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摘 要：针对典型发电机并联供电性能的检测仍借助人工测试完成，对其进行真实的物理实 验跟踪记录较为困难等问题，提出利用微增量法建立低压直流发电机的数学模型，采用平均电流 均流法建立发电机并联控制模型。在Saber仿真环境下建立并联系统分别模拟飞机发电机在稳定 状态、投入切除并联及突加突卸负载状态下系统的运行情况。仿真结果表明，建立的模型真实有 效、仿真精度高，能为真实的电机设计提供参考。
关键词：直流发电机；并联建模；自动均流法；仿真
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）06-0055-04
ParallelModelingandSimulationofAircraft GeneratorBasedonSaber
ZHUYaFen，GUOLei，LIUYuLiang，ZHAOLong
（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Thedetectionoftypicalgeneratorpowersupplycapacityisstilldonebymeansofmanual tests，itsactualphysicalexperimentsaredifficulttokeeptrackof.Thispaperestablishesamathematical modeloflowvoltageDCgeneratorwiththemicroincrementmethod，andusestheaveragecurrentmethod toestablishthegeneratorcurrentsharingcontrolmodel.UnderSabersimulatingconditions，theparallel systemisestablishedtosimulatetheoperationofaircraftgeneratorssysteminstatesofsteady，inputand thesuddenremovalof，andloadunload.Simulationresultsshowthatthemodelisvalid，simulationaccu racyishigh，andcanprovidesareferenceforanactualgeneratordesign.
Keywords：DCgenerator；parallelmodeling；currentsharingcontrol；simulation
0 引 言
在飞机发明后的半个世纪里，由发电机供电 的飞机电源系统得到了迅速发展。然而，直流发电 机由于体积小、简单可靠、整体维护性好、全周期 维护费用不高等诸多优点，如今在小飞机上仍旧 广泛使用[1]。随着航空作战任务及供电需求的增 多，发电机并联供电逐渐成为一种趋势[2]；负载的 突然变化对并联系统产生的浪涌尖峰可能引起机载电子系统产生误动作[3]，因此对系统的并联控 制要求也越来越高。在实际应用中，电源系统性能 的检测一直采用传统的人工测试[4]，测试精度不 高。本文采用现代计算机仿真方法，建立飞机主电 源系统中带有均流调压控制的发电机并联系统模 型。用SaberScope直接观测负载变化对发电机电 压的影响，取代许多繁琐的人工分析[4]，缩短测试 时间，减少测试成本，且为今后发电机及控制系统 中各参数的修正及优化设计提供了依据。
1 直流发电机并联供电系统
主电源部分包括发电机和发电机控制器[5]。
近些年来，随着用电容量及质量要求的日益提高， 单台发电机也逐渐不能满足日益提高的供电需求。 然而，在系统并联情况下，两套完全相同的电源系 统由于制造工艺的不同，使得其外特性产生一定 误差，由于这些误差的不可避免性，电源系统在直 接并联的情况下，外特性差的发电机运行于轻载 或空载状态，而电压调整率相对较小、外特性较好 的发电机则会承担较多的电流或过载。这样的长 期运行，承担电流较多的模块，损坏的可能性变 大，系统的可靠性变低。系统运行于大负载情况 下，若各个模块输出电流相差较大，会导致输出电 流最大的模块最先达到最大电流限制，引起系统 的保护模块动作，导致系统不能正常工作。
针对上述情况，本文将建立一个双裕度供电 能力的电源系统，研究发电机的并联供电性能。系 统包括发电机模块及其并联控制模块。并联控制 模块中的调压部分将并联发电机的输出电压调整 到符合国家军用标准的要求，其功率部分则依据 均流调压控制的信号给发电机提供励磁电流。系 统结构如图1所示。
2 基于Saber的建模
2.1 基于Saber对发电机的建模
本文利用Saber建立发电机的主电路和励磁回 路的数学模型。在建立发电机的数学模型前，为分 析方便，将发电机的主电路进行简化处理[6-8]，如 图2所示。由图2可以得到发电机的电枢电动势方 程式为
式中：Ra由发电机电枢绕组的电阻ra和发电机正 端引线电阻r+组成；Ea为发电机电枢电势；Ia为 发电机电枢电流；La为电枢绕组电感；U为电网电压；R为电网负载电阻；I为电网负载电流；Ij为励 磁电流；Lj为励磁绕组电感；rj为励磁绕组等效电 阻。
发电机的额定功率为6W，额定电压28.5V， 额定电流200A，根据负载及技术指标参数要求， 采用单一变量法，取励磁电流占空比为30%，即 σ=30%，得到发电机Saber仿真模型如图4所示。
2.2 基于Saber对并联控制模块的建模
并联均流控制[9]的实质是调节输出电压。调 压模块包括检测比较电路、脉冲调制电路及功率 放大电路。检测比较电路的主要功能是按一定的 比率要求检测发电机调压点的电压，构成电压负 反馈。脉宽调制电路是将振荡电路的输出信号和 基准电压信号相互叠加，并和检测比较电路的输 出信号进行比较，产生一个脉冲宽度随电压误差 信号变化而变化的矩形脉冲电压信号。
当多台并联时，电源本身自动调整各自的输 出电压，但此时仅仅靠调压模块的作用，已不足 以完成发电机的无功功率平均分配。其关键是让 负载电流参与到环路的调整系统中来，形成双环 的控制系统。负载电流参与到系统中，通过调节 个体电源误差来调节励磁电压的占空比，使输出 的电流得以平均分配，达到调整输出电压的目 的。同时，平均电流均流法采用电流环和电压环 双环控制方式，电流环可以抑制均流母线上产生 的噪音，而电压环调整输出电压，使均流系统具 有良好的瞬态响应。因此，并联控制电路主要由 均流电流、电流检测网络、放大器、分压电路、 检测点电压、比较器、功率放大电路、基准电压、 电流反馈信号和励磁电路等组成。根据上述分析 进行相应的模块搭建，建立并联控制方框图如图 5所示。
根据参数匹配调试，得到并联均流控制Saber 仿真模型如图6所示。
3 仿真与分析
3.1 投入切除故障电机时并联系统暂态性能
（1）研究并联系统的暂态性能，仿真发电机 投入并联过程：起初1号发电机运行于满载情况 下，2号发电机未投入运行；1s以后2号发电机投 入满载状态运行。仿真波形如图7所示。
仿真结果表明，当只有一台发电机发电时，负 载所需的电流200A全部由一台发电机来提供；当 两台发电机投入并联运行时，两台发电机各提供 负载所需电流的一半，实现负载电流的平均分配， 输出电流稳定，且满足额定电流设计要求。
（2）仿真发电机故障切除并联过程：起初两 台发电机运行于半载情况下，1s以后一台发电机 因故障而切除，另一台发电机正常运行。仿真波形 如图8所示。
仿真结果表明，并联系统在突然投入、切除发 电机时，控制器迅速响应，由各自提供100A电流 转变为一台电机单独提供200A，输出电流稳定， 满足额定电流设计要求。
3.2 突加突卸负载时系统的暂态均流性能
（1）突加突卸模式下均流能力检测
为发电机并联系统接入π型负载，分别变化 发电机的加载情况来验证并联系统的均流能力。1 号发电机运行于10%—85%—10%突加突卸负载 模式，2号发电机空载运行。仿真波形如图9所 示。
国军标规定[10]：发电机控制器负载均流偏差 应小于额定电流的10%，即20A。由图9看出，并 联系统的均流偏差为0.1A左右，远远小于国军标 规定值，由此可见，均流控制满足要求且精度较 高，具有良好的稳态均流性能。
（2）突加突卸负载模式下浪涌电压检测
1号发电机运行于10%—85%—10%突加突 卸负载模式，2号发电机满载运行。仿真波形如图 10所示。
国军标规定[10]：低压直流电源系统浪涌尖峰稳态极限为18～50V，据此本仿真尖峰需在0.08 s内恢复至稳态电压22～29V。由图10看出，突 加负载时，电压瞬间降低，在0.019s时恢复至 22.2V；突卸负载时，电压瞬间升高，在0.06s时 恢复至29V，响应较快，在国军标规定范围内。由 此可见，双发并联系统的浪涌电压检测满足要求， 且具有较强的浪涌电压恢复能力。
4 结 论
本文利用Saber软件建立了飞机直流并联供电 系统的仿真模型，模型真实有效，仿真表明系统在 满足额定功率、额定电压、额定电流设计要求基础 上，在突加突卸状态下快速响应，结果符合国军标 规定，建立的模型为今后发电机的优化设计及参 数修正提供了依据，可代替真实试验中的人工测 试，提高试验效率，降低试验成本。同时，该模型 还具有较好的扩展性，可以在此基础上增加保护 模块、二次电源、负载模块等，模拟全套的飞机电 源系统。
参考文献：
[1]居蓉蓉.航空直流起动发电机控制器技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2008.
[2]周瑶.基于CAN总线的并联直流发电机数字控制技术 研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[3]吴小华，徐刚.飞机供电系统的Saber仿真[J].计算 机仿真，2008，25（2）：70-73.
[4]唐虹，黄茜汀，唐万忠，等.基于Simulink的飞机电源 系统建模与仿真[J].电网技术，2007，31（19）：87- 90.
[5]严东超.飞机供电系统[M].北京：国防工业出版社， 2010.
[6]汤蕴缪，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社， 2005.
[7]史仪凯.电子技术[M].北京：科学出版社，2004.
[8]PanovY，Jovanovic′MM.LoopGainMeasurementof ParalleledDC-DCConverterswithAverageCurrentSha ringControl[J].IEEETransactionsonPowerElectronics， 2008，23（6）：2942-2948.
[9]高晓辉.飞机电气系统的数字仿真[D].西安：西北工 业大学，2009.
[10]GJB181—1986.飞机供电特性及对用电设备的要求 [S].
关键词：直流发电机；并联建模；自动均流法；仿真
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）06-0055-04
ParallelModelingandSimulationofAircraft GeneratorBasedonSaber
ZHUYaFen，GUOLei，LIUYuLiang，ZHAOLong
（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Thedetectionoftypicalgeneratorpowersupplycapacityisstilldonebymeansofmanual tests，itsactualphysicalexperimentsaredifficulttokeeptrackof.Thispaperestablishesamathematical modeloflowvoltageDCgeneratorwiththemicroincrementmethod，andusestheaveragecurrentmethod toestablishthegeneratorcurrentsharingcontrolmodel.UnderSabersimulatingconditions，theparallel systemisestablishedtosimulatetheoperationofaircraftgeneratorssysteminstatesofsteady，inputand thesuddenremovalof，andloadunload.Simulationresultsshowthatthemodelisvalid，simulationaccu racyishigh，andcanprovidesareferenceforanactualgeneratordesign.
Keywords：DCgenerator；parallelmodeling；currentsharingcontrol；simulation
0 引 言
在飞机发明后的半个世纪里，由发电机供电 的飞机电源系统得到了迅速发展。然而，直流发电 机由于体积小、简单可靠、整体维护性好、全周期 维护费用不高等诸多优点，如今在小飞机上仍旧 广泛使用[1]。随着航空作战任务及供电需求的增 多，发电机并联供电逐渐成为一种趋势[2]；负载的 突然变化对并联系统产生的浪涌尖峰可能引起机载电子系统产生误动作[3]，因此对系统的并联控 制要求也越来越高。在实际应用中，电源系统性能 的检测一直采用传统的人工测试[4]，测试精度不 高。本文采用现代计算机仿真方法，建立飞机主电 源系统中带有均流调压控制的发电机并联系统模 型。用SaberScope直接观测负载变化对发电机电 压的影响，取代许多繁琐的人工分析[4]，缩短测试 时间，减少测试成本，且为今后发电机及控制系统 中各参数的修正及优化设计提供了依据。
1 直流发电机并联供电系统
主电源部分包括发电机和发电机控制器[5]。
近些年来，随着用电容量及质量要求的日益提高， 单台发电机也逐渐不能满足日益提高的供电需求。 然而，在系统并联情况下，两套完全相同的电源系 统由于制造工艺的不同，使得其外特性产生一定 误差，由于这些误差的不可避免性，电源系统在直 接并联的情况下，外特性差的发电机运行于轻载 或空载状态，而电压调整率相对较小、外特性较好 的发电机则会承担较多的电流或过载。这样的长 期运行，承担电流较多的模块，损坏的可能性变 大，系统的可靠性变低。系统运行于大负载情况 下，若各个模块输出电流相差较大，会导致输出电 流最大的模块最先达到最大电流限制，引起系统 的保护模块动作，导致系统不能正常工作。
针对上述情况，本文将建立一个双裕度供电 能力的电源系统，研究发电机的并联供电性能。系 统包括发电机模块及其并联控制模块。并联控制 模块中的调压部分将并联发电机的输出电压调整 到符合国家军用标准的要求，其功率部分则依据 均流调压控制的信号给发电机提供励磁电流。系 统结构如图1所示。
2 基于Saber的建模
2.1 基于Saber对发电机的建模
本文利用Saber建立发电机的主电路和励磁回 路的数学模型。在建立发电机的数学模型前，为分 析方便，将发电机的主电路进行简化处理[6-8]，如 图2所示。由图2可以得到发电机的电枢电动势方 程式为
式中：Ra由发电机电枢绕组的电阻ra和发电机正 端引线电阻r+组成；Ea为发电机电枢电势；Ia为 发电机电枢电流；La为电枢绕组电感；U为电网电压；R为电网负载电阻；I为电网负载电流；Ij为励 磁电流；Lj为励磁绕组电感；rj为励磁绕组等效电 阻。
发电机的额定功率为6W，额定电压28.5V， 额定电流200A，根据负载及技术指标参数要求， 采用单一变量法，取励磁电流占空比为30%，即 σ=30%，得到发电机Saber仿真模型如图4所示。
2.2 基于Saber对并联控制模块的建模
并联均流控制[9]的实质是调节输出电压。调 压模块包括检测比较电路、脉冲调制电路及功率 放大电路。检测比较电路的主要功能是按一定的 比率要求检测发电机调压点的电压，构成电压负 反馈。脉宽调制电路是将振荡电路的输出信号和 基准电压信号相互叠加，并和检测比较电路的输 出信号进行比较，产生一个脉冲宽度随电压误差 信号变化而变化的矩形脉冲电压信号。
当多台并联时，电源本身自动调整各自的输 出电压，但此时仅仅靠调压模块的作用，已不足 以完成发电机的无功功率平均分配。其关键是让 负载电流参与到环路的调整系统中来，形成双环 的控制系统。负载电流参与到系统中，通过调节 个体电源误差来调节励磁电压的占空比，使输出 的电流得以平均分配，达到调整输出电压的目 的。同时，平均电流均流法采用电流环和电压环 双环控制方式，电流环可以抑制均流母线上产生 的噪音，而电压环调整输出电压，使均流系统具 有良好的瞬态响应。因此，并联控制电路主要由 均流电流、电流检测网络、放大器、分压电路、 检测点电压、比较器、功率放大电路、基准电压、 电流反馈信号和励磁电路等组成。根据上述分析 进行相应的模块搭建，建立并联控制方框图如图 5所示。
根据参数匹配调试，得到并联均流控制Saber 仿真模型如图6所示。
3 仿真与分析
3.1 投入切除故障电机时并联系统暂态性能
（1）研究并联系统的暂态性能，仿真发电机 投入并联过程：起初1号发电机运行于满载情况 下，2号发电机未投入运行；1s以后2号发电机投 入满载状态运行。仿真波形如图7所示。
仿真结果表明，当只有一台发电机发电时，负 载所需的电流200A全部由一台发电机来提供；当 两台发电机投入并联运行时，两台发电机各提供 负载所需电流的一半，实现负载电流的平均分配， 输出电流稳定，且满足额定电流设计要求。
（2）仿真发电机故障切除并联过程：起初两 台发电机运行于半载情况下，1s以后一台发电机 因故障而切除，另一台发电机正常运行。仿真波形 如图8所示。
仿真结果表明，并联系统在突然投入、切除发 电机时，控制器迅速响应，由各自提供100A电流 转变为一台电机单独提供200A，输出电流稳定， 满足额定电流设计要求。
3.2 突加突卸负载时系统的暂态均流性能
（1）突加突卸模式下均流能力检测
为发电机并联系统接入π型负载，分别变化 发电机的加载情况来验证并联系统的均流能力。1 号发电机运行于10%—85%—10%突加突卸负载 模式，2号发电机空载运行。仿真波形如图9所 示。
国军标规定[10]：发电机控制器负载均流偏差 应小于额定电流的10%，即20A。由图9看出，并 联系统的均流偏差为0.1A左右，远远小于国军标 规定值，由此可见，均流控制满足要求且精度较 高，具有良好的稳态均流性能。
（2）突加突卸负载模式下浪涌电压检测
1号发电机运行于10%—85%—10%突加突 卸负载模式，2号发电机满载运行。仿真波形如图 10所示。
国军标规定[10]：低压直流电源系统浪涌尖峰稳态极限为18～50V，据此本仿真尖峰需在0.08 s内恢复至稳态电压22～29V。由图10看出，突 加负载时，电压瞬间降低，在0.019s时恢复至 22.2V；突卸负载时，电压瞬间升高，在0.06s时 恢复至29V，响应较快，在国军标规定范围内。由 此可见，双发并联系统的浪涌电压检测满足要求， 且具有较强的浪涌电压恢复能力。
4 结 论
本文利用Saber软件建立了飞机直流并联供电 系统的仿真模型，模型真实有效，仿真表明系统在 满足额定功率、额定电压、额定电流设计要求基础 上，在突加突卸状态下快速响应，结果符合国军标 规定，建立的模型为今后发电机的优化设计及参 数修正提供了依据，可代替真实试验中的人工测 试，提高试验效率，降低试验成本。同时，该模型 还具有较好的扩展性，可以在此基础上增加保护 模块、二次电源、负载模块等，模拟全套的飞机电 源系统。
参考文献：
[1]居蓉蓉.航空直流起动发电机控制器技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2008.
[2]周瑶.基于CAN总线的并联直流发电机数字控制技术 研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[3]吴小华，徐刚.飞机供电系统的Saber仿真[J].计算 机仿真，2008，25（2）：70-73.
[4]唐虹，黄茜汀，唐万忠，等.基于Simulink的飞机电源 系统建模与仿真[J].电网技术，2007，31（19）：87- 90.
[5]严东超.飞机供电系统[M].北京：国防工业出版社， 2010.
[6]汤蕴缪，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社， 2005.
[7]史仪凯.电子技术[M].北京：科学出版社，2004.
[8]PanovY，Jovanovic′MM.LoopGainMeasurementof ParalleledDC-DCConverterswithAverageCurrentSha ringControl[J].IEEETransactionsonPowerElectronics， 2008，23（6）：2942-2948.
[9]高晓辉.飞机电气系统的数字仿真[D].西安：西北工 业大学，2009.
[10]GJB181—1986.飞机供电特性及对用电设备的要求 [S].