杨文俊
（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）
0 引言
直升机供电系统是现代直升机的一个重要组成部分，它为直升机上一切用电设备提供电能，以保证用电设备能够正常工作，直升机能够安全飞行并完成指定任务。直升机供电系统一般分为电源系统和配电系统，电源系统 实现电能的产生与变换，配电系统实现电能的传输与分配。
目前，国内直升机供电系统的发展从最初的低压直流供电系统，到交、直流混合供电系统，再到交流供电系统，直至高压直流供电系统。现阶段，国内直升机主要采用28V低压直流、115V 交流系统，难于满足日益增长的用电负载的供电需求，更不能满足多电全电直升机技术要求，迫切需要270V 高压直流供电系统来提高整机的竞争力。高压直流发电机转速不再受发电频率限制，能够以更高的转速运行，实现更高的功率密度，可减小大功率电源系统的体积重量，且采用无刷化设计，工作可靠性高，发电效率高。而且还能够并联运行，易于实现不中断供电，满足关键飞行负载对供电可靠性的要求。同时，高压直流电源对非线性负载的适应性更好，电缆更轻，有助于降低系统整体的重量。高压直流供电系统在美国已经实现了装机应用，美国RAH-66 科曼奇武装直升机采用270V 高压直流供电系统，主电源为两台30kW 的高压直流发电机，辅助电源为1 台30kW 的高压直流发电机，次级电源为变流器和3 台直流－直流变换器，显着地改善了直升机综合作战性能。
目前，国内直升机供电系统主要通过实物试验来进行研究，效果直观，但有成本高、周期长、风险大等缺点，尤其对于直升机故障状态的研究，不仅付出的代价大，而且往往对故障状态不能进行全面考察。如果能通过计算机仿真软件，采用仿真软件内置的各类模型快速搭建器件级、部件级、系统级仿真模型，通过不同级别的模型构建、集成，对直升机供电系统各种工作状态下进行仿真，准确模拟实际机上供电系统的工作状态，就能够使用仿真模型代替实际机上供电系统。这将对直升机供电系统的设计与优化提供重要的设计思路参考，大幅度降低劳动强度，提高设计效率，提高设计方案的合理性，减少系统设计错误，减少系统故障发生。因此，开展直升机270V 高压直流供电系统的仿真研究具有重要的工程实用价值。
1 高压直流供电系统
1.1 高压直流供电系统的优势
目前国产直升机上所使用的最新供电体制为115V 交流供电体制，主电源为115V 交流电。270V 高压直流电是通过对交流115V 整流得到的，在并联供电及不间断供电设计上存在很大优势。经评估，270V 供电体制与115V 供电体制相比，特点主要有：
（1）重量轻、体积小。传输同样功率，高压直流输、配电系统重量轻、体积小、损耗小。
（2）适应性好。随着航空技术水平的不断发展，用电设备逐渐从线性特性转化为非线性特性，如大量使用的电力电子变换器、调速电动机具有非线性特性，照明设备也从具有线性特性的白炽灯转变为具有非线性特性的LED 灯。非线性负载将增大高次谐波，改变交流电压、电流的波形，加大电磁干扰，非线性负载的增加对交流电源的负面影响会更严重，而高压直流更易满足非线性负载的供电需求。
（3）软起动能力好。270V 直流电机，具有良好的软起动能力以及与负载匹配特性，转速稳定性好，不受频率变化影响，也没有功率因数对电网的不利影响。
（4）安全性好。270V 直流系统对人身安全优于115V、400Hz 交流系统。
（5）二次电源变换装置整体性能好。DC/DC 变换器与AC/DC 变换器相比，具有的优势有前者效率高，超过92%，后者大约在85%左右；前者的输出电压不因电源电压和负载大小而变；前者的重量更轻。
（6）直流固态功率控制器比交流固态功率控制器结构简单，体积小，损耗小，工作可靠。
（7）交流系统可用异步电动机来驱动泵和风扇，简单、方便；高压直流电动机需要增加控制器，具有良好的软起动能力及与泵负载匹配特性，不受频率变化影响，转速稳定性好。
270V 高压直流电源系统为以后直升机大功率用电设备奠定了基础，大大提高了电源系统的转换效率，减轻了直升机的设计重量，成为未来直升机发展的趋势。
1.2 高压直流供电系统构型
供电系统发电通道一般根据主发电机的数量进行分类，具体分为单发电通道、双发电通道、三发电通道、四发电通道等类型。由于需考虑大容量供电，如果采用单发电通道，将大大降低系统完成任务的能力；而采用三、四发电通道，系统复杂，动力装置又无现成接口可以利用，因此，将采用双发电通道，这是目前使用的最多的一种供电系统，在战斗机、运输机、直升机上得到广泛运用。
供电系统的运行方式可分为转换供电、并联供电、分组并联供电。并联供电系统需要自动负载均衡电路；在系统发生故障时，需考虑的保护比较复杂，既要考虑并联运行引发的故障保护，又要考虑发电机退出电网后单机运行的故障保护；另外，还要考虑系统发生短路故障时，短路电流高于转换供电系统，对接触器的分断能力要求更高。因此，综合上述因素考虑，拟采用转换供电方式。
综上分析，初步设计270V 高压直流供电系统总体构型如图1 所示。主电源系统由两个独立的分系统组成，每个分系统在正常工作状态下独立工作，分别给各自的汇流条供电，当某一个系统故障时，正常工作的系统自动切换，给全机负载提供所需电力。APU 辅助电源系统提供机上备份电源。在地面，无地面电源时提供机上设备地面维护、校准、装载和准备等阶段所需的电源；当主电源系统失效时，提供全机重要用电负载所需电源，此时，直升机尽快返航着陆。二次电源系统由两个独立的子系统组成，每个子系统在正常工作状态下独立工作，分别给各自的汇流条供电，当某一个系统故障时，正常工作的系统自动切换，给全机负载提供所需电力。蓄电池组电源系统提供机上应急直流电源。在野外无地面电源的条件下，提供辅助动力装置起动电源。在主直流电源两个子系统都失效的情况下，向飞行安全所必需的用电设备提供应急供电电源。
图1 270V 高压直流供电系统总体构型
2 高压直流主电源发电机仿真模型
2.1 三级式无刷同步电机
目前高压直流主电源发电机有几种方案可供选择，例如三级无刷同步电机、双凸极发电机、笼型异步发电机、开关磁阻发电机等。开关磁阻发电机和双凸极发电机都是磁阻类电机，结构简单，适合高速运行。但开关磁阻电机发电运行时需要全功率变换器和位置传感器，发电控制难度大，系统效率较低；双凸极发电机与三相全桥整流器组合即可构成高压直流发电机，通过调节励磁电流稳定输出电压，发电控制简单，但功率密度相对较低。三级式无刷同步电机具有发电技术成熟的优点，广泛应用于机载电源系统中。
三级无刷同步直流发电机由三级无刷同步发电机、输出三相整流桥和输出滤波电路等组成。图2 为三级无刷同步直流发电机的等效电路示意图，该发电机是由主发电机、交流励磁机、旋转整流器、永磁副励磁机（永磁发电机）组成。主发电机为凸极旋转磁极式同步电机，转子上有励磁绕组与阻尼绕组，定子装电枢绕组，转子绕组与定子绕组之间通过磁场耦合进行机电能量转换；交流励磁机为旋转电枢式同步电机，励磁绕组装在定子上，电枢绕组装在转子上，且无阻尼绕组；交流励磁机的电枢绕组通过旋转整流器和主发电机的励磁绕组相连，提供主发电机的励磁电流；永磁副励磁机为旋转磁极式永磁发电机，为控制电路和交流励磁机的励磁回路供电。输出整流桥、输出滤波电路实现将主发电机发出的交流电转化为高压直流电为直升机提供电源。
图2 三级无刷同步直流发电机等效电路图
2.2 数学模型
励磁机和主发电机都是凸级同步发电机，气隙磁场均为正弦分布，两者区别仅在于：励磁机磁极上没有阻尼绕组，但主电机磁极上装有直轴阻尼绕组和正交轴阻尼绕组。因此励磁机的数学模型与主发电机一致，简化主发电机数学模型中的交直轴阻尼绕组项，就可得到励磁机的数学模型。发电机由定子（电枢）和转子（磁极）两部分组成。定子上有电枢铁心和嵌在槽内的电枢绕组，转子上有磁极铁心和励磁绕组。当励磁绕组通上直流电后形成磁场。当原动机驱动转子旋转时，电枢绕组将切割磁场并感应出一定频率的交流电。同步电机的转子转速与频率以及极对数保持着如下关系式：n=60/p。
根据图3 的参考方向来写定子电压方程，可列出同步发电机的电压方程如下：
图3 凸级同步电机等效电路图
对磁链的方程式进行分析，首先，对于定子a 相所交链的总磁通，除了定子三相电流产生的与a 相交链的部分外，还包括转子上每个绕组中的电流所产生的与a 相交链的部分，故可得：
式中L表示自感系数，m表示互感系数。
根据以上的分析，可同样得出b 相、c 相以及转子上每个绕组的磁链，可列出同步发电机的磁链方程如下：
2.3 仿真模型
整体三级无刷同步高压直流发电机的整体仿真模型如图4 所示。包括永磁发电机（副励磁机）(sub exciter)、旋转电枢式同步电机（励磁机）(main exciter)、旋转磁极式同步电机（主发电机）(main motor)、旋转整流桥（Bridge）、主发输出整流桥（Bridge1、Bridge2）、输出滤波电路等主要组成部分。输入为电机转速n（r/min），输出m1、m2、m3 分别为永磁发电机（副励磁机）、旋转电枢式同步电机（励磁机）、旋转磁极式同步电机（主发电机）的电压、电流等参量；FA、FB、FC 为永磁机输出三相端口，F+、F-为励磁绕组端口，Uo、GND 端口为主发三相输出整流后的直流输出端口。利用该仿真模型输出的电压波形如图5 所示。
图4 三级式同步直流发电机的Matlab 仿真模型
图5 三级式无刷同步电机输出的270V 电压波形
3 直流稳态特性参数测试
3.1 稳态直流电压和稳态直流电流
稳态电压为在任意长时段内供电电压保持在正常工作稳态特性范围内的电压大小，稳态可有微小瞬变。稳态电流为在不大于且接近 1s 的时间间隔内直流瞬时电压的时间平均值。稳态电压和稳态电流的区别仅仅在于外部使用的测试模块是电压表还是电流表，其内部测试模块是相同的。uZi为采样点电压瞬时值，i为采样序列，n为1s 期间总采样次数，按下式计算稳态直流电压Uz：
在Simulink 中搭建模块，Switch 是一个关于时间逻辑的开关，当Clock 中的时间小于1 时，开关向下导通，时间大于等于1 时，开关向上导通。向下导通时，由于是第一秒的平均值，在一秒内使用Mean 模块直接取得平均值。向上导通时，由于进入了第二秒后，要计算一秒内的平均值需要减去前一秒的累加值，通过Integrator 模块积分求出累加值，后使用一个Transport Delay 模块，将Time Delay 设置为1，通过减去前一秒的累加值，得到一秒内的积分。
3.2 直流畸变系数
直流畸变与稳态直流电压之比即为直流畸变系数。先测试计算直流畸变UZJ，T 为采集时间，uZJi为直流畸变波形采样点的电压瞬时值，i为采样序列，n为1s 期间总采样次数，Δt为采样周期。按下式计算出直流畸变：
直流畸变系数kZJ如下式所示：
3.3 直流电压脉动幅度
脉动幅度为瞬时电压与稳态直流电压的大差值，从所采集的瞬时电压中求出最大值Umax和最小值Umin。然后按照下式求出直流电压脉动幅度UZM：
在Simulink 中搭建测试模块，首先在Buffer 模块中储存一秒内采集到的电压值，并通过MinMax 模块求得最大最小值，根据直流电压脉动幅度的计算公式，将所求得的最大值与稳态直流电压作差，再将稳态直流电压与最小值作差，通过MinMax 模块求出两个差值中的最大值即为直流电压脉动幅度。
3.4 测试结果
将这三个直流电源测试模块进行封装，并对270V 电源系统进行测试，测试结果如表1 所示，测试结果与理想值相吻合，且在GJB 和704F 的规定范围内。
表1 270V直流稳态特性参数测试结果对比
4 小结
本文根据特性参数的数学公式，设计直流电源系统稳态特性参数的测试方法，在Matlab/Simulink 环境下搭建测试模块对直流电源系统的稳态特性进行仿真测试，包括稳态电压、畸变系数、脉动幅度等。测试270V 电源的稳态特性参数，测试结果与理论计算值相吻合，且在GJB-181B 的规定范围内，验证了仿真模型的准确性。
