng)的分析。 課題研究的意義 各種電氣設備都要求在額定電壓下工作，同步發(fā)電機的端電壓變化很嚴重的情況下，電機本身，負載和整個電力系統(tǒng)都會受到極大的不利影響，甚至直接影響整個系統(tǒng)的工作和生存。因此，保持一定的電壓水平，是供電質(zhì)量的重要指標之一。在運行中，電壓的變化是隨機的，迅速的，不可能實現(xiàn)人工調(diào)節(jié)。因此需要給 同步發(fā)電機加入自動電壓調(diào)整器。 電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)由發(fā)電機和調(diào)壓器構成， 電壓調(diào)節(jié)器是飛機供電系統(tǒng)中不可缺少的重要設備 ，其性能決定了電源輸出電壓品質(zhì) ，它直接關系著電源系統(tǒng)能否發(fā)出符合質(zhì)量要求的電能 畢業(yè)設計（論文）報告紙 5 供全機用電設備使用 。正確建立其數(shù)學模型是閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能及其動態(tài)過程理論分析的必要基礎，可以為檢測、校正等重要環(huán)節(jié)的參數(shù)設定提供有益參考，而且對數(shù)字調(diào)壓器控制算法的研究也有非常重要的意義。 論文主要內(nèi)容 本文在查閱 、比較國內(nèi)大量 資料和理論學習的基礎上， 采用了近年來教學和工業(yè)應用中對動態(tài)系統(tǒng)進行仿真時，使用最為廣泛 的 Simulink，通過詳細分析系統(tǒng)元件（如發(fā)電機、調(diào)壓器）的工作原理， 對電磁式無刷交流發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)進行了相關的建模與仿真工作。文中各章安排如下： 第一章 ：緒論。 介紹了課題研究的背景及意義，對 MATLAB 仿真工具做了簡單介紹。 第二章 ： 電磁式無刷交流發(fā)電機 PSB 建模。 在推導出同步電機狀態(tài)方程的基礎上，先后建立了同步電機的數(shù)學模型、 Simulink 模型和 PSB 模型。并建立了兩極式無刷勵磁電機的 PSB模型，其可視為三級無刷勵磁電機的簡化版。 第三章 ： 調(diào)壓 器建模。介紹了調(diào)壓器的結構及原理，建立了單環(huán)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。并在第二章內(nèi)容的基礎上對發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)進行了整體建模。 第四章 ： 系統(tǒng)仿真分析。對所建立的模型在 MATLAB 環(huán)境下進行仿真，并根據(jù)結果對系統(tǒng)的調(diào)壓性能進行了簡單分析。 第五章 ： 總結。對本文所做的工作進行了概括 。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 6 第二 章 電磁式無刷交流 發(fā)電機 PSB建模 在 MATLAB 中建立電磁式無刷交流發(fā)電機的 PSB 模型，可以分為三個步驟，先是建立一般同步電機的 Simulink 模型，然后轉(zhuǎn)化為 PSB 模型，最后將兩個同步電機的模型與整流器連接起來就構成了無刷勵磁 同步 電機的 PSB 模型。 而要建立同步電機的 Simulink 模型 ，需要先建立同步電機的數(shù)學模型。 無刷交流發(fā)電機的結構和原理 目前，航空交流發(fā)電機多采用無刷勵磁方式，三級式無刷交流同步發(fā)電機由副勵磁機、勵磁機和主發(fā)電機組成。主發(fā)電機為旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機，交流勵磁機是 旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機，副勵磁機為旋轉(zhuǎn)磁極式的永磁同步發(fā)電機。交流勵磁機轉(zhuǎn)子上裝有整流器（旋轉(zhuǎn)整流器），發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，勵磁機電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器直接整流給主發(fā)電機勵磁繞組供電；而副勵磁機專門為調(diào)壓器和控制保護電路供電。 這種發(fā)電機避免了電刷滑環(huán)，具有可靠性高，無需經(jīng)常維護等優(yōu)點。無