关键词：SIMULINK；PSB；同步发电机；仿真；暂态
中图分类号：TP391.9 文献标识码：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
飞机发电机故障将严重威胁飞行安全，实时监测发电机的运行状态并及时准确地预测出发电机未来的工作状态，不仅能够在故障时及时采取保护措施避免事故进一步扩大，而且能使对发电机的维修方式由目前定期维修和视情维修向预知维修转换。因此，急需从理论上揭示发电机内部故障瞬态的运行特征及瞬态过程中各个故障量的变化规律，以便准确地预测状态和故障时采取不同的保护措施以及维修方案；同时需要一个发电机绕组内部故障瞬态过程仿真模型，以代替实际不允许的内部故障实验。
基于多回路模型，对同步电机的内部故障的稳态和瞬态过程已有系统的研究成果。用此方法建立的数学模型能够基本准确反映各故障量的变化规律，但此方法十分复杂抽象。
MATLAB 在电力系统仿真中使用相当普遍，利用SIMULINK 建立起同步发电机模型，并将其与 PSB 联合起来使用，可以较好地完成对航空同步发电机的建模和仿真。该模型不仅可以进行系统的稳态和动态性能分析，还可以对同步发电机内部故障的瞬态和稳态过程进行仿真，能够揭示同步发电机内部故障瞬态的运行特征及瞬态过程中各个故障量的变化规律。
2 同步发电机的基本方程
设同步发电机包含六个绕组，即三个定子绕组、转子上一个励磁绕组，直轴和交轴各一个阻尼绕组。同步发电机一般是用微分方程来描述的。由于定、转子间存在相对运动，导致发电机电压方程是一个时变的微分方程，给分析带来不便。为解决这个问题，一般采用坐标变换。经过坐标变换，并且在式中除时间外，其余各量改为标么值并适当选取基准值，发电机电压基本方程如（1）式所示：
变换后的磁链基本方程互感系数是可逆的，而且还使得所有d、q轴互感系数的标么值与相应电枢反应电抗的标么值相等。为书写方便公式中将下标＊略去。
通常同步发电机仿真时，用绕组磁链作为状态变量，为仿真需要，在d轴和q轴引入下列互感磁链：
分别是旋转d轴和q轴互感磁链，由此，可以得到下面一组电流表达式：
式（3）（4）（5）是用SIMULINK建立航空同步发电机的基础。
3 同步发电机的模型
本文建立的发电机模型是通过感受其端电压的变化来调节其电流输出的。发电机模型如图1所示。
图1中generator 模块是用 SIMULINK 工具箱做成的同步发电机模型。SIMULINK 与 PSB 之间，如果将两者的信号直接相连，往往在程序运行之前的编译过程中通不过。因此给generator模块名称前加一个$符号，这样可以屏蔽该模块，使得程序不对其进行编译。SIMULINK 和 PSB 在混合使用时，powerlib 库中的受控源（包括受控电压源和受控电流源）和测量模块（包括电压测量模块和电流测量模块）可作为过渡元件。受控源可将SIMULINK 内的信号转换为 PSB 的信号，测量模块将 PSB信号转换为 SIMULINK的信号。
generator 模块内部结构见图2。其中abc2qd0模块和qdr2abc模块完成坐标变换和反变换。变换用的cosθ（t）和sinθ（t）是由振荡模块osc来完成。qd_gen模块是发电机模型的核心，是发电机转子在转子坐标轴系统下的仿真。调压器模块用来维持发电机输出电压稳定。
调压器模块是以传递函数模型来等效实际系统的作用，其内部结构见图4。调压器模块通过调节同步发电机的励磁电压uF ，在式（5）中uF的变化会影响发电机空载电压Eq ，从而保持发电机电压的稳定。
qd_gen模块是发电机转子在转子坐标轴系统下的仿真，其内部结构见图5。其内部包含d轴电路和q轴电路，即d_cct模块和q_cct模块。d轴电路中包括定子d轴回路、励磁回路和一个直轴阻尼绕组回路，其输出可以得到d轴电流id和励磁绕组电流iF 。同时qd_gen模块中还包括转子运动模块Rotor。
q_cct模块是发电机q轴电路模型，各回路方程见式（5），其内部结构见图6。q轴电路中包括定子q轴回路和一个交轴阻尼回路，其输出可以得到q轴电流iq 。d_cct模块与q_cct模块类似，任根据式（5）做成。
此外，仿真模型专门有一段初始化程序用以输入电机参数，并将非标么值参数转换为标么值，同时设定仿真的初始条件。在初始化程序中要确定的量有
根据参考文献[3]给出的YJF-30国产交流同步发电机的相关参数，对图1所示的发电机模型组成的简单系统进行仿真。给发电机三相加平衡负载，外接电阻标么值为1，负载功率因数为1。发电机额定频率恒定在400Hz，所得a相电压波形图如图7所示。因为是平衡负载，其它两相的结果与a相相同。
4 故障暂态仿真
利用同步发电机模型可以对同步发电机定子内部故障进行仿真。d_cct模块和q_cct模块模拟的是发电机定子。对发电机定子内部故障进行仿真时只需计算出与故障对应的d轴回路、d轴励磁回路、直轴阻尼绕组回路、q轴回路和交轴阻尼回路相应参数的数值，并通过初始化程序给模型设定故障时的参数值，及可完成仿真。根据文献[4]提供的算法计算出YJF-30同步发电机定子内部绕组短路时各参数值，瞬态时的电流波形如图8（a）所示，稳态时的电流波形如图
由于发电机故障暂态过程是一个十分复杂的过程，暂态仿真结果存在一些误差，产生这些误差的原因有：（1）铁心局部饱和。发电机故障后，特别是暂态过程中，故障回路的电流峰值有时会达到数倍额定电流，在这样大的电流作用下会使发电机铁心局部饱和。模型未考虑铁心局部饱和造成的参数变化，这会引起误差。（2）铁心剩磁。同步发电机采用的铁磁材料都有剩磁现象，不考虑它的影响也会造成误差。当励磁电流越小时，铁心剩磁的影响越大。（3）发电机转速的变化。在模拟同步发电机进行各种故障试验，故障后转子的转速会发生变化，而且这时的转速是时变的。在仿真模拟中是按照恒定转速来模拟的，忽略了转速变化造成的影响。（4）短路环电阻、导线及接触器电阻误差。发电机内部发生匝数很小的短路时，短路环中会流过很大的电流，这时由于电流的交流集肤和发热效应等会使短路环电阻增大，很难定量来模拟这种情况。
5 结论
利用SIMULINK封装出发电机模型，通过改变发电机内部参数可以用以对不同型号的发电机进行仿真。本文建立的同步发电机故障暂态模型,可以对同步发电机空载、机端外部各种短路方式以及定子内部的某些短路方式的瞬态和稳态进行研究。该模型为进一步研究航空同步发电机故障机理及故障征兆和故障特征信号的分析及提取奠定了基础。
参考文献：
[1]高景德，张麟征．电机过渡过程的基本理论及分析方法[M]．北京：科学出版社，1982．
[2]薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002年．
[3]刘迪吉．航空电机学[M]．北京：航空工业出版社，1992年．
[4]肖仕武，屠黎明，苏毅等．凸极同步发电机定子绕组内部故障暂态仿真及试验验证[J]．电力系统自动化，2003，27（18）：52－56．
Simulation of transient behavior of aircraft synchronous generator base on MATLAB
Zhang Peng1，Li Ying-hui1，Zhu Fu-cheng1,2
（1．The Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi'an 710038，China
2．Air Force of 94831 troops，Quzhou 324001，China）
