Zusammenfassung: Dieser Artikel schlägt eine Methode zur Simulation transienter Fehler in Flugzeugsynchrongeneratoren mithilfe der MATLAB-Umgebung vor. Ein Synchrongeneratormodell wird mit SIMULINK erstellt und mit dem PSB-Modul kombiniert, was die komfortable und flexible Erstellung eines Modells für transiente Fehler ermöglicht. Dieses Modell kann sowohl transiente als auch stationäre Prozesse von Generatorfehlern simulieren und zeigt zudem die transienten Betriebseigenschaften des Generatorfehlers sowie die Änderungsmuster verschiedener Fehlergrößen während des transienten Prozesses auf. Die Betriebsergebnisse belegen die Machbarkeit dieses Modells. Schlüsselwörter: SIMULINK; PSB; Synchrongenerator; Simulation; transientes Verhalten. Zusammenfassung : Es wird eine neue Methode zur Erstellung eines MATLAB/PSB-Modells zur Simulation des transienten Verhaltens eines Flugzeugsynchrongenerators vorgeschlagen. Ein Systemmodell kann einfach mithilfe eines mit SIMULINK und PSB erstellten Flugzeugsynchrongeneratormodells erstellt werden. Das Modell wird verwendet, um die Eigenschaften des transienten Prozesses und die Änderung von Strömen und Spannungen in einer Maschine mit internen Fehlern zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das neue Modell machbar ist. Schlüsselwörter: SIMULINK; PSB; Synchrongenerator; Simulation; transientes Verhalten 1 Einleitung Ausfälle von Flugzeuggeneratoren stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Flugsicherheit dar. Die Echtzeitüberwachung des Betriebszustands des Generators und die zeitnahe und präzise Vorhersage seines zukünftigen Betriebszustands ermöglichen nicht nur rechtzeitige Schutzmaßnahmen zur Verhinderung einer weiteren Eskalation von Unfällen während Ausfällen, sondern auch die Umstellung der Generatorwartung von der derzeitigen planmäßigen und zustandsorientierten Wartung auf die vorausschauende Wartung. Daher ist es dringend erforderlich, die transienten Betriebseigenschaften interner Fehler in Generatoren und die Veränderungsmuster verschiedener Fehlergrößen während des transienten Prozesses theoretisch zu erfassen, um den Zustand präzise vorherzusagen und im Fehlerfall unterschiedliche Schutzmaßnahmen und Wartungsstrategien zu ergreifen. Gleichzeitig wird ein Simulationsmodell des transienten Prozesses interner Fehler in Generatorwicklungen benötigt, um praktische interne Fehlerexperimente zu ersetzen. Basierend auf Mehrschleifenmodellen wurden systematische Forschungsergebnisse zu den stationären und transienten Prozessen interner Fehler in Synchronmotoren erzielt. Das mit dieser Methode erstellte mathematische Modell kann die Veränderungsmuster verschiedener Fehlergrößen im Wesentlichen genau abbilden, jedoch ist diese Methode sehr komplex und abstrakt. MATLAB findet breite Anwendung in der Simulation von Stromversorgungssystemen. Durch die Verwendung von SIMULINK zur Erstellung eines Synchrongeneratormodells und dessen Kombination mit PSB lassen sich Synchrongeneratoren für die Luftfahrt effektiv modellieren und simulieren. Dieses Modell ermöglicht nicht nur die Analyse des stationären und dynamischen Systemverhaltens, sondern simuliert auch die transienten und stationären Prozesse interner Fehler in Synchrongeneratoren. Dadurch werden die transienten Betriebseigenschaften interner Fehler in Synchrongeneratoren sowie die Veränderungsmuster verschiedener Fehlergrößen während des transienten Prozesses sichtbar. 2. Grundgleichungen von Synchrongeneratoren: Ein Synchrongenerator besteht aus sechs Wicklungen: drei Statorwicklungen, einer Erregerwicklung am Rotor und je einer Dämpfungswicklung in Längs- und Querrichtung. Synchrongeneratoren werden üblicherweise durch Differentialgleichungen beschrieben. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Stator und Rotor ist die Generatorspannungsgleichung eine zeitvariable Differentialgleichung, was die Analyse erschwert. Zur Lösung dieses Problems wird üblicherweise eine Koordinatentransformation angewendet. Nach der Koordinatentransformation werden, mit Ausnahme der Zeit, alle anderen Größen in der Gleichung auf relative Werte umgerechnet und geeignete Referenzwerte ausgewählt. Die Grundgleichung der Generatorspannung ist in Gleichung (1) dargestellt: Der Koeffizient der Gegeninduktivität des transformierten Flusses ist reversibel und bewirkt, dass die relativen Werte aller Gegeninduktivitätskoeffizienten der d- und q-Achse den relativen Werten der entsprechenden Ankerreaktanz entsprechen. Zur Vereinfachung der Schreibweise wird der Index * in der Formel weggelassen. Üblicherweise wird bei der Simulation eines Synchrongenerators der Wicklungsfluss als Zustandsvariable verwendet. Für die Simulation werden die folgenden Gegeninduktivitätsflüsse in der d- und q-Achse eingeführt: Dies sind die Gegeninduktivitätsflüsse der rotierenden d- bzw. q-Achse. Daraus lassen sich die folgenden Stromausdrücke ableiten: Die Gleichungen (3), (4) und (5) bilden die Grundlage für die Erstellung eines Synchrongenerators für die Luftfahrt mit SIMULINK. 3. Modell eines Synchrongenerators Das in diesem Beitrag vorgestellte Generatormodell passt seinen Stromausgang durch Erfassung der Änderung der Klemmenspannung an. Abbildung 1 zeigt das Generatormodul, ein mit der SIMULINK-Toolbox erstelltes Synchrongeneratormodell. Die direkte Verbindung von SIMULINK- und PSB-Signalen führt häufig zu Kompilierungsfehlern vor der Programmausführung. Daher wird das Modul durch ein vorangestelltes „$“-Symbol maskiert, um die Kompilierung zu verhindern. Bei der gemeinsamen Verwendung von SIMULINK und PSB können gesteuerte Quellen (einschließlich gesteuerter Spannungs- und Stromquellen) und Messmodule (einschließlich Spannungs- und Strommessmodule) aus der Powerlib-Bibliothek als Übergangskomponenten fungieren. Gesteuerte Quellen wandeln SIMULINK-Signale in PSB-Signale um, während Messmodule PSB-Signale in SIMULINK-Signale umwandeln. Die interne Struktur des Generatormoduls ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Module abc2qd0 und qdr2abc führen Koordinatentransformationen und inverse Transformationen durch. Die für die Transformation verwendeten Funktionen cosθ(t) und sinθ(t) werden vom Oszillationsmodul osc verarbeitet. Das Modul qd_gen bildet den Kern des Generatormodells und simuliert den Generatorrotor im Rotorkoordinatensystem. Das Spannungsreglermodul dient der Aufrechterhaltung einer stabilen Generatorausgangsspannung. Es verwendet ein Übertragungsfunktionsmodell zur Darstellung der Systemfunktionen; seine interne Struktur ist in Abbildung 4 dargestellt. Das Spannungsreglermodul passt die Erregerspannung uF des Synchrongenerators an. Gemäß Gleichung (5) beeinflusst die Änderung von uF die Leerlaufspannung Eq des Generators und gewährleistet so dessen Stabilität. Das Modul qd_gen simuliert den Generatorrotor im Rotorkoordinatensystem; seine interne Struktur ist in Abbildung 5 dargestellt. Es enthält die d-Achsen- und q-Achsen-Schaltungen, die Module d_cct und q_cct. Die d-Achsen-Schaltung umfasst die Stator-d-Achsen-Schaltung, die Erregerschaltung und eine Dämpfungswicklung in direkter Richtung. Aus ihren Ausgängen lassen sich der d-Achsen-Strom id und der Erregerwicklungsstrom iF ablesen. Das Modul qd_gen beinhaltet auch das Rotorbewegungsmodul Rotor. Das Modul q_cct ist das Modell des Generator-q-Achsen-Schaltkreises. Die Gleichungen der einzelnen Schaltkreise sind in Gleichung (5) dargestellt, und ihre interne Struktur ist in Abbildung 6 abgebildet. Der q-Achsen-Schaltkreis umfasst den Stator-q-Achsen-Schaltkreis und einen Dämpfungsschaltkreis für die Quadraturachse. Aus seinem Ausgang lässt sich der q-Achsen-Strom iq ablesen. Das Modul d_cct ist dem Modul q_cct ähnlich und kann gemäß Formel (5) erstellt werden. Darüber hinaus verfügt das Simulationsmodell über ein spezielles Initialisierungsprogramm zur Eingabe von Motorparametern, zur Umrechnung von nicht-per-unit-Parametern in per-unit-Parameter und zur Festlegung der Anfangsbedingungen der Simulation. Die im Initialisierungsprogramm zu bestimmenden Größen basieren auf den relevanten Parametern des inländischen AC-Synchrongenerators YJF-30 aus Referenz [3]. Simuliert wird das einfache System, das aus dem in Abbildung 1 dargestellten Generatormodell besteht. An die drei Phasen des Generators wird eine symmetrische Last angeschlossen. Der relative Wert des externen Widerstands beträgt 1, der Leistungsfaktor der Last ebenfalls 1. Die Nennfrequenz des Generators ist konstant bei 400 Hz. Der Spannungsverlauf der Phase a ist in Abbildung 7 dargestellt. Da es sich um eine symmetrische Last handelt, sind die Ergebnisse für die beiden anderen Phasen identisch mit denen der Phase a. 4. Fehlertransientensimulation: Das Synchrongeneratormodell kann zur Simulation interner Fehler im Stator des Synchrongenerators verwendet werden. Die Module d_cct und q_cct simulieren den Generatorstator. Zur Simulation eines internen Fehlers im Generatorstator müssen lediglich die Werte der entsprechenden Parameter des d-Achsen-Schaltkreises, des d-Achsen-Erregerschaltkreises, des Dämpfungswicklungsschaltkreises der direkten Achse, des q-Achsen-Schaltkreises und des Dämpfungswicklungsschaltkreises der Quadraturachse berechnet werden. Anschließend werden die Parameterwerte des Fehlers im Modell über das Initialisierungsprogramm festgelegt, und die Simulation kann abgeschlossen werden. Gemäß dem in Referenz [4] beschriebenen Algorithmus werden die Parameterwerte der Innenwicklung des YJF-30-Synchrongeneratorstators im Kurzschlussfall berechnet. Der transiente Stromverlauf ist in Abbildung 8(a) dargestellt, der stationäre Stromverlauf ebenfalls in Abbildung 8(b). Da der transiente Prozess eines Generatorfehlers sehr komplex ist, treten in den Simulationsergebnissen Fehler auf. Die Ursachen hierfür sind: (1) Lokale Sättigung des Eisenkerns. Nach einem Generatorfehler, insbesondere im transienten Prozess, kann der Spitzenstrom des Fehlerstromkreises ein Vielfaches des Nennstroms erreichen. Bei solch hohen Strömen kommt es zu lokaler Sättigung des Generator-Eisenkerns. Das Modell berücksichtigt die durch die lokale Sättigung des Eisenkerns verursachten Parameteränderungen nicht, was zu Fehlern führt. (2) Restmagnetismus des Eisenkerns. Die im Synchrongenerator verwendeten ferromagnetischen Materialien weisen Restmagnetismus auf. Dessen Einfluss wird ebenfalls vernachlässigt und führt zu Fehlern. Bei kleineren Erregerströmen ist der Einfluss des Restmagnetismus des Eisenkerns größer. (3) Änderungen der Generatordrehzahl. Bei der Simulation verschiedener Fehlertests von Synchrongeneratoren ändert sich die Rotordrehzahl nach dem Fehler und ist zeitlich variabel. In der Simulation wird sie jedoch unter Annahme einer konstanten Drehzahl simuliert, wobei der Einfluss der Drehzahländerung vernachlässigt wird. (4) Fehler im Kurzschlussringwiderstand, im Draht- und Schützwiderstand. Tritt ein Kurzschluss mit geringer Windungszahl im Generator auf, fließt ein hoher Strom durch den Kurzschlussring. Aufgrund des Skin-Effekts und der Erwärmung durch den Strom steigt der Widerstand des Kurzschlussrings an, was die quantitative Simulation dieser Situation erschwert. 5. Schlussfolgerungen. Das Generatormodell wurde mit SIMULINK implementiert. Durch die Änderung der internen Parameter des Generators können verschiedene Generatortypen simuliert werden. Das in dieser Arbeit entwickelte transiente Fehlermodell für Synchrongeneratoren kann zur Untersuchung des transienten und stationären Zustands von Synchrongeneratoren im Leerlauf, bei verschiedenen externen Kurzschlussarten an den Generatorklemmen sowie bei einigen Kurzschlussarten im Stator verwendet werden. Dieses Modell bildet die Grundlage für weitere Forschungen zum Fehlermechanismus von Synchrongeneratoren in der Luftfahrt sowie zur Analyse und Extraktion von Fehlersymptomen und Fehlercharakteristiksignalen. Referenzen: [1] Gao Jingde, Zhang Linzheng. Grundlagen und Analysemethoden des transienten Motorverhaltens [M]. Peking: Science Press, 1982. [2] Xue Dingyu, Chen Yangquan. Systemsimulationstechnologie und -anwendung mit MATLAB/Simulink [M]. Peking: Tsinghua University Press, 2002. [3] Liu Diji. Luftfahrtelektrotechnik [M]. Peking: Aviation Industry Press, 1992. [4] Xiao Shiwu, Tu Liming, Su Yi, et al. Transiente Simulation und experimentelle Verifizierung interner Fehler in der Statorwicklung eines Schenkelpol-Synchrongenerators [J]. Automation of Electric Power Systems, 2003, 27(18): 52-56. Simulation des transienten Verhaltens eines Flugzeugsynchrongenerators auf Basis von MATLAB Zhang Peng1, Li Ying-hui1, Zhu Fu-cheng1,2 (1. Ingenieurinstitut, Luftwaffentechnische Universität, Xi'an 710038, China 2. Luftwaffe der 94831 Truppen, Quzhou 324001, China)