سیستم‌های تولید و توزیع توان الکتریکی یکی از حیاتی‌ترین بخش‌های هر هواپیمای مدرن محسوب می‌شوند. تقریباً تمامی تجهیزات ناوبری، سامانه‌های کنترلی، تجهیزات مخابراتی، عملگرهای الکتریکی، سامانه‌های روشنایی، پمپ‌های سوخت و بسیاری از زیرسیستم‌های دیگر برای عملکرد صحیح خود به یک منبع تغذیه پایدار و قابل اطمینان نیاز دارند. به همین دلیل طراحی و تحلیل این سیستم‌ها اهمیت بسیار زیادی در صنعت هوانوردی دارد. در این شبیه‌سازی، ساختار کامل یک سیستم تولید و توزیع توان الکتریکی هواپیما بررسی می‌شود که در آن فرکانس ولتاژ متناوب (AC) ثابت نبوده و مستقیماً به سرعت موتور هواپیما وابسته است. این ویژگی در بسیاری از هواپیماهای مدرن مشاهده می‌شود و باعث کاهش وزن، افزایش راندمان و ساده‌تر شدن تجهیزات تولید انرژی می‌شود.

معرفی ساختار کلی سیستم

این شبیه‌سازی یک مدل جامع از سیستم تولید و توزیع انرژی الکتریکی هواپیما را ارائه می‌دهد. کل سیستم از شش بخش اصلی تشکیل شده است که هر بخش مسئول انجام وظیفه مشخصی در فرآیند تولید، کنترل، توزیع و مصرف انرژی الکتریکی است. ارتباط دقیق این بخش‌ها با یکدیگر باعث می‌شود شرایط واقعی عملکرد یک سامانه قدرت هوایی با دقت مناسبی مدل‌سازی شود.

بخش اول: مدل‌سازی محرک مکانیکی ژنراتور

اولین بخش سیستم وظیفه شبیه‌سازی حرکت مکانیکی موتور هواپیما را بر عهده دارد. در این قسمت از یک Signal Builder برای تولید سیگنال سرعت محور موتور استفاده شده است. این سیگنال بیانگر تغییرات سرعت موتور در طول زمان بوده و ورودی مکانیکی ژنراتور سنکرون را تشکیل می‌دهد.

از آنجایی که در هواپیماهای واقعی سرعت موتور همواره ثابت نیست، تغییرات سرعت به صورت دینامیکی در این مدل اعمال می‌شود. این تغییرات مستقیماً بر فرکانس خروجی ژنراتور اثر گذاشته و باعث ایجاد شرایط واقعی‌تری در شبیه‌سازی می‌شوند.

بخش دوم: ژنراتور توان AC

بخش دوم شامل ژنراتور سنکرون تولیدکننده توان الکتریکی است. در این مدل از نسخه اصلاح‌شده ماشین سنکرون ساده‌شده با توان نامی 50 کیلووات استفاده شده است. ورودی مکانیکی این ماشین همان سرعت موتور است که در بخش قبل تولید شده است.

یکی از مهم‌ترین قسمت‌های این بخش، واحد کنترل ژنراتور یا Generator Control Unit (GCU) است. وظیفه این کنترل‌کننده تنظیم ولتاژ خروجی ژنراتور روی مقدار 200 ولت خط به خط است. این کنترل حتی در شرایط تغییر سرعت موتور نیز انجام می‌شود تا تجهیزات الکتریکی هواپیما همواره ولتاژ مناسبی دریافت کنند.

در عمل، واحد کنترل ژنراتور علاوه بر تنظیم ولتاژ، وظایف حفاظتی متعددی نیز بر عهده دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به حفاظت در برابر اضافه ولتاژ، کاهش ولتاژ، اضافه جریان و شرایط غیرعادی شبکه اشاره کرد.

بخش سوم: سیستم توزیع اولیه توان

پس از تولید انرژی الکتریکی، توان تولید شده وارد سیستم توزیع اولیه می‌شود. این قسمت شامل سنسورهای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان سه‌فاز است که وضعیت لحظه‌ای شبکه را اندازه‌گیری می‌کنند.

در این بخش یک کنتاکتور سه‌فاز نیز وجود دارد که مستقیماً توسط واحد کنترل ژنراتور کنترل می‌شود. این کنتاکتور تنها زمانی وصل می‌شود که سرعت موتور به مقدار مناسب رسیده باشد و ولتاژ تولید شده شرایط استاندارد لازم را داشته باشد.

همچنین یک بار مقاومتی کوچک به عنوان بار پارازیتی در سیستم قرار داده شده است. وجود این مقاومت باعث کاهش نوسانات عددی و افزایش پایداری حل معادلات در هنگام شبیه‌سازی می‌شود.

بخش چهارم: سیستم توزیع ثانویه

در مرحله بعد، توان الکتریکی وارد سیستم توزیع ثانویه می‌شود. این قسمت شامل چهار کلید حفاظتی (Circuit Breaker) است که مقدار جریان قطع هر یک به صورت مستقل قابل تنظیم است.

این کلیدها وظیفه محافظت از بارهای مختلف را بر عهده دارند. در صورت وقوع اضافه جریان یا اتصال کوتاه، مدار مربوطه از شبکه جدا می‌شود تا سایر تجهیزات بدون اختلال به کار خود ادامه دهند.

بخش پنجم: بارهای AC

بخش مهم دیگری از سیستم مربوط به بارهای متناوب هواپیما است. این بخش شامل تجهیزات مختلفی با ویژگی‌های عملکردی متفاوت است که هر کدام مصرف‌کننده بخشی از توان تولید شده هستند.

• واحد ترانسفورماتور و یکسوکننده (Transformer And Rectifier Unit) با توان 4 کیلووات که ولتاژ 28 ولت DC تولید می‌کند.
• موتور القایی سه‌فاز با توان 12 کیلووات که برای راه‌اندازی یک پمپ مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• بار مقاومتی 1 کیلوواتی که نقش سیستم روشنایی را شبیه‌سازی می‌کند.
• درایو موتور براشلس DC با توان تقریبی 3 اسب بخار که توسط یک اینورتر با مدل میانگین کنترل شده و وظیفه حرکت یک عملگر مکانیکی Ball Screw را بر عهده دارد.

وجود بارهای متنوع با ماهیت‌های مختلف باعث می‌شود رفتار دینامیکی سیستم قدرت هواپیما به شکل بسیار واقع‌گرایانه‌ای بررسی شود.

بخش ششم: بارهای DC

آخرین قسمت سیستم مربوط به بارهای جریان مستقیم است. این قسمت از باس DC تغذیه می‌شود که توسط واحد یکسوکننده ایجاد شده است.

بارهای DC شامل دو مصرف‌کننده مقاومتی شامل گرم‌کن و چراغ روشنایی و همچنین یک موتور DC جاروبک‌دار با توان 300 وات هستند که وظیفه راه‌اندازی پمپ سوخت را بر عهده دارد.

فرآیند شبیه‌سازی

در هنگام اجرای شبیه‌سازی، تمامی ولتاژها، جریان‌ها، سرعت موتورها و وضعیت باس‌های AC و DC قابل مشاهده هستند. همچنین برای هر بخش مهم سیستم اسکوپ‌های اختصاصی در نظر گرفته شده است تا رفتار دقیق تجهیزات بررسی شود.

مرحله اول: راه‌اندازی موتور

در زمان صفر، موتور هواپیما از حالت سکون شروع به شتاب گرفتن می‌کند. سرعت موتور طی مدت 0.4 ثانیه از صفر به 12000 دور بر دقیقه افزایش پیدا می‌کند. در این مدت ژنراتور نیز همزمان با موتور شروع به تولید ولتاژ می‌کند اما هنوز توان وارد شبکه اصلی نمی‌شود.

فعال شدن شبکه اصلی

در زمان 0.3 ثانیه سرعت موتور به مقدار 9000 دور بر دقیقه می‌رسد. این مقدار به عنوان آستانه عملکرد سیستم کنترل در نظر گرفته شده است. در این لحظه واحد کنترل ژنراتور کنتاکتور اصلی را فعال می‌کند و توان تولیدی وارد شبکه برق هواپیما می‌شود.

پس از اتصال شبکه، تمامی بارهای مقاومتی فعال شده و ولتاژ باس DC به مقدار 28 ولت می‌رسد. همچنین موتور القایی و موتور DC نیز شروع به شتاب گرفتن کرده و به تدریج به سرعت نامی خود نزدیک می‌شوند.

راه‌اندازی موتور براشلس

در زمان 1.4 ثانیه موتور براشلس DC شروع به حرکت می‌کند. مقدار مرجع سرعت برابر 500 دور بر دقیقه تعیین شده است و کنترل‌کننده با دقت بسیار بالا موتور را مطابق شیب تعیین‌شده شتاب می‌دهد.

این قسمت عملکرد مناسب حلقه‌های کنترلی سرعت و جریان را به خوبی نمایش می‌دهد و نشان می‌دهد که سیستم قادر است بدون نوسان محسوس سرعت مطلوب را دنبال کند.

تغییر جهت حرکت موتور براشلس

در زمان 1.9 ثانیه مرجع سرعت موتور از 500 به منفی 500 دور بر دقیقه تغییر می‌کند. در این حالت موتور وارد ناحیه ترمز احیاکننده می‌شود و به جای مصرف انرژی، همانند یک ژنراتور عمل می‌کند.

در نتیجه جریان اصلی کاهش یافته و انرژی تولید شده به مدار چاپر ترمز منتقل می‌شود. افزایش ولتاژ باس DC تا حدود 290 ولت باعث فعال شدن مدار ترمز شده و انرژی اضافی به صورت کنترل‌شده دفع می‌شود.

کاهش سرعت موتور هواپیما

در زمان 2 ثانیه سرعت موتور از 12000 به 10000 دور بر دقیقه طی یک ثانیه کاهش پیدا می‌کند. با توجه به وابستگی مستقیم فرکانس ژنراتور به سرعت موتور، فرکانس خروجی نیز کاهش می‌یابد.

در این شرایط سرعت موتور القایی نیز کاهش پیدا می‌کند زیرا سرعت سنکرون آن تابع مستقیم فرکانس شبکه است. این رفتار یکی از ویژگی‌های مهم موتورهای القایی محسوب می‌شود.

افزایش مجدد سرعت موتور

در زمان 3 ثانیه موتور مجدداً شتاب گرفته و سرعت آن طی مدت 1.5 ثانیه از 10000 به 18000 دور بر دقیقه افزایش می‌یابد. این افزایش سرعت موجب افزایش فرکانس ژنراتور شده و تمامی تجهیزات وابسته به فرکانس نیز متناسب با آن تغییر وضعیت می‌دهند.

قطع دستی یکی از بارها

در زمان 3.5 ثانیه کلید حفاظتی مربوط به واحد Transformer And Rectifier Unit به صورت دستی قطع می‌شود. این اتفاق باعث کاهش جریان کل شبکه شده و تغییرات جریان و ولتاژ باس DC به خوبی در تجهیزات اندازه‌گیری قابل مشاهده است.

چنین آزمون‌هایی برای بررسی عملکرد سیستم‌های حفاظتی و همچنین تحلیل رفتار شبکه در هنگام خروج بارها از مدار بسیار مفید هستند.

خاموش شدن موتور

در زمان 4.5 ثانیه موتور هواپیما شروع به کاهش سرعت کرده و طی مدت 1.5 ثانیه از 18000 دور بر دقیقه به صفر می‌رسد. همزمان با کاهش سرعت، فرکانس و توان تولیدی ژنراتور نیز کاهش پیدا می‌کند.

در زمان 5.26 ثانیه سرعت موتور به مقدار 8900 دور بر دقیقه می‌رسد که پایین‌تر از آستانه عملکرد سیستم کنترل است. در این شرایط واحد کنترل ژنراتور کنتاکتور اصلی را قطع کرده و شبکه الکتریکی هواپیما از ژنراتور جدا می‌شود تا از عملکرد نامطمئن تجهیزات جلوگیری شود.

تحلیل نتایج شبیه‌سازی

نتایج این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که علی‌رغم تغییرات گسترده سرعت موتور، سیستم کنترل ژنراتور قادر است ولتاژ خروجی را با دقت بسیار مناسبی در مقدار 200 ولت خط به خط حفظ کند. همچنین عملکرد هماهنگ تجهیزات حفاظتی، کلیدهای قدرت، واحدهای تبدیل انرژی، موتورهای الکتریکی و بارهای مختلف، پایداری مطلوب سیستم قدرت هواپیما را تضمین می‌کند.

از سوی دیگر، این مدل امکان بررسی رفتار گذرای تجهیزات، تحلیل کیفیت توان، ارزیابی عملکرد سیستم‌های حفاظتی، مطالعه پاسخ دینامیکی موتورها، بررسی فرآیندهای راه‌اندازی و توقف، تحلیل باس DC و AC و همچنین طراحی الگوریتم‌های کنترلی جدید را فراهم می‌کند. به همین دلیل این شبیه‌سازی یکی از نمونه‌های بسیار ارزشمند برای دانشجویان مهندسی برق، مهندسان سیستم‌های قدرت، پژوهشگران حوزه الکترونیک قدرت و طراحان سامانه‌های الکتریکی هواپیما محسوب می‌شود و می‌تواند مبنای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر در محیط Matlab و Simulink قرار گیرد.