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飞机供电系统
方案概述

  飞机供电系统是飞机上电能产生、变换、输送与分配部分的总称,包含从电源到用电设备输入端的全部,通常分为电源系统和输配电系统两部分。电源系统是电源到电源汇流条间的部分,输配电系统是从电源汇流条到用电设备输入端的部分。

  使用Saber软件,对飞机供电系统中的主电源、应急电源、变压整流器、DC/AC逆变器、发电控制单元(GCU)、汇流条功率控制单元(BPCU)进行建模,建立整套系统虚拟模型,模拟飞机在正常状态下及故障状态的工作状况,对功能设计进行验证,控制设计风险,降低设计成本。

需求与挑战

  随着现代科学和航空技术的飞速发展,飞机上的各种电子设备日益增多,用电量不断增加,飞机供电系统的结构和控制越来越复杂,供电系统的浪涌、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。因此发展一个具有高可靠性的飞机供电系统是非常有必要的。

  然而飞机配电系统却是一个非常复杂的系统,其中电源系统就包括主电源、辅助电源、应急电源、二次电源等不同类型,加上输配电系统及负载状况,同时还要考虑各种工况及环境因素,必须采用系统仿真的方式来进行。

解决方案
  Saber产品创建于1987年,是混合信号、混合技术的仿真软件,广泛应用在航空领域。Saber的仿真是建立在虚拟原型的基础上的,它用一系列的数学表达式和方程建立起对真实世界的物体及其连接关系的描述(虚拟原型),通过解算方程得到有关实际工作情况信息。
  针对与飞机供电系统中的包含的交流发电机及其调压器、变压整流器等器件,通过Saber自带的模型库及MAST建模语言,搭建整个供电系统的仿真模型,进行验证。
  ● 利用Saber软件独有的适合于建立混合仿真模型的硬件描述语言----MAST语言,根据同步发电机的基本方程建立起同步发电机的仿真模型,并将其封装成发电机模块。通过改变发电机内部参数,可以对不同类型的发电机进行仿真,包括航空发电机和地面电机。
  ● 利用Saber软件提供的丰富的元件库搭建起飞机供电系统中其他主要模块,如变压整流器,DC/AC逆变器以及汇流条控制单元等的仿真模型,与上述发电机及其调压器模型一起构成恒速恒频供电系统。利用该系统模型可以对各种故障情况进行模拟运行,可以通过观察输出波形对系统工作情况进行分析,并保证当电机出现故障时,在汇流条功率控制单元的作用下,飞机交、直流汇流条上始终得到可靠的电能,从而保证用电设备的正常工作。
  发电系统
  在飞机的发电系统中,主要的部件是无刷交流发电机及其调压器。对于无刷交流发电机的建模,在同步发电机数学模型基础上,使用利用Saber软件元器件库中提供的永磁发电机模型,搭建出整个飞机三相交流无刷电机的仿真模型。
    

  在对调压器进行建模的时候,由于在Saber中运算放大器大模型输出的是逻辑电平,可以直接控制理想开关的通断,可以用理想开关、电感和续流二极管组成控制执行回路。
 
  配电系统
  在现代飞机系统中,飞机用电设备按用电种类可分为直流、交流和交直流两用三种类型。当飞机主电源正常工作时,无刷交流发电机发出的是115V、400Hz的正弦交流电压,因此对于直流二次电源系统来说,该电压必须经过变压整流器整流后才能供直流用电设备使用。另外,当飞行中主电源出现故障时,应急电源投入工作并对机上重要用电设备进行供电,此时有的设备(如电动陀螺仪和某些电动仪表等)则要求频率十分稳定、波形为正弦的交流电。因此24V应急蓄电池的电压必须经过DC/AC逆变单元进行变换,才能供该类交流用电设备使用。
  下面分别为变压整流器及DC/AC逆变器Saber仿真结构图
    

      

      在供电系统中,发电控制单元、汇流条功率控制单元都具有对电压、电流和频率的测量比较功能,并根据测量值与飞机供电系统正常工作时的额定值相比较的结果来控制相应的断路器的通断。发电控制单元主要负责对发电机的输出电压、电流及频率进行测量比较,并控制各自的断路器的通断,以便在发电机出现故障时进行保护,而汇流条功率控制单元则主要负责对交、直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。在Saber环境中,利用其自带的电压比较器对这两种建立起相应的测量比较单元,并封装成不同的模块以便在搭建飞机供电系统的整体模型时使用。
  
      飞机供电系统仿真
      通过Saber层次化的建模能力,将上述建立的模型组成一个完整的供电系统整体模型。并在此基础上对几种可能出现的故障模式进行整体仿真。通过对仿真结果的分析比较,来验证所建立的模型是否能够达到设计要求。
      

   
 
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