摘要：提出在MATLAB環(huán)境中對航空同步發(fā)電機(jī)故障暫態(tài)進(jìn)行仿真的方法。用SIMULINK建立起同步發(fā)電機(jī)模型，并將其與PSB模塊聯(lián)合使用，能方便靈活地建立起發(fā)電機(jī)故障暫態(tài)模型。該模型不僅可以對發(fā)電機(jī)故障的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行仿真，而且能夠揭示發(fā)電機(jī)故障瞬態(tài)的運(yùn)行特征及瞬態(tài)過程中各個(gè)故障量的變化規(guī)律。運(yùn)行結(jié)果表明該模型切實(shí)可行。 關(guān)鍵詞：SIMULINK；PSB；同步發(fā)電機(jī)；仿真；暫態(tài) 中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Abstract：A new method to construct MATLAB/PSB model for simulation of transient behavior of aircraft synchronous generator is proposed. A system model can be established easily using aircraft synchronous generator model built by SIMULINK together with PSB. The model is used to study the characteristics of the transient process and the variation of the currents and voltages in a machine with internal faults. The simulation results indicate that the new model is feasible. Key words：SIMULINK；PSB；synchronous generator；simulation；transient behavior 　　 1 引言 　　 飛機(jī)發(fā)電機(jī)故障將嚴(yán)重威脅飛行安全，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測出發(fā)電機(jī)未來的工作狀態(tài)，不僅能夠在故障時(shí)及時(shí)采取保護(hù)措施避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，而且能使對發(fā)電機(jī)的維修方式由目前定期維修和視情維修向預(yù)知維修轉(zhuǎn)換。因此，急需從理論上揭示發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障瞬態(tài)的運(yùn)行特征及瞬態(tài)過程中各個(gè)故障量的變化規(guī)律，以便準(zhǔn)確地預(yù)測狀態(tài)和故障時(shí)采取不同的保護(hù)措施以及維修方案；同時(shí)需要一個(gè)發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部故障瞬態(tài)過程仿真模型，以代替實(shí)際不允許的內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)。 　　 基于多回路模型，對同步電機(jī)的內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程已有系統(tǒng)的研究成果。用此方法建立的數(shù)學(xué)模型能夠基本準(zhǔn)確反映各故障量的變化規(guī)律，但此方法十分復(fù)雜抽象。 　　 MATLAB 在電力系統(tǒng)仿真中使用相當(dāng)普遍，利用SIMULINK 建立起同步發(fā)電機(jī)模型，并將其與 PSB 聯(lián)合起來使用，可以較好地完成對航空同步發(fā)電機(jī)的建模和仿真。該模型不僅可以進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析，還可以對同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行仿真，能夠揭示同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障瞬態(tài)的運(yùn)行特征及瞬態(tài)過程中各個(gè)故障量的變化規(guī)律。 　　 2 同步發(fā)電機(jī)的基本方程 　　 設(shè)同步發(fā)電機(jī)包含六個(gè)繞組，即三個(gè)定子繞組、轉(zhuǎn)子上一個(gè)勵(lì)磁繞組，直軸和交軸各一個(gè)阻尼繞組。同步發(fā)電機(jī)一般是用微分方程來描述的。由于定、轉(zhuǎn)子間存在相對運(yùn)動，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓方程是一個(gè)時(shí)變的微分方程，給分析帶來不便。為解決這個(gè)問題，一般采用坐標(biāo)變換。經(jīng)過坐標(biāo)變換，并且在式中除時(shí)間外，其余各量改為標(biāo)么值并適當(dāng)選取基準(zhǔn)值，發(fā)電機(jī)電壓基本方程如（1）式所示： 變換后的磁鏈基本方程互感系數(shù)是可逆的，而且還使得所有d、q軸互感系數(shù)的標(biāo)么值與相應(yīng)電樞反應(yīng)電抗的標(biāo)么值相等。為書寫方便公式中將下標(biāo)＊略去。 　　 通常同步發(fā)電機(jī)仿真時(shí)，用繞組磁鏈作為狀態(tài)變量，為仿真需要，在d軸和q軸引入下列互感磁鏈： 分別是旋轉(zhuǎn)d軸和q軸互感磁鏈，由此，可以得到下面一組電流表達(dá)式： 式（3）（4）（5）是用SIMULINK建立航空同步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)。 　　 3 同步發(fā)電機(jī)的模型 　　 本文建立的發(fā)電機(jī)模型是通過感受其端電壓的變化來調(diào)節(jié)其電流輸出的。發(fā)電機(jī)模型如圖1所示。 圖1中g(shù)enerator 模塊是用 SIMULINK 工具箱做成的同步發(fā)電機(jī)模型。SIMULINK 與 PSB 之間，如果將兩者的信號直接相連，往往在程序運(yùn)行之前的編譯過程中通不過。因此給generator模塊名稱前加一個(gè)$符號，這樣可以屏蔽該模塊，使得程序不對其進(jìn)行編譯。SIMULINK 和 PSB 在混合使用時(shí)，powerlib 庫中的受控源（包括受控電壓源和受控電流源）和測量模塊（包括電壓測量模塊和電流測量模塊）可作為過渡元件。受控源可將SIMULINK 內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換為 PSB 的信號，測量模塊將 PSB信號轉(zhuǎn)換為 SIMULINK的信號。 generator 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。其中abc2qd0模塊和qdr2abc模塊完成坐標(biāo)變換和反變換。變換用的cosθ（t）和sinθ（t）是由振蕩模塊osc來完成。qd_gen模塊是發(fā)電機(jī)模型的核心，是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸系統(tǒng)下的仿真。調(diào)壓器模塊用來維持發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定。 調(diào)壓器模塊是以傳遞函數(shù)模型來等效實(shí)際系統(tǒng)的作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4。調(diào)壓器模塊通過調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓uF ，在式（5）中uF的變化會影響發(fā)電機(jī)空載電壓Eq ，從而保持發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)定。 qd_gen模塊是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸系統(tǒng)下的仿真，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。其內(nèi)部包含d軸電路和q軸電路，即d_cct模塊和q_cct模塊。d軸電路中包括定子d軸回路、勵(lì)磁回路和一個(gè)直軸阻尼繞組回路，其輸出可以得到d軸電流id和勵(lì)磁繞組電流iF 。同時(shí)qd_gen模塊中還包括轉(zhuǎn)子運(yùn)動模塊Rotor。 q_cct模塊是發(fā)電機(jī)q軸電路模型，各回路方程見式（5），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。q軸電路中包括定子q軸回路和一個(gè)交軸阻尼回路，其輸出可以得到q軸電流iq 。d_cct模塊與q_cct模塊類似，任根據(jù)式（5）做成。 此外，仿真模型專門有一段初始化程序用以輸入電機(jī)參數(shù)，并將非標(biāo)么值參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)么值，同時(shí)設(shè)定仿真的初始條件。在初始化程序中要確定的量有 根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]給出的YJF-30國產(chǎn)交流同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，對圖1所示的發(fā)電機(jī)模型組成的簡單系統(tǒng)進(jìn)行仿真。給發(fā)電機(jī)三相加平衡負(fù)載，外接電阻標(biāo)么值為1，負(fù)載功率因數(shù)為1。發(fā)電機(jī)額定頻率恒定在400Hz，所得a相電壓波形圖如圖7所示。因?yàn)槭瞧胶庳?fù)載，其它兩相的結(jié)果與a相相同。 4 故障暫態(tài)仿真 　　 利用同步發(fā)電機(jī)模型可以對同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部故障進(jìn)行仿真。d_cct模塊和q_cct模塊模擬的是發(fā)電機(jī)定子。對發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部故障進(jìn)行仿真時(shí)只需計(jì)算出與故障對應(yīng)的d軸回路、d軸勵(lì)磁回路、直軸阻尼繞組回路、q軸回路和交軸阻尼回路相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值，并通過初始化程序給模型設(shè)定故障時(shí)的參數(shù)值，及可完成仿真。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提供的算法計(jì)算出YJF-30同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部繞組短路時(shí)各參數(shù)值，瞬態(tài)時(shí)的電流波形如圖8（a）所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流波形如圖 由于發(fā)電機(jī)故障暫態(tài)過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，暫態(tài)仿真結(jié)果存在一些誤差，產(chǎn)生這些誤差的原因有：（1）鐵心局部飽和。發(fā)電機(jī)故障后，特別是暫態(tài)過程中，故障回路的電流峰值有時(shí)會達(dá)到數(shù)倍額定電流，在這樣大的電流作用下會使發(fā)電機(jī)鐵心局部飽和。模型未考慮鐵心局部飽和造成的參數(shù)變化，這會引起誤差。（2）鐵心剩磁。同步發(fā)電機(jī)采用的鐵磁材料都有剩磁現(xiàn)象，不考慮它的影響也會造成誤差。當(dāng)勵(lì)磁電流越小時(shí)，鐵心剩磁的影響越大。（3）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。在模擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行各種故障試驗(yàn)，故障后轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，而且這時(shí)的轉(zhuǎn)速是時(shí)變的。在仿真模擬中是按照恒定轉(zhuǎn)速來模擬的，忽略了轉(zhuǎn)速變化造成的影響。（4）短路環(huán)電阻、導(dǎo)線及接觸器電阻誤差。發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生匝數(shù)很小的短路時(shí)，短路環(huán)中會流過很大的電流，這時(shí)由于電流的交流集膚和發(fā)熱效應(yīng)等會使短路環(huán)電阻增大，很難定量來模擬這種情況。 　　 5 結(jié)論 　　 利用SIMULINK封裝出發(fā)電機(jī)模型，通過改變發(fā)電機(jī)內(nèi)部參數(shù)可以用以對不同型號的發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真。本文建立的同步發(fā)電機(jī)故障暫態(tài)模型,可以對同步發(fā)電機(jī)空載、機(jī)端外部各種短路方式以及定子內(nèi)部的某些短路方式的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行研究。該模型為進(jìn)一步研究航空同步發(fā)電機(jī)故障機(jī)理及故障征兆和故障特征信號的分析及提取奠定了基礎(chǔ)。 　　 參考文獻(xiàn)： 　　[1]高景德，張麟征．電機(jī)過渡過程的基本理論及分析方法[M]．北京：科學(xué)出版社，1982． 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