CN104408225A - 一种飞机发电***的整流器故障仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种飞机发电***的整流器故障仿真方法，首先建立仿真模型，仿真模型中采用同步发电机作为飞机IDGs的励磁电机和主发电机，采用三相桥式全控整流电路作为飞机IDGs整流器；其次在仿真模型中，依次对飞机IDGs整流器中的每个二极管单独发生故障进行仿真，得到二极管单独发生故障的故障仿真波形；再依次对飞机IDGs整流器中的任意两个二极管同时发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中任意两个二极管同时发生故障的故障仿真波形。本发明通过所建立的仿真模型搭建正确的电路来反映***的复杂性，非线性和时变性特性，正确的建立了***的仿真模型，并且对飞机IDGs中核心器件都进行了相对应的仿真，能够对飞机IDGs整流器中二极管的故障进行故障仿真。

Description

一种飞机发电***的整流器故障仿真方法

技术领域

本发明涉及故障仿真领域，具体为一种飞机发电***的整流器故障仿真方法，通过对已建立好的模型对其进行不同状态下的仿真得出相应故障下的仿真结果，对实物故障波形的预测。

背景技术

飞机电气***由电源***和配电***组成，是现代飞机的一个重要组成部分。它的作用是向飞机上的所有用电设备(如飞控***、航空电子***、火控***等)提供电能，以保证飞机的安全飞行和完成运输和作战任务。随着现代科学和航空技术的飞速发展，飞机上的各种电子设备日益增多，用电量不断增加，飞机电气***的***结构和控制越来越复杂，电气***的浪涌、尖峰等瞬态变化过程，会引起飞机机载电子***产生误动作甚至于危险的操纵，电路元件的开路或短路对飞机任务设备的性能产生恶劣的影响，甚至会导致飞行事故。目前由于飞机发电***故障出现的高概率和飞机发电***的故障给飞机安全带来的严重隐患，飞机发电***故障诊断以成为飞机主要故障诊断对象。例如波音737-800型飞机在刚投入使用时，先后出现过几次整流二极管短路造成的故障，由于故障诊断不当，使得对飞机的整个发电***带来损坏，其研究诊断过程中损失了大量的时间和金钱。波音787梦幻飞机是波音公司新研发民用飞机，由于连续出现安全故障，尤其是其发电机***的故障，目前美国联邦航空局已宣布停飞所有波音787梦幻飞机。因此发展一个可靠的电气***来对组合电源装置的故障进行分析对航空电子***等飞机任务***是非常有必要的。飞机供电***的研究引起了国内外的普遍关注，已日益成为影响和促进航空技术发展的重要因素。

电力电子设备由很多部分组成，包括电力电子主电路、电动机、发电机和各种应用电路，其中任意部分的故障都将导致整个设备的故障，只有对各个部分都实现了自动故障诊断，才可能实现整个电力电子设备的故障诊断。电力电子变流电路作为整个电力电子设备的关键部分，它不仅故障率高，且故障所导致的后果也很严重，因此电力电子整流电路的故障诊断技术是电力电子设备故障诊断技术中最重要的一环，正确有效及时对飞机发电***进行故障诊断是目前科研热门研究领域。

飞机电源***的发展经历了低压直流电源、恒速恒频交流电源、变速恒频电源以及高压直流电源的过程。飞机综合驱动发电机Integrated drive generators(IDGs)是目前比较先进的供电***，所以针对飞机IDGs***的诊断刚起步，诊断方法有限。IDGs是飞机电力***的主要供电装置。飞机IDGs主要是无刷交流发电机结构由励磁发电机，整流电路，主发电机，负载和一些控制电路组成。励磁电机，整流电路和主发电机是***的核心部件，其中整流电路二极管故障是飞机IDGs最主要故障。目前针对飞机IDGs诊断的方法比较有限，其中主要的分析方法为对***的信号进行分析，谐波响应分析和理论分析。

但上述三种诊断方法都存在很大的不足：

(1)对***的信号分析方法，需要对***添加额外的探测线圈或传感器来获得***的特征信号，对采集的信号分析来判断***的故障。由于飞机IDGs通过励磁线圈发电，添加的额外探测线圈或传感器容易破坏***的励磁平衡，对采集的信号产生干扰，使得采集信号失真，很难正确的对***故障进行分析。

(2)谐波响应分析方法，是后来提出的诊断方法，由于飞机IDGs整流器的对称性，对于其中一些故障的波形很相似，谐波响应分析方法对于相似的故障信号的识别存在一定的不足，这对于分析飞机IDGs整流器的故障不是很有效地。

(3)理论分析方法，是通过对***不同状态下电路的理论分析，来获得***各种状态下的理论波形，由于***电路的复杂性和可能出现的多种不同故障，需要分析的对象多并且繁琐，要获得正确的***信号波形还需要进行大量的数学建模计算和代码程序编程，工作量大，出错概率高。

虽然理论分析方法能够正确的对飞机IDGs进行故障分析，但是它工作量大，出错概率高的缺陷也使得理论分析方法的使用受到很大的局限性。因此亟需一种更有效地分析方法对飞机IDGs故障进行分析。

发明内容

为克服现有技术的不足，能够正确对飞机IDGs电路故障进行分析，本发明提出一种飞机发电***的整流器故障仿真方法。

飞机IDGs的实质是一个无刷交流发电机，该无刷交流发电机由两个同步发电机串联组成，其中一台电枢绕组在转子，励磁绕组在定子，为励磁机；另一台励磁绕组在转子，电枢绕组在定子，是主发电机，这两台同步发电机分别满足励磁电机和主发电机的特性。本发明通过建模仿真诊断方法，实现了对飞机IDGs最主要的故障仿真：整流电路中二极管故障的仿真。

本发明的技术方案为：

所述一种飞机发电***的整流器故障仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立仿真模型，仿真模型中采用同步发电机作为飞机IDGs的励磁电机和主发电机，采用三相桥式全控整流电路作为飞机IDGs整流器；励磁电机产生的三相电压通过中间三相桥式整流电路得到直流电压，该直流电压为主发电机提供动力，主发电机产生三相电压为负载供电；

步骤2：在仿真模型中，依次对飞机IDGs整流器中的每个二极管单独发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中各个二极管单独发生故障的故障仿真波形；依次对飞机IDGs整流器中的任意两个二极管同时发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中任意两个二极管同时发生故障的故障仿真波形；二极管发生故障的仿真方法是在仿真模型中将该二极管移除该电路。

有益效果

本发明针对飞机IDGs这样一个复杂性，非线性和时变性的***，通过所建立的仿真模型搭建正确的电路来反应***的这些特性，正确的建立了***的仿真模型，并且对飞机IDGs中核心器件都进行了相对应的仿真，能够对飞机IDGs整流器中二极管的故障进行故障仿真。而且通过对飞机IDGs进行理论推导，并对比相应结果，证明该方法的有效性。

附图说明

图1是仿真电路模型；图2是仿真电路正常情况下的波形图；图3是仿真电路二极管D_aT故障的波形图；图4是仿真电路二极管D_bT故障的波形图；图5是仿真电路二极管D_cT故障的波形图；图6是仿真电路二极管D_aB故障的波形图；图7是仿真电路二极管D_bB故障的波形图；图8是仿真电路二极管D_cB故障的波形图；图9是仿真二极管D_aT和D_bB故障的波形图；图10是仿真二极管D_aT和D_cB故障的波形图；图11是仿真二极管D_bT和D_aT故障的波形图；图12是仿真二极管D_bT和D_cB故障的波形图；图13是仿真二极管D_cT和D_aT故障的波形图；图14是仿真二极管D_cT和D_bB故障的波形图。其中上述仿真波形图的纵坐标是整流电路输出电压，横坐标为时间。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中的飞机发电***的整流器故障仿真方法，具体步骤为：

步骤1：通过MATLAB中的simulink模块对飞机IDGs按照图1的仿真电路进行建模仿真，仿真模型中采用同步发电机作为飞机IDGs的励磁电机和主发电机，采用三相桥式全控整流电路作为飞机IDGs整流器；仿真电路左侧同步电机是励磁电机的仿真，励磁电机产生的三相电压通过中间三相桥式整流电路得到直流电压，该直流电压为仿真电路右侧的主发电机提供动力，然后主发电机产生三相电压为负载供电。

在建模仿真电路过程中，电路中一些器件参数设定如下表所示：

参数	描述	数值
			Lls	定子绕组漏磁	0.004527H
Lmd	d线圈电感	0.1086H
			Lmq	q线圈电感	0.05175H
Llkq	kq线圈漏感	0.01015H
			Llfd	fd线圈漏感	0.01132H
Llkd	kd线圈漏感	0.007334H
			ra	定子线圈a电阻	1.62Ω
rb	定子线圈b电阻	1.62Ω
			rc	定子线圈c电阻	1.62Ω
rkq	kq线圈电阻	4.772Ω
			rfd	fd线圈电阻	0.6kΩ

rkd	kd线圈电阻	3.142Ω
			Ns	定子线圈匝数	100
Nfd	fd线圈匝数	100
			Nkq	kq线圈匝数	100
Nkd	kd线圈匝数	100
			D	阻尼系数	0.009kg·m2·s-1
J	转动惯量	0.0923kg·m2

这里的整流电路采用三相桥式全控整流电路，三相整流装置三相平衡，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短。

步骤2：由于飞机IDGs整流器中单个二极管发生故障和两个二极管同时发生故障的概率是最高的，所以在仿真模型中，主要仿真飞机IDGs整流器单个二极管故障和两个二极管同时故障的情况。首先进行单个二极管故障仿真，依次对飞机IDGs整流器中的每个二极管单独发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中各个二极管单独发生故障的故障仿真波形；然后进行两个二极管故障的仿真，依次对飞机IDGs整流器中的任意两个二极管同时发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中任意两个二极管同时发生故障的故障仿真波形；二极管发生故障的仿真方法是在仿真模型中将该二极管移除该电路。

本实施例中的二极管故障仿真波形如图3至图14所示。

为了证明得到的仿真结果的正确性，下面还通过理论分析的方法进行辅证，理论分析方法为现有方法，借鉴现有技术的基础上对***进行正确的理论推导。

通过对飞机IDGs的电路分析，得到飞机IDGs在正常工作情况下一个周期内出现的不同状态如下表格所示：

通过对每个状态下电路的分析，可以得到相应状态下整流器输出的电压，然后将得到的六个状态下的电路平滑连接得到一个周期下的电路波形，再将周期连续得到飞机IDGs理论下电压波形。以此类推分别得到一个二极管故障和两个二极管同时故障的理论波形。下面介绍一下二极管故障的算法和数学公式推导，用来辅证建模的正确性。

以单个二极管故障为例，二极管D_aT出现故障时，此时，算法中输入变量F＝{D_aT}，***中AB，AC，两种状态都是在二极管D_aT导通情况下出现的状态，当二极管D_aT出现故障时，AB,AC两种状态在输出中不会出现，出现的状态变成其它四种状态，M＝{BA,CA,CB,BC}，***不出现的状态为现在分析***在D_aT出现故障后AB，AC状态下的时间段内***工作的状态。在正常情况下，***在AB状态后可以向AC或CB状态下转换，但是，AC状态已经无法实现，所以只能向CB状态下转变，此时，AB状态只能由CB状态取代，也就是***AB状态下的时间是以CB状态工作，算法表示为g(AB)＝CB；同理，当***在AC状态时，***下一个状态可能向AB或BC状态转换，但是AB状态在二极管D_aT出现故障时无法实现，所以AC状态时，只能由BC状态取代，也就是***AC状态下的时间是以BC状态工作，算法表示为g(AC)＝BC；因此输出状态为M＝{BA,CA,CB,BC}，输出循环状态函数为g(Ω)＝{CB,BC,BC,BA,CA,CB}。当输入变量F为一个二极管故障时，此算法就在数学建模上实现***在一个二极管出现故障时***的工作状态情况。

在数学建模中，公式推导中所用到的参数符号含义如下表所示：

在数学建模中，以AB状态为例。如表1所示，在AB状态下，二极管D_aT和D_bB正向导通，其它二极管全部断开，针对DIGS***电路每条支路利用基尔霍夫电压(电流)定律，我们可以得到方程：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}}_a=r_a{i}_a+v_a---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}}_b=r_b{i}_b+v_b---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}}_c=r_c{i}_c+v_c---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{kq}}={-r}_{\mathrm{kq}}{i}_{\mathrm{kq}}---\left(4\right)$

${\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}}_a-{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}}_{\mathrm{fd}}=0---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{kd}}={-r}_{\mathrm{kd}}{i}_{\mathrm{kd}}---\left(6\right)$

${\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\λ}}}_a-{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\λ}}}_b-{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{fd}}=({\hat{r}}_a+{\hat{r}}_d+{\hat{r}}_{\mathrm{fd}}){\hat{i}}_a---\left(7\right)$

${\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}}_a+{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}}_b=0---\left(8\right)$

${\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}}_c=0---\left(9\right)$

${\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{fd}}=-{\hat{r}}_{\mathrm{fd}}{\hat{i}}_{\mathrm{fd}}+V_F---\left(10\right)$

对上面所列10个方程式进行化简得：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{i}\\ \stackrel{\stackrel{\·}{^}}{i}\end{array}\right]=M^{-1}(N+R)\left[\begin{array}{c}i\\ \hat{i}\end{array}\right]+M^{-1}u---\left(11\right)$

第(11)式就是***在AB状态下的电流表达式，同理，其它状态下的表达式以此类推，然后将每种状态下的表达式带入算法中想对应的状态下，就可以得到飞机IDGs在理论推导下工作状态下的波形图。

在建模仿真过程中首先进行正常情况下整流器输出端波形图，所得结果如图2所示，产生一个振荡幅度较小的的电压波形，一个周期的六个拱形线正确的反应了***一个周期的六种状态，和理论分析的飞机IDGs***正常工作状态下波形一致。

在建模仿真过程中仿真一个二极管故障时，故障对象是三相桥式全控整流电路中的二极管，整流器中六个二极管每个二极管发生故障的概率是一样的，首先对二极管D_aT进行故障仿真，在仿真电路中，将二极管D_aT移除以代替二极管D_aT发生了故障，然后去改动后的电路模型就行仿真，整流器输出端的波形如图3所示，本波形图对应的是二极管D_aT的故障，在一个周期内，当第四个拱形线过后，波形平滑的下滑，证明第四个拱形线后***并没有转换到其它状态工作，而是由于二极管D_aT故障依然按照前一个状态工作，这时，波形才会平滑下滑取代将要转换的状态，取代过后再按照周期转换到另一个状态。在这个波形图中，一个周期内的两个平滑处正是二极管D_aT故障时AB和AC状态无法出现时所导致的，和理论分析***一个故障时波形一致。同时还进行了其它五个二极管每个二极管故障时的仿真，来证明仿真结果的正确性。二极管D_bT、D_cT、D_aB、D_bB、D_cB故障时的波形图分别如图4、图5、图6、图7、图8、所示。通过对这六幅波形图的分析，一个二极管故障时波形图走势是一致的，只是六种状态出现的顺序发生了改变，分析方法一样。

在建模仿真过程中仿真两个二极管故障时，故障对象依然是三相桥式全控整流电路中的二极管，两个二极管的故障仿真方式依然是把需要仿真故障的二极管移除进行仿真，首先仿真的是二极管D_aT和D_bB故障的波形图，移除二极管D_aT和D_bB后整流器输出端所产生的波形如图9所示。通过对图9所示波形图进行分析得，在一个周期内，和一个二极管故障类似，出现的两个平滑点说明在这两个平滑点处，***没有转换到其它状态而是依然按照前一个状态工作了一个状态时间是由于二极管D_aT和D_bB中无法出现的状态而只能由前一个状态代替所致。和一个二极管故障不同的是，两个二极管故障波形出现了一个状态是由一段线段代替。这是由于当前一个状态执行完后，所转换的后一个状态下的两种可能状态都由于二极管D_aT和D_bB的故障无法实现，这时，***处于了不工作状态，所以比一个二极管故障，两个二极管故障多出来一个不工作状态。同时，还进行了其它任意两个二极管组合成一对二极管故障的仿真。二极管D_aT和D_cB故障的波形图，二极管D_bT和D_aT故障的波形图，二极管D_bT和D_cB故障的波形图，二极管D_cT和D_aT故障的波形图，二极管D_cT和D_bB故障的波形图分别如图10、图11、图12、图13、图14所示。通过六个二极管故障的波形图分析，得到两个二极管故障的波形图走势是一致的，只是由于不同的两个二极管故障时状态出现的顺序发生了一定的改变。

飞机在飞行过程中，当电力***发生故障时，将会对飞机安全性产生严重威胁，快速正确对故障进行诊断和排除故障是最为有效的科学方法。本专利发明就是一种对飞机电力***某些故障的快速正确诊断的方法。当飞机检测***发现飞机电力***发生故障后，通过和本专利产生的故障波形进行对比，从而快速正确判断出飞机电力***的故障类型，以便正确隔离故障，使飞机脱离此故障对飞机安全性的威胁。

Claims (1)

1.一种飞机发电***的整流器故障仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立仿真模型，仿真模型中采用同步发电机作为飞机IDGs的励磁电机和主发电机，采用三相桥式全控整流电路作为飞机IDGs整流器；励磁电机产生的三相电压通过中间三相桥式整流电路得到直流电压，该直流电压为主发电机提供动力，主发电机产生三相电压为负载供电；

步骤2：在仿真模型中，依次对飞机IDGs整流器中的每个二极管单独发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中各个二极管单独发生故障的故障仿真波形；依次对飞机IDGs整流器中的任意两个二极管同时发生故障进行仿真，得到飞机IDGs整流器中任意两个二极管同时发生故障的故障仿真波形；二极管发生故障的仿真方法是在仿真模型中将该二极管移除该电路。